合成宝石
合成宝石分类、特征与鉴定方法
合成宝石分类、特
2021/1/7
征和鉴定方法
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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。
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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，人工合成宝 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。
合成宝石分类、 特征和鉴定方法
合成宝石分类、特征和鉴定方法
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。
合成宝石分类、特
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征和鉴定方法
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【宝石学】宝石的合成方法
经过几十年的努力，目前已能获得十几克拉大的晶体，但宝石级钻石合 成的成本仍很高，不能进行大批量的生产。2000年可切磨的合成钻石只有 3500ct，仅占当年天然宝石级钻石产量的0.01%。
占总重量百分比 0.15 0.1 2.0 0.13 0.1 0.1 0.3 0.3 0.15
0.09+0.15 1.1+1.1 0.15+1.0
0.08+0.08
晶体颜色 红色 黄色 紫色 淡黄色 粉红色 黄绿色
橄榄绿色 深紫色 淡绿色 攻瑰红色 淡蓝色 紫蓝色 棕色
四、助熔剂法
原理和方法
助熔剂法又称高温熔体溶液法，它是将晶体的 原成分在高温下溶解于低熔点助熔剂熔体中，形成 饱和的溶液（熔融液），然后缓慢冷却或恒温下蒸 发熔剂等方式，使晶体从过饱和熔融液中不断结晶 出来。与矿物晶体从岩浆中结晶的过程相似。
氧化锆粉末和稳定剂装在由冷却铜管组成的金 属杯内，在粉末中心放入引燃用的锆金属粉末 或锆金属棒。然后由高频线圈加热。
高频使锆金属熔化，熔化部分向外蔓延，引燃 周围的粉末。紧靠着杯壁的粉末在循环冷剂的 作用下保持固态，构成一层薄薄的外壳。
待坩埚内的物质达到完全熔融后，将坩埚从加 热区缓缓移开，坩埚内的物质开始冷却，结晶 从壳底开始，向上长出圆柱状的晶体，直到全 部结晶固化。
合成水晶的掺杂与颜色对照表
掺杂种类 Fe3＋ Fe2＋ Co2＋ Mn4＋ Al3＋
质量分数％ 0.1～0.7 0.1～0.6 0.1～0.4 0.2～0.5 0.1～0.2
人工合成红宝石的配方
人工合成红宝石的配方一、原料选择。
1. 主要原料：氧化铝（Al₂O₃）- 氧化铝是红宝石的主要成分。
在自然界中，红宝石就是刚玉（主要为氧化铝）晶体中含有少量铬（Cr）元素而呈现红色。
对于人工合成，需要高纯度的氧化铝粉末。
一般纯度要求达到99.99%以上。
这是因为杂质过多会影响晶体的生长和颜色的纯正性。
2. 致色剂：铬（Cr）化合物。
- 通常选用铬酸铅（PbCrO₄）或氧化铬（Cr₂O₃）作为致色剂。
添加量一般在0.5% - 2%左右。
铬离子（Cr³⁺）取代晶体结构中的铝离子（Al³⁺），从而使合成的晶体呈现红色。
致色剂的用量需要精确控制，如果添加量过少，颜色会太淡，达不到红宝石应有的颜色深度；如果添加量过多，可能会导致晶体内部结构缺陷或颜色过深而不自然。
二、助熔剂法合成红宝石的配方及原理。
1. 配方。
- 助熔剂通常采用氧化铅（PbO） - 硼砂（Na₂B₄O₇）体系。
一般比例为PbO:Na₂B₄O₇ = 1:1到3:1之间。
再加入氧化铝和致色剂铬化合物。
例如，以100克原料总量计算，氧化铝粉末约80 - 90克，致色剂（如氧化铬）0.5 - 2克，助熔剂（氧化铅 - 硼砂混合）10 - 20克。
2. 原理。
- 助熔剂的作用是降低氧化铝的熔点。
氧化铝的熔点非常高（约2050°C），在加入助熔剂后，体系的熔点可以降低到1200 - 1300°C左右，这样就可以在相对较低的温度下进行晶体生长。
在这个过程中，原料在助熔剂的熔体中溶解，然后通过缓慢降温或其他方式，使溶质（氧化铝和铬离子等）以红宝石晶体的形式结晶出来。
三、焰熔法合成红宝石的配方及原理。
1. 配方。
- 原料主要是高纯度的氧化铝粉末和少量的铬酸铅（PbCrO₄）作为致色剂。
氧化铝粉末的纯度要求在99.9%以上。
致色剂的添加量约为1% - 1.5%。
2. 原理。
- 焰熔法是通过氢氧火焰来熔化原料。
氢氧火焰的温度可以达到2500 - 3000°C。
水热法合成宝石
折射率与双折射
折射率
折射率是光线在宝石中传播速度的量度。合成宝石的折射率通常比天然宝石 高，因此它们看起来更闪亮。
双折射
双折射是当光线通过某些晶体时，会产生两个不同折射光的现象。天然宝石 通常具有明显的双折射现象，而合成宝石的双折射较弱。
硬度与韧性
硬度
合成宝石的硬度通常比天然宝石高。硬度是评估宝石耐用性的重要因素，高硬度 的宝石可以更好地抵抗日常生活中的划痕和磨损。
研究目的和意义
1
研究水热法合成宝石的目的是为了了解宝石形 成的机理和过程。
2
通过研究，可以更好地理解自然界中宝石的形 成和变化规律。
3
同时，水热法合成宝石也是一种制备特定结构 、性能的宝石材料的有效手段，具有重要的实 际应用价值。
研究背景
01
近年来，随着材料科学和地质学的发展，水热法合成宝石成为了一个热门的研 究领域。
2023
水热法合成宝石
目 录
• 引言 • 水热法的基本原理 • 水热法合成宝石的种类 • 水热法合成宝石的质量评估 • 水热法合成宝石的应用 • 水热法合成宝石的发展趋势和挑战
01
引言
简介
水热法是一种在密封容器中高温高压条件下合成宝石的方法 。
这种方法可以模拟自然界中宝石形成的地壳下高温高压条件 。
02
红蓝宝石
水热法合成的红蓝宝石具有颜色鲜艳、纯度高、硬度高等特点，适合
制作各种首饰。
03
翡翠
水热法合成的翡翠具有与天然翡翠相似的颜色和纹理，可以制作出各
种精美的首饰。
收藏与投资
收藏价值
水热法合成的宝石具有很高的收藏价值，因为它们不仅具有 天然宝石的美丽，还有着天然宝石无法比拟的稀有性和独特 性。
合成宝石
宝石的合成、仿制品及优化处理要求：1.合成品、仿制品的有关概念2.★合成宝石的方法：合成方法和原理，合成材料名称、性质及特征3.★优化处理：各种优化处理方法、原理和名称一、基本概念⏹人工宝石artificial products⏹定义：完全或部分由人工生产或制造用作首饰及装饰品的材料统称为人工宝石。
包括合成宝石、人造宝石、拼合宝石和再造宝石。
⏹合成宝石synthetic stones⏹定义：完全或部分由人工制造且自然界有已知对应物的晶质或非晶质体，其物理性质，化学成分和晶体结构与所对应的天然珠宝玉石基本相同。
⏹例如，合成红宝石具有与天然红宝石基本相似的物理性质（颜色、RI、DR等）、化学成分（Al2O3）及晶体结构。
二、发展简史⏹1902 维尔纳叶法合成红宝石的商业生产⏹1920 维尔纳叶法合成尖晶石⏹1928 助熔剂法合成祖母绿⏹1943 水热法合成水晶⏹1955 合成工业级钻石出现⏹1960 水热法合成祖母绿⏹1970 合成宝石级钻石⏹1976 合成立方氧化锆⏹1995 合成SiC（莫伊桑石）（一）、焰熔法合成宝石及鉴定⏹焰熔法（flame fusion technique）——19世纪（1877）由E.弗雷米发明，19世纪末（1890）由其助手维尔纳叶推向市场，故又称维尔纳叶法（V erneuil furnace）。
⏹该方法可以生产各种品种的刚玉、尖晶石、金红石、钛酸锶、白钨矿等宝石晶体。
⏹基本原理：从熔体中生长单晶体的方法。
原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落的过程中冷却并在籽晶上固结逐渐生长形成晶体。
合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在维尔纳叶炉中进行的3. 生长过程（以红宝石为例）①供料：Al2O3＋Cr2O3（2-3％）②籽晶的选取：与C轴夹角成60o切出3-4cm的圆柱或四方柱③燃料、温度：H2＋O2燃烧产生的25000C的高温（Al2O3的熔点是20500C）④过程：Al2O3的粉末经振荡均匀洒落，通过一个向下变尖的内管下落，并与氧气混合到达n处，和氢气混合燃烧产生高温，将粉末熔化落到籽晶棒上经降温而结晶，籽晶棒一边旋转一边下落，经过接晶、扩肩、等径生长最后形成梨晶。
05 第五章 合成宝石及人造宝石
三、冷坩埚法
冷坩埚法是生产合成立方氧化锆晶体的方法。 该方法是俄罗斯科学院列别捷夫固体物理研究所的 科学家们研制出来的，并于1976年申请了专利。由 于合成立方氧化锆的外观和钻石相似，无色的合成 立方氧化锆迅速而成功的取代了其他的钻石仿制品， 成为钻石首选的代用品。合成立方氧化锆易于掺杂 着色，可获得各种颜色鲜艳的晶体，因此受到了宝 石商和消费者的欢迎。
钻石-石墨相图
球形压机
球形压机内部结构
合成钻石晶形与生长温度的关系
宝石级合成钻石的主要识别特征
结晶习性：合成钻石常常为立方体、八面体， 及二者的聚形，而天然钻石最常见的形态是八面体、 菱形十二面体。 晶面纹理：合成钻石可显示树枝状、漏砂状或 交切状纹理，接种面上粗糙不平。天然钻石常见三 角凹痕。 钻石类型：合成钻石为Ib型或者II型。 包裹体：针状、片状、针点状的金属包裹体，大量 的金属包裹体使得合成钻石具有明显的有磁性，甚 至会导电。 吸收光谱：合成钻石无415nm吸收线，
一、水热法
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。二十世纪上叶，由于 军工产品的需要，水热法合成水晶投入了大批量的 生产。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。
焰熔法合成宝石PPT课件
几何多面体。市场上也出现过将焰熔法合成的梨晶破碎，甚至经过滚筒磨成 毛料，来仿称天然原料销售。
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2、包裹体
• 生长纹 • 粉末状固体或者气体包体 • 色带
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焰熔法合成宝石与天然宝石的区别 有哪些？
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参考答案
• 1、结晶习性——晶体形态、正交偏光下的观察 • 2、包裹体（思考这里所说包裹体有哪些？？） • 3、吸收光谱 • 4、发光性 • 5、对于已经加工的宝石可以从台面的多色性来辅助判断
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五、焰熔法生长宝石晶体的鉴别
各种合成刚玉的致色元素
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3、星光刚玉原料选择
• 如需要合成星光刚玉，则需要在上述原料中再添加0.l一0.3%的TiO2，这样长 成的梨晶中，TiO2 呈固熔体分布于刚玉晶格中，并没有以金红石的针状矿物 相析出。必须在1300度恒温24小时，让金红石针沿六方柱柱面方向出溶，才 能产生星光效应。
如果合成红宝石，则需要Al2O3 和 Cr2 O3，
三
氧
化
二
铝
可
由
铝
铵
矾加热维获尔得那；叶致炉色结剂构为图C 第4页/共61页统
氧气管：从料筒一侧释放，与原料粉末一氧同气下进降口；
氢气管：在火焰上方喷嘴处与氧气混合燃烧。
通 过 控 制 管 内 流 量 来 控 制 氢 氧 比 例 ， O 2：氢气H 2进＝口1 ： 3 ；
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合成红宝石致密弯曲生长线及气泡 第37页/共61页
人工合成宝石的发展概况
人工合成宝石的发展概况
人工合成宝石源于19世纪早期，当时科学家们开始研究如何通过模仿自然的过程来制造宝石。
最开始，人工合成宝石还很不完善，只能产生一些比较低价值的宝石品种，比如
玻璃及其它类似材料。
但是，随着技术的不断发展，人工合成宝石的品种和质量都有了极
大的提高。
20世纪初期，德国的爱因斯坦被认为是第一位成功男人创建人造钻石试验。
接下来的几十年里，科学家们开始尝试制造不同种类的人造宝石。
1940年代，商用的合成蓝宝石
开始在世界市场上推出，这是人工合成宝石的重要突破之一。
此后，合成红宝石、绿宝石、黄宝石、紫水晶等各种宝石也相继面世。
20世纪50年代，美国的GE公司成功地合成了一种新型金刚石——立方氮化硼合成金刚石，这种人造金刚石质量更好，价格也更便宜，与天然金刚石相比具有许多优势。
立方
氮化硼合成金刚石被广泛应用于工业、科研、高科技等领域，成为人工合成宝石的重要里
程碑之一。
随着科技的进步，现代人工合成宝石的质量和种类又有了明显的提高。
近年来，进一
步的研究使得人工合成宝石的种类更加多样化，质量更加优越，价格也更具有竞争力。
现在，人工合成宝石已经成为宝石市场中不可或缺的一部分，而且越来越多的人们接受人
工合成宝石。
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班级姓名成绩
一、名词解释。
（3×5=15分）
人造宝石助熔剂法临界晶核装满度籽晶
二、填空题。
（0.5×30=15分）
1、合成宝石指其加工的全部或部分工艺过程是由人工控制进行的它们的、和
与它们所对应的天然宝石基本相同。
2、紫晶用法合成后，还需要经处理。
3、合成蓝宝石的主要方法有、、。
4、CZ的中文名称应当是。
5、助熔剂法合成祖母绿的特征包裹体常为、、。
6、冷坩埚法合成立方氧化锆所需的热来自。
7、焰熔法合成尖晶石的密度常为，折射率值常为，往往比天然的宝石级尖晶石的
密度及折射率。
8、红、蓝、黄色、变色合成刚玉中的致色元素分别是、、、。
9、水热法合成宝石晶体的四个阶段、、、。
10、水热法合成水晶的温度，压力。
11、焰熔法合成宝石的主要设备有、、、。
三、判断改错题。
（2×5=10分，对者打“√”，错者打“×”并改正）
1、助熔剂法合成宝石中的水滴状包裹体是捕掳来的原生液体。
（）
2、用气相沉淀法合成的镀膜钻石，外观常显云雾状、粉状等特征。
（）
3、由于刚玉的熔点很高，焰熔法合成红宝石是采用铂坩埚。
（）
4、白色的合成立方氧化锆在贸易中作为钻石的代用品使用时，应称为仿钻石。
（）
5、区分祖母绿与合成祖母绿时，有无弧形生长纹是一项重要判别依据。
（）
四、简述题。
（简明扼要，重点突出。
6×5=30分）
1、绘图说明熔体中晶核形成与晶体生长的关系。
2、水热法合成的宝石通常具有什么特征？
3、人工宝石中不参与定名的因素有哪些？
4、高温高压合成钻石的鉴定特征。
5、简述冷坩埚法生长宝石晶体的原理。
五、论述题。
（详细论述，全面分析。
2×15=30分）
1、玻璃作为宝石仿制品的鉴定特征。
2、如何鉴别合成红宝石。
班级姓名成绩
一、名词解释。
（3×5=15分）
合成宝石高温高压法成核作用金刚石膜冷坩埚
二、填空题。
（0.5×30=15分）
1、人工宝石是指由人工制造的且自然界的晶质。
2、金红石用法合成后，还需要经处理。
3、合成红宝石的主要方法有、、、。
4、助熔剂法合成红宝石的特征包裹体有、、。
5、HTHP法合成钻石的碳源来自。
6、合成立方氧化锆的密度值是，折射率值为。
7、红、绿、黄、变色合成刚玉中的致色元素分别是、、、。
8、熔体提拉法生长宝石晶体的二种方法是、。
9、水热法合成红宝石温度范围，压力，矿化剂。
10、水热法合成宝石的主要设备有、、。
11、焰熔法合成宝石的晶体有、、、。
三、判断改错题。
（2×5=10分，对者打“√”，错者打“×”并改正）
1、焰熔法合成尖晶石的密度及折射率值比天然宝石级尖晶石都高。
（）
2、区分水热法合成红宝石与红宝石要观察有无同生气液包体。
（）
3、区分绿玻璃与橄榄石，最明确的依据之一是测试折射率值。
（）
4、热处理后弧形生长纹已不清晰的蓝宝石，鉴定名称应写为热处理的合成成蓝宝石。
（）
5、CZ是从焰熔法的熔体中结晶出来的。
（）
四、简述题。
（简明扼要，重点突出。
6×5=30分）
1、简述晶核形成的基本规律。
2、举例说明合成宝石与仿制品的定义。
3、简述一种合成蓝宝石的生产方法。
4、如何区分天然水晶与合成水晶。
5、焰熔法生长宝石的优缺点。
五、论述题。
（详细论述，全面分析。
2×15=30分）
1、叙述下列宝石的人工合成与鉴别。
a. 维尔纳叶合成红宝石。
b. 高温高压合成钻石。
2、如何鉴别合成祖母绿。