1101706韩晓亮--水晶

浅谈水晶
---韩晓亮 1101706
1、水晶概况
水晶是一种较为普遍的天然宝石，其以晶莹剔透的品质，坚硬耐摧的质地以及丰富迷人的颜色与意境，博得了古今中外人们的一致好品。

它曾被比喻为世上最为纯洁的东西，又有作维纳斯的眼泪，夏夜天穹的繁星，圣人智慧的结晶，大地万物的精华。

人们还给珍奇的水晶赋予许多美丽的神话事故，把象征、希望和一个个不解之谜寄托于它。

我国早在新石器时代便开始使用水晶制品。

在我国古代玉文化的分支，又有个特殊的水晶文化。

水晶又称为水玉、水精，即为“千年之冰所化”、“其莹如水，其坚如玉”、“莹洁晶光，如水之精英”。

并且在古代，有很多的诗人都在歌颂它，赞美其玲珑剔透的品质，由此，可看出，从古至今，人们对于水晶的喜爱是一种至高无上的。

正是因为人们如此的喜爱水晶，所以对它的研究从来都没有间断过。

水晶的研究主要兴起与近代工业科技发达时期，人们通过一系列手段来掌握它，并且模仿制造它。

至今取得了较为满意的成绩。

水晶（Quartz Crystal)是一种无色透明的大型石英结晶体矿物。

它的主要化学成份是二氧化硅，化学式为SiO2。

人工水晶是人工方法生长的α石英晶体。

自然界自由状态的二氧化硅占地壳储量的12%，并以不同的形式存在（结晶二氧化硅和无定型二氧化硅）。

水晶化学成分为SiO2，另外可含少量Ca、Mg、Fe、Mn等元素。

水晶属于三方晶系，有呈六方柱，菱面体，三方双锥等，并见有横纹和双晶。

水晶颜色有无色、紫色、黄色、褐色、灰黑色等。

玻璃光泽，断口为油脂光泽，一般无解理，见壳状断口，硬度为7，密度为2.65 g/cm3。

无色水晶透明度高，随颜色加深，透明度降低。

折射率为1.544-1.553，双折射率为0.009。

2、水晶合成的基本原理及方法
人造水晶是由水晶树脂、甲乙酮、消色促进剂等原料混合而成的一种高分子复合材料，经化学反应后所形成的类似水晶的产品。

水晶的生长主要是水热法合成，水热法生长水晶的分类：⑴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。

⑵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。

⑶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。

石英在常温常压下是不溶于水的，但在高温高压下改变溶剂成分和性质可增加其溶解度。

石英在NaOH溶液中的溶解反应式为
SiO2(石英)+(2X－4) NaOH＝Na(2X－4)SiO X+(X－2)H2O
式中X≥2。

在接近合成水晶的条件下，测得X值约在7/3与5/2间。

α石英在高温高压下能溶于碱性溶液，利用其溶解度随温度降低而减少，可从氢氢化钠或碳酸钠溶液中生长出α石英晶体，晶体结构较完整、含孪晶、空穴、夹杂较少。

3、人工水晶生长的工艺流程
典型的水热合成实验是在立式密封的高压釜内进行的，在高压釜下部的三分之一处放置熔炼石英作为营养料（此处称为溶解区），其上部的三分之二空间放置籽晶架（此处称为生长区）。

在生长区域溶解区之间放置一个具有一定开孔率的挡板，其目的是使生长区与溶解区之间形成一定的温差。

在高压釜内装入具有一定浓度的碱性溶液使之达到设计的充填度，经密封后进行加热。

由于下部溶解区的温度比上部生长区的温度要高，所以就引起了溶液的对流。

在高压釜升温阶段中，籽晶和熔炼石英都被碱性溶液溶蚀，由于石英的溶解度随温度的升高而增加，所以下部溶解速度比上部要快。

位于溶解区的SiO2饱和溶液，随着液体的对流作用而被带至生长区，因为生长区的温度比较低，当溶液中SiO2达到过饱和度时，生长区的籽晶则由溶解转为生长。

通过对流作用而把冷的稀溶液运输到溶解区，再次溶解熔炼石英，如此循环往复，促使晶体持续生长。

按照温差法生长水晶所用温度和压力的不同，可分为高温、高压和低温、低压两类。

前者通常是指温度高于350℃，压力大于1000个大气压而言的，后者通常是指温度低于350℃，压力小于1000个大气压。

用高温高压法生长晶体时，生长率高，但对高压釜的强度和密封性能则有更高的要求。

高温高压法所使用的溶剂大部分是NaOH，低温低压法生长晶体时，所使用的溶剂大多是Na2CO3一般晶体生长速率较低。

4、合成水晶的主要设备---高压釜
人工生长水晶所使用的高压釜需要长期处于较高的温度（350~400℃）和压力（1000~2000大气压）作用下，而且在高压釜内还装用高浓度的碱溶液，故在设计高压釜时要做到以下几点：
（1）选择能耐400℃高温并有足够强度与韧性、而且还有一定抗腐蚀能力的材料。

（2）在水晶生长过程中，要使高压釜上部生长区和下部溶解区保持一定的温差，
及时运输至生长区，所以高压釜长度和内径必利用釜内对流作用溶解区的SiO
2
须保持适当的比例。

（3）高压釜的强度，主要应考虑张应力和剪切应力的影响，所以必须根据选取的安全系数来确定通体的内径和外径的比例。

高压釜的结构主要有以下四种：法兰盘式结构、内螺纹式结构、卡箍式结构、双
层胴结构。

5、人工水晶和天然水晶的区别
人造水晶和天然水晶的化学成份都为二氧化硅，高纯度的二氧化硅即称为“水晶”。

天然水晶是一种透明的石英结晶，呈六角柱状结晶，它的硬度很高、反光烽（俗称七彩光）极强。

纯净的水晶为无色的透明晶体，而没有杂质的天然水晶几乎找不到的，大都天然水晶含有气泡、杂质，晶体混蚀。

人造水晶是原料石英砂经过一系列工序提炼，再经精细的切割技术和绝无瑕疵的打磨功夫制造而成，晶体纯净透明，弥补了天然水晶的不足。

人造水晶添加进金属元素如铅能增强光的拆射，更显出水晶的高贵。

由于人造水晶工序繁杂，工艺高超，有的售价甚至比天然水晶还要昂贵。

人造水晶即高铅玻璃，或称为铅晶质玻璃，即在普通玻璃(成分是二氧化硅)中加入24%的氧化铅，就会得到亮度和透明度与天然水晶类似的人造水晶。

天然与人造的区别是很容易的，天然的不纯净、用舌头舔有冰冷感;而人造的没有，天然只使用在手饰或吊链等小件制作上，大件饰品及其他物品中用的吊饰都是人造的，当然有更甚者用玻璃代替。

6 、水晶检测方法和质最标准
6.1电学测试法
水晶的质量主要由其电学性能Q值(品质因数)表示。

它和晶体的内磨擦成反比，是水晶的纯度和微观结构缺陷的宏观反映。

测定Q值的基本方法是将待测晶体放入5MHZ谐振器，测其等效电阻R和等效电感L，按公式Q=2πfL/R计算（f是谐振频率）。

该方法检测可靠，但过程复杂，用时太长，费开高。

6.2红外光谱测试法
该方法较为简便、快速。

研究证明，水晶的红外光谱，在相应于OH-吸收波长3585cm-处的吸收系数α和其Q值之间有较好的相关性。

因为只有在结构缺陷处，OH-才可能存在于晶体内部，所以α和Q都是水晶微观缺陷的宏观反映。

根据中华人民共和国国家标准规定，按Q值大小，水晶分为六级：
7、水晶生长的因素
溶液过饱和度，影响晶体的有效析出；矿化剂（溶剂）的性质和浓度，影响原料的溶解；对流挡板，会影响生长系统里的质量交换及生长区和溶解区之间的温差；生长区温度与温差的控制；压力和充填度的调节；杂质,会影响晶面的生长速率，导致晶体形态变化；籽晶取向；培养料等。

8、人工水晶的发展方向
由水晶制成的谐振器，在通常条件下稳定性很高，但在宇宙空间高能粒子及核辐射下，引起Q值降低和瞬时及稳态频率偏移，且水晶质量越差，辐射影响越大。

因此生长杂质少，结构完整的耐辐射人工水晶是发展方向。

彩色水晶在艺术领域，给人们美的享受，随着人民生活水平的提高，彩色水晶工艺美术制品市场日益广阔。

在一定条件下，掺进某些杂质，制得各种鲜艳夺目的彩色水晶，已成为又一个发展方向。