宝石合成及优化处理报告

宝石合成及优化处理学习报告随着社会的进步和科学技术的发展，人工合成宝石的方法和手段也在不断增多和更新，有些宝石还可以用多种方法合成。

目前，常用的人工合成宝石方法有以下几种：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。

除上述主要方法外，还有一些其他方法，主要是指利用玻璃、陶瓷、塑料或其他工艺制，作人造宝石(如人造玻璃猫眼、人造夜光宝石及用玻璃等材质仿绿松石、仿欧泊、仿琥珀、仿珍珠等)、拼合宝石(蓝宝石拼合石、红宝石拼合石、拼合欧泊和石榴石拼合石等)和再造宝石(再造琥珀)的方法。

各种人工合成宝石的方法各有其制作原理、生产工艺和设备的特点。

能够生长的宝石晶体有些与天然宝石是相同的，但天然宝石中某些宝石晶体只能在特定的条件下形成，人工的方法尚不能代替。

现今用的最为广泛的是焰熔法，冷坩埚法（仅用于合成立方氧化锆），助溶剂法，水热法，化学沉淀法（CVD钻石薄膜）。

这里我就具体说下焰熔法。

焰熔法：早在1837年M．Gaudin(法国)用明矾加铬酸钾放入有炭黑层的黏土坩埚内熔化而生成片状的刚玉，1877年E．Fremy和Feil(法国)将A12O3熔于PbO 中，用20 天长出小片状红宝石晶体，到1885年，他们俩又与Wyse(瑞士)用天然红宝石粉末加少量铬酸钾，用O2和H2火焰熔化长出了Geneva Rubies(日内瓦红宝石)，但真正的成功是到1890年，法国化学家Vemeuil改进了焰熔技术，并于1900年发表了以Y—A12O3为原料，H2、O2火焰熔化生长出可用晶体的文章。

自此，焰熔法被推广到工业中去。

焰熔法除生产合成红宝石外，还生产合成蓝宝石、合成尖晶石和人造钛酸锶等晶体。

在人工宝石业中，这种方法及所生长的产品，占有相当重要的位置。

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：添加原料粉末于筛状平底容器中，在振动器有规律的振动下，粉末通过筛底均匀等量地落入氧气流内。

气体燃烧系统：这是熔化粉末的主要部件，氧气和氢气通过燃烧器燃烧，可产生高达2400～2500ºC的温度。

炉体：炉体的作用是创造一个保温条件，使温度保持稳定，炉膛要求流线型，便于气体流动和不积粉。

下降系统：在下降过程中旋转平台均匀下降，一般平台每小时下降lcm。

焰熔法已有100 多年的历史，它在人工宝石工业中占有相当重要的地位，是产量和规模最大、使用历史最长的一种方法。

生长宝石所用原料的制备是生长出优质晶体的第一步。

现以合成刚玉为例予以说明。

多年来国内外采用焰熔法合成宝石的实践经验证明，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γ—A12O3粉末最为理想。

根据不同的用途和性能要求，通过在γ—A12O3中加入不同的着色剂和改性剂，可以得到不同颜色和不同性能的刚玉宝石。

因此，要获取所要求物化性状的粉料，如何选定合理的掺杂剂，如何确定宝石原料的焙烧程度是γ—A12O3粉料制备过程中的两个关键环节。

1．原料的掺杂：对不同颜色和不同用途的宝石，需在其中掺入不同的金属离子，金属离子的掺人量是根据以下因素确定的：①对宝石不同色泽、光学和电学性能及用途的要求；②宝石结构及物理特性(如硬度、韧性等)的要求，③在宝石粉料及晶体生长过程中的掺杂离子烧失量。

控制掺杂量很重要，量太少，颜色太淡：量太多，宝石容易裂。

掺杂是向硫酸铝铵矾中加入不同试剂。

2．合成红宝石在熔化结晶过程中铬离子的烧失现象十分明显。

由铬离子烧失情况的一组试验数据可以看出，当在铵明钒中加入铬离子的质量分数为0．875％时，经过焙烧，铬离子质量分数降低到0．80％～0．82％左右，烧失量约为7．4％。

经过焰熔结晶铬离子质量分数降低到0．388％左右，烧失量约为55．7％。

因此，确定原料中的掺杂量时，必须充分考虑到掺杂剂在焰熔结晶过程中的烧失量。

3．铝铵矾的分解过程γ—A12O3的制备过程，就是铝铵矾的加热分解过程。

其基本过程是使铝铵矾反复结晶以除去杂质，200℃下脱水形成无水多孔铝铵矾，再进行焙烧，挥发H2O、SO3、NH3等，形成A12O3。

铝铵矾在完全分解后，先形成无定形三氧化二铝，然后逐步转变形成γ—A12O3粉料。

其中必须准确地掌握使铵明矾完全分解为氧化铝的温度。

我国科学技术工作者对此作了较系统的测定。

测试结果表明，焙烧温度在950℃以下，保温2h 较为适合。

晶体生长：进行晶体生长前应先按要求准备籽晶，种晶必须进行定向切割(用定向仪定向，也可用偏振光定向)。

对于宝石晶体来说，生长方向主要考虑生产效率、晶体质量合成刚玉晶体一般采用生长轴与光轴成60º角左右，这样生长的晶体成品率高且不易开裂。

宝石晶体生长过程可分四个阶段：①在籽晶上长出最初的晶芽。

早期的工艺中，籽晶一般为粉料烧结成的陶瓷体或已结晶晶体的一部分。

目前,均已用种晶法代替晶芽的自发生长，如生长合成红宝石时，种晶采用合成红宝石。

②扩大籽晶的面积或称扩大籽晶的直径。

③等径生长：晶体扩大到一定大小后，即处于等径生长阶段，一直维持到生长结束，成为倒梨形，即梨晶。

在等径生长时，要使梨晶的生长晶面经常处于最适宜的生长温度区内，即所谓的结晶焦点上。

最佳结晶条件是在梨晶的顶部保持2～3mm厚的熔融层，使落在这个层上的尚未结晶的粉料完全熔化，随后在晶体杆下降时于熔融层下凝固析晶。

④退火处理：将合成晶体按规定装入高温炉之后，将炉温缓慢地升到预定的温度，然后进行长时间的恒温退火。

由于未退火的合成宝石晶体热应力很大，若升温速度太快，晶体常因升温过程的热冲击而开裂。

通常的升温时间为5～10h，温度上升到预定温度后，恒温几十个小时，再缓慢地降至室温，接近熔点的高温退火要严格控制温度，以防晶体回融。

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。

C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。

至于我们为什么要合成宝石呢？因为相比较于天然宝石可以无限制的合成，不会存在“不够采”的现象，但是我们大多数的消费者并不知道有合成的，就算知道也不知道怎么区分，接下来我们就看下焰熔法合成宝石的鉴别特征。

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。

这样除了合成宝石还有更多的不法奸商对不怎么好的宝石进行优化处理，宝石优化处理工艺最初始于何时，人们尚无法考证。

据有关资料记载，早在公元前古罗马和古希腊人就已采用热处理工艺对玉髓进行改色处理。

约公元前2000年，在印度曾出现较多的热处理红玛瑙和红玉髓。

自15世纪下半叶后，由于化学业、染料业的发展和冶金技术的提高，宝石的染色、充填、热处理技术达到了较高的水平，处理后宝石的颜色较艳丽、耐久。

19世纪末至20世纪初，科学技术的日新月异，X射线、γ 射线相继发现，为以后的宝石的辐照处理奠定了基础。

当今宝石的高温高压、铍扩散、离子注入处理等工艺，充分体现出传统的优化处理技术与现代高新科技的完美结合。

经处理后，宝石的外观特征更接近天然，耐久性更好。

天然宝石属不可再生的珍贵矿产资源，而优质宝石的储量原本就稀少，经过长期、大量的开采，许多优质宝石的矿床已近枯竭。

近20年来，世界范围内人们对天然优质宝石的需求递增，导致珠宝市场上优质宝石的供需矛盾日趋锐化，价格上涨。

因此，开展宝石人工优化处理工艺技术的研究，有助于使不可再生的珍贵宝石资源得以综合利用，既可局部缓解人们对天然宝石的供需矛盾，又使其潜在的美和经济效益、社会效益得以充分开发。

尽管如此，毕竟这类人工优化处理宝石的自身价值无法与其相对应的天然宝石等同(少数处理宝石甚至具有欺诈行为)。

随各类宝石优化处理新品种的相继面市，与之相关的鉴定技术和标识问题也就应运而生。

现在比较普遍的优化处理方法有：热处理、扩散处理(表面或体扩散)、高温高压处理、辐照处理(含热固色或退火处理)裂隙充填、熔合充填处理(油、蜡、人工树脂、玻璃等)、激光处理(含化学处理)、染色处理(含热固色处理)涂覆、镀膜处理。

在这里我就主要说下在宝石中用的比较多的热处理、辐照处理、染色处理。

热处理：将宝石放置在可控气氛和温度的加热设备(电阻箱、马弗炉、石墨管炉、烧结炉等)中，添加不同的化合物或涂填物、选择不同的温度范围、气氛条件(氧化、还原、中性)、加热速率(升温、冷却)及恒温时间对宝石进行热处理，使宝石的颜色、透明度、净度、光学效应等外观特征得到明显改善。

经热处理后，宝石的颜色相对稳定，它是一种将宝石的潜在美展示出来并为人们所广泛接受的常见优化方法。

高温高压：地球上地幔高温高压环境中结晶出的金刚石晶体，被寄主岩浆(金伯利岩岩浆或钾镁煌斑岩浆)快速携带到近地表的过程中，由于巨大的压力降、所处温度压力条件的迅速改变和晶体与围岩物质的相互碰撞，侵位金刚石晶体的、结构局部发生改变，并诱发晶格缺陷(指钻石晶体结构中的局部范围内，质点的排列偏离其格子状构造规律的现象)，使一部分原本无色的金、刚石的颜色发生改变，从而形成褐黄、棕黄色及粉红色金刚石。

实验室高温高压条件下得到的人工合成钻石为褐色、褐黄色、棕色，金刚石晶体中的原子及杂质原子提供了足够的均向压力和势能，人为调控所处的温度、压力及介质条件，有助于改善或改变钻石中的晶格缺陷，提高其色级或改变其颜色高温高压处理，有助于Ⅱa型褐黄色金刚石晶体克服其所处的势垒，促使金刚石晶体中的晶格缺陷在高温高压条件下发生重组、湮灭，使之修复至塑性变形前的初始稳定状态，并最大限度地恢复其原本无色的面貌；Ia 型褐黄色金刚石晶体内由于存在致色杂质氮原子和空位，在现有高温高压处理技术条件下，尚无法消除其褐黄色而提高其色级。

因此，只有在金刚石晶体原本存在的晶格缺陷基础上，通过高温高压处理并进一步加剧其塑性变形强度，进晶体内晶格缺陷的增殖，从而达到改色(褐黄色转变为黄绿色、金黄色，少见粉红色及蓝色)之目的。