高级宝石学钻石论文

高级宝石学课程论文摘要钻石被称为“变化无常世界中永恒的珠宝”，它源自远古，孕育于地球深部。它的矿物名称是金刚石，其摩氏硬度为10，密度为3.52g/cm3，折射率为2.417，色散为0.044。本文先介绍了钻石的形成原因，大多数钻石来自于地幔，由地质运动带到地表。然后简单概述了钻石的物化性质、加工工艺以及优化改善工艺。经过多年快速发展，中国在钻石加工业已处于世界第二。最后根据近年的报道，总结钻石市场的走向。关键词：钻石，物化性质，加工，优化工艺，市场1.钻石的形成1.1钻石的形成年代与条件根据含钻石的捕掳体成分特征，可以将钻石分为橄榄岩型钻石和榴辉岩型钻石。虽然钻石本身无法用地质年代测定技术直接测定年龄，但是可以测试钻石内部的一些微小包体，这些包体含有可以测定年龄的一定量的放射性衰变元素。结果表明，橄榄岩型钻石的年龄为33亿年，榴辉岩型钻石的年龄为15.8亿年和9.9亿年。[1]而金伯利岩与钾镁煌斑岩作为把钻石捕掳体带到地表的搬运介质，年龄要小的多。橄榄岩型钻石的包裹体表明，它们的形成温度为900~1300℃，压力为（45~60）×108Pa，相当于地球120~180km的深度，而榴辉岩型钻石的形成温度大约1250℃，压力数据显示它们可能来自180km以下更大的深度。[2]1.2钻石的矿床类型钻石的矿床类型分为两类，原生矿床和次生矿床。1.2.1原生矿床根据赋矿岩石的特征，将钻石原生矿床分为金伯利岩型和钾镁煌斑岩型。金伯利岩是含钻石的主要寄主岩石。它来源于地球深部，以气体(C、H、O为主要成分)、液体(超镁铁质岩浆)和固体（地幔橄榄岩和榴辉岩)的混合物形式到达地壳浅层，在岩浆上开过程中，熔体捕虏了含钻石的橄榄岩和榴辉岩，并携带这些捕虏体、捕虏晶(包括钻石)沿构造薄弱地带到达地壳浅层。世界不同地区的金伯利岩有不同的组成，这与上升过程中所穿过的岩石类型有关。1979年，在西澳大利亚地区发现另一种赋存钻石的岩石——叫钾镁煌斑岩。像金伯利岩一样，钾镁煌斑岩也以筒状体或岩墙形式产出，但与金伯利岩相比较，其岩筒有一个相对于主要通道来说特别大的火山口带。它同样捕虏了地幔的含钻石的橄榄岩、榴辉岩等捕虏体。1.2.2次生矿床次生钻石矿床是指那些靠自然作用对原生钻石矿搬运形成的钻石矿床。分为古代砂矿和现代砂矿。古代砂矿包括前寒武纪、晚古生代、中生代发育的钻石砂矿，但最主要的是前寒武纪砂矿。现代砂矿包括重砂矿物在河水的搬运或分选作用下富集而成的冲积砂矿，以及经河流搬运到河流入海口，并被海流沿海岸带沉积而形成的砂床。1.3钻石成因1.3.1地幔成因构成地幔的岩石大部分为橄榄岩，主要由橄榄石和辉石组成。克拉通，亦称地盾和地台。在久远的地质时期形成的陆壳区，因地球活动而多次褶皱、受热、拉胀和破裂，现在这些大陆区形成了厚厚的坚实的克拉通。在上地幔超高温高压的环境下，碳以固体矿物、二氧化碳或者甲烷的形式存在。大约30亿年前，克拉通地壳下方特定的化学组分、温度和压力为碳结晶成钻石晶体并存在于固体岩石中提供了条件(其他地方的地幔岩石中也含有钻石)。被环流作用带入的岩石，经历一个连续作用的过程，碳现在仍在继续环流进人地幔。富含长石的岩石，如玄武岩和辉长岩在高压下转变为榴辉岩，在特定的条件下榴辉岩中的石墨可转变为钻石。金伯利岩浆在上地幔深处形成，随后沿着深断裂上升至地壳浅部侵位，形成岩墙、岩床、岩脉等产状，结晶成粗细不等的斑状结构的金伯利岩。1.3.2变质成因在石榴子石-辉石-云母片麻岩和片岩中的石榴子石中发现钻石以包裹体小于0.1mm形式存在，推断出这些钻石可能是变质作用形成的。没有工业意义，更没有宝石意义。1.3.3陨石成因在陨石中发现许多显微钻石和六方钻石，可能由于形体内部的高静压力生成钻石、陨石，与地球撞击时产生高压生成钻石或在星云低压下化学蒸汽沉淀作用生成钻石。[1]2.钻石的物化性质钻石中C的质量分数可达99.95%，微量元素包括N、B、H、Si等可达50多种，这些微量元素决定了钻石的类型、颜色与物化性质。[2]自然界中绝大部分钻石属于无色-浅黄色系列，另一常见的为淡褐-褐绿系列的咖啡钻。其余五颜六色的统称为彩色系列。钻石的折射率极高，色散是钻石所具有的十分突出的光学性质，每当光线在钻石中被反射一次，色散即被放大一次，因此大钻石看上去比小钻石有更多的火彩。钻石是自然界中最硬的物质，其摩氏硬度为10，绝对硬度是石英的1000倍，是刚玉的150倍。钻石的硬度随着其晶体结构的异向性而有差异，这就是钻石的差异硬度。在切磨钻石的时候，是用钻石硬的方向磨钻石较软的方向，只有钻石才能切磨钻石。钻石密度为3.52g/cm3，可以抵抗很大压力，但是经不起撞击。钻石的热导性非常好，热膨胀性非常低。由于钻石内部常有其他热膨胀性较高的矿物包裹体，加热钻石会使其破裂。钻石在空气中850℃时开始燃烧生成CO2，在绝氧条件下2000℃会变成石墨。另外钻石有明显的亲和油脂而排斥水的性质，它的化学稳定性非常好。大多数钻石是良好的绝缘体。3.钻石加工3.1钻坯分级宝石级钻石价格昂贵，产量稀少，加工难度大，要求加工者对每一粒钻坯都要区别不同的情形进行不同的加工处理。而天然钻坯在形态、重量、颜色和净度等方面千差万别，因此对钻坯进行分级是加工前的必要准备工作。钻坯分级是指质量分级。尽管不同国家和国际著名钻石加工企业的分级体系不尽相同，但都考虑了4个基本的分级指标:重量、形状、净度和颜色。其中分级的基础是钻坯重量，二级指标是形状。戴比尔斯中央销售机构(DeBeersCentralSellingOrganization，CSO)按这4个基本指标将钻坯分成近5000个等级和副级。比利时的国家标准分了900多个级别。[3]3.2加工的五道工序钻石加工通常由以下工序组成：设计、劈钻、锯钻、车钻、磨钻。但并不是每颗钻石都需要经过这五道工序，必不可少的只有设计与磨钻。钻坯设计，是用画线笔和规定的符号在钻坯上标出劈、锯的位置，依据的原则主要有保重原则、求净原则、适销原则和省工原则。[1]劈钻目的，在于最大限度地提高钻坯的有效利用率，它能够以较少的原料损耗和时间消耗把钻坯分成若干块。锯钻是选择合适的锯片，把钻石晶体分割成一块或多块毛坯的过程。与锯钻相比，劈钻对钻坯的利用率更高，钻坯损耗更少，时间消耗也少得多。但劈钻应用的范围没有锯钻广，且技术难度较大。车钻是对成品钻石的腰形进行成型处理，以确定未来成品钻石的形状。腰形一旦确立，成品钻石的大小就基本确定，它与钻石价值有直接的关系。磨钻是钻石加工工艺流程中劳动量投入最大（50%~60%），损耗率最大(40%~60%)的工序，钻石的光彩、闪耀程度取决于这道工序。分为研磨和抛光两步。3.3加工工艺的发展宝石级钻石的加工可以追溯到公元前3000年前的古印度，那时的印度钻石工匠们就已经知道用钻石打磨钻石的手工艺方法，并一直延续到15世纪，才由欧洲人发明了机械加工钻石的技术工艺。[3]近代以来，钻石的传统加工方法以锡斗为主要加工工具，锡斗是一种比较原始但又比较安全的紧固钻石的工艺选择，它由一个半圆铜斗、外连一紫铜杆、内盛锡铅合金构成。铜斗内的锡铅合金可以随温度的升降，或软化，或固化。软化时可将钻石按加工要求镶入其中，待水冷却后，钻石可被紧固进行加工。再经加温，锡铅合金稍有软化，即可将钻回取出，非常方便。[4]现代随着以微电子和计算机技术为代表的新技术革命的到来，钻石加工技术与工艺发生了巨大的变化，自动化、智能化和数字化是现代钻石加工工业的发展趋势。例如，在钻坯设计时，计算机三维模拟技术和数字摄像技术集成的钻石辅助设计系统使整个过程变得十分简单。计算机根据设计者给出的钻石琢型及参数，计算出可能的出成率和损耗率，从而估算出成品钻的总价值。通过变换琢型和参数，可得到不同的设计方案，核算成本后，就可以得到最佳的设计方案。比利时生产的“比吉-B”型半自动磨钻机上带有4个装有9个磨头的夹具，可同时加工36颗钻坯。另外，在现代钻石加工中，激光技术得到了广泛的运用。如，劈钻的刻槽工序中可使用激光提高效率；激光锯钻时，利用高能粒子轰击钻坯产生的极高温度使钻坯产生汽化，从而分离钻坯。激光车钻的原理与锯钻类似，但是后续需要进一步使用机械车钻机或磨钻机去除由激光作用产生的石墨化层。[3]中国的钻石加工业起步较晚，但发展非常迅速。2003年，由山东省莱州市珍珠镇河崖村机床通用配件厂生产研制的钻石成套加工专用机械——通用型数控自动化钻石成套加工机获得成功，标志着我国珠宝钻石加工业己迈入国际化生产标准的行列。[5]2004年，我国成为继印度之后的世界第二大钻石加工基地，年加工出口钻石300多万克拉，出口额近10亿美元。[6]2006年，中国的钻石加工工人超过了5万人，虽然连印度的二十分之一都不到，但人均产值超过印度一倍。[7]在比利时于广东番禺开设的钻石加工厂里，许多年纪不大的中国工人有着多年钻石切割经验，“中国工”正逐步成为优良工艺和品质的代名词。[8]4.钻石的优化改善工艺钻石的4C分级标准包括重量（carat）、颜色（color）、净度（clarity）和切工（cutting）。其中切工是依靠钻石切割师的后天工艺，其余三项是先天确定的。但是凭借现代技术，可以对它们进行优化处理。4.1净度处理4.1.1激光钻孔传统的外部激光打孔处理技术在20世纪60年代引入。当钻石中含有影响钻石净度的有色或黑色包体，可用激光在钻石中烧出一个直达包体的很小的孔道，包体可被激光烧掉；或者打孔后用酸漂白色体。处理后可用玻璃或者环氧树脂充填孔道。这种方法处理的钻石可在10倍放大镜下发现激光的孔口，但是镶嵌后孔口可能被掩盖。[9]KM处理方法4.1.2裂隙充填八十年代以色列Yehuda公司发明了钻石的裂隙充填技术，主要是用来处理有开放裂隙的钻石，商业中被称为“吉田法”。[10]另外纽约也产生了奥德法的裂隙充填钻石。按目前《钻石分级》国家标准的规定，将不对经过裂隙充填的钻石进行分级。[1]4.2颜色处理一些浅黄色和褐色的钻石是不被人们喜爱的，利用各种物理方法可以对其进行改善，得到受欢迎的白色或其他彩色钻石。4.2.1辐射和热处理辐射是使γ高能粒子进入宝石晶体内，通过能量交换，晶体内产生大量的点阵缺陷和离位原子缺陷形成色心。色心的能量有高有低，形成不同颜色的混合，故需要再进行热处理来破坏低能量色心，清楚杂色。[1]胡葳[11]采用电子束加速器对27颗天然圆多面型钻石（颜色为浅黄或褐色，主要为ⅠaAB型）进行辐照，实验后大多数样品变成蓝绿色，少量为浅蓝色。GIA实验室于1956年就发现通过辐照或加热处理的改色钻石在595nm处会有吸收峰分布，虽然这一吸收峰在经过高于1000℃以上的高温处理之后可以消除，但却会在1963nm和2024nm处出现两处新的吸收峰。这三处的红外光谱吸收线都是天然彩色钻石所不具有的，因此也将这三处的吸收线作为人工辐照改色处理的判定典型吸收线。[12]4.2.2高温高压处理1999年，美国通用电气公司（GE）宣布采用HTHP处理技术能使褐色、灰色的Ⅱa型钻石变为无色-近无色，偶尔可出现淡粉色。他们承诺在处理过的钻石腰棱面用激光刻上“GEPOL”字样，现改用“Bellataireyear-serialno.”字样。诺瓦公司（Nova）则宣布采用HTHP处理技术能使Ⅰa型褐色钻石变为黄绿色，处理方法尚属保密，这些钻石刻有Nova的标识，并有唯一的序号和证书。[11]4.3镀膜处理在1952年，美国联邦碳化硅公司的WilliamEversole在低压条件下用含碳气体成功地同相外延生长出钻石。1956年，苏联科学家通过研究显著提高了CVD合成钻石的速度，但是这种方法合成的钻石生长速度仍然很慢，难以达到商业性的生长。80年代日本科学家在这项合成技术上取得重大突破，钻石生长速度已经超过每小时1微米。[13]这为钻石镀膜的优化处理带来了商业意义。比如，通过CVD法使0.99ct钻石生长一层钻石膜，使其达到1ct以上，这可以大大提高钻石的价值。5.市场前景2014年美国钻石珠宝消费同比出现了目前为止最强的增长幅