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ref: 程人俠任職於龍潭核能研究所
摘 要】鑽石是人類所知最硬的材料，可用於做首飾及切削工具，因產量稀少，致價格昂貴。自從人造鑽石研究成功後，若干工業國家 都在致力研究並設廠生產。蘇普洛維茲（B.O.Szuprowicz）在「如何避免戰略物資的短缺」一書中將鑽石列為戰略物質之一，蓋因碳化鎢刀具、陶瓷 材料、玻璃纖維、強化塑膠等材料之研磨切削，非鑽石工具莫辦，故為發展精密機械工業所必需。
鑽 石為碳的同素異形體，石墨也是由碳所構成，不同的是鑽石屬立方晶系，石墨屬六方晶系。鑽石的比重為3.52，石墨為2.25。鑽石莫氏 （Mohs）硬度 為10，剛玉為9，但鑽石比剛玉的硬度大1度並不足以顯示鑽石的高硬度，耐磨測試結果知道，鑽石比剛玉要硬140倍，比硬度為7的石英要硬1,000倍以 上。鑽石單晶的硬度依結晶面而異，以八面體的面最硬，立方體的面硬度最低，八面體面也是鑽石最易裂開的面。
鑽石比其他的礦物和玻璃更易透過X光。有些鑽石能在紫外線下發出螢光。鑽石是熱的良導體，也是電的半導體，能應用於電子零件，例如熱能電阻（thermister）。
鑽 石的折射率極高，對紅光為2.402（波長7,628Å之光），紫光為2.465（波長為3,969Å之光），故散射度為0.063。如以黃色鈉 光為標 準測試折射率，則為2.417。全反射臨界角為24.5°。因為這些光學性質，鑽石經適當切割研磨後，能顯示出奪目的光彩。
首飾 用的鑽石多為結晶相當均勻的單晶，透明無色或紅、淺紅、橙、黃、綠、藍、紫、棕和黑等色。一種顏色較雜，而且內部聚集著不規則多晶體的鑽石稱為 bort，硬度高不易碎裂，常用在研磨劑、岩石鑽頭、抽絲模等工業用途上。另有一種呈灰色由極多微小晶體構成的鑽石叫作黑金剛石（carbonado）， 比單晶鑽石韌性高，很適合用來鑽切岩石，價格甚至比寶石級鑽石更貴。
全球鑽石產量以南非和蘇俄為首，其他非洲國家如那密比亞（Namibia）、薩伊、羅德西亞、印度、巴西以及美國北部也有少量生產。巴西的鑽石礦發現於1725年，南非則在1867年才發現鑽石。
目 前自由世界的鑽石市場全部由南非戴比爾斯（De Beers）公司所操縱。它控制鑽石的生產、制定價格並執行它的鑽石貿易條例，誰也不敢違反。戴比爾斯尚經營其他事業，它屬下的各公司都聽命於「中央販賣 組織」（Central Selling Organization，簡稱CSO）。五十年來該公司對穩定鑽石價格立下不少功勞，但最近三年該公司經營失利；在「財星」雜誌的世界最大公司排行榜 上，已由第169位降至339位。1980年鑽石價格達到最高峰，戴比爾斯出售的鑽石價值達二十八億美元，其中十一億為營利。1981年營業額降至一半， 利潤也降低了34％。目前庫存鑽石價值十四億美元。在慶伯利（Kimberley）和（Lesotho）的鑽石礦都已關閉，慶伯利是一百多年前南非發現鑽 石的小鎮。
歷史上很多人研究鑽石的製造，但都沒有確定性的成功。1951年美國奇異公司在紐約州斯克奈塔第（Schenectady）的 研究發展中心，成立人 造鑽石 研究小組。1954年，赫爾（H.T.Hall）成功地製造出第一顆人造鑽石，所用高壓設備在200,000巴（bars, 即3,000,000 psi）的壓力和5,000℃的高溫下穩定地維持數小時。1957年，奇異公司開始生產商業化小粒鑽石。他們的生產技術直至1960年才公開發表。 1957年奇異公司宣布立方系氮化硼研究成功，商業名稱波拉松（borazon），它是硬度僅次於鑽石的材料。1970年奇異公司宣布合成寶石級鑽石成 功，有透明體和各種彩色產品，最大顆粒為一克拉。
現今世界上有許多國家都利用高壓生長法，從石墨製造人造鑽石。據估計，工業上研磨用鑽石約有三分之二來自人造鑽石。以美國來說，奇異公司設在俄亥俄州的工廠生產量約100百萬克拉（合20,000公斤），約為自由世界產量的一半。這種鑽石一克拉的價格約為數美元。
世 界上生產量居於次位的廠商便是戴比爾斯集團，他們向奇異公司購買人造鑽石專利權，在南非和歐洲設廠製造。設在日本東京附近的Tomei鑽石公司也 生產人 造鑽石。蘇俄方面，在莫斯科有鑽石的研究室，工廠則設在Poltowa、Yerevan和基輔。新近美國又有一家公司加入生產行列，即是位於密西根州安那 堡（Ann Arbor）的懷狄曼國際公司（ValdiamantInternational Division），在安那堡和芬蘭的雷蘭（Lemland）設廠。此外尚有美國聯合合成公司（U.S. Synthetics Corp.）也生產人造鑽石。
戴比爾斯也製造和出售立方系氮化硼刀具，其商業名稱為amborite，也就是奇異公司波拉松的材料。六角 方氮化硼和石墨一樣硬度頗低，必須在高 溫、高壓 下使其轉化（正方系晶體，則硬度僅略遜於鑽石。天然或人造鑽石的粉末，應用粉末冶金方法，可以在高溫、高壓下燒結為塊體，成為複晶體材料，作為工具用途比 單晶鑽石優秀。因為單晶鑽石的性質具方向性，硬度依晶軸方向之不同而變，且極易依解理方向斷裂，複晶材料則無此弊。正方系氮化硼材料也是以粉末冶金方法做 成複晶材料，以刀片嵌鑲於刀柄上作刀具使用。
天然鑽石依性質不同， 可以大別為四大類：節Ia型、Ib型、IIa型和IIb型。Ia型和Ib型鑽石都含有氮。氮在Ib型鑽石中以個別或局部存在， 使鑽石 呈現黃色；在Ia型鑽石中，氮的含量雖較多聚集成大團或板狀，但仍然不能用普通顯微鏡觀察出來，這種鑽石仍屬無色。IIa型鑽石純淨不含雜質，故無色，為 最佳導熱體。IIb型鑽石含硼，呈藍色，具導電性。
這四種類型的鑽石，都已在實驗室中複製出來。無色的IIa型鑽石因不含雜質，故製造時 須在特殊情況下，避免讓氮進入鑽石晶體，在十萬個碳原子中如有 數個氮 原子進入，即足以造成強烈黃色的Ib型鑽石。如氮含量更高，每千個碳原子有一個以上氮原子時，顏色則加深為綠色，晶體生長也變得較為困難。少量氮原子能使 鑽石硬度增加，但多到鑽石變成綠色，則硬度反會降低。其他易於進入鑽石結晶構造的元素有鋁、鈹、硼和鋰，這幾種元素都能使鑽石產生導電性。這些元素中硼能 使鑽石產生藍色，在一百萬碳原子中只需幾個硼原子便夠用，如果一萬個碳原子中有一個硼原子，便會造成不透明的藍黑色鑽石。
為了使鑽石加 色，1904年克羅克以鐳鹽產生的放射線照射鑽石，可以使鑽石變成綠色，但鑽石也變成具放射性。以加速器帶電質點照射鑽石，可產生綠至 黑色， 鑽石本身因此所造成的放射性很輕微，數小時後即衰減。這二種處理方法只能在表面著色，若在反應器中以中子照射，則能均勻著色。將照射後的鑽石加熱、色素淡 化至棕、橙、黃等色。鑽石以電子照射可產生藍至綠色，再經加熱亦能繼續變色。由電子照射所致的藍色不同於IIb型硼雜質所致的藍色，後者具導電性。在少數 情形下，照射能產生淺紅色。
天然鑽石是碳在地殼深處，約112公里以 上，在高溫、高壓的岩石中經漫長的歲月結晶出來的。這些含有鑽石的岩石，經由火山爆發穿越重重岩層到達地 表，岩漿 凝固後地層中便存留一條垂直的岩石柱，名叫火山柱（volcanic pipes）。在過去歲月中火山岩層連同火山柱上部都已侵蝕而去，地層中的火山柱便是今日南非各處的鑽石礦。而那些遭侵蝕的火山柱上部所含的鑽石並未失 去，至今若干南非溪流的砂礫中和橘河出海口附近都能採到鑽石。
火山柱的岩石是一種名叫角礫雲母橄欖岩（kimberlite）的高鹼性岩 石，呈深綠色。地表風化的角礫雲母橄欖岩成為一種黃棕色泥土，由地表向下 採掘， 則泥土轉變為藍色，表示尚未經過劇烈風化作用。其下則是未經風化的角礫雲母橄欖岩。鑽石礦順著火山柱掘下去越掘越深，有的礦坑已深達1,072.90公 尺。鑽石礦的深度為未知數。這類火山柱從南非至薩伊不下數百個，但只有少數含有鑽石。
由鑽石礦採出的岩石以壓碎機碾碎，機上配有特殊彈 簧，使大塊鑽石不致壓碎。碎礦經過水洗除去污泥和輕質礦物，剩下的重質含砂只有原先礦石的2％。再 經選礦 留下重礦物如柘榴石、鋯英石、黃鐵礦和鑽石。最後由水流沖過振動床，使鑽石黏附於塗抹油脂的床面，其他礦物為水沖去。每一礦場每日約需處理碎石4,000 噸。在1906年至1914年，南非聯邦鑽石產量最高峰時，每年可採鑽石五百萬克拉以上。
人 造鑽石的成功應歸功於高壓技術設備的研究，其中布里吉曼（P.W.Bridgman）是著有功績的一位。他曾於1946年獲諾貝爾獎。他發明了一 種高壓 襯墊（gasket）、一種油壓封口和布里吉曼砧塊，由此得以獲致400,000巴的高壓。他所用的壓機仍然是傳統式油壓機，後人採用他的發明再改良壓 機，使操作溫度提高，人造鑽石因而順利誕生。
1941年奇異公司、Carborundum公司、挪頓（Norton）公司與布里吉曼訂立合約研究鑽石的合成，但因二次大戰而作罷。
1951 年奇異公司在斯克奈塔第的研究實驗室，成立鑽石研究小組，改良布里吉曼砧塊，並由赫爾創造了圈環裝置（belt apparatus），能同時達到200,000巴和5,000℃，可以穩定的保持數小時之久。圈環和活塞都以鈷黏合的碳化鎢材料做成。外層以數層特殊鋼 圈緊縮配合套上，作為支持強度之用。襯墊材料為葉蠟石（pyrophyllite），即一種含水的矽酸鋁。
試樣石墨放在一個石墨管中，置 於圈環中間，有葉蠟石作絕緣隔開，而且試樣和上下活塞接觸可以通電加熱。試驗工作經歷了數百次的失敗，赫爾終於在 1954年 十二月十六日成功地製出人造鑽石。所用壓機為400噸，最初試驗時在試樣中加入硫化鐵，此後發現只要加入鐵便可。人造鑽石的方法申請到多項專利，所用觸媒 除鐵外，尚有鎳、鉭和其他元素和合金。以後又發現即使不用溶劑或觸媒，只要條件正確，也能長出鑽石晶體。
赫爾於1972年獲美國化學學會金質獎章和許多其他獎勵。他係於1948年在猶他大學獲博士學位。1955年人造鑽石製造成功後不久，他離開奇異公司，轉任猶他州布里漢楊大學的化學教授，並主持全校研究工作。
赫 爾遭遇到一個困難，因專利權關係他不能再使用他所發明的圈環裝置做試驗。但是他具有發明天才，不到二年便完成了一種新的高壓裝置，叫四面體壓機 （tetrahedral press）。此壓機與以前的圈環專利並不衝突，也能達到圈環所有的溫度和壓力。四面體壓機具有四個砧塊（見圖一），砧塊也是用鈷黏合的碳化鎢做成，壓成 的葉蠟石襯墊呈一四面體，其中置有裝試樣的石墨管。石墨管二端有金屬片接觸砧塊供通電加熱之用。赫爾所設計的圈環和四面體壓機至今仍是高壓研究和製造的主 要工具。
早在1958年，赫爾即計劃做燒結的鑽石塊體，這種材料很像天然出產的黑金剛石〔係鑽石的聚晶體（polycrystal）〕。1966年他設立Megadiai mond公司生產人造黑金剛石，供商業工具使用。
大多數人造鑽石產品是鑽石砂粒，在工業上用於切割、研磨、拋光等作業。奇異公司自1958年起即出售人造鑽石砂粒。
幾乎任何來源的碳都適合做鑽石合成的原料。據報導，有二十種材料曾經試驗成功。例如
（naphthalene）首先能做成石墨，第二步再變為鑽石。另外一些物質，如石蠟或蔗糖能直接轉化為鑽石。甚至花生在2,000℃和140,000巴條件下保持五分鐘，即能產生人造鑽石，轉化效率為60％。
通 常，碳原料為石墨，與作為溶劑用的金屬混合，金屬並無觸媒作用。文獻上常提到的溶劑金屬有錳、鐵、鈷、鎳、鈀和鉑，以及這些金屬的合金。舉例而 言，鎳在 1,500℃和90,000巴下能從石墨溶解4.0％碳，這時只是準穩定。（metastable）狀態。因為鑽石才是穩定形狀，鑽石的碳溶解於鎳的溶解 度為3.6％，由此造成的0.4％溶解的碳不能留存於鎳中，必須結晶而出，成為在這種條件下最穩定的碳──鑽石。
圖二為碳的相圖，鎳的熔點線上註以Ni。在此線右方區域鎳為熔融體，人造鑽石在A線之上B的陰影區域生長，以鎳為熔劑之用。
原料石墨裝填於葉蠟石管中，二端有鎳板，如圖三所示，放入圈環裝置中，再置於油壓機上加壓。當試樣壓力達某一數字，例如70,000巴以上，電流即經由活 塞和端板通至石墨。因石墨在電路中電阻最大而發熱，調節電流可得到所需的溫度例如1,800℃。
在此情況下，一部分鎳質端板熔融，溶解石墨，鑽石開始結晶。分開石墨與合成鑽石之間的金屬薄膜，厚度不到0.l毫米，而薄膜在石墨中移行十分迅速，只需數分鐘時間，石墨即已全部轉化為鑽石，熔融鎳薄膜也由二端行至較熱的中段。
若壓力在此時鬆弛，結晶的鑽石會立刻回到石墨狀態。因此，壓力須等到電流切斷，試樣冷卻到某種程度才能解除，現在只要打開葉蠟石管，用酸溶去鎳金屬，即可取出鑽石晶體。再將砂粒大小加以分類，在重液中由沉降速率使大小顆粒分離。
合成鑽石砂粒比之天然鑽石，在工業上的應用有更長的壽命。這是因為人造鑽石的大小和形狀能加以控制。天然鑽石常須經過打擊使成細粉，因此在鑽石粒子中造成微小裂紋，使鑽石工具在做研磨切割工作時，鑽石粒子易於碎裂。
其後奇異公司改良了葉蠟石管的布置，用緩慢的速率結晶，可以製出較大的晶體，並進而得到無色的寶石級鑽石。所需時間約一星期，製出的鑽石直徑可達5毫米，重約一克拉。此外尚有其他製造人造鑽石的方法，例如震波法、低壓蒸氣生長法、離子植入法等。
鑽 石為最硬的材料，作為切削工具雖然受到成本高昂的限制，但在其他工具操作效率很差的情況下，便值得使用鑽石工具。鑽石的室溫硬度約為 8,000HV，比 碳化物或氧化物工具要高得多，尤其鑽石工具能保持其硬度至1,000℃，更非其他材料所能及。碳化鎢熱至800℃硬度即急速下降，波拉松硬度比碳化鎢為 高，即使在800℃以上也超過碳化鎢（見圖四）。
鑽石做的拉絲模是拉製超細金絲、銅絲、鎢絲所不可缺的工具。鑽石粉以聚合物、金屬或 陶瓷黏結可以做成砂輪：金屬基地的砂輪適於切割岩石、混凝土和玻 璃等； 聚合物黏結的砂輪適合於研磨碳化鎢和硬金屬材料。用於拋光的鑽石糊（paste）有油基和水基二類，前者以橄欖油、硬脂酸鋰和若干非晶態二氧化矽，加入鑽 石粉配合而成；後者以聚乙烯乙二醇（polyethylene glycol），溶於甲醇中的氫氧化鉀、非晶態二氧化矽和水加入鑽石粉而成。
人 造鑽石在高速高溫切削工具上，已揭開新的紀元。現在已能在碳化鎢刀片上，燒結一層厚約0.5～1毫米的人造鑽石粉或正方系氮化硼。這層高密度的燒 結體與 碳化鎢牢固的結合在一起，所用超高壓技術與人造鑽石的製造類似。刀片以硬焊方法焊於碳化鎢嵌片上，再以普通刀柄鎖緊。這種刀具十分昂貴，最小的一種價格也 超過50英鎊，但由於它們壽命極長，不必時常更換刀具，仍有經濟價值。
鑽石的化學性質影響其切削功效，例如高溫氧化、石墨化和在鐵中 的易溶性。在這種情形下，鑽石刀具不宜用於切削鐵基金屬，故它的應用範圍限於非鐵金屬 和高磨 礪性的陶瓷和塑膠材料。鑽石刀具在切削鋁矽合金活塞時極為成功，故廣用於汽車工業。高矽鋁合金中含有大顆粒矽晶體，對碳化物刀具磨損甚大，改用鑽石刀具 後，壽命可以增加10～100倍。此外，鑽石刀具可用於大量生產工作，如切削雲母絕緣的導電圈（commutator）、複合軸承、內含磨礪性填充料的塑 膠和玻璃纖維強化的組件。
正方系氮化硼的化學性質較鑽石穩定，不易氧化，在空氣中可加熱至1,000℃以上，也不溶於鐵或與鐵質材料 （包括鎳和鈷）。故這類超硬材料可用於切 削鐵基 材料，例如冷激鑄鐵和硬化過的鋼料。因切速極高，故溫度亦高，可以補充鑽石切削工具之不足，解決難於切削的超合金的切削問題。這類刀具也是十分昂貴，約為 碳化物刀具價格的60倍，故只用於其他刀具無法勝任的地方。以碳化鎢刀具切削耐高溫的超合金，壽命極短，改用正方系氮化硼後，證明具經濟性。氮化硼雖能抵 抗鋼鐵和鎳合金的擴散磨損（diffusion wear），但不適於切削普通結構鋼，以碳化鎢所用的金屬切除速率用於氮化硼，則刀鋒強度不夠，極易崩裂。
本 文旨在介紹鑽石的物理性質、市場現況、人造鑽石的生產及鑽石的工業用途等。當我國機械製造工業走向更精密更高級的階段時，傳統式工具材料已不能勝 任。鑽 石工具和正方系氮化硼工具卻能解決許多生產技術上的困難。這些工具使用已日漸普遍，國內各種鑽石工具多能自製，對我國工業發展貢獻極大。
根據戴比爾斯公司一項市場調查顯示，工業界對鑽石工具的需求量呈穩定的增長，在前幾年世界經濟呈現衰退時亦不受影響。該公司為配合預期的需求增長，將繼續 執行其耗資一億七千萬美元的生產擴充計畫，使人造鑽石產量增加一倍。由此可知，鑽石對工業發展的重要性。
參考資料
1. L.J.Spencer, A Key to Precious Stones, Emerson Books Inc., New York, 1971.
2. A. Holmes, Principles of Physical Geology, the Ronarld Press Co., New York, 1965.
3. K. Nassau, Gems Made by Man, Chilton Book Co., Radnor, PA, 1980.
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