立方氧化锆
立方氧化锆（英语：Cubic Zirconia，简称CZ），亦称作锆立晶、方晶锆石、高碳钻、泛美钻、碳钻、Sona钻、苏联钻或苏联石，是二氧化锆（Zirconia，ZrO2）晶体的一种。氧化锆天然存在时大部分为单斜晶体（mono-clinic），主要以矿物斜锆石（Baddeleyite）存在。以立方单晶体存在的氧化锆在天然中极为罕有，但现时经常以人工方法合成，被广泛用作钻石的代替品。因为这种人工合成方法在苏联发明及最先使用，故此立方氧化锆亦被称为“苏联钻”或“苏联石”。立方氧化锆有时被称作“方晶锆石”，但这名称并不完全正确；因为锆石（Zircon）是天然存在宝石的一种，其化学成分为硅酸锆（Zirconium Silicate，ZrSiO4），与合成的立方氧化锆为两种不相同的物质；而氧化锆的方晶相其实还分为立方晶（Cubic）及正方晶（Tetragonal）两种。
价值
[编辑]人工合成的立方氧化锆是一种坚硬、无色及光学上无瑕的结晶。因为成本低廉、耐用而外观与钻石相似，故此在1976年起至今都是最主要的工业用钻石的代替品。但虽然FTC于2018年七月底就发表了对钻石的重新介定：钻石不只是天然，从矿场发掘出来的和实验室种植而得的都可称为钻石。近年亦开始兴起用培植钻石方式以部分宝石为原材料合成的RZ人造钻石代替钻石。不过立方氧化锆仍不符合条件，原因是基于以下的定义。
据美国联邦贸易委员会(Federal Trade Commission FTC) 和美国宝石研究院（Gemological Institute of America GIA)，宝石可分为3大类别：
- 天然宝石 - 天然孕育而成，相对人工石而言，是较稀有，所以才名贵。
- 实验室培植的宝石 - 亦称为合成石或实验室种植的石，它们是有着跟天然宝石同样的化学，物理和光学特征，虽然它们不是稀有品种，但凭着它们跟天然宝石相同的特征，它们的价钱相对便宜多。
- 仿石 - 这类石主要是模仿天然宝石的外观，它可以是由任何—种物料组成例如玻璃，胶或其他化学物质，由于它的化学，物理和光学特征跟天然宝石不—样，并不能跟天然或实验室培植石相比，价值也是最低，坊间盛行的立方氧化锆（cubic zirconia) 就是其中普遍应用的仿石。
特质
[编辑]立方氧化锆与钻石一样，都为立方晶体。在正常压力之下，二氧化锆的稳定晶体为单斜晶体（mono-clinic），因此在合成立方氧化锆的过程中，需要加入份子量为10至15%的金属氧化物（通常氧化钇或氧化钙）作为安定剂。不同的生产方法会加入不同分量的安定剂，故此立方氧化锆的物理及光学特质会稍为有所不同。
立方氧化锆的密度颇高，比重为5.6至6.0。其硬度达8.5，虽低于钻石，但已超过大部分天然宝石。其折射指数为2.15至2.18，表面有金刚光泽。色散指数达0.058至0.066，超过钻石。立方氧化锆无解理（Cleavage），断口为贝壳状（Conchoidal fracture），属于易碎。在短波紫外线下呈黄、黄绿萤光，于长波紫外线下萤光不明显。
历史
[编辑]氧化锆在1892年首次被发现以后，一直以为只有天然存在的单斜晶体“钭锆石”一种。由于钭锆石藏量不多，因此并未有广泛的应用。而且氧化锆的熔点高达2,750°C，难以透过溶解结成单晶体。1930年发明加入安定剂造成的“安定氧化锆”，是立方多晶体或正方多晶体，都是属于多晶体陶瓷。安定氧化锆主要被用作耐火材料，能抵受高达2,540°C的高温及化学品。之后1937年德国圹物学家M. V. Stackelberg及K. Chudoba首次在蜕晶质化（metamictization）钭锆石中发现微细的单晶立方氧化锆。1960年代，法国科学家Y. Roulin及R. Collongues开始研究培养单晶立方氧化锆。他们使用的方法是将镕解的氧化锆放在有固体氧化锆表面的坩埚之内，令其结晶。这种方法称之为“冷坩埚”法。不过这种方法只能生产很小的单晶体。
苏联科学家V. V. Osiko之后在莫斯科列别捷夫物理研究所改良了这一种技术。他的发明被称为“颅坩埚”法，其出产的人工宝石在苏联内被称为“Fianit”。这种发明在1973年首次披露，并在1976年开始工业生产。至1980年，以这一方法生产的立方氧化锆年产量已超过5千万卡拉（10,000公斤）。
合成方法
[编辑]苏联发明的“颅坩埚”法至今仍是主要的合成方法。首先以铜管绕成杯状，铜管内注入冷却水。在杯内加入少量锆金属片，中间加入氧化锆及安定剂粉末，并加以压紧。整个设备以无线电频感应线圈包围。当感应线圈通电时，锆金属因感应产生电流，被加热至高温镕化，并传热至内部的氧化锆将其镕化。冷却水使杯中接近表面1-2mm的氧化锆维持固态。经过数小时加热后，逐渐减少热力，无瑕的柱状晶体开始形成。之后在1,400°C用长时间退火，消除晶体中的应力。经退火后的晶体通常为5cm长，2.5cm宽，便可以被切割成宝石。
如果在原料内加入不同的金属氧化物，可以获得不同颜色的晶体。例如：
改良
[编辑]近年部分生产商亦有以不同方法改良产品，最常见的是在立方氧化锆表面以蒸气凝结加上一层类金刚石碳（diamond-like carbon, DLC）。得出的产品比普通氧化锆更硬，看起来亦更为似钻石。另一种方法是在表面上以真空喷上一层金属氧化物，使其出现晕彩。但是与镀上类钻石碳不同，这种加工是可以被磨损的。
与钻石比较
[编辑]立方氧化锆在光学上与钻石（金刚石）非常接近，一般人未必能分别两者。但是在显微镜下二者仍然有一定分别：
- 色散：立方氧化锆的色散为0.060，高于钻石的0.044。因此立方氧化锆看来比钻石更为熣灿。
- 硬度：立方氧化锆的摩氏硬度为8.5至9.0，钻石为10。
- 比重：立方氧化锆比钻石重1.7倍。但是这特点只能用来分别未镶嵌的宝石。
- 瑕疵：现在生产的立方氧化锆基本上是内外完美无瑕的。而天然钻石极少是完全内外无瑕。
- 折射率：立方氧化锆的折射率为2.176，稍低于钻石的2.417。
- 切割：由于折射率不同，立方氧化锆的切割与钻石会稍有不同，在放大镜下小心观察可以发现。
- 颜色：完全无色的钻石非常罕有，通常钻石都带有浅黄色。但立方氧化锆可以被造成钻石最高级别，即D级颜色。
- 传热：立方氧化锆与钻石的导热性为两个极端。立方氧化锆是上佳隔热材料，可被用作喷射引擎隔热。而钻石则是最佳导热体之一，其导热能力超越铜。只要使用适合的器材，这性质最能分辨两者。