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天然钻石 VS 合成钻石,应该如何鉴别?

2019-08-13 09:42:16

近些年,宝石级合成钻石比以往更加常见,消费者难免会担心所买钻石的真假,以及宝石学家或珠宝鉴定所是否能够对其予以鉴定。

有别于钻石仿制品,如合成立方氧化锆或合成碳硅石,两者只是看起来像钻石,但具有截然不同的化学和物理特性,易于区分。

而合成钻石的化学和物理特性与天然钻石非常接近,相比而言更难鉴别。为了准确的区分天然与合成钻石,GIA 在过去 0 年里对合成钻石的制作及鉴定方法进行了广泛而深入的研究。

左:天然钻石颜色;中:处理后的天然钻石颜色 ;右:处理后的合成钻石颜色

为此,GIA建立了一个大型数据库,里面包含有关各类型钻石的宝石学特征信息, 利用该数据库可以有效的鉴别天然、合成以及经处理的钻石。

那么,合成钻石究竟该如何鉴定呢?一起来往下看学习一下吧!

钻石的分类

要想区分天然与合成钻石,首先需要了解钻石是如何分类的:根据钻石有无氮原子,钻石可分为 I型和 II 型钻石,I 型钻石含有杂质氮原子,而 II型钻石则没有。

C=碳原子 N=氮原子 B=硼原子

根据氮原子的聚集状态,I 型钻石可进一步分为 Ia 型钻石和 Ib 型钻石, Ia 型钻石中氮原子呈聚集状态,Ib 型钻石中氮原子呈孤氮分布。

根据有无其他杂质原子,II型钻石可进一步分为 IIa型钻石和 IIb 型钻石,IIa 型钻石不含其他杂质元素,IIb 型钻石常含硼原子。

天然与合成钻石生长过程的区别

天然钻石在一系列温度和压力条件下生长。其温度比生长合成钻石所用的温度更高。 在高温下,钻石生长为八面体晶体,但在较低的实验室温度下,它们生长为同时包含八面体和立方体晶面的晶体。

天然钻石的漫长生长时间意味着,大多数钻石中的氮杂质必须经过一段时间进行聚集,以成对或成群出现,从而形成大部分,即95% 以上的Ia型钻石。

合成钻石的生长周期非常短,只需要数周至一个月或更久,条件与地球深处的天然钻石形成条件不同。由于生长期非常短,合成钻石晶体的形状与天然钻石有很大不同。

天然钻石晶体(左)显示典型的圆形八面体形状。

火山爆发构成了金伯利岩管(中),从而将这些晶体带到表面。

天然宝石级钻石的理想晶体形状是八面体(右)。

钻石的合成方法

传统的合成方法,称为高温高压 (HPHT) 法,涉及利用铁 (Fe)、镍 (Ni) 或钴 (Co) 等熔融的金属合金形成钻石。较新的方法,称为化学蒸气沉淀法 (CVD) 或低压高温 (LPHT) 法,涉及从真空室内的气体形成钻石。在两种方法中,都是使用钻石晶体或板块被用作晶种,以开始合成。

高温高压合成钻石

高温高压(HPHT) 钻石生长发生在装置内的一个小舱室里,该装置能够产生非常高的压力。在舱室内,钻石粉末原料溶解在熔融的金属助熔剂中,然后在晶种上结晶,以形成合成钻石晶体。 结晶过程需要数周至一个月或更长时间,以形成一个或几个晶体。

除了八面体表面,HPHT 合成钻石晶体通常还会显示立方体表面。 由于天然和 HPHT 合成钻石晶体的形状不同,它们的内部生长模式也大不相同。 这些生长模式可能是将其区分的最可靠方法之一。

打磨后的刻面合成钻石通常会展示出一些可见特征,例如颜色分布、荧光分区和孪晶纹,这都与它们的十字形生长区结构有关,偶尔还会显示有深色的金属助熔剂内含物。某些情况下,在关闭紫外线灯后,材料可以持续性地发光,即磷光现象。这些合成钻石可以通过专业鉴定技术(比如可见光和荧光光谱)来进行可靠鉴定。

大多数 HPHT 生长晶体呈黄色、橙黄色或褐黄色。 几乎所有均为 IIb 型,该类型在天然钻石中非常稀少。

制造无色 HPHT 合成钻石非常具有挑战性,因为需要修改生长条件和设备,以排除氮。 此外,高纯度无色钻石(IIa 型或较弱的 IIb 型)的生长率比 Ib 型合成钻石的生长率低,因此在温度和压力条件下需要更长的生长时间和更大的控制。 虽然生长优质无色 HPHT 晶体一直都很困难,但最新发展技术已经能制造出用于超过 10 克拉的钻石晶体。

蓝色合成钻石的出现是因为在钻石生长过程中添加了硼。其他颜色,例如粉红色和红色,可通过宝石后期生长处理工艺(包括辐射和加热)来产生,但较不常见。

在高温高压合成中,压力机(左)对包含必要成分的中间生长室应用极高的压力和温度。这便产生了立方体和八面体表面(中和右)相结合的合成钻石晶体。

CVD 法合成钻石

CVD 钻石生长在填充有含碳气体(如甲烷)的真空室内进行。 能量源(如微波束)分解气体分子,碳原子向下吸附到扁平的钻石排种盘中。 结晶过程需要数周时间,以同时形成多个晶体。 确切的数量取决于真空室的尺寸和排种盘的数量。 板状晶体通常带有粗糙的黑色石墨边缘。 它们常常还会显示为褐色,在进行宝石刻面的步骤之前,通过热处理可去除该颜色。

市场上常见的宝石级CVD法合成钻石(0.22 至 0. 1 克拉)

大多数 CVD 晶体都呈褐色或灰色,但如果将微量的氮或硼引入到真空室中,也能产生黄色、粉红橙色或蓝色的晶体。采用这种方法制造无色晶体则更容易,但晶体生长的时间要更长。目前市场上销售的大多数 CVD 生长的无色钻石都被认为是已经过高温高压热锻脱色处理的褐色晶体。最常见的 CVD 合成钻石是 IIa 型。

与 HPHT 生长的材料相比,CVD 合成钻石表现出不同的宝石性质。当被放在交叉偏振滤光镜之间观察时,它们往往呈现有色带状的“应力”图案,且净度很高,只有少量深色的碳内含物(若有)。

在化学蒸气沉淀法 (CVD) 合成中,富含碳的气体在平坦的钻石晶种表面沉积,从而形成合成钻石。

合成钻石在薄层中生长,其最终厚度取决于允许生长的时间(左)。

这便产生了扁平的板状晶体(中和右),外部带有黑色石墨晶体涂层。

与 HPHT 合成一样,CVD 合成不断改善,允许制造商提供更大尺寸和经过改善的颜色与透明度。GIA 近期对两颗重量为 2.51 和 .2 克拉的大尺寸 CVD 合成钻石进行检测,这是迄今为止检测的最大的 CVD 生长钻石。

理想化晶体(从左至右):CVD 合成品、HPHT 合成品和天然钻石。

八面体表面显示为黄色,立方体表面为蓝色。 大部分天然钻石生长为八面体(右),但 HPHT 合成品(中)通常显示立方体和八面体表面的结合。 CVD 合成品(左)中完全没有八面体表面。晶体生长的方向如箭头所示。 虚线代表 HPHT 合成钻石中晶种的位置和 CVD 合成品中晶体的边缘。

天然与合成钻石的鉴别

在过去的几年中,越来越多的公司开始生产用于珠宝的合成钻石。 他们不断改善净度和颜色,并提高克拉重量。 考虑到新闻报道中出现的大量合成钻石,GIA 仅遇到少量合成钻石,显然是在不知情的情况下提交给 GIA 出分级证书的。

为了鉴定各种类型的宝石原料,训练有素的宝石学家使用多种宝石检测设备,包括折射仪、紫外荧光灯、双目显微镜、偏光器及其他检测工具。 由于合成钻石的质量逐渐提高,使用标准设备将其与天然钻石区分开来变得更加具有挑战性。

即使是训练有素的宝石学家也可能无法识别合成钻石,但GIA 可以进行鉴定。

两种合成钻石的不同视觉特征

在 GIA 的季度专业期刊《宝石与宝石学》(Gems & Gemology) 有关合成钻石的文章中,已经对这些诊断特征进行讨论和描述。

这些视觉特征是大部分合成钻石所具有的特性,但并不是每个刻面合成钻石都将表现出所有这些特征。 例如,特定的合成钻石可能不会显示任何荧光。 因此,根据尽可能多的诊断特征鉴定合成钻石非常重要。

HPHT 生长彩色合成钻石通常显示不均匀的着色,使用显微镜可以在透射光下看到,如果需要,将切割的宝石浸泡在水或矿物油中可以减少表面反射。 这种颜色分区现象是由于杂质(如氮)在晶体合成时融入到合成钻石晶体所致。 有时,天然钻石会表现出一些颜色分区,但不是 HPHT 合成钻石中显示的几何图案。

彩色 HPHT 合成钻石中的颜色分区与不同晶体表面相对应,产生与天然钻石晶体不同的图案。一些杂质元素尤其集中在生长方向。标记 Ib 的区域包含分散的氮杂质,标记 IIb 的区域包含硼,无 域 (IIa) 通常没有杂质元素。通常只有合成钻石在相同晶体中显示氮和硼杂质的混合物。

相比之下,CVD 合成钻石一般显示均匀的着色。

HPHT 合成钻石通常显示固化助熔剂金属的内含物,该内含物在透射光下呈黑色、不透明,但在反射光下呈现金属光泽。由于用于钻石生长的助熔剂金属合金通常包含铁、镍和钴等元素,因此含有较大金属内含物的合成钻石可以通过磁铁拾起。

CVD 生长合成钻石可通过不同方式形成,并且不含有金属内含物。

一些天然钻石包含石墨或一些其他矿物等深色内含物,但这些内含物不具有金属光泽。

在两个相互呈 90 度角的偏振滤光片之间检查时,天然钻石表现出明亮的交叉影线或干扰的马赛克图案或“应力”颜色。这些干扰色是当钻石在地球深处时或者在火山爆发而被带到地球表面的过程中因钻石受到压力而出现的。 相比之下,合成钻石生长在几乎均匀的压力环境下,不受到任何应力,因此以相同方式检查时,它们不显示应力图案或弱带状应力图案。

通常,合成钻石的荧光也有助于进行鉴定,与长波紫外线灯相比,它在短波下更强,可以显示不同的图案。

高压高温合成钻石在冠部或底部显示十字形荧光图案

HPHT 合成钻石的切割宝石冠部或底部往往会显示十字形荧光图案。

通过底部刻面观察时,CVD 合成钻石可能会显示条纹图案。典型的荧光色为绿色、黄绿色、黄色、橙色或红色。关闭紫外线灯后,合成钻石可能会出现长达 1 分钟或更长时间的持续磷光。

GIA会使用一种名为 Diamond View 的荧光成像仪器,用于检查钻石。 该仪器可以显示钻石晶体内部的生长模式特点。

借助 DiamondView 成像系统(上),GIA 可以查看天然和合成钻石的生长模式

同轴生长模式(左)可识别该宝石为天然宝石

而十字形模式(中)是 HPHT 合成品的诊断依据

在这种圆形钻石的中间部位看见的常规条纹(右)表明它是一种 CVD 生长合成

珠宝业面临的真正的鉴定挑战是对非常微小的钻石,或米粒钻,进行检测。 该材料成包出售,含有数百至数千颗小宝石,其中包括天然和合成钻石。

这组 59 颗色彩浓烈的圆形黄钻(0.02-0.0 克拉)是由 GIA 筛选出来的。

大部分是天然钻石(左),14 颗为 HPHT 合成钻石(中),还有一颗是经 HPHT 处理的天然钻石(右)。

这些钻石外观一致,很难用肉眼区分。

为了帮助珠宝业解决该问题,GIA 最近开发了一种自动仪器,可检测非常小的钻石,并将在鉴定所推出新的检测服务。

作为合成钻石持续研究项目的一部分,GIA 最近建立了一个 CVD 生长实验室,在该实验室中,GIA能够生产自己的合成钻石,以用于研究。

GIA 的化学蒸气沉淀法 (CVD) 钻石生长实验室

可以在真空室内看见不断生长的合成钻石晶体(左)。 生长完成后,晶体从真空室内移出(右)。黑色的表面覆盖着无色内部。

概括地说,现在可以提供越来越多的合成钻石,用于制作珠宝。基于 60 多年的研究,GIA 鉴定所可以鉴定许多宝石学家无法鉴定的合成钻石。

来源:GIA

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GIA、IGI认证宝石专家

小南

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