第九章 合成宝石 广州大学公选课《宝石鉴定与贸易》

8
在合成晶体过程中，为了获得理想的晶体，人为提供 的晶核称为种晶或籽晶。
种晶一般都是从已有的大晶体上切取的。种晶上的缺 陷，如位错、开裂、晶格畸变等在一定的范围内会“遗传” 给新生长的晶体。在选择种晶时要避开缺陷。
根据晶体生长习性和应用的要求，种晶可采用粒状、 棒状、片状等不同的形态。种晶的光性方位对合成晶体的 形态、生长速度等有很大的影响。所以种晶的选择非常重 要。
广州大学公选课《宝石鉴定与贸易》
第九章 合成宝石
熟悉几种常见的合成宝石（如合成钻 石、合成刚玉、合成立方氧化锆、合成 祖母绿、合成欧泊、合成水晶等）的生 产方法及其特征。掌握天然宝石与合成 宝石的鉴定方法。
2020/6/16
1
(二)人工制造宝石的历史 1500年埃及人开始用玻璃模仿祖母绿、青金石和绿松石等。 18世纪中期和19世纪人工开始合成宝石.由于矿物学研究的发展
在理想的条件下， 结晶物质的质点向 晶体上粘附有三种 不同的部位（图）：
2020/6/16
成核生长理论模型
12
质点粘附在晶体表面三面凹角的1处，此时质点受三个 最近质点的吸引，若质点粘附在晶体表面两面凹角的2处， 则受到两个最近质点的吸引，此处质点所受到的吸引力不 如1处大，若质点在一层面网之上的一般位置3处，所受到 的吸引力最小。由此可见，质点粘附在晶体的不同部位， 所受到的引力或所释放出的能量是不同的。而且，它首先 会粘附在三面凹角1处，其次于两面凹角2处，最后才是粘 附在一层新的面网上(即3处)。
2020/6/16
7
石墨的相图是一元 相图，如图所示。 这个相图表明，在 很大的压力和温度
范围内存在碳的固
态相变。它是根据
热力学原理，结合
多次实验和外推等
做出的。石墨在温
度 1400-16000C 和 4.5-6×109Kb的压力 下会转变为钻石，
该图是合成钻石的
依据。
2020/6/16
石墨-钻石的相图
尽管晶体生长理论已有一百多年的发展历程，但晶 体生长理论还并不完善，现有的晶体生长模型还不能 完全用于指导晶体生长实践，为了提高晶体质量还有 许多实际问题尚待解决。
2020/6/16
6
1．成核
成核过程实际是一个相变过程。相是一个体系中均 匀一致的部分，它与另外的其它部分有明显的分界线。
化学成分相同的物质，在不同的温压条件下，可以呈 不同的结构（同质多象）、或不同的状态如固相、液相 和气相。
2020/6/16
11
在晶核形成以后，结晶物质的质点继续向晶核上粘附， 晶体则得以生长。质点粘附就是按晶体格子构造规律排列 在晶体上。质点向晶核上粘附时，在晶体不同部位的晶体 格子构造对质点的引力是不同的。也就是说，质点粘附在 晶体不同部位所释放出的能量是不一样的。由于晶体总是 趋向于具有最小的内能，所以，质点在粘附时，首先粘附 在引力最大、可释放能量最大的部位，使之最稳定。
相变：当某一体系在外界条件改变时，会发生状态 的改变，这种现象即相变。宝石合成的过程即生长晶体， 从液相变为固相，或固相变为固相、气相变为固相；相 变过程受温压条件、介质组分的控制。
相图：根据相变理论公式（克拉帕珑方程），即反 映压力、温度和组分的关系，作出的表示相变、温度、 压力、组分关系的图解。
以及化学分析方法取得的进展，使人们逐渐掌握了宝石的化学成分 及性质，加上化学工业的发展以及对结晶过程的认识，人工Байду номын сангаас成宝 石才变为现实。
1892年出现了闻名的“日内瓦红宝石”，这是用氢氧火焰使品质 差的红宝石粉末及添加的致色剂铬熔融，再重结晶形成优质红宝石 的方法。随后，这种方法经改进并得以商业化。
1890年， 助熔剂法合成红宝石获得成功； 1900年助熔剂法合成祖母绿成功。合成尖晶石、蓝宝石、金红 石、钛酸锶等逐渐面市。 1953年合成工业级钻石、1960年水热法合成祖母绿及1970年宝 石级合成钻石也相继获得成功。 五十年代末，我国为了发展我国的精密仪器仪表工业，从原苏 联引进了焰熔法合成刚玉的设备和技术，六十年代投产后，主要用 于手表轴承材料的生产。后来发展到有20多家焰熔法合成宝石的工 厂，能生长出各种品种的刚玉宝石、尖晶石、金红石和钛酸锶等。
合成工业用钻石在我国是l963年投产的，至八十年代末，我国已 有300余家合成工业用钻石的厂家。但宝石级合成钻石的生产还在探 索之中。l995年，我国采用 化学气相沉积法生长出了多晶金刚石薄 膜，已在首饰方面应用。
2020/6/16
5
二、合成宝石的晶体生长基本理论
晶体生长的发生最初是从溶液或熔体中形成固相的 小晶芽，即成核。晶核形成后，就形成了晶体--介质 的界面，晶体生长最重要的过程就是界面过程。科学 家们提出了许多生长机制或模型，结合热力学和动力 学探讨了这一过程。
2020/6/16
10
3． 晶体生长的界面模型
晶体生长最重要的过程是一个界面过程，涉及生长 基元如何从母液相传输到生长界面以及如何在界面上定位 成为晶体的一部分。
A．完整光滑界面生长模型
此模型又称为成核生长理论模型，或科塞尔-斯特 兰斯基（Kossel-Stranski）理论模型。该模型是1927年， 由科塞尔首先提出，后经斯特兰斯基加以发展 。
2020/6/16
4
我国进行水热法生长水晶的研究工作，始于1958年。目前几乎 全国各省都建立了合成水晶厂。我国的彩色石英从1992年开始生产， 现在市场上能见到的各种颜色品种的合成石英。
七十年代，由于工业和军事的需要，尤其是激光研究的需要， 我国先后用提拉法生产了人造钇铝榴石（YAG）和钆镓榴石（GGG） 晶体，它们曾一度被用于仿钻石。 1982年，我国开始研究合成立方 氧化锆的生产技术，1983年投产。由于合成立方氧化锆的折射率高、 硬度高、产量大、成本低，很快取代了其它仿钻石的晶体材料。广 西宝石研究所1993年成功生产水热法合成祖母绿，现已能生产水热 法合成其它颜色的绿柱石及红、蓝宝石。
2020/6/16
9
2.晶体生长界面稳定性：
晶核出现后，过冷或过饱和，驱使质点按一定的晶体 结构在晶核上排列生长。温度梯度和浓度梯度直接影响界 面的稳定性，从而影响晶面的生长速度、晶体的形态。
晶体生长过程中，介质的温度、浓度会影响晶体与介 质的界面的宏观形状，如是凸起、凹陷或平坦光滑。界面 为平坦光滑状态，则界面稳定性；如果生长条件的干扰， 界面会产生凹凸不平，即形成不稳定界面。