水热法合成宝石
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。
课件：水热法
水热法生长祖母绿的鉴别
（1）折射率、双折射率和相对密度：水热法合成祖母 绿与天然祖母绿相同。
（2）查尔斯滤色镜：通常显强红色，但也有些变色效 应较弱，如俄罗斯的呈弱红色。
水热法合成祖母绿
水热法生长红色绿柱石的鉴别 吸收光谱
合成红色绿柱石为钴（Co²+）谱与天然红色绿 柱石明显不同，即530-590nm之间几个模糊到清晰 的吸收带。而天然红色绿柱石是Mn致色，为 450nm以下和540-580nm之间的宽的吸收。
强红色荧光，滤色镜下强红色 黑色底衬下，强光照射会出现红色
如何鉴别？ 4. 水热法生长宝石晶体的鉴定特征？ 5. 影响水热法生长宝石晶体的因素是什么？
水热法
水热法是利用高温高压的水溶液溶解矿物质， 控制高压釜内溶液的温差产生对流和形成过 饱和状态，使溶解在溶液中的矿物质在种晶 上析出，生长成较大的晶体。 自然界热液成矿就是在一定的温度和压力下， 成矿热液中成矿物质从溶液中析出的过程。 水热法合成宝石就是模拟自然界热液成矿过 程中晶体的生长。
⑤ 面包屑状包裹体：在暗域下呈白色，形态上 与面包屑相似的包裹体，较小而且通常数量不 多。 ⑥ 尘埃状包裹体和种晶残余：尘埃状包裹体成 片地分布在无色种晶片与橙红色部分的交界面 上。
§5 水热法生长祖母绿晶体与鉴别
1960年澳大利亚人约翰.莱奇特纳首次获得 成功，后被林德公司购买了销售权
1969－1970年达高峰期，年产量2万克拉 我国1987年开始研究，1989年获得成功，
色绿柱石等其它颜色绿柱石及合成刚玉也纷纷面市。 因此，水热法合成的宝石品种有：
04 水热法
③ 生长阶段 ④ 开釜阶段
工作条件和工艺参数
温度：溶解区360-380℃， 温度：溶解区 ℃ 生长区330-350℃， ℃ 生长区 压力：1100-1600 × 105Pa 压力：1100矿化剂：NaOH、Na2CO3或其混合液 矿化剂：NaOH、 籽晶：⊥Z、∥Y等，机械切割 ∥Y等 籽晶： 合成水晶晶体生长速度： 合成水晶晶体生长速度： 0.6-1.2mm/天（⊥Z） 天 影响晶体生长速率的因素：籽晶取向和面积、充填度、 影响晶体生长速率的因素：籽晶取向和面积、充填度、 取向和面积 温度、压力、 温度、压力、溶液浓度等 t≤50℃ 50℃
Na2CO3等，充填度为80%；
温度： 温度：500-560℃，底部溶解区温度略高，
上部生长区略低，约为470-480 ℃ ；
工作压力：750× 工作压力：750×105Pa。
水热法生长红宝石晶体的鉴别
存在籽晶核 气液包裹体形状相似 云烟状裂隙， 云烟状裂隙，充填液体和气泡 红色荧光强 光谱特征不同
水热法生长宝石晶体与鉴别
本章要点
理解水热法生长宝石晶体的有关概念和原理 理解水热法生长宝石晶体的有关概念和原理 了解影响水热法宝石晶体生长的因素及其 各种宝石晶体的工艺过程和生长条件 掌握水热法生长各种宝石的鉴定特征
思考题
1. 水热法生长宝石晶体的方法有几类？ 水热法生长宝石晶体的方法有几类？ 2. 水热法生长的宝石晶体有几种？ 水热法生长的宝石晶体有几种？ 3. 水热法生长的各种宝石晶体与对应的天然晶体 如何鉴别？ 如何鉴别？ 4. 水热法生长宝石晶体的鉴定特征？ 水热法生长宝石晶体的鉴定特征？ 5. 影响水热法生长宝石晶体的因素是什么？ 影响水热法生长宝石晶体的因素是什么？
水热法生长水晶的鉴别
珠宝知识287：珠宝考研考证篇（九十三）：水热法合成宝石方法简介
珠宝知识287：珠宝考研考证篇（九十三）：水热法合成宝石方法简介水热法合成宝石方法是一种从溶液中结晶方法，合成宝石的原理主要是模仿自然界中的热液成矿作用的，首先我们先简单了解一下热液成矿的基本过程。
【热液成矿作用】地球的内部具有很高的温度，同时地球的深部也是含有水的，当地球深部的水受到一定的热源（例如岩浆、断裂活动等）温度升高形成热液，因此在温度和压力较高的环境中，水对于一些溶质的溶解度会大大的提升。
但是岩石是存在有裂隙的（例如断裂），热液可以沿着这些裂隙会向地表运移，随着温度和压力的下降，溶解度逐渐降低，溶质就会在合适的空间中沉淀下来形成晶体。
这就是热液矿床形成的大致过程，但是具体过程会更加复杂。
无论具体的成矿左右有多复杂，简单来讲，热液成矿过程可以总结为【在高温下溶解溶质，在低温下沉淀结晶】，水热法合成宝石同样是根据这样的原理合成宝石晶体的。
也正是由于合成过程中模拟了宝石在自然界中的生长环境，因此宝石的质量也相对较好，与天然宝石有着较为相似的鉴定特征。
【优点】1、能生长存在相变(如α石英等) 的材料；以石英为例，石英在不同的温度压力下会形成不同的晶体结构，从下面的相图中我们可以很清楚的看到，石英在较低的温度535℃时就会发生相变，因此在合成过程中是需要严格控制形成环境的，但是二氧化硅的熔点高达1700摄氏度以上，若采用熔体直接冷却结晶的方法是无法直接得到α-石英（水晶的晶体结构）的，而是优先形成其他晶体结构的石英（例如β-方石英或β-石英），最终通过相变的方式转化成为α-石英，在实验室的环境中快速的发生转化，必然会形成过大的内应力，不容易得到高质量的合成宝石。
但是水热法可以通过精确的控制温压条件，以得到目标宝石晶体。
2、可以生长在接近熔点时蒸汽压高的材料（例如ZnO）。
材料的蒸汽压高意味着材料在接近熔点时极容易发生挥发，若使用熔体直接冷却形成矿物晶体的方法会导致原料大量的挥发，在腐蚀设备的同时，也会造成不必要的浪费，但是水热法合成宝石是在高压釜内进行，属于一个较为封闭的环境；另外，水热法是利用【溶质在不同温度下溶解度的差异】进行合成宝石的，所使用的温度远低于材料的熔点，因此可以避免大量挥发的现象的发生。
水热法合成宝石
工作条件和工艺参数
(4) 种晶（⊥Z轴，//Y轴，X+50，VO.A=700，YZ) (5) 培养料 （熔炼石英，粒度2cm左右，质地均匀） (6) 生长速度（//Z轴 ≈ 0.6-1.2mm/day，受种晶取向、 充填度、温差、结晶温度、溶液浓度、种晶面积等 因素影响).
水热法合成水晶生长的工艺流程图
籽晶等
高压釜为可承高温高压的钢制釜体。 水热法采用的高压釜一般可承受 1100 ℃的温度和
109Pa的压力，具有可靠的密封系统和防爆装置。 高压釜的直径与高度比有一定的要求，对内径为 100-120mm的高压釜来说，内径与高度比以 1：16 为宜。
高度太小或太大都不便控制温度的分布。
相似，因此生长出的宝石晶体与天然宝石晶体最接近。
缺点:
a、需要材料比较特殊的高压釜和相应安全防护措施。 b、需要大小适当、切向合适的优质籽晶。 c、整个生长过程无法观察。 d、投料是一次性的，因此生长晶体的大小受高压
釜容 器大小的 限制。
5. 影响宝石晶体生长的因素
溶液的过饱和度
矿化剂的性质与浓度
水热法合成的红宝石的晶体
祖母绿的水热法合成 是 由澳 大利亚的 Johann Lechleitner在 1960年研究成功的。
到九十年代 原苏联新西伯 利亚合成出了 海蓝宝石。随 后红色绿柱石 等其它颜色绿
柱石及合成刚
玉也纷纷面市。
1. 基本原理
水热法是利用高温高压的水溶液使那些在大气条件
等温法高压釜
3.2 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。
珠宝知识290：珠宝考研考证篇(九十五)：找到“水波纹”了吗？没错,这就是水热法合成红蓝宝石的鉴定特征
珠宝知识290：珠宝考研考证篇（九十五）：找到“水波纹”了吗？没错，这就是水热法合成红蓝宝石的鉴定特征展开全文珠宝知识290：珠宝考研考证篇（九十五）：水热法合成红蓝宝石的发展与鉴定历史简介【国际发展】1、利用水热法合成刚玉类宝石是从研究Al2O3+H2O体系开始的；2、1943年，劳本盖耶和韦茨首次获得成功，随后欧文和奥斯本进一步完善了这一工作；3、20世纪50年代，美国、日本、前苏联、中国、法国、澳大利亚等国家先后从事过水热法合成红宝石晶体的实验研究；4、1976年，苏联科学家改进了水热法合成红宝石技术，生产出的红宝石与天然品极为相似，同时获得了商业性的生产；5、20世纪90年代，俄罗斯人员通过大量的实验完成了水热法合成红宝石的工艺技术；其中1991年，俄罗斯小批量商业生产水热法合成红宝石；1993年，俄罗斯西伯利亚科学院与泰国The Pinky Trading Company合资在曼谷设立了泰洛斯（TAIRAS）宝石有限公司，该公司主要进行水热法合成红宝石的生产，产品逐渐出现在国际市场上，是目前全球最重要的水热法合成红宝石的生产厂商；1995年，新西伯利亚产出了不同颜色（黄色、橘黄色、蓝绿色和蓝色）的合成蓝宝石6、1998年，澳大利亚Biron公司利用水热法成功合成红宝石及其他品类的刚玉类宝石下图为俄罗斯晶体生长实验室生产的各种颜色的水热合成红宝石和蓝宝石。
中间的蓝绿色蓝宝石(9.2×7.0 mm)重2.65 ct。
【国内发展】我们国家对水热法合成刚玉类的研究起步相对较晚，直到上世纪九十年代才开始，主要的研究单位是广西桂林的宝石研究所，大致的发展过程如下：1、1992年，我国开始研究水热法生长刚玉类宝石；2、1995年，广西宝石研究所进行了水热法合成刚玉晶体的研究和开发；3、1998年，桂林水热法合成红宝石正式生产，采用人工合成无色蓝宝石作为种晶，最终合成的尺寸为15×50×17mm，重量为克拉的的厚板状红宝石晶体；同年七月，经广西区科技厅组织的专家鉴定，认为广西宝石研究所承担的项目“工艺先进、稳定性好、填补了国内水热法合成红宝石的空白，合成出的红宝石超过了国际同类产品质量，在合成红宝石的质量上达到了国际领先水平”4、2000年，推出桃红色和浅黄色系列的蓝宝石品种【设备装置与生长过程】下图为Tairus公司用于生产合成蓝宝石的装置示意图，高60厘米、直径8厘米；该装置共包括十个部分，分别为(1)盖子；(2)推动螺母；(3)高压蒸汽的身体；(4)密封环；(5)黄金内衬；(6)合成蓝宝石种晶；(7)挡板；(8)合成无色刚玉粉料；(9) Ni/Cr 氧化物容器；(10)粉末状含氧缓冲液。
人造宝石的制作方法
人造宝石的制作方法人造宝石，又称合成宝石，是指通过人工手段制造的具有与天然宝石相似外观和性质的宝石。
人造宝石在如今的珠宝市场上越来越受到重视，因为它们不仅外观美丽，价格相对较低，而且还可以避免使用矿产资源和保护自然环境。
那么，人造宝石是如何制作的呢？接下来，我将为大家介绍一下人造宝石的制作方法。
首先，制作人造宝石的原料主要是氧化铝和其他添加剂。
氧化铝是一种无色无味的物质，是制作合成宝石的主要原料之一。
在制作过程中，可以根据需要添加不同的金属氧化物来制作出不同颜色的宝石，比如红宝石、蓝宝石等。
其次，制作人造宝石的方法主要有熔融法和水热法两种。
熔融法是将原料在高温下熔化，然后逐渐冷却形成晶体，这种方法适用于制作较大颗粒的宝石。
而水热法则是将原料在高温高压的水溶液中反应，形成晶体，这种方法适用于制作较小颗粒的宝石。
这两种方法都需要严格控制温度、压力和化学成分，以确保制作出的宝石具有良好的外观和性能。
在制作过程中，还需要进行切割和抛光等工艺。
切割是指将制作好的宝石原料切割成所需的形状和尺寸，这需要经验丰富的工匠和精密的设备来完成。
抛光则是指对切割好的宝石进行表面处理，使其具有闪闪发光的效果，增加其美观度和卖相。
最后，制作好的人造宝石需要经过严格的质量检验，确保其外观和性能达到标准要求。
只有通过了质量检验的宝石才能进入市场销售。
总的来说，制作人造宝石是一个复杂而精密的过程，需要经验丰富的工匠和先进的设备来完成。
通过不断的技术创新和工艺提升，人造宝石的质量和品种也在不断提高，相信在不久的将来，人造宝石将会成为珠宝市场上一种重要的宝石选择。
02 水热法 宝石改善与人工合成 讲座
水热法
水热法是利用高温高压的水溶液溶解矿物质， 控制高压釜内溶液的温差产生对流和形成过 饱和状态，使溶解在溶液中的矿物质在种晶 上析出，生长成较大的晶体。 自然界热液成矿就是在一定的温度和压力下， 成矿热液中成矿物质从溶液中析出的过程。 水热法合成宝石就是模拟自然界热液成矿过 程中晶体的生长。
③ 生长阶段 ④ 开釜阶段
升温调节、控温和温差， 停炉、打开保险、冷却降温、高压釜出膛
降至室温、开釜、取晶体、 倒余渣、清洗晶体和高压釜、检查
合成彩色水晶添加的致色元素及随后的处理
颜色
蓝色 褐色 深褐色 绿色 紫色 黄色 黄-绿色
添加剂及随后的处理
加Co，然后在还原环境加热 加Fe 加Al，然后辐照 加Fe，然后在还原环境中加热 加Fe，然后辐照 加Fe g射线辐照，然后加热
水热法生长宝石晶体与鉴别
本章要点
理解水热法生长宝石晶体的有关概念和原理 了解影响水热法宝石晶体生长的因素及其
合成各种宝石晶体的工艺过程和生长条件 掌握水热法生长各种宝石的鉴定特征
思考题
1. 水热法生长宝石晶体的方法有几类？ 2. 水热法生长的宝石晶体有几种？ 3. 水热法生长的各洁干净、一定的表面积比
§3 水热法生长水晶晶体与鉴别
水热法合成水晶的历史 始于19世纪初 1928年德国科学家理查德.纳肯首次使用高压釜 1950年美国、英国进行商业性生产 我国50年代开始研究，1998年产量可达1400吨
已投放市场的合成水晶品种 无色、紫色、黄色、绿色、蓝色、玫瑰粉红色、
等温法高压釜
溶液 培养体 高压釜 籽晶
温差法高压釜
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水热法生长晶体时所用电炉和高压釜的典型装置
（1）高压釜
高压釜为可承高温高压的钢制釜体。一
般可承受1100oC的温度和109Pa的压力，具有
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可靠的密封系统和防爆装置。由于内部要装
酸、碱性的强腐蚀性溶液，当温度和压力较
c、用此法生长晶体时，由于与自然界生长 晶体的条件很相似，因此生长出的宝石晶体与 天然宝石晶体最接近。
（2）缺点
a、需要材料比较特殊的高压釜和相应的 安全防护措施。
b、需要大小适当、切向合适的优质籽晶。 c、整个生长过程无法观察。 d、投料是一次性的，因此生长晶体的大 小受高压釜容器大小的 限制。
充填度为80%。合成彩色水晶时，一般采用矿化剂 K2CO3 ，或K2CO3与NaOH的混合液，有利于色素离子 进入晶体结构。尤其是在加入了色素离子铁时，不 采用Na2CO3，以避免在溶液中形成硅酸铁钠（锥辉 石晶体），影响铁进入晶体。
2、生长的工艺流程
（1）准备阶段 矿化剂溶液浓度、充填度、挡板开孔率、 温差计算，种晶的准备（切割、清洗、打孔、 悬挂）
高时，在高压釜内要装有耐腐蚀的贵金属内
衬，如铂金或黄金内衬，以防与釜体材料发
生反应。也可利用在晶体生长过程中釜壁上
自然形成的保护层来防止进一步的腐蚀和污
染。
高压釜
（2）矿化剂
矿化剂：水热法生长晶体是采用的溶液。 通常可分为以下五类：
1) 碱金属及铵的卤化物，NaCl； 2) 碱金属的氢氧化物，NaOH； 3) 弱酸与碱金属形成的盐类，Na2CO3 4) 酸类（一般为无机酸），HCl。
差，因此也要保持一定的温差。
5、压力和充填度 压力来言语高温条件下其内部通天的大
量气液混合物。
充填度=溶液体积/（反应腔总体积-固 体物体积）
在同一温度下，充填度越高，压力越大， 生长速度就越快。
6、杂质 主要表现在对晶体结晶几何外形和晶体的
颜色特征两方面。
7、种晶的取向 各向异性在各个方向都能生长，但生长
3、水热法宝石晶体生长的分类
（1）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。
等温法高压釜
（2）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。
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。
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。
速率差异很大。因此，籽晶要选择一定的方向。
8、培养料 只能一次加入，加入的量足以供应生长
需要。培养料要求质地均匀，无杂质。
三、水热法生长水晶、红宝石、祖母绿、 海蓝宝石晶体
（一）水热法合成水晶晶体 1.生长原料 原料：去皮的水晶碎块； 矿化剂：一般采用NaOH、Na2CO3、K2CO3或KCl，NaCl，
其中碱金属的卤化物及氢氧化物是最为有效且 广泛应用的矿化剂。矿化剂的化学性质和浓度影响 物质在其中的溶解度与生长速率。
5、水热法生长宝石晶体的优缺点
（1）优点 a、能够生长存在相变(如a石英等)和在接
近熔点时蒸汽压高的材料 (如ZnO)或要分解的 材料(如V02)。
b、能够生长出较完美的优质大晶体，并且 能够很好地控制材料的成分。
开孔率大，生长速率减小；开孔率小，生长 速率增大。
小口径高压釜开孔率为10~12%，大口径高压 釜为5~7%。
4、生长区温度与温差
1）温度
当上下温度一定时，温度越高生长越快，但会
出现饱和溶液供应不足而影响晶体质量，因此要保
持一定的温度。
2）温差
影响溶液对流速度和饱和度的高低，温差越大，
生长速度越高，但会形成过多的包体，使透明度变
一、水热法生长宝石晶体概述
1、定义 水热法也称热液法，是在密封的高压容器
内，从水溶液中生长出晶体的方法，在一定程 度上再现了地下热液矿床矿物结晶的过程。 2、原理
是利用高温高压的水溶液使那些在大气条 件下不溶或难溶的物质溶解，或反应生成该物 质的溶解产物，通过控制高压釜内溶液的温差 使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体 的方法。
二、影响宝石晶体生长的因素
1、溶液的过饱和度 2、矿化剂的性质与浓度 纯水的溶解度低，需要加适当的矿化剂得到
较大的溶解度。如合成水晶加氢氧化钠，刚 玉加氢氧化钾、氢氧化钠，祖母绿加氯化钠 等，浓度要合适。浓度太小生长慢，而太大 晶体可能不完全结晶而影响晶体生长。
3、对流挡板
开孔率大小影响上、下两区的温差变化，从 而影响晶体的生长速率。
（3）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。
温差法高压釜
4、水热法宝石晶体生长所需的设备
（2）装釜阶段 （3）生长阶段 （4）开釜阶段
水热法合成水晶生长的工艺流程图
种晶
对合成不同颜色的石英要选用不同方向 的种晶片。合成紫晶时种晶通常平行于菱面 体面方向；合成黄水晶的种晶平行于底轴面。 种晶用铂金丝挂在高压釜中部。
温度
360℃左右，底部溶解区温度略高为 360-380℃，上部生长区略低，约为330350℃。