A. 鑽石是用什麼切割的
目前常見的鑽石切割方式有三種:
一,沿著鑽石本身的解理方向劈鑽。
拓展資料:
對於明亮型切割而言,標準的切割方式是57面體切割。
如下各個部位的稱謂請參考鑽石的4C標准:
冠部(CROWN):鑽石上面的部分稱為冠部,包括1個桌面(TABLE)、8個星面(STAR FACET)、8個風箏面(BEZEL FACET)與16個上腰面(UPPER GIRDLE FACET),總共33個切面
腰圍(GIRDLE):鑽石最寬的部位,也是分割鑽石上面的冠部與底下亭部的交界處,腰圍是珠寶鑲嵌時用來固定鑽石的地方。
亭部(PAVILION)鑽石下面的部分稱為亭部,也就是從腰圍以下到鑽石尖端的部分。包括16個腰面(LOWER GIRDLE FACET)、8個亭部切面(PAVILION FACET)與1個最底下的尖底面(CULET),總共25個切面;因為鑽石並不一這有尖底面,所以無尖底面的鑽石亭部只有24個切面,切面總數為57個切面。
明亮型切割以下常見的切割方法
對於同等大小凈度的鑽石而言,品牌之間除了用鑲嵌方法突出自己經典的加工工藝以外,也漸漸用獨特的切割方式來章顯自己的切割技藝。新奇的切割方法都可以申請專利。不過要說多新奇倒也說不上,不過是以上一些切割方法的融合,對切割機器的要求倒是很高。
參考資料:網路-鑽石切割
B. 激光能否用來切割鑽石(說明原因呀!)
激光是可以切割鑽石的,現實中也確實這樣做了
在這個問題之前,首先要說一下激光切割的定義:利用高功率密度激光束照射被切割材料,使材料很快被加熱至汽化溫度,蒸發形成孔洞,隨著光束對材料的移動,孔洞連續形成寬度很窄的縫,完成對材料的切割。
基於這個原理,所以激光是可以應用在寶石領域的,激光切割應用到鑽石領域比較常見的就是對鑽石腰棱的切割以及對於鑽石內部包裹體的燒灼
一.鑽石激光切割:利用激光對鑽坯進行切割,以便於接下來的切磨,主要代表就是鑽石具有拋光的腰棱和鑽石上用激光雕刻的編碼
C. 激光有什麼用途
激光應用很廣泛,有激光打標、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光測距、激光雷達、激光武器、激光唱片、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器、LIF無損檢測技術等等。激光系統可分為連續波激光器和脈沖激光器。
激光是20世紀以來繼核能、電腦、半導體之後,人類的又一重大發明,被稱為「最快的刀」、「最準的尺」、「最亮的光」。激光的英文全名已經完全表達了製造激光的主要過程。激光的原理早在 1916年已被著名的美國物理學家愛因斯坦發現。
(3)鑽石激光打孔是利用什麼擴展閱讀:
首次捕捉
2015年1月27日,《新科學家》(New Scientist)報道,利用能探測到單光子,每秒200億幀的超高速攝像機,科學家首次捕捉到了激光在空氣中飛行的畫面。在10分鍾內,研究者記錄了光子與空氣碰撞時產生的200萬次激光脈沖。該技術可用於巡查環境角落,顯示屏幕上看不到的物體,還可用在需要精準計量時間信息的地方。
蘇格蘭赫利瓦特大學的主要研究者加里皮說:「這是我們第一次看到光經過身邊時的情形。」在通常情況下,科學家只能通過物體上的反射來看到光。想看到激光器發出的激光則更加棘手,因為光子是在聚焦光束中運動,而且方向都相同。
D. 鑽石的基本性質
鑽石的礦物名稱為金剛石,英文名稱為Diamond,源自希臘語「adamant」,意思是「堅不可摧」。
鑽石與紅寶石、藍寶石和祖母綠一起並稱為四大珍貴寶石。目前鑽石已成為結婚的信物,並被譽為四月的生辰石,象徵堅韌、永恆和純潔無瑕。
一、鑽石的化學成分和分類
1.化學成分
鑽石是具有立方結構的碳。主要成分是C,其質量分數可達99.95%,次要成分有N、B、H等。其他微量元素還有Si、Al、Ca、Mg、Mn、Ti、Cr等。
2.分類
鑽石的分類最早由Robertson、Fox和Martin等三人根據鑽石在紅外區吸收帶和對紫外光透射的差異提出,他們認為Ⅰ型鑽石能透過400~300nm的紫外光並在紅外區顯示與氮有關的吸收帶,而Ⅱ型鑽石可透過低至220nm的紫外光並在紅外區無明顯的吸收帶。
1959年美國的Kaiser和Bond發現Ⅰ型和Ⅱ型鑽石的差異與雜質氮有關,後來人們又發現在含氮的鑽石中氮的最常見的存在形式不只一種,氮以單個氮原子分散在鑽石中,稱為C心、以原子對集合體出現,稱為A心、3個氮形成的原子團稱為N3中心,而多於4個原子的原子團則稱為B集合體(B心),也可為一些較大的有幾個原子厚的扁平層偏片晶氮存在,稱為D心。鑽石的分類是按照是否含氮和硼及氮的聚型類型劃分如下(表14-1-1)。
表14-1-1 鑽石的分類
天然鑽石中Ⅰa型鑽石約佔98%以上,Ⅱa型佔1%左右,Ⅰb型和Ⅱb型很少,人工合成鑽石中以Ⅰb型為主,少量為Ⅰb和Ⅰa型混合型。
二、鑽石的結構與形態
1.晶體結構
鑽石屬等軸晶系,
圖14-1-2b 鑽石晶體不同聚形示意圖
大多數彩鑽顏色發暗,強至中等飽和度、顏色艷麗的彩鑽極為罕見。彩鑽是由於少量雜質 N、B和H原子進入鑽石的晶體結構之中,形成各種色心而產生的顏色。另一種原因是晶體塑性變形而產生位錯、缺陷,對某些光能的吸收而使鑽石呈現顏色。
(1)黃至棕黃色鑽石的顏色是由於N原子代替C原子而產生的。理想的鑽石晶體是禁帶很寬的半導體,寬的禁帶避免了可見光范圍內的一切可能吸收,因此理想的鑽石是無色的。當N原子代替部分C原子時,由於氮外層有5個電子,代替碳原子後多餘一個電子,這電子在禁帶中形成一個新的能級,相當於減少了禁帶寬度,從而使得晶體能吸收可見光范圍內的光能而呈現顏色。N原子代替C原子有不同的形式,一種情況是孤立的N原子代替C原子,它對能量高於2.2eV(波長小於560nm)的入射光有明顯的吸收,使鑽石呈現一系列黃色、褐色、棕色,其顏色很鮮艷濃郁,Ⅰb型鑽石的顏色往往由該種色心引起;另一種情況是金剛石內N原子可移動聚合在一起形成多個N原子集合體,這種集合體對400~425nm光有明顯的吸收作用,同時對477.2nm有弱吸收,由於人們對477.2nm吸收反應靈敏,477.2nm藍光被吸收後,鑽石呈現黃色。
(2)藍色鑽石:從晶體完美程度來講,藍色鑽石是最好的,也是極罕見的。它不含N卻含有微量B(wB<1%),屬Ⅱb型鑽石。正是這些B使鑽石呈現美麗的藍色。少數含H雜質的鑽石也呈藍色。
(3)粉紅色鑽石和褐色鑽石:這兩種彩鑽都是由於鑽石在高溫和各向異性壓力的作用下發生晶格變形而產生的顏色,相比之下粉紅色鑽石罕見得多,因而極其昂貴。這種晶體缺陷在極端情況下可形成紫紅色鑽石。
(4)綠色鑽石:綠色和藍綠色鑽石通常是由於長期天然輻射作用而形成的。當輻射線的能量高於晶體的閾值時,碳原子被打入間隙位置,形成一系列空位-間隙原子對,使鑽石的電子結構發生變化,從而產生一系列新的吸收,使鑽石著色。若輻照時間足夠長或輻照劑量足夠大,可使鑽石變成深綠色甚至黑色。輻射造成的晶格損傷有時還可形成藍色鑽石和黃褐色鑽石。
2.光澤
鑽石具有特徵的金剛光澤,金剛光澤是自然界透明礦物最強的光澤。但鑽石的光澤有時會因表面不平而顯得暗淡。
3.透明度
鑽石的透明度為透明-不透明。純凈的鑽石應該是無色透明的,但由於地質條件的復雜性,常有雜質元素進入鑽石的晶格或以包裹體的形式存在於鑽石中,使鑽石的透明度受到一定的影響。
4.光性
鑽石屬等軸晶系,為均質體,在正交偏光下全消光,但有些鑽石由於內部應變或內部含有包裹體,偶見異常消光。
5.折射率
鑽石為單折射寶石,在鈉光(589.3nm)中折射率為2.417,超過了常規折射儀的測試范圍,是透明礦物中折射率最大的。
6.色散
鑽石的色散強,色散值為0.044,比天然無色透明寶石的色散都高,所以我們在切割標準的鑽石表面能看到漂亮的「火彩」。
7.發光性
(1)紫外熒光:鑽石在紫外燈下的熒光可有不同的反應,有些鑽石發光很強,有些則不發光。鑽石在長短波紫外光下可呈現從無至強的藍色、黃色、橙黃色、粉色等熒光,通常長波較短波的熒光強。
(2)X射線熒光:鑽石在X射線下一般呈現藍白色的熒光,且穩定性好,在鑽石開采中可根據鑽石X射線下的熒光特性,將其他礫石分選出去。
(3)陰極發光:陰極發光可揭示鑽石的內部生長結構,鑽石在陰極發光儀的電子束照射下,絕大多數鑽石會發出陰極熒光,主要呈現藍色、橙紅色和黃綠色,天然鑽石和合成鑽石的生長條件不同,表現出的生長結構也不同,目前陰極發光技術已成為鑒別鑽石是天然的還是合成的主要手段之一。
8.吸收光譜
無色—淺黃色的鑽石,在紫色區415.5nm處有一吸收譜帶;其他顏色的鑽石的吸收線位於453nm,466nm和478nm處;褐—綠色鑽石,在綠區504nm處有一條吸收窄帶,有的鑽石可能同時具有415nm和504nm處的兩條吸收帶。輻照改色的黃色鑽石可能在498nm,504nm和592nm處有吸收帶。
四、鑽石的力學性質
1.解理
鑽石有四組八面體{111}方向的中等解理,{110}、{221}的不完全解理。圖14-1-3為鑽石{111}方向解理示意圖。
圖14-1-3 鑽石{111}方向解理示意圖
2.硬度
鑽石的摩氏硬度為10,是自然界最硬的礦物,鑽石的硬度具有各向異性的特徵,不同方向硬度不同,其八面體晶面的硬度大於立方體晶面的硬度,因此在鑽石加工中可用鑽石研磨鑽石。
鑽石具有很強的抗磨性能,摩擦系數小,其抗磨能力是剛玉的90倍。這種特性使鑽石能高度拋光,並使每個小面邊棱銳利、挺直。但值得注意的是,鑽石雖硬,但常顯脆性,在外力沖擊作用下很容易破碎。
3.密度
鑽石的密度為3.52(±0.01)g/cm3,因鑽石成分單一,並且純度較高,所以鑽石的密度相對很穩定。
五、鑽石的內含物
鑽石的內含物主要有淺色至深色礦物包體、雲狀物、點狀包體、羽狀紋和生長紋。礦物包裹體主要是鑽石、橄欖石、輝石、石榴子石、鋯石、剛玉、黑色石墨、暗色的赤鐵礦、鈦鐵礦、鉻鐵礦、硫化物等。雲狀物由雲霧狀白色或灰色包體組成,羽狀體則包括開放式裂隙和隱蔽式裂隙兩種裂隙類型。此外,鑽石中還可見生長紋和解理等特徵。
六、鑽石的電學性質和熱學性質
1.電學性質
Ⅰ型和Ⅱa型鑽石是絕緣體,室溫下電阻率為1014~1015Ω·cm。通常情況下,Ⅱb型鑽石因含硼而電阻率降低,為25~108Ω·cm,為P型半導體,鑽石半導體的電阻值隨溫度變化特別靈敏,甚至連很微小的變化(0.0024℃±)都能在瞬間被記錄下來,這一特點被廣泛應用於真空儀器和精密測溫的儀器中。
2.熱學性質
(1)導熱性:鑽石具有很高的導熱率,且導熱率與含氮量有關。若300°K下其導熱率為銅的3倍,則其含氮量<300×10-6。Ⅰa型鑽石的含氮量多高於此值,故不宜作散熱元件。Ⅰb和Ⅱ型鑽石含氮量低,均具有很高的導熱率,適於作散熱元件。其中Ⅱa型鑽石的導熱率最好,約比銅高6倍,在190℃則升至30倍左右。
根據鑽石的高導熱率,寶石鑒定中可用鑽石筆(熱導儀)鑒定鑽石和其仿製品;若簡單地對著樣品哈氣,如果是鑽石,則表面上的那層霧氣比仿製品要消失得快,這是因為鑽石傳熱快,鑽石提供的熱量讓水膜迅速蒸發的緣故。
(2)熱膨脹性:鑽石的熱膨脹性非常低,溫度的突然變化對鑽石的影響很小,但若鑽石中有裂隙或含有熱膨脹性大於鑽石的包裹體時,溫度的突變可能使鑽石發生破裂。
(3)可燃性:高溫下鑽石可燃,燃點在空氣中為850~1000℃,鑽石在氧中加熱到650℃時,即緩慢燃燒而變為氣體二氧化碳。燃點和鑽石與空氣的接觸面及增溫率有關,一般小顆粒鑽石比大顆粒鑽石易燃。激光打孔就是利用該原理在很小區域內提供集中的熱量,使空氣中的氧將鑽石中的暗色物質燒掉。在絕氧並加壓的真空條件下,鑽石加熱到1800℃,可轉變成石墨。
3.其他性質
(1)表面性質:鑽石表面具有親油性和疏水性。由於鑽石由非極性的碳原子組成,對水的H+和(OH)-不產生吸附作用,即水對鑽石不產生極化作用,故鑽石具有疏水性。
(2)化學穩定性:鑽石對任何酸都是穩定的,甚至在高溫下,酸對鑽石也不顯示任何作用,但在含氧鹽類和金屬熔體中,鑽石很容易受侵蝕。
E. 鑽石是我們這個星球上最堅硬的物質,那麼鑽石是靠什麼物質來切割打磨它的
鑽石的切割 前面技術
最早出現在戒指上的鑽石,是天然八面體形狀的原石,大約從十四世紀開始,人們將鑽石進行一定的加工後再鑲嵌,早期切割工匠將鑽石設法磨出尖;十五世紀出現檯面切割,到十六世紀,玫瑰式切割開始出現,這種切割樣式一直延續到十九世紀。明亮式切割的出現飾鑽式切割的一大進步,使鑽石有更美好的亮光與火彩。
1914年安特衛普的鑽石切割樣師托考夫斯基發表了他根據鑽石的折射率和色散率切割的比例,受到廣大歡迎,今天明亮式的切割雖有改進,但大多仍是以托考夫斯計算的比例為基礎,然而,鑽石切割是藝術與技術相結合的產物,需要長期的經驗積累和人才培訓,因此鑽石的切割主要集中在那些傳統的切割中心。目前,世界上有四個主要的切磨中心。
印度的孟買
美國的紐約
比利時的安特衛普
以色列的特拉維夫
除此之外,泰國、中國俄羅斯、南非也正在發展成為主要的鑽石加工、切割中心。每一顆璀璨奪目的鑽石都需要精心的切割、加工,才能使之釋放出應有的光澤愈光彩,這也是人與自然的完美結合。但行業內慣常的說法「俄羅斯工」、「比利時工」、「印度工」與上述切割中心並無直接的來源關系,即「俄羅斯工」鑽石不一定指這顆鑽石是由俄羅斯的某加工廠加工的,而是暗示這顆鑽石的加工的切工非常完美(相關內容將在4C評價部分再作介紹)。
切磨過程:
一顆鑽坯看起來並不起眼,必須經過仔細的切磨、加工,才會成為我們所慣見的閃爍生輝的鑽石。因此,鑽石的車工,直接影響鑽石的價值,詳見後述。最理想的切割效果當然是保持鑽石的最大重量、盡量減少瑕疵,並充分展示鑽石的美,以使鑽石光彩照人。一般的切割過程包括以下幾個步驟:
標記(劃線):這是鑽石切割的第一步,先檢驗鑽坯、並在鑽石表面做標記,做這項工作的人有著豐富的經驗並精通加工技術。最終目的是製造出最大、最干凈、最完美的鑽石,以盡可能高地體現鑽石的價值。劃線員必須留意兩點:即既要盡量保持最大的重量,又要盡量減少內含物。劃線員利用放大鏡研究鑽坯的結構,如果是大顆粒鑽石,這項工作可能要歷時數月,對普通鑽坯則需要幾分鍾。不過,不論鑽坯如何細小,每一顆鑽石都要經過詳細的檢查以做出正確的判斷。
劃線員用印第安墨水在鑽坯上劃下標記,顯示該鑽坯要沿此線分割。通常盡可能沿鑽石的天然紋理方向劃線。
分割原石:包括劈割和鋸切。
劈割:劈割師將劃好的線的鑽坯安放在套架上,然後以另一顆鑽石沿分割線削一個凹痕,再把方邊刀放在凹痕上,以手捶在劈刀上以合適的力敲擊,鑽石會沿紋理方向被劈成兩半或多塊。
鋸切:大多數鑽石並不適宜劈開,這時需要用鋸切開,由於只有鑽石才能切割鑽石,因此鋸片是一張在邊緣塗有鑽石粉及潤滑劑的磷青銅圓片。鑽石固定在夾子上,鋸盤以高速旋轉,即可將鑽石鋸開。現代激光技術引入鑽石切割,大大提高了鑽坯的加工效率。
成型:鋸開或劈開的鑽石再送到打圓部門去打圓、成型,即按照設計要求將鑽石做成圓形、心形、橢圓形、攬尖形、祖母綠形等常見的切割花形,或其它特殊的形狀。由於鑽石是目前為止人類所認識到的最硬的天然物質,所以只有鑽石才能打磨鑽石,而且因鑽石各個方向的硬度略有不同。所以研磨時要憑借經驗,把握住鑽石的基本形態:三方體、八面體、十二面體及晶體特性。一般方法是將鑽坯高速旋轉的車床上,然後用另一臂桿上的鑽石把轉動中的鑽坯打圓。
起瓣、拋光:在一個塗有鑽石粉和潤滑油的鑄鐵圓盤上,車磨出所有瓣面(刻面),使鑽石發出誘人的光彩。研磨的過程通常是,首先在底層做出8個大面,然後做16個刻面。加尖底,共25個刻面,正確改錯了,並由此延伸出三角小面,風箏面及腰上刻面,一共33個刻面,這樣一顆圓形鑽石一共58個刻面,如果沒有底尖的小刻面則共有57個刻面。並不是每顆鑽坯都必須經過全部五道工序,這須視鑽坯的本身特點、所要達到的目標而定,如對前述的「扁平狀」鑽坯可能就不用劈割這道工序,又如加工祖母綠鑽石就不須經「打圓」的工序。然而,任何鑽石毛坯,有兩道工序是必不可少的,這就是「劃線」、「起瓣、拋光」。一顆精工切割的鑽石所產生的瓣面,其位置和角度都是經精確計算的,使鑽石發出最大的光彩。由此可見,切割世界上最堅硬的寶石——鑽石,不僅需要先進的設備,更需要切割師由豐富的經驗、高度責任心和全神貫注,才能釋放鑽石全部的靈彩。首飾櫃台里一顆鑽石,可能遺穿越過許多國家,經過若幹人之手,通過加工、鑲嵌、製作後才成為一件鑽石首飾。
隨著科學技術的進步,激光技術、電子計算機記述的引入,可以使鑽坯的設計、切磨更加精確無誤
F. 激光到底有什麼用
激光的用途
(l)激光通信
用光傳遞信息,在今天十分普遍。比如,艦船用燈語通信,交通燈用紅、黃、綠三色調度。但是所有這些用普通光傳遞信息的方式,都只能局限在短距離內。要想把信息通過光直接傳遞到遙遠的地方,就不能用普通光,而只能動用激光。
那麼如何傳遞激光呢?我們知道,電是可以沿著銅線輸送的,但光是不能沿著普通金屬線輸送的。為此,科學家們研製出來一種能夠傳輸光的細絲,叫作光導纖維,簡稱光纖。光纖是用特種玻璃材料製成的,直徑比人的頭發絲還要細,通常為50~150 微米,而且非常柔軟。
實際上,光纖的內芯是高折射率的透明光學玻璃,而外面的包皮層則是用低折射率的玻璃或塑料製成。這樣的結構,一方面能使光沿著內芯折射前進,就像水在自來水管里往前流動,電在導線中往前傳輸一樣,即使千繞百折也沒有什麼影響。另一方面,低折射率的包皮層又能阻止光外泄,就像水管不會滲水,電線的絕緣層不會導電一樣。
光導纖維的出現解決了傳遞光的途徑,但並不是說有了它就可以把任何光都能傳送到很遠很遠的地方去。只有亮度高、顏色純、方向性好的激光,才是傳遞信息最理想的光源,它從光纖的一端輸入後,幾乎沒有什麼損失又從另一端輸出。因此,光通信實質上就是激光通信,它具有容量大、質量高、材料來源廣、保密性強、經久耐用等優點,被科學家們譽為通信領域的一場革命,是技術革命中最輝煌的成果之一。
激光通信先進在哪裡?激光通信的優點首先是容量大。它的容量有多大呢?當我們平時打電話時,講著講著有時會串進來不相乾的說話聲。這種打架現象是由於一對電話線上只能通過一路電話,如果另外串進來一路電話,正常的通話雙方就會受到干擾。假如有10對人同時用一對電話線通話,就等於20個人同時講話,那就根本無法通話了。為了解決這個問題,就必須採用載波等方法,使各路電話分別處在各個頻段上。由於普通電話的頻率范圍為300~400赫,而在一對電話線上最高頻率只有1500千赫,所以在一對電話線上只能同時通過十幾路電話。顯然,這樣的電信容量是遠遠不能滿足當今信息社會的要求的。
如果我們把普通電話的傳輸信息量比作是小推車的話,那麼激光通信則是汽車。由於激光的頻率要比無線電波高得多,所以激光通信的信息容量要比電氣通信大10億倍。一根比頭發絲還細的光纖就可以傳輸幾萬路電話或幾千路電視節目。由20根光纖組成的光纜只有一支鉛筆那樣粗細,每天可以通話76200人次。相比之下,由1800根銅線組成的電纜,直徑約7.6厘米,但每天卻只能通話900人次。
尤其令人驚訝的是,光纖通信特別適合於電視、圖像和數字的傳遞。據報道,一對光纖可在一分種內傳遞全套《大英網路全書》。
此外,製造光導纖維的材料是地球上到處都有的砂子——石英,只要幾克石英就能製造出1千米長的光纖。這樣,不僅原材料取之不盡、用之不竭,還可以大大節約銅和鋁材。正因為如此,目前世界上發達國家都在競相研究激光通信。於是激光通信成了爭相發展的寵兒。
在通信技術史上,光纖通信技術的發展之快是前所未有的。拿通信技術史上的幾個里程碑來看,電話從發明到應用,花費了60年左右的時間,並且電話通信至今仍大量、普遍使用。無線電技術(例如電報)從發明到應用也花了30年左右時間。電視技術雖然發展較快,但仍然孕育了約14年。而激光通信,從第一根低損耗光導纖維的誕生到應用,總共只有5年時間。現在激光通信不僅應用廣泛,而且形成了巨大的光纖市場。
1977年5月,美國有一家大公司叫電報電話公司,它在芝加哥市內的兩個電話局之間,敷設了世界上第一條短距離的光導纖維通信線路,此後在全美國近百個地方建立了總長幾百千米的短距離激光通信線路。這就意味著在短距離內,激光通信已開始取代普通的電氣通信。到了1983年,美國紐約到波士頓之間長達600千米的光導纖維通信已投入使用。
緊跟在美國後面的是日本。1984年,日本完成了從北海道的札幌至九州福岡的長距離光導纖維通信干線,全長達2800千米,中間聯結著30多個城市。1993年12月,中國和日本之間橫跨東海的光纖電纜已鋪設成功。日本和美國之間橫跨太平洋的長達1萬千米的海底光纜也在設計中。
由於光導纖維通信的蓬勃發展,美、日、英、法等工業發達國家相繼成立了光導纖維、光纜生產企業。世界上三大著名的光纖光纜公司——美國的西電公司、康寧公司和日本的住友公司,光導纖維產量每年都在12萬千米以上。
總之,工業發達國家都已建立了全國性的光纖通信網路,以便徹底替代目前的銅質電線電纜,這項浩大的技術工程估計到2000年可告完成。到那時候,激光通信將給我們這個地球帶來巨大變化。例如,足不出戶就可以利用光纖網路在家中處理文件或參加一個會議;或者將家中的光纖網路與購物中心相連,如同置身在超級市場一樣,坐在家中選購需要的商品,貨款只須與電子金融購物系統結算。各地的醫療中心也可以從屏幕上查看病人的病情和化驗報告,並據此開出處方單,從而真正做到「秀才不出門,可知天下事」,「運籌於帷幄之中,決勝於千里之外」。
激光和光纖還可以傳送圖像。首先,要將直徑比人頭發絲還要細的單根光導纖維組合成纖維束。在傳送信息過程中,常用的纖維束有兩種:一種叫傳光束,另一種叫傳像束。傳光束的任務是將光從一頭傳到另一頭。傳光束結構比較簡單,它是由多根單絲膠合在一起,再將其端面拋光、研磨,以便減少光進入光纖時的反射和散射損失,然後在傳光束外面套上塑料護套。
由於一根光纖只能傳送一個光點,要傳送整幅圖像就必須將光導纖維一根一根整齊地排列起來,這樣組成的光纖束就叫傳像束。
在傳像束中,全部光纖都排列得整整齊齊,兩個端頭所處的位置都一一嚴格對應,一點也不混亂,就像一把整齊的筷子那樣。比如,某根光纖的一頭在傳像束中處於第八排第八列的位置上,那麼它的另一頭也同樣是處於八、八位置上。
傳像束在傳送圖像時,首先將圖像分割成網眼狀,即一幅圖像被無數根光纖分解成無數個像元,然後再傳送出去。一根光纖負責傳送一個像元,無數根光纖便能將整幅圖像傳送到另一端。如果要使圖像傳送得清晰,就要盡可能選用直徑較細的光纖,因為光纖越細,在一定的傳像束上就能容納進更多的光束,這樣就能傳送更多的像元。顯然,像元越多,圖像就越清晰。
現在應用的傳像束由上萬根光纖組成,要把這么多光纖整齊地排列起來可不是一件容易的事。排列好後,再用一種叫作環氧樹脂的有機粘合劑將兩端膠合,使光纖粘結固定,保證兩端光纖一一對應。對兩個端面還要磨平和拋光。至於中間部分則不必粘牢,而是像二胡的弦那樣鬆散,只須在外面加上保護的塑料套管,這樣的傳像束既柔軟,又可以任意彎曲。
除了傳送圖像處,傳像束還能傳送一般的符號或數字,以及放大圖像或縮小圖像。
如要放大圖像,可以將傳像束做成一端大、一端小,就像錐體那樣。當圖像元從小端傳到大端時,整幅圖像就被放大。反之,如將圖像從大端發送到小端,整幅圖像就被縮小了。
此外,利用光纖還可以改變圖像。如果根據需要有意打亂光導纖維的排列,就可以使出口端的像元並不落在原先對應的點上,而落到主觀構思的點上,於是圖像就改變了。如果將圖像元進口端的光纖做成方形,而將出口端光纖做成圓環形,就能將方形的圖像元變成圓環形的像元。
總之,光纖傳像束有很大的發展潛力,在未來的光信息處理技術中將日益顯示其獨特的作用。
(2)材料加工
鑽孔、切割、焊接以及淬火,是加工金屬材料時最常用的操作。自從引進了激光後,在加工的強度、質量以及范圍等方面開創了全新的局面。除了金屬材料外,激光還能加工許多非金屬材料。
激光鑽孔機在激光鑽孔機問世之前,對各種機械零件鑽孔靠的是電動鑽孔機或沖床。但機械鑽孔不僅效率低,而且鑽出的孔洞表面不夠光潔。
激光鑽孔的原理,是利用激光束聚集使金屬表面焦點溫度迅速上升,溫升可達每秒l00萬度。當熱量尚未發散之前,光束就燒熔金屬,直至汽化,留下一個個小孔。激光鑽孔不受加工材料的硬度和脆性的限制,而且鑽孔速度異常快,快到可以在幾千分之一秒,乃至幾百萬分之一秒內鑽出小孔。
比如,如果需要在金屬薄板上鑽出幾百個連人眼都難以察覺出來的微孔,用電動鑽孔機顯然是不能勝任的,但用激光鑽孔機卻能在1~2秒鍾內全部完成。如果用放大鏡對這些微孔作一番細查的話,可發現微孔面十分整齊光潔。
激光鑽孔還可用來加工手錶鑽石。它每秒鍾可鑽 20~30個孔,比機械加工效率高幾百倍,而且質量高。同時,激光鑽孔與下面我們就要講到的激光切割一樣,加工過程是非接觸式的,即不像機械加工那樣靠鋼鑽頭逐漸鑽透金屬材料。因此,激光操作可以在自動化連續加工,或者在超凈、真空的特殊環境中發揮作用。
激光切割機知道了激光鑽孔的原理,就容易理解激光為什麼可以切割金屬材料了:只要移動工件或者移動激光束,使鑽出的孔洞連邊成線,就自然能將材料切割下來了。而且,不論是什麼樣的材料,如鋼板、鈦板、陶瓷、石英、橡膠、塑料、皮革、化纖、木材等,激光都如一柄削鐵如泥,削木如灰的光劍,而且,切割的邊緣非常光潔。
激光焊接機激光之所以能用來焊接,是因為它的功率密度很高。所謂功率密度高,是指在每平方厘米面積上能集中極高的能量。激光的功率密度有多高呢?我們可以作個比較:工廠里通常用於焊接的乙炔火焰能將兩塊鋼板焊在一起,這種火焰的功率密度可以達到每平方厘米1000瓦;氬弧焊設備的功率密度還要高,可以達到每平方厘米10000瓦。但這兩種焊接火焰根本無法與激光相比,因為激光的功率密度要比它們高出千萬倍。這樣高的功率密度不僅可以焊接一般的金屬材料,還可以焊接又硬又脆的陶瓷。
激光淬火傳統的淬火方法十分簡單,先將刀刃燒紅,然後驟然浸到冷水裡,經過這一熱一冷的處理,刀刃的硬度就大為提高。不過,這樣淬火顯然不太方便,效果也不一定理想。
激光淬火,是用激光掃描刀具或零件上需要淬火的部位,使被掃描區域的溫度升高,而未被掃描到的部位仍維持常溫。由於金屬散熱快,激光束剛掃過,這部位的溫度就急驟下降。降溫越快,硬度也就越高。如果再對掃描過的部位噴速冷劑,就能獲得遠比普通淬火要理想得多的硬度。
(3)激光照相排版
照相排版實際上是引入了光學攝影原理。用活字排版,必須根據書稿,依樣畫葫蘆地檢出各種大小、字體不同的鉛字和符號進行排版。而照相排版要簡便很多,它是通過排字機上的透鏡,來改變字樣的大小和形狀的。至於用透鏡為什麼就能改變字樣的大小和形狀,這實際上就等於我們照「哈哈鏡」。
用照相排版時,只需將光源通過透鏡把需要的文字和符號,在感光相紙上成像,再經過顯影和定影就形成了照相底片。然後,只要像印照片那樣印刷就行。
照相排版可使用兩種光源,剛才講的是普通光源,相比之下,激光排版省時省力。由於激光亮度高,顏色淺,可以大大改善圖像的清晰度,印出來的書質量自然就高。它的原理是怎樣的呢?首先通過計算機把文字變成一個個點,然後用點來控制激光掃描感光底片,才真正拍攝出全息照相。
全息照相與立體照相是兩回事。盡管立體彩色照片看上去色彩鮮艷、層次分明,富有立體感,但它總歸仍是單面圖像,再好的立體照也代替不了真實的實物。比如,一個正方形木塊的立體照,不論我們怎樣改變觀察角度,只能看到照片上的那個畫面,但全息照就不同了,我們只要改變一下觀察角度,就可以看到這個正方塊的六個方面。因為全息技術能將物體的全部幾何特徵信息都記錄在底片上,這也是全息照相最重要的一個特點。
全息照相的第二個重要特點是,能以一斑而知全豹。當全息照被損壞,即使是大半損壞的情況下,我們仍然可以從剩下的那一小半上看到這張全息照上原有物體的全貌。這對於普通照片來說就不行,即使是損失一隻角,那隻角上的畫面也就看不到了。
全息照的第三個特點是,在一張全息底片上可以分層記錄多幅全息照,而且在它們顯示畫面時不會互相干擾。正是這種分層記錄,使得全息照能夠存儲巨大的信息量。激光全息照的底片,可以是特種玻璃,也可以是乳膠、晶體或熱塑等。一塊小小的特種玻璃,可以把一個大型圖書館里的上百萬冊藏書內容全部存儲進去。全息照相的用途日益廣泛。
全息照相可以將珍貴的歷史文物記錄下來,萬一有文物古跡遭到嚴重破壞,即使盪然無存,我們仍然可以根據全息照相重建。比如像北京圓明園那樣的名勝,當年被八國聯軍焚毀,現在雖然打算重建,因為不知道原來的整個面貌,就難以完全恢復。如果全息照相提早100年發明的話,事情就好辦了。
全息照相在工業上還可以用作無損檢測。什麼是無損檢測呢?就是說,用激光全息技術既可以檢查出產品有沒有微小的毛病,又一點也不會損傷這些產品。
更令人感興趣的是,目前全息照相還被用來拍攝全息電影和電視,不久觀眾會看到真實生活的圖像畫面了。即用激光「撞」擊底片上的感光塗料,留下無數個對應的點,這些點經顯影、定影後就重新變成文字或圖像。這里,激光束相當於電子束,感光底片相當於電視機熒屏。接下來,用載有文字和圖像的底片就可以去印書報雜志了。彩色電視機之所以能顯示紅、綠、藍三色,是由於熒屏上塗有三色熒光粉,它們在電子撞擊下會顯出三種顏色。而激光照相排版也可以採用類似的原理,印刷出優美的彩色畫面來。
(4)激光在醫學上的應用
激光應用在醫療器械領域的成果是很多的,它可以扮演鑽頭、手術刀、焊槍等多種角色。
焊槍和鑽頭在眼科,激光主要是用來治療視網膜剝離。視網膜剝離是一種很棘手的疾病,患者的視網膜與眼球內壁脫開,無法產生視覺。在激光沒有問世之前,病人恐怕難免失明的苦難。
現在,醫生可以用激光器對准病人眼底,使激光器發射出一束激光,通過加熱使視網膜重新與眼球內壁合在一起。整個過程要不了幾分鍾,激光束就像焊槍一樣,將病人的視網膜焊接好了。
除了焊接外,激光這把焊槍也可以用於切割。
白內障是老年人的常見病。病人的眼球前部的凸透鏡——晶狀體,由原來透明的彈性體漸漸變得混濁無彈性,光線就不能通過晶狀體,落到眼底的視網膜上,病人逐漸看不見東西。治療白內障的傳統辦法是,將眼球前部切開一條口子,然後從小口子中伸進一根細金屬針。這根金屬針溫度極低,將渾濁的晶狀體凍得粘在針上,然後一起從小口子中帶出,顯然,整個手術比較麻煩。
如果用醫用激光器來治療,不僅方便,而且效果好。只要將激光束對准眼球內晶狀體的前表面或後表面發射,就可以迅速切除掉晶狀體表面的混沌膜。
在牙科,激光可以代替牙鑽。根據世界衛生組織統計,兒童的齲齒發病率是相當高的,大約達到75%。用激光治牙,病人幾乎沒有不舒服的感覺,而且只要不發炎,一次治療就能解決問題。牙科激光器是激光器中的小弟弟,它的功率很小,只有3瓦,相當於一支節能燈,幾乎不產生熱量。它的發射端實際上是像頭發絲那麼細的光導纖維。
治療時,只須將光纖發射端接近齲齒灶,發出激光束,齲處組織會分解,然後用清水沖洗掉。如果齲齒僅是淺度的牙琺琅質受損,激光束會將受損處的細微孔隙一一封死,這樣便可以阻止乳酸腐蝕牙本質。如果已出現了齲孔,用激光束鑽孔、清洗後,即可將人造琺琅質材料填入空洞中,再用激光加熱接合處,使人造琺琅質材料與牙琺琅質融為一體。激光治牙不僅無痛、迅速,而且治療後的效果也好。
激光手術刀如果要使用激光刀給病人的膀胱、心臟、肝臟、胃、腸等重要內臟動手術,難度就大了。激光怎麼能進入到人的內臟里去呢?這就要靠醫生手中的一件寶貝了,這件寶貝就是激光纖維內窺鏡。
所謂內窺鏡,是醫生用來插到人體內直接觀察器官的光學裝置。但通常的內窺鏡體積比較大,也比較粗糙,只能從病人口腔沿食道插到胃裡觀察。插胃是十分難受的,病人會感到很痛苦。激光纖維內窺鏡則完全不同。用光導纖維做成的內窺鏡又軟、又細、又能彎曲,當它插入病人胃裡時,不會有痛苦。除了胃,光纖內窺鏡還能進入其他重要的臟器內。激光纖維內窺鏡一方面可用來檢查病人的臟器是否有病變,更主要的是可以將激光能量輸入體內臟器中,對病變組織進行照射,也即加以切除,起到手術刀的作用。而且,用激光刀切割,傷口能自動止血,不需要結扎出血點,大大縮短了手術時間,傷口也不會發炎。如果用激光刀切除惡性腫瘤,還可以防止癌細胞擴散呢。
(5)激光武器
激光導彈在海灣戰爭中,以美國為首的多國部隊向伊拉克境內發動大規模空襲,摧毀伊拉克的許多重要軍事目標。最後,這場戰爭以伊拉克的失敗而告終。有人說,海灣戰爭是一場先進武器的較量,這話確有道理。
美國的飛機上裝有激光瞄準器,它能發射出紅外激光。當一架擔任偵察任務的飛機在空中發現地面目標時,就邊在空中盤旋,邊用激光瞄準器不斷地向目標發射激光束。這種激光束實際上起著向導的作用。這時,擔任攻擊任務的另一些飛機就隨後飛來,向目標扔下激光制導導彈。這些激光制導導彈上裝有自動跟蹤系統。這種自動跟蹤系統等於導彈的眼睛,當導彈撲向目標時,它能根據從目標上反射回來的向導激光,不斷地修正飛行中的航向,從而准確無誤地擊中目標。
其實,這類激光制導導彈,早在70年代,美國在越南戰場上就使用過。現在不僅有空對地導彈,而且有地對地、空對空、地對空等多種激光導彈。
今天,人們已能夠將無線電搜索雷達、激光雷達結合起來,組成作戰系統。比如,當無線電雷達發現空中目標(敵機或導彈)後,就可以將目標的高度、方位和速度准確測量出來。只要目標進入一定范圍內,激光雷達就會開啟,發射出一束很細的激光束,緊緊盯住並精確測量出目標的位置,然後發射的激光導彈,會根據激光雷達提供的向導激光束,准確地命中目標,將其摧毀。這類激光導彈可以方便地部署在卡車上,也可以改裝成反坦克導彈。
目前研製成的反坦克激光導彈,既可以從地面上發射,也可以從直升飛機上發射。導彈上裝有半導體激光器,起著自動跟蹤目標的作用,使導彈能百發百中地擊中坦克。
激光雷達雖然精度高、體積小、操作靈巧、轉移方便,但它也有缺點,就是容易受到氣象條件的限制,也不適於在大范圍內搜索目標。因此,它一般都與無線電雷達配合使用,互相取長補短。
激光槍和激光炮所謂激光槍和激光炮都屬於激光戰術武器。它們的外形像槍和炮,但它們發射的不是子彈和炮彈,而是激光束,使敵方人員傷亡或失明。這類槍炮的威力大小,與本身的能量和射擊距離有關。現在激光槍和激光炮的有效射程還不遠,所以死光的威力有限。
但是,死光武器的前景是無法估量的。一旦激光束的能量加大、有效距離增加,那就會成為名副其實的死光。比如,用激光炮打1萬米高空中的飛機,由於激光束的前進速度是每秒30萬千米,因此只需三萬分之一秒的時間就能擊中飛機。而在這短短的瞬間,飛機在空中僅夠向前移動幾厘米。這樣,對於死光來說,活動的飛機實際上成了死目標,必死無疑。照此計算,即使是射向幾千千米外的導彈,死光也只需花幾十分之一秒,而在這個瞬間內,導彈也只能夠向前飛行幾十米。因此,死光有充分的時間將導彈摧毀在外層空間。
此外,激光還可以不斷改變方向,對准各個目標,逐一摧毀,而且從經濟上來說,製造激光炮要比製造洲際導彈便宜得多。
G. 什麼是激光打孔技術
激光打孔指激光經聚焦後作為高強度熱源對材料進行加熱,使激光作用區內材料融化或氣化繼而蒸發,而形成孔洞的激光加工過程。激光束在空間和時間上高度集中,利用透鏡聚焦,可以將光斑直徑縮小10的5次方~10的15次方W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度幾乎可對任何材料進行激光打孔。例如,在高熔點的鉬板上加工微米量級的孔,在硬質合金(碳化鎢)上加工幾十微米量級的小孔,在紅藍寶石商人加工幾百微米量級的深孔,金剛石拉絲模,化學纖維噴絲頭等。[1]
應用
編輯
激光打孔是最早達到實用化的激光加工技術,也是激光加工的重要應用領域之一。激光打孔主要用於金屬材料鋼、鉑、鉬、鉭、鎂、鍺、硅,輕金屬材料銅、鋅、鋁、不銹鋼、耐熱合金、鎳基質合金、鈦金、白金,普通硬質合金磁性材料以及非金屬材料中的陶瓷基片、人工寶石、金剛石膜、陶瓷、橡膠、塑料、玻璃等。[1]
特點:
編輯
1、速度快、效率高、經濟效益好;
2、可獲得很大的深徑比;
3、可在硬、脆、軟等各類材料上進行加工;
4、無工具損耗。激光打孔為無接觸加工,避免了機械打孔時易斷鑽頭的問題。
5、適用於數量多、高密度的群孔加工;
6、可在難加工材料傾斜表面上加工小孔;
7、由於激光打孔過程不予工件接觸,故加工後的工件清潔無污染。[1]
H. 激光打孔機都有什麼原理應用
1、激光打孔機的構造:
激光束打孔機一般由固體激光器、電氣系統、光學系統和三坐標移動工作台等四大部分組成。
2、固體激光器工作原理
當激光工作物質釔鋁石榴石受到光泵(激勵脈沖氙燈)的激發後,吸收具有特定波長的光,在一定條件下可導致工作物質中的亞穩態粒子數大於低能級粒子數,這種現象稱為粒子數反轉。一旦有少量激發粒子產生受激輻射躍遷,就會造成光放大,再通過諧振腔內的全反射鏡和部分反射鏡的反饋作用產生振盪,最後由諧振腔的一端輸出激光。激光通過透鏡聚焦形成高能光束照射在工件表面上,即可進行加工。
電氣系統包括對激光器供給能量的電源和控制激光輸出方式(脈沖式或連續式等)的控制系統。在後者中有時還包括根據加工要求驅動工作台的自動控制裝置。光學系統的功能是將激光束精確地聚焦到工件的加工部位上。為此,它至少含有激光聚焦裝置和觀察瞄準裝置兩個部分。
投影系統用來顯示工件背面情況,在比較完善的激光束打孔機中配備。
工作台由人工控制或採用數控裝置控制,在三坐標方向移動,方便又准確地調整工件位置。工作台上加工區的檯面用玻璃製成,因為不透光的金屬檯面會給檢測帶來不便,而且檯面會在工件被打穿後遭受破壞。工作台上方的聚焦物鏡下設有吸、吹氣裝置,以保持工作表面和聚焦物鏡的清潔。
2、激光打孔機的應用:
激光打孔主要應用在航空航天、汽車製造、電子儀表、化工等行業。激光打孔的迅速發展,主要體現在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由2007年的400w提高到了800w至1000w。國內比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產及鍾表和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業的生產中。
使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主,也有一些準分子激光器、同位素激光器和半導體泵浦激光器。
I. 任務鑽石
鑽石是以礦物金剛石為材料的寶石,即是在大小、顏色、凈度等方面達到寶石學要求的金剛石。鑽石的英文名稱為diamond,起源於希臘語adams,有「堅硬無比」之意。鑽石是自然界最硬的物質,它能刻劃所有物質,可謂無堅不摧,因此,鑽石堅硬耐久。
除此之外,鑽石是世界上透明物質中折射率最高的少數幾種材料之一,因此,鑽石反射光的能力很強,具有典型的金剛光澤。而且,鑽石按科學設計的款式切磨,能把表面以及入射到內部的光全部反射出來,使整個鑽石閃爍著耀眼的光芒。鑽石的色散很大,即對不同波長的單色光,折射率的差別也很大。當白光射入切磨好的鑽石中時,因白光中不同波長的單色光折射率不同,將使不同顏色的單色光分開,經多次內部反射透出鑽石時,其分開的程度會更大。這種色散現象使鑽石呈現五顏六色的閃光,即火彩,顯得異常美麗迷人。鑽石十分稀少,即便是南非產鑽石的富礦,平均也要大約開采20噸礦石,才能獲得1克拉寶石級鑽石。鑽石之所以如此珍貴、如此具有魅力,由此可見一斑。鑽石有著「寶石之王」的美譽。圍繞鑽石的陰謀、戰爭、冒險故事和傳說流傳不斷,是其他任何寶石都無法比擬的。
一、基本性質
(一)結晶學性質
晶系 等軸晶系。
結晶習性 常為八面體、菱形十二面體和立方體等,還有幾種單形組成的聚形 (圖6-1)。
表面特徵 由於鑽石晶體發育三個方向完全的八面體解理,因此在表面具有明顯的解理紋,成為鑒定鑽石原石重要的依據。
圖6-1 等軸晶系晶體幾何外形
(二)化學成分
鑽石為單質礦物,化學分子式為C。C原子之間以共價鍵相聯結,其結合十分牢固,因此鑽石具有高硬度、高熔點、高絕緣性和強化學穩定性等特徵。除C外,鑽石還可能含N、B等微量成分,並據此將鑽石分為兩種類型,即Ⅰ型和Ⅱ型。
Ⅰ型鑽石 含微量N。按N 的存在形式進一步分為Ⅰa 型和Ⅰb 型。
Ⅰa型:N以原子對或N3 為中心,其含量越多,鑽石越黃。在自然界中,大部鑽石屬於此類。
Ⅰb型:N以單原子形式出現,在自然界中少見。這種鑽石的顏色為黃、黃綠和褐色。
Ⅱ型鑽石 不含N,這種鑽石導熱性很好,在自然界少見。按含 B 與否及導電性可進一步分為Ⅱa型和Ⅱb型。
Ⅱa型:不含B,不導電,具最高的導熱率,室溫下導熱率是銅的6.5倍。
Ⅱb型:因含微量B而成為電的半導體,顏色多為藍色。
鑽石的化學穩定性較高。但在CrSiO4 中加熱至200℃,可使之變成CO2,在氧化環境中加熱至650~870℃,也可使之變成CO2。
(三)物理性質
1.光學性質
顏色 變化大,常為無色、黃、黑等;少量為綠、紅、藍等色。
光澤 為典型的金剛光澤。
透明度 透明 不透明。
光性 為各向同性,因此,在偏光鏡下為全消光,但鑽石常受構造作用影響發生晶格畸變,因而有些鑽石在偏光鏡下可顯異常消光。
折射率 2.417~2.419;無雙折射。
色散 0.044,較高,因此,鑽石具較高的火彩。
多色性 無。
發光性 在強度和顏色上均有較大變化。無色及黃色鑽石多數呈藍-白色,約有1/15的鑽石在紫外光下發熒光;棕色及綠色鑽石常見綠色熒光。
吸收光譜 不同顏色的鑽石具有不同的吸收光譜。無色 黃色鑽石在478nm、465nm、451nm、435nm、402nm、423nm、416nm、390nm處具有吸收線。藍 綠色鑽石在537nm、504nm、498nm處具有吸收線。
2.力學性質
解理 具有三個方向完全的八面體解理。所以拋光鑽石在腰部常見 V 字形缺 (破)口,該性質是鑒別鑽石與其仿製品的重要特徵之一。加工時劈開鑽石正是利用這一特性(圖6-2)。
圖6-2 利用鑽石的解理劈開鑽石
硬度 鑽石為自然界中最硬的物質,摩氏硬度為10,刻劃硬度為剛玉的140多倍。鑽石的硬度具有各向異性的特徵,不同方向硬度不同:八面體方向>菱形十二面體方向>立方體方向的硬度。此外,無色透明鑽石硬度比彩色鑽石硬度略高。切磨鑽石是利用鑽石較硬的方向去磨另一顆鑽石較軟的方向,只有用鑽石才能磨動鑽石。雖然鑽石是自然界中最硬的物質,但其解理發育、性脆,所以在成品鑽石的鑒定中,一般禁止進行硬度測試,以免造成不可挽回的損失。
密度 3.52g/cm3。
3.其他物理性質
熱膨脹性 熱膨脹性非常低,因此,溫度的突然變化對鑽石的影響極小。無裂隙或無包裹體的鑽石,在真空加熱至1800℃而後快速冷卻,不會給鑽石帶來任何損害。但在氧氣中加熱,則只需達到較低的溫度(650℃),鑽石即緩慢燃燒而變為CO2 氣體。激光打孔和切磨便是利用這一原理。
導熱性 是所有已知物質中最高的。利用這一性質製成的熱導儀成為鑽石檢測中最快捷有效的工具,這一性質也使鑽石在電子工業中被用作散熱片和測溫熱感應器件等。
電學性質 除少數罕見的天然藍色鑽石 (Ⅱb 型) 外,一般是絕緣體。鑽石越純凈,其晶格越完美,其電絕緣性就越好。若鑽石被X射線或γ射線輻射,其結構將被破壞並產生一些自由電子,由此產生極小的電導率。
親油性 鑽石表面不能被水濕潤,但具特殊的親油性。這一特性常被用於鑽石鑒定和選礦中。
(四)包裹體
鑽石內部的包裹體除金剛石外,還有石墨、石榴子石、單斜輝石、斜方輝石、硫化物、橄欖石、藍晶石、剛玉、紅柱石、方解石、雲母、長石、角閃石、鈦鐵礦、鉻透輝石、綠泥石、鋯石、透輝石等。此外,放大觀察還可見鑽石的生長紋、解理等。在原石和成品上還常見與解理有關的三角座、「V」字形缺口、胡須等。
二、鑒定
鑽石的鑒定非常重要,因為鑽石評價、貿易、市場營銷、購買等必須首先以鑽石的准確鑒定為前提。隨著科學技術的發展,越來越多的鑽石仿製品不斷進入市場,如蘇聯鑽(立方氧化鋯)、美國鑽(釔鋁榴石)、瑞士鑽(鈦酸鍶)、莫桑石等。許多材料按比例切磨加工,會顯示出與鑽石同等甚至更高的亮度和火彩,完全可魚目混珠。更為嚴重的是:越來越多的合成鑽石、新方法處理鑽石不斷進入市場,對它們的正確鑒定,即使是專業的珠寶鑒定師,有時也會感到困惑。鑽石的准確鑒定需要專業人員藉助各種鑒定儀器才能完成。但一般來講,鑽石鑒別需重點解決下列的問題:①鑽石與仿製品的鑒別;②天然鑽石與合成鑽石的鑒別;③未處理鑽石與處理鑽石的鑒別。
(一)鑽石與仿製品的鑒別
市場上鑽石的仿製品很多,典型的有釔鋁榴石、釓鎵榴石、鋯石、立方氧化鋯、鈦酸鍶、合成金紅石、合成碳硅石(莫桑石)、玻璃等。但和其他寶石相比,鑽石與仿製品的真假鑒別相對較容易(表6-1),最方便的方法是藉助於熱導率儀就能將鑽石與其他仿製品區別開來,因為除莫桑石外,所有鑽石仿製品的熱導率都遠比鑽石低。在此基礎上,重點解決莫桑石的鑒別問題即可。
表6-1 鑽石及其仿製品的物理性質
續表
莫桑石是1997年由美國C3公司生產並投放到市場的一種人造寶石,其化學成分是SiC。與其他鑽石仿製品相比,它具有更大的欺騙性,原因在於其熱導率較高,用傳統的熱導儀無法將它與鑽石區分開來。其實,這種仿製品的鑒別並不太難,第一,這種材料是非均質體,並具有較大的雙折射,用十倍放大鏡便可將此區分開來;第二,利用已投入市場的反射率儀等,很容易將兩者區別開來。
(二)天然鑽石與合成鑽石的鑒別
自從40多年前第一粒合成鑽石問世以來,合成鑽石的技術一直不完善,多數合成金剛石只具有工業用途,達到寶石級的很少,而且合成鑽石成本比開采天然鑽石昂貴,所以過去合成鑽石很少流入市場,人們似乎高枕無憂,看到鑽石理所當然地認為是天然的。但是近十多年,隨著合成技術的不斷提高,成本隨之降低,產量成倍增長,品質越來越好,近無色干凈者處處可見。合成鑽石已開始沖擊市場,當務之急是如何鑒別它們。基於現在的研究成果,天然鑽石與合成鑽石的鑒別可依據一些明顯的特徵綜合對其作出鑒定(表6-2)。
表6-2 天然鑽石與合成鑽石的區別
(三)天然鑽石與處理鑽石的鑒別
由於客觀原因,大多數天然產出的鑽石均帶有這樣或那樣的缺陷,有的甚至不能直接切磨成成品。為此,人們一直在努力將低級別鑽石通過一系列方法進行處理,使其外觀得到改善,使其質量明顯提高,並最大限度地實現其價值。處理鑽石的鑒別也就隨之成為鑽石鑒定中一個十分重要的方面。常見的鑽石處理方法及其成品鑒別方法如下:
1.激光處理
該方法是用激光消除鑽石中的明顯黑點、包裹體等,激光留下的通道用玻璃來充填。鑒定這種方法處理的鑽石時,其中白色線狀包裹體是其重要依據。
2.輻射和加熱處理
某些顏色較差的鑽石可用輻射和熱處理的方法使其顏色得到改善。對它作出正確鑒別需專門知識和儀器。殘余放射性以及因輻射而產生的特殊顏色圖案是最重要的鑒別標志。對輻射而產生的藍色鑽石,不導電是鑒別的重要依據。
3.塗色處理
某些稍帶黃色的鑽石可在腰棱或亭部小面塗上藍色而使黃色消退。鑒別的辦法是先用清水或丙酮擦後再作檢查。
4.鍍層處理
即在鑽石上用合成金剛石方法鍍上一薄層,它可增加重量,改善凈度或成色。鑒別的辦法是:放大檢查或用浸液檢查,鍍層較易顯現出來。
5.拼合處理
鑽石拼合處理常見有下列三種情況:①以合成無色藍寶石作冠部粘合到鈦酸鍶的亭部上。用藍寶石作冠部以保證硬度,用鈦酸鍶作亭部以提高火彩。這種拼合石可用熱導儀來鑒別。②以鑽石作冠,粘合到其他無色透明的材料上。冠部的鑽石薄層以保證拼合石的光澤和硬度。這種拼合只測試冠部難以確定真假,必須測定亭部才能作出正確鑒別。③兩顆較小的鑽石粘合起來形成較大的鑽石。這種拼合用熱導儀不能作出鑒定,必須觀察其拼合縫中存在的膠和氣泡等特徵。
三、質量評價
鑽石的價格與鑽石的品質息息相關。同樣都是天然鑽石,因品質的細微差別就會引起鑽石價格的較大波動,可以說鑽石是日常生活中價格差別最大的商品之一。其實,目前珠寶市場上,經常引起糾紛的往往不是在於鑽石的真假與否,而絕大多數在於鑽石品質的分歧上。由於大家希望所購鑽石物有所值,由此希望制定一個統一的標准來對鑽石的品質進行分級。經過國際鑽石業的努力,已制定出一個目前在國際上較為統一的公認的鑽石品質評價標准,它們是:克拉重量(carat weight)、顏色(color)、凈度(clarity)和切工(cut)。由於這4個評價標準的英文字母均以「C」開頭,所以行業中習慣將此稱為「4C」標准。
(一)克拉重量(carat weight)
1.重量的表示
克拉 (carat) 公制克拉是表示鑽石重量最常用的單位,常簡稱為克拉,習慣上克拉縮寫成「ct」。在寶石學中,1ct=0.2g=200mg。
分 (point) 對於不足1ct 的鑽石,其重量常用分來表示,通常寫成 pt。寶石學規定1ct的1/100為1pt,即1ct=100pt。
格令(grains) 25pt稱1格令。這個單位用來表示鑽石的近似重量,例如1/2ct的鑽石稱大約2格令等。
每克拉多少顆 對於小的鑽石,行業中習慣不說其重多少克拉或多少分,而是用每克拉有多少顆表示。例如一包鑽石共有50顆,大小近乎一致,總重量1ct,在描述這批鑽石時說「50顆/克拉」,而不說每顆2pt,因為每顆小鑽石的重量不可能完全相同。
2.鑽石的稱重
對於未鑲鑽石,其重量可用天平精確稱得。但天平有許多種,每種天平的精度存在差異,因此,我們在使用天平時,還是要十分注意天平的精度。不過目前寶石行業中使用的專門電子克拉天平,其精度可達到0.001ct,完全能滿足要求。對於已鑲的鑽石,其重量的精確測定就存在困難了。一般的做法是根據其大小尺寸,對其作出初步的估算。其中關鍵在於鑽石切割精度,精度越高,其重量估算就越精確,反之,則可能存在較大誤差。常用的計算公式如下:
標准圓鑽 重量=平均直徑 2 ×高度×0.0061
橢圓鑽 重量=平均直徑 2 ×高度×0.0062
心形鑽 重量=長×寬×高×0.0059(長︰寬)
祖母綠形鑽 重量=長×寬×高×0.0080(1.00︰1.00)
×0.0092(1.50︰1.00)
×0.0100(2.00︰1.00)
×0.0106(2.50︰1.00)
馬眼形鑽 重量=長×寬×高×0.00565(1.50︰1.00)
×0.00580(2.00︰1.00)
×0.0585(2.50︰1.00)
×0.00595(3.00︰1.00)
梨形 重量=長×寬×高×0.00615(1.25︰1.00)
×0.00600(1.50︰1.00)
×0.00590(1.66︰1.00)
×0.00575(2.00︰1.00)
上述長度、寬度和高度等可用各種量具、卡規等測量,單位是毫米(mm)。鑽石的重量單位是克拉(ct)。
3.克拉重量與價格
對於成品鑽而言,在其他條件(顏色、凈度和切工)都相同的情況下,重量越大,其價格越高。在鑽石行業中,鑽石的價格是用「每克拉多少價」(price per carat)來表示。通常縮寫成P.C.。例如,價格是¥22000元/ct,一顆重0.50ct的鑽石,那麼,其售價就為0.50×22000=11000(元)。
由於自然界越大的鑽石越稀少,同時,社會上廣泛存在擁有1ct、2ct、3ct的鑽石比擁有稍小於1ct、2ct、3ct整數鑽石更加感到榮幸的心理。這兩種因素被清楚地反映在每顆鑽石價格報價上。因而,市場上鑽石價格與克拉重量之間並不是簡單的線性關系,而是一條在克拉溢價處出現台階的線(圖6-3)。
圖6-3 鑽石價格與重量的關系示意圖
溢價台階還出現在0.25ct、0.50ct和0.75ct重量處,更大的則出現在1、2、3等整克拉處
(二)顏色(color)
1.鑽石顏色的等級特徵
基於行業習慣,鑽石根據顏色可劃分為兩個系列,一個是帶顏色的異彩鑽石系列(fancy colour diamonds),如紅色、藍色、紫色和棕色等。這個系列的鑽石在自然界非常稀少,故在價值上也較高,評價需單獨進行。另一個是數量相當大的無色系列,這個系列的鑽石要求越是無色,價值越高。但由鑽石中或多或少含少量氮等雜質元素,因而或多或少帶黃色調。為了評價這個系列的鑽石,國際上提出了許多分級體系。目前世界上主要的鑽石分級體系是GIA和CIBJO的分級體系。GIA的分級體系是一英文字母體系,這一體系從最好顏色D開始,終結於Z。CIBJO分級體系則用簡單的術語來描述色級。中國傳統的鑽石分級體系則採用100制的方法,即將最好的顏色定為100,其他依次類推。
2.顏色分級的實踐
鑽石的成色分級一般要求有以下4個基本條件,即一套標准比色石、合適的燈源、中性的分級環境以及經驗。
標准比色石 每一個實驗室應有一套共7顆的比色鑽石,稱為標准 「比色石」(master stones)。其中的每一顆鑽石都代表一種標准「顏色」,對應於一個色級的下限或上限。將一顆未知鑽石的顏色與某一比色石相比,即能得到該鑽石的顏色色級。需要注意的是,一個色級代表著一個顏色范圍,許多被評為同一色級的鑽石,經仔細觀察,其色調仍有細微差異。
合適的光源 在顏色分級時,需要一種標準的、無紫外線的人造光源。鑽石顏色分級中推薦使用的光源是5000/5500K,這種光源是在相對於絕對零度(-273℃)溫度下產生的。
中性的分級環境 分級的環境也會影響到對鑽石顏色的感覺。來自非標准屋頂燈的散射光和從四周窗戶進來的日光都會使鑽石發熒光,另外,如牆壁及頂棚的顏色色調比較鮮艷,也會妨礙眼睛觀察並影響分級,要求有一個中性的分級環境,在黑暗房間中使用標准光源是最理想的,或是一間半暗的房間,其牆壁和頂棚為中性淡色。
經驗 鑽石分級要求有經驗豐富的鑽石分級師,掌握各種分級標准,准確地為鑽石分級。
3.成色分級步驟
成色分級一般採用比色法,即將待評價鑽石與標準的比色樣石進行比較,以決定待比未知樣品的成色級別。
4.顏色與價格
鑽石的顏色對其價格影響較大。在其他條件(重量、凈度和切工)相同的情況下,顏色級別越高,其價格越高。例如,1998年的國際報價,重量為1ct、凈度為VS、切工相同,成色為D的鑽石價格約為15000美元/ct,顏色為K的鑽石,價格約為5000美元/ct,相差近3倍。
(三)凈度(clarity)
1.凈度的分級體系
目前世界各國流行的鑽石凈度分級體系主要依據鑽石內部及外部瑕疵的多少。鑽石凈度分級在國際上有統一的名稱、標志及顏色。外部瑕疵統一用綠色筆標識,主要有多餘刻面、原晶面、傷痕、小白點、磨痕、磨痕等。內部瑕疵特徵統一用紅色筆標識,主要有毛邊、碎傷、破洞、缺口、雲狀物、羽狀裂紋、結晶包裹體、內部生長線等。
2.凈度分級的必要條件
清潔 由於鑽石具有親油性,在檢測前至關重要的是將所有的油脂和臟物從鑽石表面清除掉,否則將影響評價結果;
放大倍數 對凈度分級,國際上約定採用經過校正的10倍放大鏡;
照明 要求有盡可能多的光進入鑽石亭部。
3.凈度分級的步驟
首先,每個小面逐一檢查;然後確定凈度的級別。需要考慮的主要因素如下:
包裹體數量 包裹體的數量越多,凈度級別越低。
包裹體大小 包裹體越大,鑽石的亮度越低,凈度級別越低。
包裹體位置 包裹體所在位置越靠中部,對凈度的影響越大。
包裹體明亮度 包裹體越暗,其清晰度越高,因而凈度級別越低。
包裹體類型 若別的因素相同,那麼,具有相似大小和位置的模糊的雲霧比暗色晶體對凈度的影響小。
(四)切工(cut)
為了最大限度地體現鑽石的美,按理想比例精確加工十分重要。鑽石的各個部分都要求有一定的比例。圓多面型鑽石切工分級的評價指標有:檯面百分比、冠部角度、亭部深度百分比、腰部厚度、尖底大小尺寸、修飾(指拋光程度和對稱程度)度等。具體內容如下:
檯面大小的估計 檯面寬度約占整個腰直徑的56%。
冠角 在理想琢型中,有三種琢型其冠角大致都在33°~34°30′之間。
冠部高度 約占腰部直徑的14.4%。在評價切工時,一般不單獨評價冠部高度,它主要受檯面大小和冠角的控制。
腰棱厚度 幾乎所有的圓多面型鑽石的腰棱厚度變化都是有16處最厚16處最薄,這取決於做工的對稱性。沿著鑽石的腰棱線觀察,可以很容易地觀察到波浪形腰棱。
亭部深度 亭部深度一般約為腰部直徑的43%。
底面 一般50分以上的鑽石,底部都要求有小面,這種鑽石共有58個面。底面只是一個非常小的面,要求位置正。若底面偏離中心,會造成部分漏光的現象。
切工的好壞對價格影響極大,美國A.L.Matlins (1999)認為,切工是4C中對鑽石價格影響最大的,而我國鑽石消費者對此往往不太重視,因此一些珠寶商往往將成色和凈度尚好,但切工低劣的鑽石銷售給消費者,並由此給消費者帶來損失,應引起高度重視。
四、礦床成因及產地
1.礦床成因
構成鑽石的礦物金剛石是如何形成的?至今仍存在爭議。到目前為止,已提出的相關假說有:地幔捕獲晶成因說、幔源岩漿結晶說、隕石沖擊成因說、油儲爆破成因說和變質成因說等。地球科學結合現代科學實驗研究表明,上述形成金剛石假說均可能是正確的,但達到寶石級的金剛石——鑽石只產於金伯利岩、鉀鎂煌斑岩兩種類型原生礦以及它們的次生砂岩之中。
根據對所含包裹體的研究,鑽石的形成溫度為900~1300℃,壓力為4.5~6.0GPa,相當於地球深處130~180km的深度。根據包裹體測年分析,鑽石的形成年代通常比攜帶它至地表的金伯利岩或鉀鎂煌斑岩的年代要早得多,如南非金伯利鑽石礦,金伯利岩形成於距今90~100Ma,而該礦床中的鑽石卻形成於3300Ma前。世界各地的鑽石礦均具有相同的特徵,因此,可以認為鑽石是在較古老的地質歷史時期形成於地幔深處,在後期火山活動中,被金伯利岩漿或鉀鎂煌斑岩岩漿捕獲,被帶至地表,並賦存在金伯利岩和鉀鎂煌斑岩中,形成鑽石原生礦。原生礦經過風化剝蝕作用,鑽石被帶至河流或濱海環境沉積下來,則形成鑽石的次生砂礦。到1871年為止,全球所有的鑽石均發現於次生砂礦,至今次生砂礦仍是世界鑽石的主要來源。第一個鑽石原生礦於1870年發現於南非的金伯利城,以後相繼在波札那、剛果(金)、澳大利亞、俄羅斯、巴西和中國等發現金伯利岩型或鉀鎂煌斑岩型原生鑽石礦床。
2.產地
到18世紀為止,除了少數鑽石開采自婆羅洲外,大部分鑽石開采自印度,包括歷史上幾乎所有的名鑽。南美大陸的巴西於1725年發現鑽石,此後一百多年的歷史中,巴西的鑽石產量居世界首位,這一格局直到19世紀末期才被南非鑽石的大量發現所打破(周祖翼等,2001)。
1866年,在南非Orange附近,人們發現了第一顆「尤利卡」鑽石,成千上萬的人因此涌到此處淘沙尋找鑽石。逆河而上,歷經4年之久,人們終於在金伯利城旁的Dutoits⁃pan岩筒中發現產鑽石的母岩——一種藍綠色的噴出岩,並命名其為金伯利岩。今天,人們在南部非洲找到了成千上萬個金伯利岩筒,但大多數並不含鑽石,或雖有鑽石產出,但由於品位太低而無開採的工業價值。著名的南非鑽石礦有金伯利礦和普列米爾礦等。其他如剛果(金)、波札那、俄羅斯西伯利亞雅庫特、坦尚尼亞的姆瓦杜伊和我國遼寧的瓦房店等,都是十分典型的金伯利岩型鑽石礦床產地。
1979年在澳大利亞發現了含金剛石的鉀鎂斑岩,又稱超鉀金雲火山岩,這是一種新的金剛石產出類型。這種類型是後期的岩漿岩侵入到早期的火山岩中,使侵入岩與火山岩緊密共生。鉀鎂煌斑岩屬鐵質、偏鹼性至強鹼性基性-超基性岩。澳大利亞的煌斑岩岩管不僅為尋找新的金剛石資源提供了基礎資料,而且是紅鑽的重要產地。為了避免墜石的危險,今天金伯利岩筒鑽石的開采已從露天開采轉為地下開采。鑽石的回收則採用了一系列特殊的分選工藝和設備,如迴旋破碎機、碾磨機、重介質分選法、旋轉淘洗盤、油脂回收、磁選、X射線分選機等。各金伯利岩筒的鑽石品位變化不等,一般每2噸含鑽石金伯利岩產出1克拉鑽石,在某些岩筒,每噸礦石提取0.2克拉鑽石即具開采價值。金剛石砂礦是世界上金剛石的主要來源。世界各國砂礦中金剛石儲量約佔世界金剛石總量的40%,但約占總產量的60%。金剛石砂礦包括濱海砂礦、河流沖積砂礦和殘坡積砂礦,分布在寒武紀、晚古生代、中生代和新生代等各個地質歷史時期。著名的南非維特瓦特斯蘭德含金剛石礫岩、南非普列米爾和波札那的奧拉帕岩筒上的殘積砂礦,都是金剛石砂礦的重要產地。我國湖南沅江流域兩側也發現有工業價值的金剛石砂礦分布。金剛石砂礦的開采除了採用傳統的淘沙方法外,主要的方法和工具有船上回收(挖泥船)、吸揚式挖泥船、河流改道、海上開采等。
目前在世界上進行商業性生產鑽石的國家有20多個,但產量居前五位的鑽石生產國依次是澳大利亞、剛果(金)、波札那、俄羅斯、南非。其他生產鑽石的國家有安哥拉、巴西、中國、象牙海岸、迦納、幾內亞、圭亞納、印度尼西亞、利比亞、賴索托、納米比亞、坦尚尼亞、委內瑞拉、中非共和國、塞拉里昂、印度、美國等。中國於1965年先後在貴州和山東找到了金伯利岩和鑽石原生礦床。1971年遼寧瓦房店找到鑽石原生礦床。目前仍在開採的兩個鑽石原生礦床分布於遼寧瓦房店和魯中蒙陰地區。鑽石砂礦則見於湖南沅江流域、西藏、廣西以及跨蘇皖兩省的郯廬斷裂等地。
【學習指導】 鑽石被稱為寶石之王,是國際珠寶市場佔有率最高的寶石品種。本任務中有關鑽石的基本性質(包括結晶學性質、化學成分、物理性質和包裹體特徵等)必須熟記。鑽石鑒定重點需要掌握三個方面的內容:一是鑽石與仿製品的鑒別;二是天然鑽石與合成鑽石的鑒定;三是未處理鑽石與處理鑽石的鑒別。鑽石質量主要掌握4C評價標准和有關方法。對於鑽石與金剛石的關系、鑽石的成因及產地等也必須有充分的了解。
【練習與思考】
1.何為鑽石?鑽石與金剛石的關系如何?鑽石為何被稱為寶石之王?
2.鑽石的基本性質是什麼?
3.何為Ⅰ型鑽石?何為Ⅱ型鑽石?確定的依據是什麼?
4.簡述鑽石為何硬度是自然物質中最大的,但韌度並不是最高的原因。
5.鑽石的熱導率是自然物質中最高的,它的具體用途是什麼?
6.簡述如何充分應用鑽石三個方向完全的解理特性。
7.何為鑽石的4C評價?具體包括哪些內容?
8.鑽石的鑒別主要解決哪些問題?
9.克拉重量如何表示?如何稱重?鑽石重量與價格的關系如何?
10.如何大致確定鑽石的顏色?鑽石顏色分級的條件是什麼?
11.凈度有哪些分級體系?其適用性如何?凈度分級的條件是什麼?
12.確定鑽石凈度主要考慮哪些因素?
13.對於十分常見的圓多面型切工鑽石而言,評價其切工好壞的主要指標有哪些?
14.鑽石的主要仿製品有哪些?如何鑒別它們?
15.處理鑽石和合成鑽石如何鑒別?
16.鑽石拼合石有哪幾種情況?如何鑒定鑽石拼合石?
17.何為莫桑石?它給鑽石市場帶來的影響是什麼?
18.簡述鑽石的成因,說明目前國際主要的鑽石產地。
J. 如何在鑽石上鑽孔
從2000年左右,鑽石打開都用激光設備進行,精密度達到0.02um,非常精準而且速度快,國內外都是用此工藝。
過去在激光技術沒有發明應用之前,在鑽石(金剛石)上打孔,或拋光,都是利用金剛石粉(俗名「金剛砂」),配合旋轉的金屬針(因為產生熱,必須不斷用水冷卻)。過去由於技術條件限制,轉速不高,所以加工效率較低,轉一個孔需費很多工時,加工成本很高。所以,在鑽石上打孔串製成的飾品是不多見的。
現在,在寶石加工過程中,拋光的工序仍舊少不了用鑽石粉。但是由於激光技術的問世,鑽石和其他高檔寶石上的打孔就容易多了。