冷坩埚熔壳法生长立方氧化锆宝石 - 合成优化
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合成立方氧化锆
合成立方氧化锆
彩色合成立方氧化锆
生长立方氧化锆晶体原理
• 1.冷坩埚熔壳法 • 放料：粉料ZrO2与稳定剂Y2O3按摩尔比
9∶1的比例混合均匀,加入相应的着色剂。 • 引燃：金属锆片或石墨棒，高频线圈加热，
1200°C熔融氧化锆导电 • 熔体稳定30到60min • 降温结晶
工业合成立方氧化锆
• 摩氏硬度：8～9，密度：5.8～6.34g/cm3， 折射率2.12～2.19，色散0.055，亚金刚光泽。 光性：除粉红色立方氧化锆表现出非均质 性外，其余的均为均质性。
• 具有非常高的化学稳定性，耐酸、耐碱、 耐化学腐蚀性良好。一般内部干净，可能 有未完全融化的面包屑状的氧化锆粉末。
祖母绿与祖母绿色立方氧化锆
• 520nm,489n内m,部48多5n有m,4气61液nm包,4体51和nm与,4晶43体nm,407 nm处。 长轴平行的裂纹。
紫水晶与 浅紫色、深紫色立方氧化锆
• 紫色合成立方氧化锆紫外荧光为惰性。深 紫色立方氧化锆在滤色镜下为红色；浅紫 色的不变色。紫深水紫晶色含立微方量氧的化Fe锆，在经橙辐、照黄产、 绿区有吸收生谷空，穴解色释心了，滤主色要镜在下5呈50红nm色处原 因，在红、产蓝生、吸紫收区。透颜过色；分浅布紫不色均立，方有氧 化锆在橙黄色区带有、一色组块强、的絮吸状收颜线色，分在布绿。区 有 一一组组极较弱弱的一四的 吸轴叶吸 收晶 螺收 线正 旋线 ，光 桨， 这性 状在 是， 黑红 典干 带、 型涉 。蓝的图折区钕可射分谱能率别。有为有 1.544～1.553。多色性弱。
正交偏光下四明四暗，加上锥光后有牛眼状干涉图。 乳锆可以用于模仿天然玉石。
2
氧丢失，造成大量的晶体缺陷， 粉色钻石是塑性变形引起晶格缺陷，还可改变钻石中N的聚集速率和形式使其成色。
彩色合成立方氧化锆
生长立方氧化锆晶体原理
• 1.冷坩埚熔壳法 • 放料：粉料ZrO2与稳定剂Y2O3按摩尔比
9∶1的比例混合均匀,加入相应的着色剂。 • 引燃：金属锆片或石墨棒，高频线圈加热，
1200°C熔融氧化锆导电 • 熔体稳定30到60min • 降温结晶
工业合成立方氧化锆
• 摩氏硬度：8～9，密度：5.8～6.34g/cm3， 折射率2.12～2.19，色散0.055，亚金刚光泽。 光性：除粉红色立方氧化锆表现出非均质 性外，其余的均为均质性。
• 具有非常高的化学稳定性，耐酸、耐碱、 耐化学腐蚀性良好。一般内部干净，可能 有未完全融化的面包屑状的氧化锆粉末。
祖母绿与祖母绿色立方氧化锆
• 520nm,489n内m,部48多5n有m,4气61液nm包,4体51和nm与,4晶43体nm,407 nm处。 长轴平行的裂纹。
紫水晶与 浅紫色、深紫色立方氧化锆
• 紫色合成立方氧化锆紫外荧光为惰性。深 紫色立方氧化锆在滤色镜下为红色；浅紫 色的不变色。紫深水紫晶色含立微方量氧的化Fe锆，在经橙辐、照黄产、 绿区有吸收生谷空，穴解色释心了，滤主色要镜在下5呈50红nm色处原 因，在红、产蓝生、吸紫收区。透颜过色；分浅布紫不色均立，方有氧 化锆在橙黄色区带有、一色组块强、的絮吸状收颜线色，分在布绿。区 有 一一组组极较弱弱的一四的 吸轴叶吸 收晶 螺收 线正 旋线 ，光 桨， 这性 状在 是， 黑红 典干 带、 型涉 。蓝的图折区钕可射分谱能率别。有为有 1.544～1.553。多色性弱。
正交偏光下四明四暗，加上锥光后有牛眼状干涉图。 乳锆可以用于模仿天然玉石。
2
氧丢失，造成大量的晶体缺陷， 粉色钻石是塑性变形引起晶格缺陷，还可改变钻石中N的聚集速率和形式使其成色。
冷坩埚熔壳法生产立方氧化锆宝石
C)?: 的加入量，以能全部 将 立 方 相 稳 定 为原 则，最 少 加 入 量 为 >,?) 粉 原 料 的 !*F。 加入过少则会出现四方相，晶体出现乳白状的 混浊；加入 过 多 则 使 晶 体 带 黄 色，还 会 降 低 硬 度。
$ 彩色立方氧化锆的生长
·!10·
目前市场上出现了颜色各异的立方氧化锆 宝石，行内统称为彩锆。彩锆的生产是在原料 中加入不同的致色剂，但黑色立方氧化锆是用 白锆 在 真 空 条 件 下 加 热 到 !"""# 进 行 还 原 处 理获得的。
冷坩 埚 熔 壳 法 生 长 立 方 氧 化 锆 技 术 是 )’0’年由法国科学家罗林（5678./）等 人 发 明 的，但仅作 了 探 索 性 研 究。)’9! 年，前 苏 联 科 学家阿列克索诺夫等人改进了法国人的装置， 生长 出 了 大 的 晶 体，并 申 请 了 专 利。)’90 年 后，前苏联把无色立方氧化锆晶体作为钻石的 代用品推向市场，引起了世界钻石界的关注，称 其为“苏联钻”。随后，其他国家也相继生产了 这种宝石，并在国际上流行。
立方氧化锆的相变温度为):"*9)"8*=， 要使单斜相 天 然 氧 化 锆 完 成 相 转 变，需 解 决 : 个问题：!用什么容器盛放 >,?) 粉末，在):"* 9)"8*=容器自身 不 会 熔 化；" 用 什 么 方 法 加 热至 温 度 为 :***= 左 右，使 所 有 粉 末 全 部 融 熔；#自然界不稳定的立方相怎样才能稳定生 长出来。由于冷坩埚熔壳法成功地解决了上述 问题，使人工生产立方氧化锆宝石成为可能。
! 立方氧化锆的生长过程
在$%&! 粉末中按摩尔比’()加入稳定剂 *!&+ 混合均匀，放入紫铜管围成的“圆杯”内， 在粉末的上部放入一定量的金属锆片或锆粉， 接通高频 发 生 器 电 源，起 燃 ),! -./，原 料 开 始熔化。待原料大部分熔化达到要求后，改变 高频发生器反馈关系，使熔体稳定加热+",0" -./。然后“冷坩埚”以 1,)1--!2 的 速 度 下 降，熔体底部因降温产生过饱和浓度而开始结 晶，直至熔体全部结晶成晶体。生长完毕后，慢 慢降温退火一段时间，然后停止加热。冷却到 室温后，即可取出产品。生长一炉立方氧化锆 的总时间 大 约 为 !"2，每 炉 的 产 量 最 高 可 达 )!"34。没有熔化的原料及壳体料仍可在下次 使用。 万石
$ 彩色立方氧化锆的生长
·!10·
目前市场上出现了颜色各异的立方氧化锆 宝石，行内统称为彩锆。彩锆的生产是在原料 中加入不同的致色剂，但黑色立方氧化锆是用 白锆 在 真 空 条 件 下 加 热 到 !"""# 进 行 还 原 处 理获得的。
冷坩 埚 熔 壳 法 生 长 立 方 氧 化 锆 技 术 是 )’0’年由法国科学家罗林（5678./）等 人 发 明 的，但仅作 了 探 索 性 研 究。)’9! 年，前 苏 联 科 学家阿列克索诺夫等人改进了法国人的装置， 生长 出 了 大 的 晶 体，并 申 请 了 专 利。)’90 年 后，前苏联把无色立方氧化锆晶体作为钻石的 代用品推向市场，引起了世界钻石界的关注，称 其为“苏联钻”。随后，其他国家也相继生产了 这种宝石，并在国际上流行。
立方氧化锆的相变温度为):"*9)"8*=， 要使单斜相 天 然 氧 化 锆 完 成 相 转 变，需 解 决 : 个问题：!用什么容器盛放 >,?) 粉末，在):"* 9)"8*=容器自身 不 会 熔 化；" 用 什 么 方 法 加 热至 温 度 为 :***= 左 右，使 所 有 粉 末 全 部 融 熔；#自然界不稳定的立方相怎样才能稳定生 长出来。由于冷坩埚熔壳法成功地解决了上述 问题，使人工生产立方氧化锆宝石成为可能。
! 立方氧化锆的生长过程
在$%&! 粉末中按摩尔比’()加入稳定剂 *!&+ 混合均匀，放入紫铜管围成的“圆杯”内， 在粉末的上部放入一定量的金属锆片或锆粉， 接通高频 发 生 器 电 源，起 燃 ),! -./，原 料 开 始熔化。待原料大部分熔化达到要求后，改变 高频发生器反馈关系，使熔体稳定加热+",0" -./。然后“冷坩埚”以 1,)1--!2 的 速 度 下 降，熔体底部因降温产生过饱和浓度而开始结 晶，直至熔体全部结晶成晶体。生长完毕后，慢 慢降温退火一段时间，然后停止加热。冷却到 室温后，即可取出产品。生长一炉立方氧化锆 的总时间 大 约 为 !"2，每 炉 的 产 量 最 高 可 达 )!"34。没有熔化的原料及壳体料仍可在下次 使用。 万石
罕见的人工宝石立方氧化锆晶体观赏石
我们通常见到的观赏石都是天然形成的，有纹理石、造型石、晶体等，其实，人工合成 宝石中也有非常漂亮的观赏石。
笔者收藏的是人工合成立方氧化锆晶体的观赏石。由于现在用“冷坩埚熔壳法”合成立 方氧化锆的“冷坩埚”可以放 1000 多公斤原料，合成的立方氧化锆晶体有 400 公斤左右，最 大晶体可达２公斤以上，所以出现合成立方氧化锆晶体观赏石是完全可能的“。冷坩埚熔壳法” 生长立方氧化锆晶体的设备和过程［１］可参阅图１、２、３、４。
入紫铜管围成的杯状“冷坩埚”中，
3
4
在中心投入 0.08% ～ 0.15% 左右 ( 或
CHINA GEMS & JADES
157
பைடு நூலகம்
“引燃” 小熔区
“冷坩埚”
Zr02+Y203
熔融液
高频线圈 未熔壳 立方氧化锆
5
4 ～ 6g) 金属锆片或锆粉用于“引燃”； 2）接通电源，进行高频加热，起燃 1 ～ 2
5）生长完毕后，慢慢降温退火一段时间， 然后停止加热。冷却到室温后，取出熔块，
6
7
17548
JEWELRY Connoisseurship
8
9 用小锤轻轻拍打，一颗颗立方氧化锆单晶体便分离出 来。
整个操作从粉料熔化到完全熔融 ( 除熔壳外 )，时 间很短，而晶体生长的时间却较长，生长一炉立方氧 化锆晶体的总时间大约为 20 小时。
3）待“冷坩埚”内原料达到完全熔融要求后，
改变反馈关系，使熔体稳定 30 ～ 60 分钟； 4）“冷坩埚”以 5 ～ 15mm/h 的速度逐
渐下降，离开高频加热后温度降低，造成熔 融液过冷却。这时，在熔体底部开始结晶出 立方氧化锆晶体。开始时形成的晶核较多， 以后互相竞争，根据几何淘汰率，多数小晶 体停止生长，只有少数晶体得以发育成较大 的晶块；
笔者收藏的是人工合成立方氧化锆晶体的观赏石。由于现在用“冷坩埚熔壳法”合成立 方氧化锆的“冷坩埚”可以放 1000 多公斤原料，合成的立方氧化锆晶体有 400 公斤左右，最 大晶体可达２公斤以上，所以出现合成立方氧化锆晶体观赏石是完全可能的“。冷坩埚熔壳法” 生长立方氧化锆晶体的设备和过程［１］可参阅图１、２、３、４。
入紫铜管围成的杯状“冷坩埚”中，
3
4
在中心投入 0.08% ～ 0.15% 左右 ( 或
CHINA GEMS & JADES
157
பைடு நூலகம்
“引燃” 小熔区
“冷坩埚”
Zr02+Y203
熔融液
高频线圈 未熔壳 立方氧化锆
5
4 ～ 6g) 金属锆片或锆粉用于“引燃”； 2）接通电源，进行高频加热，起燃 1 ～ 2
5）生长完毕后，慢慢降温退火一段时间， 然后停止加热。冷却到室温后，取出熔块，
6
7
17548
JEWELRY Connoisseurship
8
9 用小锤轻轻拍打，一颗颗立方氧化锆单晶体便分离出 来。
整个操作从粉料熔化到完全熔融 ( 除熔壳外 )，时 间很短，而晶体生长的时间却较长，生长一炉立方氧 化锆晶体的总时间大约为 20 小时。
3）待“冷坩埚”内原料达到完全熔融要求后，
改变反馈关系，使熔体稳定 30 ～ 60 分钟； 4）“冷坩埚”以 5 ～ 15mm/h 的速度逐
渐下降，离开高频加热后温度降低，造成熔 融液过冷却。这时，在熔体底部开始结晶出 立方氧化锆晶体。开始时形成的晶核较多， 以后互相竞争，根据几何淘汰率，多数小晶 体停止生长，只有少数晶体得以发育成较大 的晶块；
合成立方氧化锆.
祖母绿色立方氧化锆
• 主要的掺杂元素(Pr、Co、Cr等)，另外 附加了一些微量发光离子(如La、Ti、E r等)。考虑到不同离子高温挥发不同,实 验中在配料时特别对不同离子配比进行 了调整,以期达到最佳效果。主要着色 剂含量1.22%Pr2O3，0.05%CoO, 0.02%Cr2O3，合成时稳定剂Y2O3含量 高，达到15mol%～20mol%。祖母绿 色氧化锆用于模仿天然祖母绿。
• 彩色立方氧化锆颜色丰富,光泽耀 眼,是目前珠宝首饰市场用得最多 的人造宝石。大大丰富了人们的审 美情趣，具有广阔的市场前景。对 彩色立方氧化锆的宝石学性质与其 成分关系的研究,为合成色彩丰富 的宝石级立方氧化锆提供了更多的 资料，也为其仿制其他种类天然宝 石创造了基础。冷坩埚熔壳法在合 成立方氧化锆上取得了巨大成功， 也为彩色宝石合成开拓了新思路。
彩色钻石与彩色合成立方氧化锆
பைடு நூலகம்• 蓝色钻石含B，空穴色心致色，有导电性。粉 色钻石是塑性变形引起晶格缺陷，还可改变钻 石中N的聚集速率和形式使其成色。绿色钻石 是辐射产生的晶格损伤致色。黑色钻石可能是 多晶集合体、大量黑色内含物（石墨）、裂隙 造成的。合成立方氧化锆的热导率远低于钻石， 用热导仪测试没有钻石反应。钻石密度 3.52g/cm3x远小于合成立方氧化锆。钻石面 平棱直，合成立方氧化锆棱角圆化可见磨痕。 合成立方氧化锆色散高于钻石。
离子着色是主要的宝石着色手段，常用的着色离子是过渡金 属离子(如Cr、Fe、Co、Cu等)和稀土金属离子(如Ce、Pr、 Nd、Ho等)。它们内部不饱和电子层中的价电子,在不同能级 间跃迁,由此引起对可见光的选择性吸收而导致着色。
黑色立方氧化锆
• 采用还原气氛或真空对无色氧 化锆进行高温退火，可制得深 黑色的锆石。原理是ZrO2中的 氧丢失，造成大量的晶体缺陷， 对可见光全部吸收而呈黑色。
冷坩埚熔壳法合成宝石技术（一）
中国宝玉石173期页2022年8月Aug. 2022CHINA GEMS & JADES冷坩埚熔壳法合成宝石技术（一）沈才卿/核工业北京地质研究院陆太进/中宝协珠宝研究所刘结文/原中恒誉资产评估公司沈 湄/台湾宝石学协会理事长编者按：此文记录了中国老一辈宝石科技工作者们鲜为人知的付出与努力，基于沈才卿老师等多年专业研究的积淀，阐明了冷坩埚熔壳法合成技术的基本原理与技术，与时俱进地修正了由作者本人编写的1994年《人造宝石学》和2021年《宝石人工合成技术》（第三版）中的熔壳法原理图，介绍了中国人工宝石发展现状。
应作者要求，文章未经改动，内容保持了作者的观点原貌。
文章将在本刊分三期发表，敬请关注。
沈才卿简介：男，1942年出生，核工业北京地质研究院高级工程师。
获部级科技进步奖二等奖1次，三等奖2次，北京市 “科学技术（科技专著）进步奖”三等奖1次。
曾任“中国珠宝玉石首饰行业协会”常务理事、“中宝协人工宝石专业委员会”常务副主任委员兼秘书长；“亚洲珠宝联合会”常务理事兼副秘书长；2005年获得中国轻工珠宝首饰中心与亚洲珠宝联合会联合授予的“中国宝玉石专家”荣誉称号。
1990年起，先后在中国地质大学（北京）等多所高校及职业学校开设并讲授《人造宝石学》《宝石的人工合成与鉴定》《珠宝玉石的优化处理与鉴定》等课程，出版教材多部，为珠宝教育和普及珠宝知识作出了一定的贡献。
作者按语：国内外科技发展很快，中国和世界的人工合成珠宝玉石的方法也在不断发展。
本文想介绍中国在2021年时“冷坩埚熔壳法合成宝石技术”已经达到的水平和状况；同时受国家将两弹一星有功人员及对国家作出贡献的人请到人民大会堂主席台上，由习近平主席亲自授予国家勋章的启示，作者想对那些在中国人工宝石事业发展过程中作出贡献的新老科技工作者以及中国珠宝玉石首饰行业协会人工宝石专业委员会的主要领导进行介绍（主任委员陈汴琨、常务副主任委员兼秘书长沈才卿、副秘书长于春敏和黄国强），让大家认识他们，记住他们作出的努力和贡献。
冷坩埚氧化晶体生长法
冷坩埚氧化晶体生长法
1.非金属坩埚：传统的晶体生长通常使用金属坩埚容纳高温熔融材料，而在冷坩埚法中，不使用高熔点金属材料作为坩埚，而是利用原料自身形成的熔壳作为“冷坩埚”。
2.外部冷却：冷坩埚技术的关键在于外部设有冷却装置，使得原料在加热过程中只在内部形成熔融区域，而外层保持未熔状态，形成一个固态的外壳，防止熔体与外界接触，避免坩埚材料的污染和反应。
3.晶体生长过程：首先将含有氧化锆和其他添加剂（如氧化钇用于稳定立方相）的原料放入特别设计的炉膛中，通过高频感应加热使其内部部分熔化。
随着坩埚缓慢下降或者熔体上升，熔融的晶体材料在适当条件下结晶长大。
4.精确控制：在整个生长过程中，温度、气氛、降温速率和熔体的纯净度都需要精确控制，以得到高质量的大尺寸单晶。
高级宝玉石检验员知识试卷(B卷)-宝石学基础理论及有关法律法规试卷与试题
高级宝玉石检验员知识试卷（B卷）-宝石学基础理论及有关法律法规试卷与试题专业工种号XXXXXX注意事项1.请首先按要求在试卷的标封处填写您的姓名、准考证号和所在单位的名称。
2.请仔细阅读各种题目的回答要求，在规定的位置填写您的答案。
3.不要在试卷上乱写乱画，不要在标封区填写无关内容。
一.单项选择题(将正确答案的序号填入括号内，每题1分，共40分)1. 宝石中所见的由于干涉产生的颜色通常称为（）。
A. 晕彩B. 多色性C. 体色D. 残余色答案：A2. 澳玉的颜色成因是（）A. 自色B. 他色C. 假色D. 晕色答案：B3. 当光从光密介质向光疏介质传播时，在下列那种情况下必定出现临界角（）A. 入射线与法线一致B. 入射线与界面呈45。
C. 折射线沿分界面方向D. 折射线与法线所构成的角度等于入射角答案：C4. 海蓝宝石和蓝色黄玉最明显判别依据是：（）A. 多色性B. 折射率C. 荧光反应D. 紫外荧光灯答案：B5. 红纹石的主要矿物组成为（）A. 菱锰矿B. 蔷薇辉石C. 红宝石D. 矽线石答案：A6. 用电子探针判别合成紫晶与紫晶是检测它们的:（）A. 矿物成分B. 主要化学成分C. 微量元素D. 晶体结构答案：C7. 用偏光显微镜观察宝石多色性，应在（）A. 单偏光下进行B. 正偏光下进行C. 锥光下进行D. 不可测答案：A8. 天河石的致色离子是（）。
A. 铁离子B. 铬离子C. 铷离子D. 镍离子答案：C9. 区分翡翠与有机胶充填B货翡翠应选用（）。
A. 滤色镜B. 显微镜C. 红外光谱仪D. 折射仪答案：C10. 紫独玉致色原因是：（）。
A. 含绿帘石B. 含透闪石C. 含铬黑云母D. 锂辉石答案：C11. 珊瑚的结构是（）。
A. 同心放射状状结构B. 纤维交织结构C. 粒状结构D. 柱状结构答案：A12. 当一束白光穿过透明宝石的斜面时，将把白光分解成它所组成的颜色的性质称为（）。
各种宝石合成品种及其鉴别特征
4．吸收光谱：
合成蓝宝石的光谱见不到天然蓝宝石通常可以见到的蓝区的吸收，或450nm的吸收带十分模糊。
合成蓝色尖晶石显示典型的钴谱（分别位于540、580、635nm的三条吸收带），天然蓝色尖晶石显示的是蓝区的吸收带，为铁谱。
5．荧光
合成蓝宝石有时显示蓝白色或绿白色荧光，天然的为惰性；合成蓝色尖晶石为强的红色荧光，而天然的也为惰性。合成红宝石通常比天然红宝石的红色荧光明显强。
吸收光谱：无色透明者在可见光区有良好的透过率；彩色者可有吸收峰，对紫外光均有强烈的吸收。可显稀土光谱。
荧光：多数晶体在长波紫外线照射下发出黄橙色荧光，在短波下发出黄色荧光。而有些晶体只在短波下有荧光反应，有些甚至不发光。
化学性质：非常稳定，耐酸、耐碱、抗化学腐蚀性良好。
一、合成祖母绿
A.固相包体
（1）助熔剂残余包体：助熔剂包体的形成与晶体的非稳定生长有关。最严重的包体发生在自发成核过程中枝蔓状生长阶段，快速生长使枝蔓间的助熔剂在随后的稳定生长中被包裹起来。
E.荧光及滤色镜:无色者：SW下强蓝白色；蓝色者：SW：红色或蓝白色，滤色镜下变红红色：红色荧光，滤色镜下变红；天然尖晶石：无色：惰性蓝色：惰性，滤色镜下不变红，红色：红色荧光，滤色镜下变红。
F．正交偏光镜:斑纹状消；天然尖晶石：全消光。
三．钛酸锶的鉴别
1、化学成分：SrTiO3；
2、等轴晶系
3光泽：亚金刚－金刚光泽；
8．合成红、蓝宝石的加工质量：
天然合成红、蓝宝石的加工质量通常较为精细，尤其是高质量的宝石，其台面通常垂直光轴，以显示最好的颜色。而合成红、蓝宝石加工质量通常较差，常见火痕，更不会精确定向加工。加上，合成梨晶通常因为应力作用会沿长轴方向裂开，其长轴方向与光轴方向夹角为60度，为了充分利用原料，其台面通常会平行长轴方向切磨（图2-6）。所以合成刚玉在台面通常都可见多色性，而天然的则不然
合成蓝宝石的光谱见不到天然蓝宝石通常可以见到的蓝区的吸收，或450nm的吸收带十分模糊。
合成蓝色尖晶石显示典型的钴谱（分别位于540、580、635nm的三条吸收带），天然蓝色尖晶石显示的是蓝区的吸收带，为铁谱。
5．荧光
合成蓝宝石有时显示蓝白色或绿白色荧光，天然的为惰性；合成蓝色尖晶石为强的红色荧光，而天然的也为惰性。合成红宝石通常比天然红宝石的红色荧光明显强。
吸收光谱：无色透明者在可见光区有良好的透过率；彩色者可有吸收峰，对紫外光均有强烈的吸收。可显稀土光谱。
荧光：多数晶体在长波紫外线照射下发出黄橙色荧光，在短波下发出黄色荧光。而有些晶体只在短波下有荧光反应，有些甚至不发光。
化学性质：非常稳定，耐酸、耐碱、抗化学腐蚀性良好。
一、合成祖母绿
A.固相包体
（1）助熔剂残余包体：助熔剂包体的形成与晶体的非稳定生长有关。最严重的包体发生在自发成核过程中枝蔓状生长阶段，快速生长使枝蔓间的助熔剂在随后的稳定生长中被包裹起来。
E.荧光及滤色镜:无色者：SW下强蓝白色；蓝色者：SW：红色或蓝白色，滤色镜下变红红色：红色荧光，滤色镜下变红；天然尖晶石：无色：惰性蓝色：惰性，滤色镜下不变红，红色：红色荧光，滤色镜下变红。
F．正交偏光镜:斑纹状消；天然尖晶石：全消光。
三．钛酸锶的鉴别
1、化学成分：SrTiO3；
2、等轴晶系
3光泽：亚金刚－金刚光泽；
8．合成红、蓝宝石的加工质量：
天然合成红、蓝宝石的加工质量通常较为精细，尤其是高质量的宝石，其台面通常垂直光轴，以显示最好的颜色。而合成红、蓝宝石加工质量通常较差，常见火痕，更不会精确定向加工。加上，合成梨晶通常因为应力作用会沿长轴方向裂开，其长轴方向与光轴方向夹角为60度，为了充分利用原料，其台面通常会平行长轴方向切磨（图2-6）。所以合成刚玉在台面通常都可见多色性，而天然的则不然
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锆 ,解决了高温下找不到合 适的 盛 放 ZrO2 粉 末 及 溶 液 的难题 。这被称为“冷坩埚 熔壳 法 生 长 立 方 氧 化 锆 ”技 术 。参见图 1 。
图 1 冷坩埚熔壳法晶体生 长设备示意图
1. 熔壳盖 2. 石英管 3. 水冷用铜管 4. 高频线圈 ( RF) 5. 熔体 6. 晶体 7. 未熔料 8. 水冷座
常温下不导电, 只有在 1200 ℃以上才转变成导体导 电 。怎样才能使 ZrO2粉末导 电呢 ? 就要设法在 ZrO2粉末 中出现一个点的 温 度 超 过 1200 ℃。人们在 ZrO2粉末中 加入一定量的金属锆片或锆 粉 ,从而在高频电磁场作用 下可以加热金属锆达到 1900 ℃熔 化 温 度 , 此 温 度 可 使金属锆周围的 ZrO2粉末超 过 1200 ℃而成导电体 , 这些 ZrO2粉末即刻被高频电磁场 加热熔化而又使周围的 ZrO2 粉末成导电体 , ……这样发 展下去 , 就可以使所有的 ZrO2 粉 末 被 熔 化 。当 然 , 要 控制生产工艺条件 ,不要将 外层的熔壳也熔化掉 。加入 金属锆这样的巧妙技术被称 为“引燃”技术 , 引燃区域称 为“小熔池”这是此方法的特 点之一 。 三 、稳定剂的选用 氧化锆从单斜相转变到 立方相的原子最紧密堆积 , 其中体积变化较大 ,晶体易 裂 ,所以在晶体生长的配料 中必须加入稳定剂 。为了得 到立方氧化锆晶体 ,经常可 考虑 加 入 Y2 O3 、CaO 、MgO ……等作为稳定剂 , 使晶体 稳定在立方相的状态 ,经试 验 ,加 入 Y2 O3 作 稳 定 剂 最 好 , 易 生 长 出 大 的 单 晶。 CaO 、MgO 等 虽 然 同 样 可 以 起稳定剂作用 ,但生长出来 的晶体直径较小 ,而且不容 易将立方氧化锆产品分离为 单晶 。
《人 造 宝 石》中 节 选 的 一 部 天然氧化锆加热到这个相变
分 ,主要阐述当前仿钻石最 温度 ,人们碰到三个难题 :一
佳材料立方氧化锆的生长及 是用什么坩埚容器盛放 ZrO2 其宝石特性的 。但由于“科 粉未而在 2370 ℃～2750 ℃自
技博 览”栏 目 只 允 许 播 出 5 身不 被 熔 化 ?! 二 是 用 什 么
分钟 , 不可能详细介绍立方 方法可以加热到使所有粉末
氧化锆的生产技术 。为了让 都融熔 , 其温度为 3000 ℃左
大家进一步了解此技术 ,进 右 ?! 三是自然界不稳定的
行珠宝知识科普宣传 , 现介 立方相怎样才能稳定生长出
绍如下 :
来 ?! 为解决这些问题 ,人们
立方氧化锆在自然界至 经过了不懈的努力 , 终于巧
◆保养戒指小常识 你是否经常为不知如何
保养及清洁心爱的珠宝饰品 而心烦呢 ? 一般珠宝店都用 超音波 震 荡 来 清 洗 珠 宝 , 但 有些宝石又不能用超音波清 洗 。其实最方便也是最安全 的方法是自己在家保养心爱 的珠宝 , 只 要 用 中 性 肥 皂 将 汗渍等 洗 净 , 再 以 清 水 冲 掉 即可 。既不必担心超音波震 坏自己 的 珠 宝 , 更 不 用 费 时 的送到珠宝店去保养了 。
性能也由低级向高级转变 , 管紧接着排列成圆杯状 ,里
立方相氧化锆具有折射率高 边放原料 ZrO2 粉末等 ,紫铜 (2. 15 ～ 2. 23) 、色 散 大 ( 0. 管外层有石英管 , 以套装发
06) 、硬度较高 (摩氏 8. 0～8. 热用的高频线圈 , 通过高频
5) 、化 学 稳 定 性 好 等 特 性 。 发生器让高频线圈产生的高
名称占领了市场 ,深受广大 消费者的欢迎 。需求的矛盾 刺激了生长厂家的建立 , 80 年代末 ,我国有将近 90 台炉 子生产立方氧化锆 ,年产量 超过 100 吨 。由于此法耗电 量大 ,电费的增加及市场的 饱和 ,到 1992 年 ,剩下 40 多 家生 产 厂 , 拥 有 约 50 台 设 备 ,年生产量在 70 吨左右 。 目前 ,我国仅剩三家生产 ,但 由于一家与台商合资的生产 厂引进了单炉生产 120 公斤 的设备 4 套 ,一个厂年产量 就超过 100 吨 ,故我国仍然 是立方氧化锆的生产大国 。 立 方 氧 化 锆 的 合 成 成 功 ,大大地丰富了珠宝首饰 市场 ,满足了人们对美追求 的需要 。但我国目前尚不能 生产市场需求的鸽血红 、蓝 宝石蓝和翠绿色 立 方 氧 化 锆 ,我们呼吁生产厂家与科 研院所专家联合攻关 ,早日 取得突破 。
五 、立方氧化锆的生长 过程
先在 ZrO2粉末中按摩
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图 2 冷坩埚熔壳法晶体生 长过程示意图
1. 水冷坩埚 2. 高频线圈 3 .“引燃”造成的小熔区 4. ZrO2 + Y2O3 粉料 5. 熔壳 6. 熔融液 7. 立方氧化锆晶体
尔比例 9 : 1 加 入 稳 定 剂 Y2 O3 ,混合均匀 ,放入紫铜管围 成的“圆杯”内 , 在粉末的上 部放入一定量的金属锆片或 锆粉 ,接通高频发生器电源 , 起燃 1～2 分钟 ,原料开始熔 化 。待 原 料 大 部 分 熔 化 , 达 到要求后 ,改变高频发生器 反馈关系 ,使熔体稳定加热 30～60 分钟 。然后“冷坩埚” 以 5～15mm/ 小时速度下降 , 熔体底部产生过饱和浓度而 开始结晶 , 随着“冷坩埚”的 不断下降 ,熔体将全部结晶 成晶 体 。生 长 完 毕 后 , 慢 慢 降温退火一段时间 ,然后停 止加 热 。冷 却 到 室 温 后 , 即 可取出产品 ,用小锤轻轻拍 打 ,一颗颗晶莹漂亮的立方 氧化锆晶体便呈现在您的面 前 。生长过程示意图见图 2 。 立方氧化锆晶体见彩页 。 上述操作从粉料熔化到 完全熔融 ,时间较快 ,而晶体 生长的时间则较长 ,生长一
表 立方氧化锆晶体中掺质与 相对应的晶体颜色
掺质占总重 掺质成份 量百分比 晶体颜色
( %)
Ce2O30. 15来自红色Pr2O3
0. 1
黄色
Nd2O3
2. 0
紫色
Ho 2O 3
0. 13 淡黄色
Er2O3
0. 1 粉红色
V 2O 5
0. 1 黄绿色
Cr2O3
0. 3 橄榄绿色
Co 2O 3
0. 3 深紫色
CuO
0. 15 淡绿色
Nd2O3 + Ce2O3 0. 09 + 0. 15 玟瑰红色
Nd2O3 + CuO 1. 1 + 1. 1 淡蓝色
Co2O3 + CuO 0. 15 + 1. 0 紫蓝色
Co2O3 + V2O5 0. 08 + 0. 08 棕 色
(据付林堂 、刘卫国 1986 年)
二 、高频加热及“引燃” 技术的运用 要把 ZrO2粉末熔融产生 立方相相变 ,通常认为需要 3000 ℃左 右 , 产 生 这 样 高 的 温度 ,最合适的加热方法是 利用高频发生器 (也称射频 炉) 产生的高频电磁场加热 。 但高频电磁场只对导电体起 作用 ,而单斜相 ZrO2 粉末在
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合成优化
珠宝科技/ 98. 1
冷坩埚熔壳法生长立方氧化锆宝石
沈才卿
97 年 10 月 5 日 ,中央电 成功 地 生 产 出 了 立 方 氧 化
视台二频道“科技博览”栏目 锆 。
播出了“人造《钻石》”节目 ,
立方氧化锆的相变温度
这是最近摄制完成的科教片 是 23702750 ℃, 要把 单 斜 相
Y2 O3 的加入量 ,以能全 部将立方相稳定为原则 ,最 少 加 入 量 为 ZrO2 原 料 的 10 %。加入过少则会出现四 方相 ,晶体出现乳白状的混 浊 ;加入过多则使晶体带黄 色 ,还会降低硬度 。 四 、彩色立方氧化锆的 生长 目前市场上出现了各种 各样颜色的立方氧化锆 ,在 行内统称为彩锆 。彩锆的生 产只要在原有的原料中加入 各种不同的致色剂 ,如表所 示 。但黑色立方氧化锆的生 产不是加入致色剂 ,而是用 白锆在真空条件 下 加 热 到 2000 ℃进 行 还 原 处 理 获 得 的。
(据珠宝界)
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炉立方氧化锆的总时间大约 为 20 小时 。每一炉的产量 最高可达 120 公斤 。没有熔 化的原料及壳体料仍可在下 次使用 。彩锆生长时往原料 中加入相应的致色剂即可 。 冷坩埚熔壳法生长立方 氧化锆的技术是在 1969 年 由法国科学家罗林 ( Roulin) 等人发明的 ,但仅作了探索 性研究 。1972 年 , 前苏联科 学院列别捷夫固体物理研究 所的阿列克索诺夫等人改进 了法国人的装置 ,生长出了 大的晶体 。并申请了专利 。 1976 年后 ,原苏联把无色的 立方氧化锆晶体作为钻石的 代用品推向市场 ,引起了世 界钻石界的恐慌 ,被称为“苏 联钻”。随后 ,其他国家也相 继生产了这种宝石 ,并在国 际上流行 。 我国从 1982 年开始立 方氧化锆合成的研究 , 1983 年投产 , 并迅速以“水钻”的
由于钻石的折射率为 2. 42 , 频电磁场对原料加热使其熔
色散为 0. 044 ,所以 ,若把二 化 ,而外层紫铜管及底座通
者琢磨成相同的戒面 ,其综 冷水带走热量 ,使外壳形成
合效果非常相似 ,因此 ,立方 氧化锆成了钻石最佳的代用 品 ,人们采用冷坩埚熔壳法
一层不熔的 ZrO2 粉末熔壳 , 即用 ZrO2粉末自身作坩埚的 特殊生产工艺生长立方氧化
今没有找到矿石或矿床 , 它 妙地逐一解决了 。
是天然氧化锆 (单斜相) 在一 一 、冷坩埚熔壳技术的
定条件下产生相变 , 经四方 产生
相 、六方相而转变到具原子 人们在一个由通冷却水
最紧密堆积的高级结构立方 且可以升降的底座上 , 焊接
相的 。随 着 相 变 的 产 生 , 其 上通水冷却的紫铜管 , 紫铜