人工宝石——长春工程学院宝石.doc

第一章 1.人工宝石概念： 人工宝石： ①.概念：完全或部分由人工生产或制造、用作首饰及装饰品的材料统称为人工宝石。 ②.是指人们运用现代科学技术的基本原理和方法，选用适宜的原材料，通过合理的工艺、技术流程，在实验室或工厂里制造出来的用作首饰及装饰品的材料。 2.人工宝石的分类：包括合成宝石、人造宝石、拼合宝石和再造宝石四大类。 合成宝石 人造宝石 拼合宝石 再造宝石 人工合成宝石的方法 ①焰熔法；②冷坩埚法；③晶体提拉法和导模法；④助熔剂法；⑤水热法；⑥高温超高压法；⑦化学沉淀法。 3.焰熔法的一切 焰熔法生产的宝石: 红宝石、蓝宝石、合成尖晶石、人造钛酸锶等晶体 焰熔法的概念：焰熔法也称火焰法，或称维尔纳叶法。顾名思义，它是用火焰把原料熔化在熔体中进行晶体生长的方法，是较重要的一种生长宝石的方法。 （焰熔法已有100多年的历史，是产量和规模较大、使用历史最长的一种方法） 焰熔法生长宝石装置由供料系统、气体燃烧系统、炉体和下降系统等部分组成。 供料系统： 气体燃烧系统： 炉体： 下降系统： 合成红宝石的例子： a.供料：①.(-Al2O3 粉末，纯净，颗粒细； （生长合成刚玉宝石晶体所用的原料 以纯净、颗粒均匀、高分散、具有适当的堆积密度和流动性好的(-Al2O3 粉末最为理想） ②.原料掺杂，携入不同金属离子； 红—Cr2O3 蓝—TiO2 变色—V2O5 金属离子的掺入量是根据以下因素确定的： 1 2 3 b．气体燃烧； c．炉体保温； d．下降系统下降。 合成尖晶石的例子： a.供料：①.氧化镁：三氧化二铝==1:1到1:2.5 （ 红色的合成尖晶石必须按1:1配比才行，任何偏离都会变成其他颜色，因此生长有一点难度。其他颜色均较容易生长。） ②.原料掺杂，携入不同金属离子； Cr——红、棕、绿 Cu——粉红 Mn——黄 Co——深蓝 Fe（或Co + Cr）——浅蓝 Mn + Cr——浅绿 Co + Mn——紫 b．气体燃烧； c．炉体保温； d．下降系统下降。 焰熔法晶体生长工艺特点 1)此种方法不需要坩埚，既节约了坩埚材料又避免了晶体生长过程中坩埚的污染问题。 2) H2、O2燃烧可以达到很高的温度(2500℃以上)，对难熔氧化物晶体生长非常合适。 3)生长速度快，有利于大规模生产并可降低成本。 4)生长设备较简单，能长出尺寸大的晶体，如宝石梨晶宽可达10～30mm，长500～1000mm。当然此法也有缺点，如生长时温度梯度大，晶体应力大，易开裂。 焰熔法合成宝石的鉴定特征 1)焰熔法生长的宝石中可见气相包体，这些气泡大小不一，或单个或成群出现，气泡形状多为球形，也有拉长及齿形的变异气泡，有时小气泡大量密集出现会形成云雾状包体。 2)焰熔法生长的晶体横截面上可见到像唱片一样的密集弧形生长环带或色带，常伴有与条纹方向垂直的拉长气泡。 3)晶体生长过程中未熔融的粉料有时会被包裹在晶体中，形成面包碎屑状包体。 4)焰熔法生长的梨晶很容易从中间裂开，并易产生位错而使晶体出现镶嵌结构、晶向扭曲等严重缺陷。 5)焰熔法生长的宝石晶体个体较大，颜色均匀而鲜艳。 4. 冷坩埚技术 高频冷坩埚技术的工作原理： 高频冷坩埚技术不使用专门的坩埚，而是直接用拟生长的晶体材料本身作“坩埚”，使其内部熔化，外壳不熔；其巧妙之处是在其外部加设冷却装置，把表层的热量吸走，使表层不熔，形成一层未熔壳，起到坩埚的作用，这就是“冷坩埚”。内部已熔化的晶体材料，依靠坩埚下降法晶体生长原理使其结晶并长大。 高频冷坩埚技术设备 高频冷坩埚技术成套设备由三大部分组成，即高频振荡装置、冷坩埚系统、晶体生长用引下装置 （P572） 合成立方氧化锆晶体的生长 ①.原料制备 生产立方氧化锆用的主要原料是ZrO2粉末，对原材料中TiO2、Fe203含量要求较高，一般其质量分数小于0．03％，以确保生长出的晶体不带黄色，透明度好。稳定剂采用纯度较高的Y203，色白而细。 为了生长有色晶体，需要掺入一定量的杂质元素，常用的是稀土元素氧化物和过渡族元素氧化物。将ZrO2、Y203按9：1mol比例配料，加入相应杂质元素，混合均匀备用。 ②.晶体生长过程 将混合好的原料装入冷坩埚中，上部放少量金属锆片，接通电源并升压，将原料熔化。当原料熔化后，使熔体稳定一段时间，使电压、电流、栅流基本稳定后，使坩埚慢慢地下降，这时，由于下部冷却，在底部就会自发成核。随着坩埚的下降，一部分有生长优势的晶核迅速长大而排挤其他