第3章水热法合成宝石课件.ppt

第三章 水热法生长宝石晶体与鉴别 一、水热法生长宝石晶体概述 二、影响宝石晶体生长的因素 三、水热法生长水晶、红宝石、祖母绿、 海蓝宝石晶体 四、水热法生长宝石晶体的鉴别 早在1882年人们就开始了水热法合成晶体的研究, 最早获得成功的是合成水晶。 随后，水热法合成红宝石于1943年由Laubengayer和Weitz首先获得成功，Ervin和Osborn进一步完善了这一技术。1946年奥地利的N.Lechleitner首先成功合成水热法 祖母绿，1960年澳大利亚的Johann Lechleitner也研究成功，1965年美国的Linde公司开始水热法合成祖母绿的商业生产。1988年我国有色金属工业总公司广西桂林宝石研究所曾骥良等用水热法合成出质量较好的宝石级祖母绿 。九十年代俄罗斯合成出了海蓝宝石、红色绿柱石等其它颜色的绿柱石。 一、水热法生长宝石晶体概述 1、定义 水热法也称热液法，是在密封的高压容器内，从水溶液中生长出晶体的方法，在一定程度上再现了地下热液矿床矿物结晶的过程。 2、原理 是利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的物质溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制高压釜内溶液的温差使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体的方法。 3、水热法宝石晶体生长的分类 （1）等温法 等温法主要利用物质的溶解度差异来生产晶体。所用原料为亚稳定相物质，籽晶为稳定相物质。高压釜内上、下无温差，是这一方法的特色。此法的缺点是无法生长出晶形完整的大晶体。 （2）摆动法 摆动法的装置由A、B两个圆筒组成，其中A筒放置培养液，B筒放置籽晶，两筒间保持一定的温度差。定时地摆动A、B两个圆筒以加速它们之间的对流，利用两筒之间的温差在高压环境下生长出晶体，此法也曾用于水晶的生长。 （3）温差法 温差法是在立式高压釜内生产晶体，高压釜内部的对流挡板将釜腔分成上、下两部分，籽晶挂在生长区的培育架上，晶体在籽晶上逐步生长；对流挡板的下部为培养料区(也称溶解区)，溶解区内放人适量的高纯度原料和矿化剂。加热，使高压釜的上、下部分形成一定的温差。 4、水热法宝石晶体生长所需的设备 水热法宝石晶体生长所需的基本设备有：高压釜、炉子、热电偶、温度控制器和温度记录器。 （1）高压釜 高压釜为可承高温高压的钢制釜体。一般可承受1100oC的温度和109Pa的压力，具有可靠的密封系统和防爆装置。由于内部要装酸、碱性的强腐蚀性溶液，当温度和压力较高时，在高压釜内要装有耐腐蚀的贵金属内衬，如铂金或黄金内衬，以防与釜体材料发生反应。也可利用在晶体生长过程中釜壁上自然形成的保护层来防止进一步的腐蚀和污染。 （2）矿化剂 矿化剂：水热法生长晶体是采用的溶液。 通常可分为以下五类： 1) 碱金属及铵的卤化物，NaCl； 2) 碱金属的氢氧化物，NaOH； 3)?弱酸与碱金属形成的盐类，Na2CO3 4)?酸类（一般为无机酸），HCl。 其中碱金属的卤化物及氢氧化物是最为有效且广泛应用的矿化剂。矿化剂的化学性质和浓度影响物质在其中的溶解度与生长速率。 5、水热法生长宝石晶体的优缺点 （1）优点 a、能够生长存在相变(如a石英等)和在接近熔点时蒸汽压高的材料 (如ZnO)或要分解的材料(如V02)。 b、能够生长出较完美的优质大晶体，并且能够很好地控制材料的成分。 c、用此法生长晶体时，由于与自然界生长晶体的条件很相似，因此生长出的宝石晶体与天然宝石晶体最接近。 （2）缺点 a、需要材料比较特殊的高压釜和相应的安全防护措施。 b、需要大小适当、切向合适的优质籽晶。 c、整个生长过程无法观察。 d、投料是一次性的，因此生长晶体的大小受高压釜容器大小的 限制。 二、影响宝石晶体生长的因素 1、溶液的过饱和度 2、矿化剂的性质与浓度 纯水的溶解度低，需要加适当的矿化剂得到较大的溶解度。如合成水晶加氢氧化钠，刚玉加氢氧化钾、氢氧化钠，祖母绿加氯化钠等，浓度要合适。浓度太小生长慢，而太大晶体可能不完全结晶而影响晶体生长。 3、对流挡板 开孔率大小影响上、下两区的温差变化，从而影响晶体的生长速率。 开孔率大，生长速率减小；开孔率小，生长速率增大。 小口径高压釜开孔率为10~12%，大口径高压釜为5~7%。 4、生长区温度与温差 1）温度 当上下温度一定时，温度越高生长越快，但会出现饱和溶液供应不足而影响晶体质量，因此要保持一定的温度。 2）温差 影响溶液对流速度和饱和度的高低，温差越大，生长速度越高，但会形成过多的包体，使透明度变差，因此也要保持一定的温差。 5、压力和充填度 压力