莫桑钻

成分为碳化硅的宝石

莫桑钻

莫桑钻（英语：moissanite），也称莫桑石、合成莫依桑石、碳化硅、合成碳化硅、碳硅、魔星石或魔星钻，[0][1]是一种稀有矿物，由法国化学家亨利-莫桑于1893年发现，[0]矿物学上译为a-碳硅石。碳硅石可分为天然碳硅石和合成碳硅石，而天然碳硅石又可分为a-碳硅石及β-碳硅石。a-碳硅石又有SiC-15R,SiC-6H,SiC-4H,SiC-21R.SiC-33R,SIC-5R等多型。其中R型属三方晶系，H型属六方晶系，它们是属于陨石矿物及金伯利岩中伴生矿物，在基性岩中也有产出。而β-碳硅石则是在火山活动中热液上升时形成的矿物，它属等轴晶系。[9]组分为碳化硅，化学式为SiC，莫桑钻具有与钻石类似的光学特性、高硬度、高导热性和热光泽性。[10]莫桑钻有金属球状包体及由小白点组成的线体（大致平行 C 轴），无荧光反应，具导电性。[11]

莫桑钻（英语：moissanite），也称莫桑石、合成莫依桑石、碳化硅、合成碳化硅、碳硅、魔星石或魔星钻，[1][2]是一种稀有矿物，由法国化学家亨利-莫桑于1893年发现，[1]矿物学上译为a-碳硅石。碳硅石可分为天然碳硅石和合成碳硅石，而天然碳硅石又可分为a-碳硅石及β-碳硅石。a-碳硅石又有SiC-15R,SiC-6H,SiC-4H,SiC-21R.SiC-33R,SIC-5R等多型。其中R型属三方晶系，H型属六方晶系，它们是属于陨石矿物及金伯利岩中伴生矿物，在基性岩中也有产出。而β-碳硅石则是在火山活动中热液上升时形成的矿物，它属等轴晶系。[10]

组分为碳化硅，化学式为SiC，莫桑钻具有与钻石类似的光学特性、高硬度、高导热性和热光泽性。[11]莫桑钻有金属球状包体及由小白点组成的线体（大致平行 C 轴），无荧光反应，具导电性。[12]

以近乎无色的形式用于珠宝用途，广泛用于钻石替代物、工业金刚石替代物、电子和热能器材以及测量放射性剂量中。[10][11]

矿物组成

莫桑钻是碳化硅（Sic）的晶体，[13]主要为六方晶系的碳化硅4H-SiC和6H-SiC，均属于α-SiC。[14]

结构特征

4H-SiC结构
4H-SiC结构
(α)6H-SiC结构
(α)6H-SiC结构

莫桑钻的基本结构是一个由硅原子组成的封闭晶体框架，碳原子占一半四面体的位点，同时硅原子和碳原子之间存在着相互作用力，或者该结构也可以被看作是一种共价的钻石衍生物，由交替的Si和C原子形成，通过键网络连接。莫桑钻中六方碳化硅晶体的晶胞常数a=3.0810和c=15.1248埃，平均层间距离为2.5208埃，c/na比为0.8182，但6H结构沿堆积方向有轻微的松弛，即六边形偏离了立方体的对称性。[16]因为莫桑钻的晶体结构是通过与钻石类似的强共价键结合在一起的，[1]这使得莫桑石能够承受高达52.1千兆帕的高压，[1][17]此外它的颜色差异很大，在钻石颜色分级表上被分为D至K级。[18]

物理特性

外观为无色、绿色、黑色、蓝色、绿黄色、黄色[6]，与美国宝玉石学院（GIA）钻石颜色分级尺度的I到V级相当。[19]莫氏硬度为9.25[6]，密度为3.20~3.24g/cm2[20]，金刚光泽[21]，折射率NO≈2.648、Ne≈2.691，[10]双折射率0.043，可观察到刻面宝石的棱线呈双影，[20]色散值0.104，[22]热导率0.3W/(m·K)，[23]比刚度(E/ρ)13，[24]比重3.22，[25]纯SiC线膨胀系数(5.12~5.8）×10-6/℃，[26]熔点有不同资料数据，如3400℃分解、2700℃、2830±40℃，[26]

据 GIA 的报告，80％的莫桑石均为电导体，[25]晶体属六方晶体，[27]晶质体，晶体习性为块状，[21]非均质体，一轴晶，正光性，[20]紫外荧光:长波:无至橙色，[21]可见光吸收谱:近于无色者在425nm以下有一弱吸收，[28]可见平行针状、小白点状包裹体，[20]典型包体为很细的白色针状或丝状包体，一般与台面垂直或近于垂直。[27]

化学性质

碳化硅在还原性气氛中直至1600℃仍然稳定，在高温氧化气氛中则会发生氧化作用 [4]

[4]

在温度800-1140℃的范围内，它的抗氧化能力反而不如在1300-1500℃之间，这是因为在800~1140℃范围内，氧化生成的氧化膜（SiO2）结构较疏松，起不到充分保护底材的作用。而在1140℃以上，尤其在1300-1500℃之间，氧化生成的氧化层薄膜覆盖在碳化硅基体的表面，阻碍了氧对碳化硅的进一步接触，所以抗氧化能力反而加强，称为自保护作用。但到更高温度时，其氧化保护层被破坏，使碳化硅遭受强烈氧化而分解破坏。[4]在低温下，碳化硅的化学性质比较稳定，耐腐蚀性能优良，在煮沸的盐酸、硫酸及氢氟酸中也不受侵蚀。[4]

形成原因

莫桑石通常是碳星周围的宇宙尘埃中的常见成分。在宇宙和陨石中发现的莫桑石几乎无一例外都是β相晶形的，α-SiC是这些多型体中最为常见的，它是在大于1700℃的温度下形成的，具有类似铅锌矿的六方晶体结构。具有类似钻石的闪锌矿晶体结构的β-SiC则是在低于1700℃的条件下形成的。[15]

分布区域

天然莫桑钻仅存在于地核中，又因板块挤压，火山爆发所形成的岩浆岩中也有少量莫桑钻。地表上的莫桑钻作为包裹体，自然存在于钻石、斜长岩和其他超基性岩石，如兰姆岩中[29]，最常发现于超基性岩和陨石（比如钾镁煌斑岩和金伯利岩）中，存量极其稀少且来源比较久远，比如默奇森陨石中发现的碳化硅颗粒，经分析后表明，其来源于太阳系外。[30]

珠宝与鉴别

莫桑钻翡翠
莫桑钻翡翠

1997年，莫桑钻开始作为钻石替代物。完成打磨的人造莫桑钻外观与用作珠宝产品的钻石的外观和质量都很相似，且折射率和火彩色散度比钻石更加高，被认为是钻石的良好替代物。[31]虽然莫桑钻与钻石十分类似，但是莫桑钻在测量热导率时会出现热变色现象，因此可用于鉴别钻石的真假。同时，莫桑钻在一定光的照射下会显示出轻微的绿色或黄色荧光，也可用于鉴别钻石的真假。[3]

工业

莫桑钻具备高硬度、高抗冲击强度及低成本特性，可用于替代高压测试工业中的金刚石。此外，其在高温、高压等极端条件下表现出的优异性能，使其还可应用于高性能陶瓷材料、切削工具等工业产品的制作。[1]莫桑钻具有良好的导热性，可用于电子和热能器材中，如发动机的保护电路、执行器和蓄电系统[32]。同时，莫桑钻还具有热光泽性[33]，可用于测量放射性剂量[34]；碳化硅也大量被用于工业研磨和切割、制造复合装甲、单兵护甲中的防弹板、天文望远镜的镜面材料[35][36]、生成石墨烯的载体[11][37]以及铁路车辆的牵引变流装置。[38]

发现历史

1891年，爱德华-古德里奇-艾奇逊（Edward Goodrich Acheson）首次合成出人造碳化硅晶体用来替代钻石作为研磨和切割材料的备选矿物。[39]

1893年，法国化学家亨利-莫桑（Henri Moissan）在分析亚利桑那州的Canyon Diablo流星坑中的岩石样本时发现第一例莫桑钻矿物，并在1904年确定了这些晶体就是碳化硅。[1][40]除了发现这种材料, 莫桑博士也首次成功合成了这种材料。1905年, 为了表示对他的敬意, 莫桑石(moissanite) 因此得名。[41]

直到20世纪50年代，除了作为碳质软玉陨石中的前太阳晶粒之外[42]，还没有遇到过其他的莫桑钻来源。然后，在1958年，在怀俄明州的上地幔绿河地层中发现了莫桑钻，第二年，在俄罗斯远东雅库特钻石矿的超基性岩石金伯利岩中发现了莫桑钻的包裹体。[43]

一直到1989年，随着更多的发现成果公布，人们才确认存在于金伯利岩石中或钻石的包裹体中的碳化硅确实是自然莫桑钻。[16]

制备方法

天然莫桑钻的成因和结晶条件尚不明确。然而科学家们根据莫桑钻具有极强的还原性这一特性，提出了莫桑钻是原始超还原地幔或地核-地幔边界的残留物的假设。[44]科学家们还提出了由于环境中极高的形成温度、压力和极高的含氧量，导致天然莫桑钻的形成方式与钻石类似。[45]

Acheson法[45]

在两碳电极间放人石英砂和木屑、锯末等，通气、通电后，这些物质间会反应生成 SiC。Acheson 法从20世纪初开始用于工业生长摩擦材料SiC粉末，少量的SiC单品是工业生长的副产品。Acheson法的特点是自发成核、产率低、生成的 SiC 单晶尺寸小，但污染大。[47]

在工业生产中，用于合成 SiC 的石英砂和焦炭通常含有 Al 和 Fe 等金属杂质，因此，所得到的 SiC 一般都固溶有少量的杂质。其中，杂质含量少的呈绿色，被称为绿色碳化硅；杂质含量多的呈黑色，被称为黑色碳化硅。[48]

Lely法[48]

这是人工合成的莫桑钻的常用方法。[49]碳化硅粉末在高温的氩气的环境下升华后，再沉积形成鳞片状的单晶，在较冷的基底上可形成一定尺寸的单晶，但该方法能制备出高品质的碳化硅单晶。在生长温度较高的环境下生长的单晶，得到的单晶大多数呈6H-SiC相。Lely法后在石墨坩gān埚中进行感应加热的改进方式，可以制造出比传统方法更好的碳化硅单晶。[50]

物理气相传输法（PVT法）

苏联科学家泰勒夫（Tairov）和茨维科夫（Tsvetkov）对Lely法加以改进，生长出直径为8mm、长为8mm的6H-SiC单晶。该方法是将SiC品种放在一个含SiC粉源的坩埚里，坩埚通过中频感应或电阻炉加热，使温度达到2000℃以上，在源或品种之间通过温度梯度引起Si或C样本传输到品种的表面。这种方法称为PVT法或改进了的Lely法（M-Lely法）。在PVT法生长SiC单晶的过程中，源物质输运到品种表面的机理为：SiC源在高温下分解成含Si和C的气体分子，这些气体分子再凝聚到较冷的晶种表面。气相中含有许多不同的化合物分子，主要有Si、Si2C和SiC2分子等。PVT法是生长大尺寸、高质量SiC单晶最好的方法。[47]

化学气相沉积法

用H2、Ar等载运气体将含有SiC构成元素Si、C的原料气体导入反应管内，使SiC单晶在维持高温状态的基底上生长。[51]

液相外延生长法（ LPE )

在石墨坩埚内熔融Si，利用熔融Si的热对流将高温区中Si内熔化的C输运到低温区。在置于低温区的6H-SiC基底上使6H-SiC得到外延生长。该方法的缺点是：由于Si固化时的强应力，使SiC生长层受到损伤，且不打破坩埚仅用蚀刻除去 Si 的结晶会取不出来，故不太适合于实用化。[51]

彩色合成碳硅石的制备

在合成碳硅石单晶体生长过程中，对晶体进行选择性掺杂，可得到宽范围的颜色和色调。杂质浓度不同可以使同种晶体呈现不同色调。纯的6H-SiC单晶是无色透明的；若在Ar气中掺入少量氮，则可生长出绿色的N型单品；若在粉料中掺入铝，则可得到蓝色的P型单品。[47]

颜色特征

莫桑钻的颜色多为I级或I色级以下，且有些带有浅绿色色调。[25]

密度测定

可用甲基碘比重液（密度3.32g/cm3）测定，莫桑钻会出现上浮现象，钻石则下沉。[25]

硬度测定

莫桑钻硬度小于钻石，用钻石硬度计可以在莫桑钻表面作刻划试验会留下划痕，然而不会在钻石表面留下划痕。[25]

复影观察

莫桑钻为强双折射，因此会产生复影，仔细观察可以看出莫桑钻棱线及底尖的重影。[25]

测试仪器鉴别

美国C3公司开发的Tester Model 590测试仪利用无色和浅色钻石对长波紫外光具有穿透性，而莫桑钻具有吸收性的原理，测试时无反应者为莫桑钻。[25]

拉曼光谱法

莫桑钻主要为六方晶系的碳化硅4H-SiC和6H-SiC，均属于α-SiC。而钻石晶体结构属立方晶系， 且为单质体。因此， 其拉曼特征峰存在明显差异， 可通过拉曼特征峰位置对莫桑石和钻石进行鉴别。[52]

环境影响

莫桑石比以往任何仿制品都更接近钻石， 且部分物理属性优于钻石，也更环保。[53]

毒性

液相法合成碳化硅粉体的技术已经较为成熟，利用液相法合成的碳化硅粉体纯度高且为纳米级的微粉，然而工序较为复杂，且易产生对人体有害的物质。[54]碳化硅粉尘对呼吸道有刺激，经常吸入能使肺结核的原有病变恶化。[55]

参考资料 55

  1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.290.5492.783
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  18. https://books.google.com/books?id=t-OQO3Wk-JsC
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