《第4章 助熔剂法合成宝石》.ppt

第四章 助熔剂法生长宝石晶体与鉴别 教学内容 一、助熔剂法生长宝石晶体的基本理论 二、助熔剂法生长祖母绿、红宝石和YAG晶体 三、助熔剂法生长宝石的鉴别 一、助熔剂法生长宝石晶体的基本理论 1、基本原理 助熔剂法是将组成宝石的原料在高温下溶解于低熔点的助熔剂中，使之形成饱和溶液，然后通过缓慢降温或在恒定温度下蒸发熔剂等方法，使熔融液处于过饱和状态，从而使宝石晶体析出生长的方法，其生长过程类似于岩浆中矿物的结晶过程。助熔剂通常为无机盐类，故也被称为盐熔法或熔剂法。 主要用来合成祖母绿、红宝石、蓝宝石、变石、尖晶石等 2、助熔剂法分类 （1）自发成核法 a、缓冷法 b、反应法 c、蒸发法 （2）籽晶生长法 a、籽晶旋转法 b、顶部籽晶旋转提拉法 c、底部籽晶水冷法 （1）自发成核法 按照获得过饱和度方法的不同助熔剂法又可分为缓冷法、反应法和蒸发法。这些方法中以缓冷法设备最为简单，使用最普遍。 缓冷法是在高温下，在晶体材料全部熔融于助熔剂中之后，缓慢地降温冷却，使晶体从饱和熔体中自发成核并逐渐成长的方法。 （2）籽晶生长法 籽晶生长法是在熔体中加入籽晶的晶体生长方法。主要目的是克服自发成核时晶粒过多的缺点，在原料全部熔融于助熔剂中并成为过饱和溶液后，晶体在籽晶上结晶生长。 3、助熔剂的选择 助熔剂的基本要求是它熔化后能溶解待生长的晶体，且不易挥发。 助熔剂的选择是助熔剂法生长宝石晶体的关键，它直接影响到晶体的结晶习性、质量与生长工艺。 助熔剂有两类： 一类为金属，主要用于半导体单晶的生长；另一类为氧化物和卤化物（如PbO，PbF2等），主要用于氧化物和离子材料的生长。 助熔剂的条件 1.对晶体材料应具有足够强的溶解能力； 2.具有尽可能低的熔点和尽可能高的沸点； 3.应具有尽可能小的粘滞性； 4.在使用温度下挥发性要低(蒸发法除外)； 5.毒性和腐蚀性要小，不易与坩埚材料发生反应； 6. 不易污染晶体，不与原料反应形成中间化合物； 7. 易把晶体与助熔剂分离。 常采用的助熔剂：硼、钡、铋、铅、钼、钨、锂、钾、钠的氧化物或氟化物，如B2O3，BaO，Bi2O3，PbO，PbF2，MoO3，WO3，Li2O，K2O，KF，Na2O，NaF，Na3AlF6等。在实际使用中，人们多采用复合助熔剂，也使用少量助熔剂添加物，通常可以显著地改善助熔剂的性质。合成不同宝石品种采用的助熔剂类型不同。即使合成同一品种的宝石，不同厂家采用的助熔剂种类也不一样。 4、助熔剂法生长宝石技术的优缺点 （1）优点 a、适用性很强，几乎对所有的材料，都能够找到一些适当的助熔剂，从中将其单晶生长出来。????b、生长温度低，许多难熔的化合物可长出完整的单晶，并且可以避免高熔点化合物所需的高温加热设备、耐高温的坩埚和高的能源消耗等问题。 c、助熔剂法生长晶体的质量较好。????d、助熔剂法生长晶体的设备简单，可添加料，是一种很方便的晶体生长技术。 ???? （2）缺点 a.生长速度慢，生长周期长。??b.晶体尺寸较小。??c.坩埚和助熔剂对合成晶体有污染。??d.许多助熔剂具有不同程度的毒性，其挥发物常腐蚀或污染炉体和环境。 二、助熔剂法合成祖母绿晶体 1940年美国人Carroll Chatham用助熔剂法实现了 合成祖母绿的商业生产. 目前世界上祖母绿生产的大公司已经发展到了六、七家，如美国的查塔姆（Chatham）、Regency、林德（Linde），澳大利亚的毕荣（Biron）、法国的吉尔森（Gilson）、日本的拉姆拉（Ramaura） 俄罗斯的Tairus。年生产祖母绿已经达到了5000kg以上。随着科技的发展，各个生产厂家也在不断地改进合成工艺，如Chatham生产出供销售的单个晶体和晶簇。 1、埃斯皮克(Espig)缓冷法生长祖母绿晶体 早在1888年和1900年，科学家们就使用了自发成核法中的缓冷法生长出祖母绿晶体的技术。之后，德国的埃斯皮克(H. Espig)等人进行了深入的研究(于1924-1942年)，并对助熔剂缓冷法做了许多改进，生长出了长达2cm的祖母绿晶体。 （1）主要设备 缓冷法生长宝石晶体的设备为高温马福炉和铂坩埚。合成祖母绿晶体的生长常采用最高温度为1650℃的硅钼棒电炉。炉子一般呈长方体或圆柱体，要求炉子的保温性能好，并配以良好的控温系统。 坩埚材料常用铂，使用时要特别注意避免痕量的金属铋、铅、铁等的