宝石改善与人工合成焰熔法

宝石改善与人工合成焰熔法
2． 合成装置与条件、过程 焰熔法合成装置由供
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 。
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• A． 供料系统 • 原料：成分因合成品的不同而变化。原料的
粉末经过充分拌匀，放入料筒。 • 料筒（筛状底）：圆筒，用来装原料，底部
有筛孔；料筒中部贯通有一根震动装置使粉末 少量、等量、周期性地自动释放。 • 震荡器：使料筒不断抖动，以便原料的粉末 能从筛孔中释放出来。
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B． 燃烧系统： 氧气管：从料筒一侧释放，与
原料粉末一同下降； 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，O2：H2===1： 3；氢氧燃烧温度为2500℃， Al2O3粉末的熔点为2050℃；
• 合成金刚石薄膜的化学气相沉淀 (CVD)法以及 合成碳化硅单晶生产技术，就属于此类。
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人工合成宝石的主要方法
焰熔法：合成红宝石、合成蓝宝石及人造钛酸锶等 水热法：合成水晶、合成祖母绿、合成红宝石等 助熔剂法：查塔姆合成祖母绿、合成蓝宝石及GGG等 熔体法：提拉法-合成红、蓝宝石、合成变石及YAG等
• 气相生长可分为单组分体系和多组分体系生 长两种。
• 单组分气相生长要求气相具备足够高的蒸气 压，利用在高温区汽化升华、在低温区凝结生长 的原理进行生长。但这种方法应用不广，所生长 的晶体大多为针状、片状的单晶体。
• 多组分气相生长一般多用于外延薄膜生长， 外延生长是一种晶体浮生在另一种晶体上。主要 用于电子仪器、磁性记忆装置和集成光学等方面 的工作元件的生产上。
导模法区域熔炼法：合成刚玉类宝石、合成变石和YAG 冷坩埚熔壳法：合成立方氧化锆(CZ)
化学沉淀法：合成欧泊、合成碳化硅、合成金刚石薄膜等 其它：利用玻璃、陶瓷、塑料工艺制作玻璃猫眼等仿制品
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焰熔法Biblioteka Baidu长宝石晶体与鉴别
宝石改善与人工合成焰熔法
本章要点
1． 焰熔法基本原理、合成装置与条件、过程及 特点
宝石改善与人工合成焰熔法
一、 焰熔法合成方法
1． 基本原理 • 焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。其原
料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴 在下落过程中冷却并在籽晶上固结逐渐生长形 成晶体。 • 目前合成宝石的主要方法之一，可生产： • 合成红、蓝宝石、合成星光红蓝宝石、合成 尖晶石、合成金红石、人造钛酸锶等
2． 合成品种 3． 焰熔法合成宝石的鉴定
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思考题
1. 试述焰熔法生长宝石的工作原理。 2. 焰熔法可以生长哪些宝石？ 3. 焰熔法生长的宝石晶体有哪些优缺点？ 4. 如何鉴别焰熔法生长的刚玉类宝石？ 5. 如何鉴别焰熔法生长的尖晶石及金红石晶体？ 6. 焰熔法生长宝石晶体的共同特征有哪些？
法和区域熔炼法。 2．从液体中生长单晶体：
原料 → 加热→ 溶解（迁移、反应）→ 过饱和→ 析出结晶 采用的溶液包括：低温溶液（如水溶液、有机溶液、凝
胶溶液等）、高温溶液（即熔盐）与热液等。 • 从溶液中生长晶体的方法主要有助熔剂法和水热法。
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• 3．从气相中生长单晶体的方法：
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B． 非完整光滑界面生长模型 此模型又称为螺旋生长理论模型，或
BCF理论模型。
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五、 人工晶体生长方法： 1．从熔体中生长单晶体： 粉末原料→加热→熔化→ 冷却 → 超过临界过冷度 →结晶
• 最早的、广泛应用合成方法。最大优点是生长速率快 • 从熔体中生长晶体的方法主要有焰熔法、提拉法、冷坩埚
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焰熔法生长宝石的优缺点
• 优点
– 无需坩埚 – 可生长高熔点（>2800°C）的宝石晶体 – 晶体生长速度较快，生长大尺寸晶体 – 设备较简单，生产率高，适于工业化生产 – 生长过程可进行观察
• 缺点
– 温度梯度大，生长晶体质量欠佳 – 不易控温，内应力大，位错密度高，须退火处理 – 对粉料纯度和粒度要求高，原料成本高 – 不能生长易于挥发和氧化的宝石材料
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3． 晶体生长的界面模型 A． 完整光滑界面生长模型
晶体生长过程应该是：先长一条行列，再长相邻的行列， 长满一层面网，然后开始长第二层面网，晶面(晶体上最外层 面网)是逐层向外平行推移的。这便是科塞尔—斯特兰斯基所 得出的晶体生长理论。
用这一理论可以很好地解释晶体的自限性，并论证晶体的 面角恒等定律。
前言
一、人造宝石材料的重要性 二、人造宝石材料的发展 三、基本概念
1． 合成宝石（A.原料：半人工材料；B.有天
然对应物；C.可以有小的差异）
2． 人造宝石（YAG：钇铝榴石，Y3Al5O12 ）
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四、晶体生长基本理论： 1．成核
成核过程实际是一个相变过程。 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。 影响成核的外因主要是过冷度和过饱和度，成核 的相变有滞后现象 。 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。
冷却套：吹管至喷嘴处有一冷 却水套，使氢气和氧气处于正常 供气状态，保证火焰以上的氧管 不被熔化
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• C． 生长系统 • 梨晶：长出的晶体形态类似梨形，故称为梨晶。梨
晶大小通常为长23cm，直径2.5-5cm。生长速度：1 厘米/小时，一般6小时完成即可完成生长。 • 旋转平台：安置籽晶棒，边旋转、边下降；落下 的熔滴与籽晶棒接触称为接晶；接晶后通过控制旋转 平台扩大晶种的生长直径，称为扩肩；然后，旋转平 台以均匀的速度边旋转边下降，使晶体得以等径生长。
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2. 晶体生长界面稳定性： 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。
A、 熔体温度梯度 B、 溶质浓度梯度 C、 生长速率梯度 为了获得稳定的生长界面，应该适当加大温度 梯度，采用较慢的生长速率，并在各个方向保持较 小的溶质浓度梯度。