合成ダイヤモンドができるまで

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天然ダイヤモンドは、地球内部で数百万年かけて高温・高圧にさらされた炭素がダイヤモンドになり、地殻変動により一気に地表に押し上げられ採掘されたものですが、この生成プロセスを圧力発生装置等用いて人工的に再現し、原料である黒鉛を強制的にダイヤモンドに合成させたものが、「合成ダイヤモンド」(synthetic diamond)で、「人工ダイヤモンド」(man-made diamond)「ラボグロウダイヤモンド」(lab-grown diamond)などとも呼ばれています。

合成ダイヤモンドでは、天然の結晶構造・物理的特性等においてほぼ同じものが生成でき、硬さや熱・電気伝導性、電子移動度が天然製品よりも優れる特性を有するものもあります。なにしろ、品質が安定したものを供給できることから、合成ダイヤモンドは研磨材、切削工具、ヒートシンク(放熱板)等のいわゆる“工業用途”として従来から利用されてきました。また特にアフリカで問題となっている、紛争ダイヤ(戦争の資金源)や児童就労などの観点からも"人工"は見直されており、また技術革新によりそれまで難しいとされていた大粒の製造も可能となってきたことから、近年は宝飾マーケットでも広がりを見せています。


現在、主流の合成ダイヤモンド製造の原理について、ここでご紹介します。

高温高圧(HPHT)法

高温高圧法(High Pressure and High Temperature, HPHT)は、天然ダイヤモンドが地球内部で生成される環境を、高圧プレスを使って再現して合成する方法です。試料が納められた反応セルを装置にセットし、5GPa以上の圧力と温度をかけて合成されます。

高圧プレスにはその装置の機構から、ベルトプレス型、トロイダル型、キュービックプレス型等の様々なタイプがありますが、近年ではキュービックプレス(四方+上下の6方向油圧プレス)を用いて合成された商品が工業用ダイヤモンドとしては多くを占めています。これは、超硬材料を使った消耗部品点数が少ないことや、1ショットあたりの時間・生産量のバランスがもっとも経済的であるためといわれています。

化学気相蒸着(CVD)法

化学気相蒸着法(Chemical Vapor Deposition, CVD)は、天然のダイヤモンドが生成する過程とは全く異なった方法で合成します。主に熱フィラメントCVD法とマイクロはプラズマCVD法が主に用いられます。

熱フィラメントCVD法:メタンガスなどの炭素を主成分とするガスを2000~2500℃に加熱したフィラメントで励起し、種結晶となるダイヤモンドの結晶板に蒸着させる合成方法です。
プラズマCVD法:マイクロ波や直流放電などにより、メタンガスなどの炭素を主成分とするガス中にプラズマ領域を生成し、基盤に炭素原子を堆積させる方法です。

爆発衝撃圧縮法

爆薬の爆発によって、瞬間的に高圧・高温が発生させて合成する方法で、上記の2方法から合成される製品と違い1次粒子をもつ多結晶構造になります。

高温高圧法による製造工程

超砥粒の製造工程

  • 原料(黒鉛、HBN、溶媒金属)を詰めてカプセルを作る
  • 高温、高圧プレスでカプセルを焼き、ダイヤ・CBNを合成する
  • 合成物からダイヤ・CBNを抽出するために合成物を破砕する
  • 酸を用い触媒、非合成物を溶かしダイヤ・CBNのみを抽出する
  • 中和剤、水を使い砥粒の酸を除去する
  • 砥粒をふるいによりサイズ分けする
  • 砥粒を形状選別機で分ける
  • 圧壊機、破砕機(フライアビリティーテスター)で強度測定し、品質検査する

キュービックプレス加圧後の原料セル

加圧後の原料セル
加圧後の原料セル

断面に点々と光っているものがダイヤモンドの粒で、この塊を細かく粉砕し強酸を使って溶解・抽出されます。その後サイズ毎に分級され、製品化されます。

グローバルダイヤモンドについて

グローバルダイヤモンドでは、お客様が現在お使いのダイヤモンド、CBN砥粒に関する課題や問題点を、以下の3つの切り口から解決・提案を図ります。カタログからのセレクト購入だけではなく、カスタマイズ対応で、お客様と一体になり、よりよい最終製品へのお手伝いをご提案します。

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