钻石的高压高温制造技术

专利名称：钻石的高压高温制造技术
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本发明总体上涉及宝石级质量的钻石(无色的和各色的钻石)的制造，更具体地说，涉及由低等级的变色的钻石或由所谓“褐色”钻石来制造宝石级质量的钻石。
钻石通常分为四个主要等级，它们分别用Ia级、Ib级、IIa级、IIb级表示，实际上，在上述四个等级之间杂质的浓度/分布存在着平稳的变化，因此，还存在有它们之间的中间品种。I级钻石的主要杂质是氮。该等级钻石又可分为Ia级钻石和Ib级钻石，在Ia级钻石，氮是以四个氮原子的成对聚集状态(IaA级)或成团聚集(IaB)或其混合物(IaA/B)的形式存在，在Ib级钻石，氮仅仅以分离的单个氮原子形式存在。一些钻石也含有被称为N3核心的三个氮原子团。98％以上的较大的透明的天然钻石是Ia级。Ib级钻石较稀少，仅占天然钻石的0.8％。Ia级钻石还含有一些小片状体，它们是很小的扁平状的夹杂物，其厚度仅几个原子，宽度约300个原子，这些小夹杂物可能含有一些非特定形式的氮。Ia级钻石可能还包含一些小的等轴空穴形的空隙，这些空隙是空的或者是含有未知形式的氮。这些空隙往往主要在IaA/B或IaB级钻石中发现。
通常，人们认为所有含氮的钻石都起始于具有分离的氮原子的Ib级钻石，这些氮原子是在晶体生长过程中结合进来的。在一个很长的时间周期内(大约10亿年)，钻石在地幔中在1000-1300℃高温和高压下缓冷，在此期间，氮原子在钻石内迁移且基本上形成了两种聚集形式，即四个氮原子成对的或者成团的形式。人们认为，当迁移的氮原子对彼此碰撞时便形成了四个氮原子的团。因此人们认为，该进程是从Ib-IaA-IaA/B-IaB。少量的氮原子还可能聚结成N3核心的形式，它们是三个氮原子围绕一个共用晶格空位的平面阵列。人们认为这种N3核心是在聚结的过程中一个分离的氮原子与一个氮原子对相结合而形成的。由于N3核心的浓度在Ia钻石内较小，N3核心的稳定性明显地比A和B核心小。一旦缓冷进行到IaA阶段就立即形成小片状体。空隙的形成以及一些小片状体的碎裂，以B原子团的形式出现并在IaB的缓冷阶段较明显。
II级钻石不含氮，II级钻石还可细分成IIa级和IIb级，IIa级钻石不含杂质，IIb级钻石只含有百万分之几的硼，这种钻石是相当稀有的。
钻石的颜色范围从透明的和无色的，到黄色、橙色、红色、蓝色、褐色和均匀的绿色。对于天然钻石来说淡褐色的是最普通的颜色，在开采的天然钻石中可发现多达98％钻石是淡褐色的。如果所有的氮被束缚在A核心或B核心内，含氮的Ia级钻石可以是无色的。但是如果有分离的氮原子或N3核心存在的话则钻石将具有淡黄色，该色彩与这些形式的氮原子的浓度有关。通常，N3核心可以产生出称作“Cape Yellow(斗篷黄)”的淡黄色，而分离的氮原子如果它们的浓度足够高的话，可产生出深的更鲜明的“金丝雀黄”。在一块无色钻石中有少量黄色可能显著地降低它的市场价格，但是深黄色可以产生一种“漂亮的黄色”，这在市场上具有非常高的价格。
大多数开采的Ia级钻石是淡褐色的，褐色可以由许多其它基色混合而成。一种方法是将由分离的氮原子或N3核心产生的一些黄色与可能是由亚微观的石墨夹杂物产生的黑色相混合。这种黄色和黑色的混合将产生褐色。制作褐色钻石的另一种方法是将产生绿钻石的色心和产生红钻石的色心相混合。红色和绿色相结合也将产生褐色。实际上无数的颜色相结合也都产生褐色。因此，不可能根据钻石的颜色来决定造成该钻石颜色的色心。但是相反的工艺过程则是唯一的，也就是说，如果人们知道钻石的级别和钻石中的色心的浓度，就可以预测所产生的颜色。
II级钻石的颜色变化从无色到深蓝色。IIa级钻石如果是无色的是最宝贵的。过大的机械变形和塑性变形被认为会使它们带有红褐色或粉红色，这会显著地降低它们的价值。许多IIa级天然钻石具有这种色彩，如果可以把它们变成无色的，它们就可以作为珠宝而使价值大大提高。一些IIa级钻石内部有一种钢灰色的雾，这也会大大降低它们的价值，早先曾尝试处理IIa级钻石以提高它们的价值，但是失败了。见伦敦Buttersworth 1983年出版的G.Lenzen所著的“钻石和钻石的分类”的第207页。在中子和电子辐射之后进行缓冷，都会使IIa级钻石转变成褐色，从而大大地降低钻石价值。
IIb级钻石有一种由杂质硼产生的蓝色，因为IIb级钻石很稀有并且具有迷人的蓝色，作为珠宝它们每克拉都具有极高的价值。
通常，钻石的价格是它们颜色的敏感函数。各种颜色的钻石例如金丝雀黄、蓝、红、粉和绿色的钻石是稀有的而且有极高的价格。因为它们的稀有，它们的市场不是很有组织的，并且通常是通过Sotheby(索斯比拍卖行)或Christie(克里斯蒂拍卖行)的拍卖形式出售。对于各种颜色钻石市场，褐色钻石是的一个例外。褐色钻石是非常普通的，过去，它作为工业用钻石被挑选和使用，而且价格相当低廉。在各种颜色钻石之外，无色钻石拥有最高价格。无色程度对钻石的价格有很强的非线性效应。甚至非常淡的一点黄色都可能使无色钻石的价格显著降低。
鉴于各种颜色钻石，无色钻石和褐色钻石的相对价格差异，因而这里存在有一种强烈的金融的动机，要将褐色钻石改变成无色钻石或各种颜色钻石。人们频繁地把辐射用于改变这类钻石的颜色，从不引人注意的褪色到迷人的蓝色、绿色、橙色、黑色和黄色。电子、中子、γ-射线及α-粒子都已用于形成钻石中的由辐射产生的色心。中子辐射、γ-射线辐射和电子辐射由于它们具有良好的穿透力，能使钻石产生比较均匀的颜色，因此被优先使用。在使用中子辐射时，由于中子的激活作用可能在钻石的杂质中产生放射性同位素，因此会有一些危险。此外，典型的辐射处理仅仅局限于在钻石的外部形成表面的颜色。
实质上，所有的不同类型辐射都会在钻石内产生空位，这些空位可被看作在可见光谱中的GR1频带。通过吸收GR1频带可在钻石中产生绿色、兰绿色、暗绿色、以至黑色。空位色心可以通过高温退火改变，以便产生从蓝色到粉色到红色到绿色等的一系列颜色。因为辐射导致的大量空位可以暂时增加氮和其它杂质在钻石内的可动性，退火可以在低至600℃的温度下进行。结果，空位使空位穴的能量降低并且由钻石中的诸如自由表面，位错，杂质界面等空位穴所吸收。当然，当空位消失时，它们对钻石颜色的直接影响也就减小。因此，颜色就逐渐地按顺序从蓝色到绿色到褐色到黄色再回到钻石的原始色。退火可以在退火顺序的任何位置处停止，以便产生所希望的颜色。可以进行多次辐射和多次退火步骤以便进一步控制颜色。
近年来，人们已经在逐渐升高的温度下对钻石进行退火，以便消除钻石中的暴露辐射实际情况的标志，因为“处理”过的钻石的价格总是要低于天然钻石的正常价格的。在400℃以上进行退火时，当空位脱离晶体时，空位产生的GR1光谱线开始消失。但是，其它辐射光谱可以坚持到更高的温度。许多涉及钻石辐射和退火处理的资料作为商业秘密由进行这种处理的机构保存。
(1997年，夏)出版的“宝石和宝石学”，XXXIII章，第136-137页中报告了一个合理地进行辐射和热处理的绿-黄色钻石的实例。几个一克拉圆形光亮钻石被送到GIA实验室进行检测，根据他们的光谱学分析，GIA的结论是这些钻石已被处理过。此外，他们的推论是这些钻石经辐射后在高于1450℃进行过热处理。尽管由辐射和热处理的组合所产生的在741毫微米处的GRI光谱线和HIb和HIc光谱线等正常的辐射痕迹在这两个钻石中不存在，但是这些钻石在985毫微米的近红外线区有一个吸收高峰。虽然对处理过的钻石的检测与其说是一种艺术倒不如说是一种科学，人们普遍认为在595毫微米，1936毫微米和2024毫微米处显示没有吸收高峰的钻石是“几乎可以肯定是未被处理过的”，见J.Wilks，等人的“钻石的性质和应用”一书的91页，Buttersworth，伦敦，(1991年)。
其中N3核心使晶体具有淡黄色彩的Ia级钻石是被选择用来进行辐射和热处理的最普通的钻石。先用电子或中子辐射这些钻石，随后再进行热处理可以产生H3核心(氮-空位-氮)和H4核心(氮-氮-空位-氮-氮)。它们使钻石具有满意的琥珀金色。人们发现，不发冷光的钻石比发冷光的钻石更能产生诱人颜色。见A.T.Collins所著的，J.Gemology，XVIII章，第37-75页(1982年)。显而易见，在钻石中存在的色心增加了由辐射和热处理产生的颜色，所产生的颜色不是特别所希望的。
改变N3核心的浓度不仅可以改变钻石的黄色，而且可以增加钻石的实际光泽或被该钻石反射的光的总量。围绕N3核心的电子吸收自然光中的紫外线光以及可见光中的蓝色光。在常规的目光中，大约光能的1/5是以紫外线辐射形式存在。如果N3的浓度相当高，即100ppm，那么可见的蓝光就会被强烈地吸收，钻石将会有明显的黄色，这就会降低它的价值。但是如果N3核心的浓度由于一些处理而降低，使得黄色消失，剩余的N3核心就可能通过两段过程影响钻石的光泽。首先，紫外线光子由N3核心吸收。能量暂时储存在N3核心内。一些能量以光子或晶格振动的形式耗散。在经过由该核心的半衰减所期预定的储存时间之后，N3核心将以光的形式重新辐射剩余的能量。由于已经损失了一些能量，该重新辐射的光不再处于光谱中的高能紫外线部分，而是处于可见光谱中。(对此，技术术语称为“紫外线下移”)。因为我们看不到紫外光，我们不可能察觉它被吸收。(动物如蜜蜂可以看到紫外光，因此也可以看到由于紫外光被N3核心吸收而引起的钻石光泽的减少)。我们看见的都是可见光谱的增强的幅射，因而，此刻钻石显得特别的明亮。因此，通过以下两种方法中任何一种处理方法来可控地减少在Ia级钻石中的N3核心，都将使包含这些核心的钻石的价格增加。第一，消除一些N3核心，减少或消除钻石中的黄色。第二，剩余的N3核心将钻石的光泽增加到与完美的IIa级钻石相当。
已经尝试过的用于改变Ia级天然钻石颜色的另一种方法是在该钻石的稳定区内(此处的氮原子更可动)施加很高的温度和压力。温度每提高100℃，钻石中氮原子的可动性几乎增加一个数量级。Evans等人的，Proc Roy Soc Lond，a 334，111-130(1975)和Bonzel等人的，ProcRoy Soc Lond，A 361，109-127(1978)中提出，在温度高于1960℃，稳定压力高达85千巴的条件下在钻石的稳定区内对含氮的Ia级钻石进行退火处理；也就是说，在钻石的稳定区内。为了使钻石保持在碳的温度压力平衡图的钻石稳定区内，施加压力是必要的。F.P.Bundy，Physica，A 156,169-178(1989)。此外，钻石暴露在这样高的温度下将导致钻石快速的石墨化。钻石的稳定相与石墨的稳定相的关系，通常认为是由Simon-Befman线所确定的。Simon-Berman线在相/温度(PT)曲线图上使钻石和石墨的稳定区分开。C.S.Kennedy和G.C.Kennedy在J.Geophysics Res，第81卷，第2467-2469页(1976年)中指出Simon-Berman线可由以下公式确定P(千巴)＝19.4+0.025T(摄氏度)由Evans等人和Bonzel等人处理的大多数钻石是IaA/B级钻石，即，它们具有或者是由氮原子对(A)或者四个氮原子(B)组成的氮原子聚集的混合物。因为具有纯IaA或IaB特征的钻石是很稀少的。所有的钻石都含有小片状体。在主要具有A聚集的钻石中，当一些聚集发生分裂并形成分离的氮原子(Ib级)时，钻石就变成了黄色。他们在处理主要具有B原子团(显然该原子团比A原子团稳定)的钻石方面是很少成功的。最引人注目的颜色和深黄色都是由Ia级钻石在温度为2250℃和2300℃之间，压力为48千巴条件下进行处理获得的(见前面Evans等人)。
虽然Evans和他的合作者们在改变颜色方面获得了成功，但是Ia和IIa级钻石都被弄碎成了小碎块。换句话说，“手术”是成功的，但是“病人”却死了。这种处理没有创造任何经济价值，还破坏了钻石原来的价值。此外，要求操作在碳PT平衡图的钻石稳定区内进行，这就需要在处理温度下使用极高的压力。这样高的压力要么目前达不到，要么不经济。作为他们工作的结果，钻石研究界放弃了用高压和高温处理钻石来改变它们的颜色的方法而采用了辐射和低温退火的方法。
发明简介本发明涉及一种用于处理变色的天然钻石的方法，特别是在碳的压力-温度平衡图的石墨稳定区或者钻石稳定区内的压力和温度下对IIa级钻石和主要以氮作为B核心的Ia级钻石进行处理，以改进它们的颜色。该方法包括从变色的天然钻石表面上切掉并且抛光去掉表面缺陷部分和表面不平部分，把该钻石放入一种传递压力的介质中，即被压实成丸剂的粉末中。然后将该丸剂放入高压/高温(HP/HT)的压机内，在碳相图的钻石稳定区或者石墨稳定区内的高压和高温下保持足够的时间，以改进该钻石的颜色。最后从压机中重新获得该钻石，通过这种方法制成无色的Ia和Ib级钻石。
典型的温度范围大约从1500℃到3500℃，相应的压力范围大约从10千巴到100千巴，最好是从20千巴到80千巴。在HP/HT压机内的加压时间可以从短到约30秒直至长到96小时或更长。优选的加压时间范围是从约5分钟到24小时。这些条件(时间、温度和压力)与钻石中变色缺陷的性质是相互关联的和可以调节的，这些缺陷必须改变以便改进钻石的颜色。
本发明的一优点在于能够改善变色的或非标准颜色的钻石的颜色，以制造出各种颜色的或无色的钻石。另一优点是减少钻石的开裂和破损，增加该方法的总产量。又一优点是能够保持该改进颜色的钻石的机械和结构的完整性。再一优点是具有能够从IIa级钻石来制作无色钻石的特殊能力。另外一个优点是能够保持本文披露的被处理钻石的光学透明度。本发明的上述这些和其它的优点通过在本文中的公开内容将很容易明显地看到。
附图简介为了更全面地了解本发明的性质和目的，应当结合附图参考以下的详细叙述，附图中


图1是一种常规的HP/HT装置的剖面图，该装置用于对变色的钻石进行退火以改进它们的颜色；以及图2是图1所示装置中用于对天然钻石进行退火的典型的反应室的剖面图。
发明详述本发明结合一个常见的HP/HT(高压/高温)装置进行说明，这些常规装置可以是例如在美国专利2,947,611；2,941,241；2,941,248；3,609,818；3,767,371；4,289,503；4,673,414；和4,954,139中所述的带式或模式装置。但是，应当理解，本发明所述方法在任何可以同时提供所要求的HP(高压)和HT(高温)条件的HP/HT装置中均具有适应性。因此，此类其它HP/HT装置也都在本文中所描述的本发明的范围之内。
现在来看图1，图1示出了用于实施本发明方法的HP/HT装置，该装置总的用附图标记10表示，它包括一个通常是圆筒形的反应室组件12，该室设置在一对冲头14a和14b之间并且由大体上是环形的带式件或压模件16所包围。冲头14和环形带件16最好是由比较硬的材料如烧结的碳化钨加工而成。在冲头14和环形带件16之间有一对绝缘组件18a和18b，它们中的每一个都是由一对热绝缘且电绝缘件20a-b和22a-b形成，并且每一个最好都由叶蜡石或类似材料制成，在它们之间还有一个中间的金属垫圈24a和24b。
如图所示，反应室组件12包括一个中空的圆筒26，它可以由盐或类似的材料制成，该盐类材料在HP/HT(高压/高温)过程中会由于相变或压制而转变成坚固坚硬的状态，或者，另一种办法是用滑石粉或类似材料制成，这种材料不会发生这样的转变。在两种情况下，圆筒12的材料都选择成在HP/HT过程中不可能出现体积突变，例如叶蜡石或氧化铝材料。在美国专利3,030,662中描述了满足这种标准的材料。
同心地安装在盐制圆筒26内的是相邻的圆筒28，它是作为用来提供间接加热的石墨电阻加热管而设置的。与加热管28的电气连接是通过相邻的一对端部金属导电圆盘30a和30b来实现的，金属圆盘30a和30b相对于加热管28沿轴向配置。与每个圆盘30相邻的是一个端盖组件，通常用32a和32b示出，该组件中的每一组件都包括一个由导电环36a和36b围绕的绝缘塞34a和34b。
可以理解，加热管28内部以及端部圆盘30，盐制圆筒26及端盖组件32限定了一个具有规定的轴向和径向尺寸并且装有一种压力传递介质40的圆筒形的内腔38。压力传递介质40选用有较低内磨擦系数的介质，以使它在HP/HT条件下有半流动性，它可以被设置成一个圆筒形盐衬套42，该衬套限定压力传递介质的径向层43a和43b，并且与一对盐制作的轴向塞44a和44b相配合，它们中的每一个都限定轴向的压力传递介质层。盐制的衬套42和轴向塞44最好用石墨材料或氯化钠制成，但是也可以用钠，钾或钙的氯化物，碘化物或溴化物或它们的混合物制成。或者，压力传递介质40也可以用粉末或微粒的形式提供。在两种情况下，介质40都限定出一个在图中用附图标记46表示的空腔，该空腔被构形成能容纳待退火处理的变色钻石。这就是实施本发明方法的一种典型的HP/HT装置的结构形式。
最好从待退火的天然钻石上去除一定量的材料，该去除量应足以合乎需要地减少钻石表面和近表面的缺陷和不均匀性和/或使该钻石具有更加流线形的形状。材料的去除可以通过切割，加工成形和/或抛光来完成，切割和加工成形工艺包括通过激光使钻石表面破碎而切去和去除该钻石的一部分。需要减少的表面和近表面的缺陷和不均匀部分包括交叉在钻石外表面的夹杂物，近表面的夹杂物，交叉在表面上的裂纹或gletzs(裂口)，近表面的裂纹或裂口、表面突出物、表面凹坑、近表面的孔隙、表面或近表面杂质不均匀区和表面或近表面的塑性变形区。表面缺陷和不均匀部分可能会使裂纹蔓延，甚至导致钻石在处理过程中碎裂。在退火前对天然钻石预先成形或预先分块(在钻石交易中通过切割使钻石成形称为“分块”)的目的是防止钻石在HP/HT处理过程中破碎或产生裂纹。以这种方式加工钻石使它具有较好的流线形外形也是所希望的。较好的流线形可以减少在进行高压压制期间钻石在压力作用下产生的破碎和裂纹，并且减少在钻石取出期间由于冲头14沿相反方向相互离开的移动而使钻石在张力的作用下产生的破碎和裂纹。
与常规的HP/HT装置的使用不一致，预先分块的钻石先被放入粉末状的压力传递介质中，然后再将该介质压实或者使它致密到超过它的理论密度的90％以形成丸剂。该丸剂介质在HP/HT装置中必须无损失地将流体静压力整体地传递到钻石表面上，以便将切应力减至最小，该切应力使得正在处理中的钻石产生塑性变形或处于受力状态。当使用任何一种固态的丸剂介质或任何在HP/HT工艺过程中有时是固态的丸剂介质时，完全消除切应力和/或拉伸应力是不可能的。高温退火过程中，在最初施加压力时，或者甚至在从高温冷却的过程中，由于处理室内的压力转变成大气压，钻石都可能产生碎裂。在后一种情况下，处理室内压力是通过两个对置的冲头或砧座14a，14b的移开而降低的。当冲头移开时介质的顶面和底面往往会向外膨胀。由于同心的环形带是刚性的，压力最初只能沿一个轴线方向(砧座移动轴线)释放，这就导致切应力和拉伸应力在丸剂介质中形成。在本加工过程中丸剂介质通常是固态的，这就可能把切应力和拉伸应力传递到钻石上。对于具有能被夹住的未分块表面的钻石来说，在处理室内压力释放过程中，在与冲头移动轴线相垂直的平面内的裂开是不罕见的。
从丸剂介质传递到钻石上的任何残余切应力/拉伸应力，可以通过对钻石的预先分块或者预先成形而减至最小。预先分块可以使钻石具有不容易被丸剂介质夹住的表面形状。因此，在丸剂介质中的拉伸应力/切应力会在钻石和介质的交界面处释放，因为预先分块的钻石具有光滑的形状，夹住它是很困难的。此外，去除钻石中的裂纹、裂口、夹杂物及任何会产生内应力的其它缺陷(如夹杂物)，或者任何会增大外部作用应力的其它缺陷(如裂纹)，都会减少导致钻石变形、开裂或者破碎的钻石中的内应力。在一种典型的预先分块操作中，可以在钻石表面上切割和/或抛光出2至25个小面。小面的数量和尺寸取决于钻石表面和近表面的缺陷的数量以及表面几何形状、钻石的外形、总尺寸、购买的价格、估计的后处理价值等。因为预先分块加工会增加总的脱色处理工艺的另外的开支，因此预先分块的数量不仅由天然钻石的物理特性决定，而且也由所估计的工艺过程的利润率决定。例如，在较大的比较昂贵的钻石上进行较多的预先分块加工比在较小的比较便宜的钻石上进行较多的预先分块加工更经济。
作为补充说明，为了减少HP/HT处理过程中对钻石进行压制而产生的压应力，以及为了减少在冲头14a和14b彼此离开后移出或取出钻石的过程中产生的拉伸应力，从天然钻石上去除足够的材料是需要的。冲头14a和14b沿着纵向轴线(未示出)作彼此相向或彼此远离的移动时，都会导致在钻石上产生相应的压应力和拉伸应力。通过去除从钻石的外表面向外伸出的突出物可以增强钻石沿纵向轴线方向的流线形状。为了增强流线形效果，这种形式的去除减少了在与纵向轴线相垂直方向上的截面面积。流线形效果也可以通过形成具有大体上拱形的平滑的表面，例如通过增加小面数量的方法来加强。可以减少沿纵向轴线对中的钻石端面的尺寸，以便增强平滑效果。钻石可以适当方式装入丸剂介质中，使得其最小横截面面对纵向方向。最好以这样的方式成形和配置钻石，以便在处理过程中减少作用在钻石上的应力。
丸剂介质必须具有热和机械的稳定性，并且最好不与钻石起反应或引起钻石融解。适合的介质是在退火条件下稳定的液体或气体，或者是高塑性的固体，包括(但是不局限于)例如上述的盐、氧化物如氧化镁、或氧化钙、或碳如石墨。丸剂介质还必须对于在HP/HT装置中遇到的高压和高温条件是可缩放的。最后，丸剂介质必须具有体积可压缩性，该可压缩性较小并与垫圈系统的可压缩性相当，即，它必须是无空隙的并且在退火条件下接近它的理论上的点阵密度。如果必要、需要或方便的话，多种丸剂介质可以装入空腔46内。
本发明所述的压力条件包括PT平衡图的石墨稳定区中的条件，典型的压力范围是大约从10到200千巴，最好是从约20到80千巴。在实施本发明时使用的典型温度范围是从约1500℃到3500℃。退火的条件取决于钻石中缺陷的性质，这些缺陷必须被去除和改变，以便改善钻石的颜色，这些退火条件无需过多的实验就可以由本技术领域内的普通技术人员容易地确定。
为了使变色的钻石颜色得到改善，HP/HT条件需要保持足够的时间。时间的范围可以从几分钟到几小时，优选的时间是从大约5分钟到24小时，最优选的时间范围大约是从5分钟到1小时。在这方面，变色的钻石可以在相同条件或不同条件下进行多次退火工序。如下面的实施例所说明的那样。
经过本发明处理过程的变色的钻石可能预先切割和抛光并且作为成品钻石出售。如果这些钻石含有前面所述类型的表面或近表面缺陷的话，这些经预先切割/预先抛光的钻石产品的加工产量还可以通过将它们预先分块而增加。加工之后的变色的钻石以与其它天然钻石相同的方式进行切割和抛光。此后，该钻石即可作为珠宝随时可以使用，或者用来加工成各种器件，如热壑、光学窗、或其类似装置。本发明方法能将变色的IIb级钻石改变成无色钻石的能力是特别重要的。本发明还可以制造出蓝色，粉色，绿色，黄色和黄绿色等多种颜色的钻石。
下面的实施例说明本发明是如何实施的，但是这些实施例不能理解成对本发明的限制。在本申请中，除非另有说明，所有的单位都使用公制系统，本文中涉及的所有专利和出版物通过引用结合在本文中。
实施例在本实施例中，天然钻石的退火是在高温和高压条件下使用带式装置来完成的。该带式装置能够达到很高的压力(～60千巴)和温度(～2600℃)。在下面的一些实施例中对按照本发明进行退火的钻石所作的说明使用了下述结构的反应室和操作条件。
图2示意地示出了该反应室组件。预先切块的钻石晶体51放入由高纯度石墨或氯化钠粉末制成的圆柱形丸剂内。钻石晶体51已经使用激光去除材料的方法进行了预先分块。因为石墨在高温退火过程中不融化，所以它是被推荐使用的材料，丸剂52的尺寸如下直径0.76英寸(19.3毫米)，高度0.86英寸(21.8毫米)。丸剂52是通过将石墨粉和钻石晶体51放入液压机内压制而成的。将丸剂52放入氧化镁管53内，该管与端部圆盘54a和54b相配合。然后，这个组件又被放入石墨管55内，该管与端部圆盘56a和56b相配合。进而再将上述组件装入盐制圆筒59内，该组件的端部与石墨销58a和58b相配合，该石墨销分别由盐制圆筒60a和60b所包围。石墨圆盘57a和57b分别用来密封盐制圆筒59的端部。
然后将该反应室组件装入高压装置中(如带式装置)，该装置使用了标准密封垫组件，以便在高压下形成密封并且实现与冲头的电气连接，使得该装置能使用电力进行加热。
当反应室的压力升到设定压力(～60千巴)时，一个典型的退火操作开始。当室内压力达到设置压力的96％时接通电力。一开始，钻石被加热到接近1200℃，在这个温度下保持1分钟。然后，将温度在2.5分钟内升到设定值，即接近2500℃，并在该设定值下保持18分钟。在最后6分钟期间，温度应该保持稳定在2500℃。然后，将电力在1.5分钟之内缓慢地降至零。此时反应室的压力保持恒定约1分钟，然后，将压力慢慢解除。将反应室从HP/HT装置中移出，以及将含有钻石的石墨丸剂取出。通过将丸剂浸入沸腾的90％硫酸和10％硝酸的混合物中从而重新获得该钻石。
实施例I将一个预先分块的重3.49克拉的IIa级褐色天然粗糙钻石埋入由高纯度石墨粉压制成的石墨丸剂内，钻石在压力为～60千巴，温度为2450℃的条件下退火，保持时间为6分钟。重新获得了钻石晶体，并且目测检查显示它的颜色已改变成透明的或无色的。
实施例II将一个预先分块的重3.29克拉的IIa级抛光的褐色天然钻石埋入由高纯度氯化钠粉末压制而成的丸剂内，钻石在压力为～60千巴，温度为2500℃的条件下退火，保持时间为6分钟。对该重新获得的钻石的目测检查显示它的颜色已改变成透明的或无色的。
实施例III将一个预先分块的重2.46克拉的Ia级褐色天然粗糙钻石埋入由高纯度石墨粉压制而成的丸剂内，钻石在压力为～60千巴，温度为～2550℃的条件下退火，保持时间为～8分钟。对该重新获得的钻石的目测检查显示它的颜色已改变成亮黄色。该钻石在紫外线、可见光、近红外线和红外线区的光谱都没有显示在未经处理的天然钻石内看不见的异常的吸收光谱线。准确地说，正常的辐射标志，例如由辐射和热处理的组合引起的在741毫微米处的GRI光谱和HIB，HIC光谱，都不存在。
实施例IV将一个预先分块的重1.79克拉的Ia级褐色天然粗糙钻石埋入由高纯度石墨粉压制而成的丸剂内，钻石在压力为～60千巴，温度为～2550℃的条件下退火，保持时间为～8分钟。结果使钻石的颜色改变成带绿色色彩的金黄色。钻石在紫外线、可见光、近红外线和红外线区的光谱都没有显示在天然钻石内看不见的异常吸收光谱线。准确地说，正常的辐射标志，例如由辐射和热处理共同引起的在741毫微米处的GRI光谱和HIB，HIC光谱，都不存在。
实施例V将一个预先分块的重3.06克拉的IIa级褐色天然粗糙钻石埋入由高纯度石墨压制而成的丸剂内，钻石在压力为～60千巴，温度为2300℃的条件下退火，保持时间为～6分钟。对该重新获得的钻石的目测检查显示其颜色已改变成粉色。
实施例VI一个预先分块的重1.40克拉的IIa级褐色天然的抛光钻石埋入由高纯度石墨压制而成的丸剂内，钻石在压力为～60千巴，温度为2500℃的条件下退火，保持时间为～6分钟。对该重新获得的钻石的目测检查显示它的颜色已改变成淡粉色。
权利要求
1.一种用于改变变色的天然钻石的颜色的方法，该方法包括a)从天然钻石上去除材料；b)将所述天然钻石放入压力传递介质内；c)将所述压力传递介质压实成一丸剂；d)使所述的丸剂暴露在碳相图的石墨稳定区内或者钻石形成区内的高压和高温下保持一段时间，该时间足以改变所述钻石的颜色；e)重新获得所述钻石。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去除材料包括从所述天然钻石的外部去除足够的材料，以便减少近表面的缺陷和不均匀部分。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的材料去除包括切割。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的材料去除包括抛光。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的材料去除包括切割，并且该切割在所述钻石上产生至少两个小面。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的暴露在高压下包括通过相对的冲头将压力传递到所述丸剂上并且产生压应力，所述钻石的所述重新获得包括移开所述相对的冲头，其中所述冲头的所述移开在所述钻石内产生拉应力，通过去除材料来使所述天然钻石成形，以便减少所述应力。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述变色的天然钻石是Ia级或Ib级钻石。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述变色的天然钻石是IIa级或IIb级钻石。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，重新获得的钻石是无色的。
10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，重新获得的钻石是有颜色的。
11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高温范围从大约1500°到3500℃，所述高压范围从大约10到100千巴。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述高压范围从大约20到80千巴。
13.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述重新获得的钻石可以进行多次的步骤(c)。
14.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压力传递介质在高压/高温条件下具有热和机械的稳定性，并且所述压力传递介质是从包括盐、氧化物或石墨的一组中选出的。
15.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压力传递介质是从包括氯化钠、碘化钠、溴化钠、氯化钾、碘化钾、溴化钾、氯化钙、碘化钙、溴化钙的一组中选出的盐。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述压力传递介质是从包括氧化镁、氧化钙以及它们的混合物的一组中选出的。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述压力传递介质是石墨。
18.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高温和高压保持从30秒到96小时。
19.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高温和高压保持5分钟到24小时。
20.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高温和高压保持5分钟到大约1小时。
21.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预先分块包括在所述钻石的表面上的从1到100个的切割小面。
全文摘要
本发明涉及一种用于处理变色的天然钻石的方法，特别是对IIa级钻石和主要以氮作为B核心的IaA/B级钻石进行处理的方法。该方法包括将一变色的天然钻石预先分块和预先成形，以防止它在高压/高温(HP/HT)压制过程中破裂，将该变色的天然钻石埋入被压实成丸剂的压力传递介质中。然后，将该丸剂放入高压/高温(HP/HT)压机内暴露在碳相图的石墨稳定区或钻石稳定区内的高压和高温下保持一段时间，该时间足以改进该钻石的颜色。最后从所述压机中重新获得该钻石，由该方法可获得无色的和各种颜色的钻石。
文档编号B24B1/00GK1469773SQ01817218
公开日2004年1月21日 申请日期2001年8月8日 优先权日2000年8月11日
发明者T·R·安东尼, W·F·班霍尔策, J·K·卡西, Y·卡迪奥格卢, A·C·史密斯, W·E·杰克逊, S·S·瓦加拉尔, S·W·维布, T R 安东尼, 习赂衤, 卡西, 史密斯, 杰克逊, 班霍尔策, 瓦加拉尔, 维布 申请人:通用电气公司