宝石改善与人工合成焰熔法
珠宝鉴赏第五章 宝石的合成与优化
第五章宝石的合成与优化5.1 宝石的合成一、概述1、人工宝石、合成宝石与人造宝石人工宝石：完全或部分由人工生产或制造用作首饰及装饰品的材料。
包括合成宝石、人造宝石等。
合成宝石：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。
定名规则：必须在其所对应的天然宝石前面加“合成”二字。
如合成红宝石、合成钻石人造宝石：由人工制造且自然界无已知对应物的晶质或非晶质体。
定名规则：必须在材料名称前面加“人造”二字。
如“人造钇铝榴石”，玻璃、塑料除外。
2、合成宝石的主要方法1）从熔体中生长宝石的方法特点：熔体的成分与宝石的成分相同宝石生长的基本条件是原料在的熔点以上熔化后，在熔点以下结晶。
因此晶体生长的温度很高方法：焰熔法、区熔法、冷坩埚法、提拉法2）从溶液中生长宝石的方法特点：液体的成分与宝石的成分不同，宝石生长的基本条件是溶液达到过饱和方法：水热法、助熔剂法3）高温高压法——钻石的合成二、焰熔法（维尔纳叶法）特点：设备简单、晶体生长速度快，成本低。
由法国人维尔纳叶于1905年发明并用于红宝石的合成。
它是目前合成宝石的最常用的方法。
1、装置与晶体生长过程原料系统：料筒、原料（Al2O3+Cr)、振动器燃烧系统：氧气、氢气、火焰、耐火砖、冷却套生长系统：晶体（梨晶）、旋转杆晶体的生长过程：原料经过火焰产生的熔体落在籽晶上结晶成梨晶。
梨晶随旋转杆而下降，同时一层一层地生长。
其顶部始终保持厚度约20μm的熔融层。
晶体生长速度约1cm/h 2、常用焰熔法合成的宝石3、焰熔法合成宝石的特点1）具有弯曲生长纹2）可能含有大量的气泡而不是天然宝石中常见的气液两相的包裹体三、冷坩埚法特点：适合于熔点极高的宝石。
1、装置与晶体生长过程原料:ZrO2+稳定剂温度:2750℃2、合成的宝石：立方氧化锆3、合成宝石的特点：含少量气泡四、区熔法1、装置与晶体生长过程2、合成的宝石：红宝石、蓝宝石3、合成宝石的特点：晶体细长五、提拉法特点：设备昂贵，晶体生长速度慢，成本高1、装置与晶体生长过程2、提拉法合成的宝石：红宝石、蓝宝石、尖晶石、变石、YAG3、提拉法合成宝石的特点宝石中的内含物较少。
【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
焰熔法合成宝石
合成刚玉 合成红宝石 合成蓝宝石 合成黄色蓝宝石 合成紫色蓝宝石 合成变色蓝宝石 合成星光红宝石 合成星光蓝宝石
原料 Al2O3 ，另加致色元素如下 Cr2 O3， 1-3% Fe，Ti；0.3-0.5% Ni，Cr Cr Fe，Ti Cr2 O3，V2O5，3-4% TiO2 0.1-0.3%，Cr2 O3 1-3% FeO+TiO2：0.3-0.5%；TiO2 ： 0.1-0.3%
合成金红石加入着色剂所呈现的颜色
加入的着色剂 呈现的颜色 加入的着色剂 呈现的颜色
优点 ①氢氧焰产生的温度高，可以合成高熔点的晶体； ②生长速度快，短时间内可以得到较大尺寸的晶体； ③生产设备简单，生产量大，适合工厂规模化生产。 缺点 ①火焰温度变化梯度较大，容易影响晶体质量； ②原料纯度及粒度要求严格。
二、焰熔法生长刚玉类晶体
品种有无色、彩色、星光等品种，主要化学 成分为Al2O3，不同品种，配料添加剂不同， 工艺流程基本相同。
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。
筛孔挡板
震荡器：使料筒不断抖动，以便原料的粉末能从
筛孔中释 和 Cr2 O3，三氧 化二铝可由铝铵矾加热获得；致色剂为Cr2 O3 1-3%，
维尔那叶炉结构图
b、燃烧系统
氧气管：从料筒一侧释放，与原料粉末一同下氧降气进；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，O2：H2＝1：3； 氢氧燃烧温度为2500oC，Al2O3粉末的熔点为氢2气05进0o口C； 冷却套：吹管至喷嘴处有一冷却水套，使氢气冷却和套氧及气 处于正常供气状态，保证火焰以上的氧管不被熔化循环水
内容
一、焰熔法生长宝石工艺 二、焰熔法生长刚玉类、金红石类、
宝石人工合成方法第二部分
助熔剂法又称高温熔体法，将原料成分在高温下熔解于低熔点助熔剂熔体中，形成饱和溶液,然后通过缓慢地降温或在恒定温度下蒸发熔剂等方法，形成过饱和溶液而析出晶体。
似自然界矿物晶体从岩浆中结晶的过程。
一、助熔剂法的原理:顾名思义，一定有助熔剂.助熔剂条件：熔化后能溶解待生长的晶体材料且不易挥发。
常用助熔剂：PbF2、Pb02、Bi203、B203、BaO—Bi203等极性化合物。
另外还有一些复杂的化合物,如钨酸盐、钼酸盐等。
助熔剂法生长晶体的原理：1)A熔点为TA，B熔点为TB，E为共结点。
2)将A、B组分混合，混合比例X。
当温度为TX时，混合组分X融成溶液。
随着温度的下降，X组分至Q 点，相当于TQ时，结晶析出A。
3)温度进一步降低，熔融的成份沿共结线TA-Q-E下滑。
A在X混合溶液中的成分不断增加，溶液处于过饱和状态,不断析出A组分，并长大成晶体。
从图可知：由于A组分中加入低熔点的B组分后，A组分的熔点和结晶点由TA 下降到TQ，这样就可以在较低的温度下生长出高熔点的宝石晶体。
因为B组分起到了降低熔点的作用，故称为助熔剂。
二、助熔剂法的分类1.自发成核法（1）缓冷法：在高温使材料熔融于助溶剂中，缓慢降温冷却，使晶体从饱和熔体中自发成核并逐渐成长的方法。
(2）反应法：助熔剂和原料熔融后，助溶剂与原料反应，反应后的晶体成分在熔融体中维持一定的过饱和度，生长晶体的方法.（3）蒸发法:是在恒温下，蒸发熔剂，使熔体过饱和,从而使晶体析出并长大的方法。
①籽晶旋转法:由于助熔剂熔融后粘度较大，采用籽晶旋转，搅拌熔体，使晶体长大，且少含包裹体.(合成红宝石)②顶部籽晶旋转提拉法：这是①法和晶体提拉法的结合。
边旋转边提拉，晶体绕籽晶逐渐长大。
③底部籽晶水冷法：水冷部位形成过饱和熔体抑制了熔体其它部位成核，保证籽晶的生长.1。
对待生长晶体有极好的溶解性,随温度的变化,溶解度变化也较大。
2.在宽的温度范围内，所生长的晶体是唯一的稳定相，助熔剂与晶体成分不能形成中间产物。
红蓝宝石的人工合成方法
红蓝宝石的人工合成方法摘要：主要为了大家了解宝石合成的常用方法关键词：宝石人工合成。
人工合成宝石是相对于天然宝石而言的，是为缓解天然宝石供需矛盾而产生和发展的产物，是人工制作而非天然产出的宝石。
人工合成宝石，可简称为人工宝石，是指人们运用现代科学技术的基本原理和方法，选用适宜的原材料，通过合理的工艺、技术流程，在实验室或工厂里制造出来的用作首饰及装饰品的材料1．1 焰熔法这个方法是1902年由法国的维尔纳叶发明的，所以也称“维尔纳叶法”。
它主要用于合成熔点很高的宝石，如合成红宝石、蓝宝石、各种颜色的尖晶石、金红石、星光红宝石、星光蓝宝石及人造钛酸锶等，也是目前合成宝石的主要方法之一。
此法合成宝石的原理是利用氢气与氧气燃烧的温度可以高达2900℃的特点，在火焰的上方放宝石原料的粉末，火焰的下方放生长晶体的晶种，宝石粉末通过氢氧火焰时被熔化成熔融液掉落在下面的宝石晶种上，晶体即可不断往上生长。
为了保证晶体能够不断往上生长，宝石晶种要安放在一个可以下降的装置上，并且要使下降装置的下降速度与晶体生长速度相同。
其次，还要使生长的宝石晶体下降入一个保温良好的容器里，否则宝石晶体在空气中会因急剧冷却而产生内应力，对宝石晶体产生破坏作用，轻则形成裂纹，重则使宝石破裂。
1.1.1 优点（1）焰熔法合成红宝石时不用坩埚，可以节省制作坩埚的耐高温材料，又可以避免坩埚成分的污染；（2）晶体生长速度较快，短时间内可以得到较大尺寸的晶体；（3）生长设备比较简单，劳动生产率高，适用于工业化生产；（4）三氧化二铝晶体本身是没有颜色的，为无色蓝宝石，只要在三氧化二铝的粉末原料中加入致色剂后就能出现颜色1.1.2 缺点（1）由于氢氧火焰的温度梯度较大，造成晶体结晶层的纵向温度梯度和横向温度梯度均较大，故生长出来的红宝石晶体质量欠佳，不能用于激光等要求质量很高的高科技方面；（2）火焰气体的温度不可能控制得很稳定，由此造成的温度变化使晶体产生较大的内应力，导致晶体的位错密度较高；（3）原材料在火焰中熔化时不可能完全被熔化结晶成晶体，大约有30％的粉料损失；1.2 水热法这是模拟自然界热液成矿条件创造的一种宝石合成方法。
宝石的四种制作
宝石的四种制作
人造宝石的四种制作方法
时间：2012-09-15 来源：好乐美饰
人造宝石已经历了近百年的研究和发展。
目前，工艺日趋完善，产品十分精美，尤其是合成的宝石，已经达到了与天然宝石真假难分的境地。
为了准确地鉴别人造宝石，掌握因生产环境的局限性，而出现的与天然宝石不同的微小差别，就必须了解人造宝石的制造方法。
目前常见的人造宝石制造方法有以下4种：
（1）焰熔法：将合成宝石化学组成所需要的固态粉末原料混合在一起，在氢氧高温火焰下熔融，溶液随着温度的降低，而结晶成为合成宝石晶体。
具体方法如维纽耳氏法。
（2）熔融法：将合成宝石化学组成所需要的固态物质放在高温下熔融，溶液随着温度的降低，结晶成为合成宝石晶体。
具体方法如提拉法。
（3）水热生长法：将合成宝石化学组成所需要的固态原料，置于高温高压条件下溶解于水中，随后在较冷的部位，以晶种为核心，结晶成为合成宝石晶体，具体方法如高压釜法。
（4）助溶剂熔化生长法：将合唱宝石原料，在高压高温条件下借助熔剂熔解，随后随着温度降低，以晶种为核心，结晶成合成宝石晶体。
当今，绝大多数高贵宝石都有与其相似的人造宝石或仿制品，常见的人造宝石有：祖母绿、金刚石、红宝石、蓝宝石、变石、水晶、蛋白石、碧玺、绿松石等。
6宝石改善与人工合成 焰熔法
SG
3.63， 红色尖晶石：3.60-3.66； 仿青金岩的烧结蓝色尖晶石：3.52 蓝色者：Co谱,540, 580和 635nm处 有吸收带； 红色：红区只有一条荧光光谱线 浅黄绿色：445nm，422nm线
光谱
蓝色者：Fe谱，蓝区458nm有吸收带； 红色者：红区5条—管风琴状荧光谱线 （交叉滤色镜下观察）
荧光 及滤 色镜
正交 偏光 镜
无色者：SW下强蓝白色； 蓝色者：SW：红色或蓝白色，滤色镜 下变红 红色：红色荧光，滤色镜下变红
斑纹状消光 红色尖晶石例外
无色：惰性 蓝色：惰性，滤色镜下不变红 红色：红色荧光，滤色镜下变红
全消光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
合成尖晶石的斑纹状消光
•合成金红石的鉴定：根据密度、硬度、吸收光谱 常见颜色：浅黄色，也可有蓝、蓝绿、橙色。 光 泽：亚金刚光泽至亚金属光泽。 摩氏硬度：6～7。 密 度：4.26（+0.03，-0.03）g/cm3。 光性特征：非均质体，一轴晶，正光性。 多 色 性：很弱，浅黄，无色。 折 射 率：2.616～2.903。 双折射率：0.287。 紫外荧光：无。 吸收光谱：黄和蓝色在430nm以下全吸收。 放大检查：强重影，一般洁净，偶见有气泡。 特殊光学效应：色散强（0.330）。
焰熔法生长宝石晶体与鉴别
本章要点
1． 焰熔法基本原理、合成装置与条件、过程及 特点 2． 合成品种
3． 焰熔法合成宝石的鉴定
思考题
1. 2. 3. 4. 5. 6. 试述焰熔法生长宝石的工作原理。 焰熔法可以生长哪些宝石？ 焰熔法生长的宝石晶体有哪些优缺点？ 如何鉴别焰熔法生长的刚玉类宝石？ 如何鉴别焰熔法生长的尖晶石及金红石晶体？ 焰熔法生长宝石晶体的共同特征有哪些？
合成宝石方法之焰熔法
雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）
改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因
此，这种方法又被称为 维尔纳叶法。
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
面有合宜的温度逐层生长。
焰熔法的特点
边转动边晶出的人工宝石具有如同唱片纹
的弧线生长纹或色带，以及珠形、蝌蚪状 气泡等特征；
不用坩埚。
焰熔法的发展史
最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔
（E. Feil）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰
熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时
选种子宝石
检验
成品进库
焰熔法合成蓝宝石
焰熔法合成红宝石
焰熔法合 成的星光 石
合成星光刚玉与天然星光刚玉的区别
合成星光刚玉 天然星光刚玉 内含 大量气泡和未熔粉末； 各种晶体包体、气液包体、 物 金红石针极其微小，难 指纹状包体；金红石针较 以辨认；弯曲色带明显 粗，易识别；直角状或六 方色带 星光发自内部深处； 星带 星光浮于表面，星线直、 外观 匀、细，连续性好；中 星线中间粗，两端细，可 特征 心无宝光 以不连续；中心有宝光
定)，氧气流量100 l/hr。
其工艺参数主要包括:
①氢氧比例，也就是气氛。
②生长速率就是设定好的下降速率。
③敲击速率就是下粉的速率，速率越高，下 粉越快。
④籽晶生长中籽晶的取向。
4．人造钛酸锶
宝石改善与人工合成助熔剂法
工艺条件
原料：纯净的绿柱石粉 纯氧化物：BeO、SiO2、Al2O3及微量Cr2O3 。
助熔剂：常用氧化钒、硼砂、钼酸盐、锂钼酸盐、钨酸盐及 碳酸盐等。目前多采用锂钼酸盐和五氧化二钒混合助熔剂。
宝石改善与人工合成助熔剂法
工艺流程：
a. 用铂栅隔开坩埚，放置补充料的铂金属管。 b. 按比例投料（氧化物、助熔剂和着色剂）。 c. 原料入坩锅，加SiO2玻璃、浮于熔剂表面，其它反应物通 过导管加到坩埚底部，将坩埚置于高温炉中。 d. 升温至I400℃，恒温数小时，再缓慢降温至1000℃保温。 e. 补充料，底部2天一次，顶部2-4周一次。 f. 温度至800℃时，坩埚上下组份扩散、反应形成祖母绿分子 g. 当溶液浓度达到过饱和时，便在祖母绿晶种上生长。 h. 生长结束后，将助熔剂倒出，坩埚加热硝酸进行溶解处理 50小时，待温度缓慢降至室温后，即得到干净的祖母绿单晶。
助熔剂法生长宝石晶体与鉴别
宝石改善与人工合成助熔剂法
本章要点
掌握助熔剂法生长宝石晶体的基本原理 了解助熔剂法生长宝石晶体的各种方法及
工艺过程
鉴别助熔剂法生长的祖母绿和红宝石晶体
宝石改善与人工合成助熔剂法
复习思考题
1. 助熔剂法生长宝石晶体的概念？ 2. 助熔剂法生长宝石晶体的基本原理？ 3. 合成祖母绿和合成红宝石晶体可用哪几种助熔剂 法进行生长？ 4. 助熔剂法生长宝石晶体有何优缺点。 5. 助熔剂法生长的宝石晶体有哪些特征？ 6. 如何鉴别助熔剂法合成的祖母绿和红宝石？
自发成核法和籽晶生长法
宝石改善与人工合成助熔剂法
籽 晶 旋 转 提 拉 法
宝石改善与人工合成助熔剂法
助熔剂法生长宝石的关键因素
——助熔剂的选择
助熔剂性质：1．溶解能力强；
第四节 宝石的合成与优化
二、优化处理方法—表面扩散处理 1、方法与目的 表面扩散处理是在较高的温度下,让着色的离子从宝石 的表面扩散到宝石的晶格中从而使宝石产生颜色 。 表面扩散目前常用于蓝宝石和红宝石。
实例：蓝宝石的扩散处理
扩散元素：Fe+Ti 扩散条件： 温度 1800℃； 时间 24h 扩散层厚度： 0.1-0.25mm
二、优化处理方法—幅照处理
1、方法与目的 用高能射线或粒子束对宝石进行照射，使宝石晶体产 生缺陷，造成着色中心，而使宝石产生颜色。 常用的幅照源有γ射线、中子束、高能电子束。 幅照处理是一种常用的优化处理方法。 它可使无色的钻石变成蓝色、绿色、黄色和红色。它 还可将无色的蓝宝石变成黄色，无色的黄玉变成蓝 色，黄色水晶变成紫色。
晶体的生长过程 1. 经过由氢气和氧气燃烧产 生的火焰发生熔融作用， 产生的熔体并落在旋转杆 顶端的籽晶上冷却结晶。 2. 随旋转杆下降，晶体一层 一层地生长，不断长大， 形成梨晶。 3. 梨晶在生长过程中，其顶 部始终保持厚度约20μm 的熔融层。
梨晶的生长过程
2、焰熔法合成宝石的特点 1）具有弯曲生长纹。 2）可能含有大量的气泡而不是天然宝石中常见的气 液两相的包裹体。 3）晶体生长速度快，生产成本低。 3、常用焰熔法合成的宝石
生长过程： 1、将所需的原料放入坩 埚内，并用高频线圈加热 至原料熔化。 2、将熔体表面的温度控 制在晶体熔点，让晶种接 触熔体表面。 3、在拉杆的作用下缓慢 旋转提拉。在晶种的端部 发生结晶作用，形成圆棒 状的晶体。
4、提拉法合成的宝石 目前，合成宝石中大多数氧化物类的晶体，如红 宝石、蓝宝石、尖晶石、变石、YAG、GGG等都可 用提拉法生长。 但由于该方法的成本高，实际中用于合成宝石的 并不多，更多地用于人工光晶体等的生长。 提拉法合成宝石的特点：晶体质量好，宝石中的 内含物较少，有时含有少量的气泡及弯曲生长纹。
人工合成宝石方法
人工合成宝石方法1、焰熔法使原料粉末在氢氧焰中，边投入边熔融而结晶生成宝石晶体的方法。
由于此法是法国的维尔纳叶在1902年发明的，所以又称“维尔纳叶法”。
这是目前合成宝石的主要方法之一。
现今的合成红宝石、蓝宝石、彩色尖晶石、金红石、星光红蓝宝石及人造钛酸锶等宝石大多用此法制得。
2、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物结晶的过程。
用此法合成的宝石有水晶、祖母绿、红宝石、海蓝宝石等。
3、助熔剂法这是在常压高温下，借助助熔剂的作用在较低温度下加速原料的熔融，从熔融体中生长出宝石晶体的方法。
此法在一定程度上模拟了自然界的岩浆分异结晶成矿过程。
通常所说的“卡善（KASHAN）”合成红宝石、“查截姆（CHATHAM）”合成祖母绿以及人造钇铝榴石（YAG）、人造钆镓榴石（GGG）、合成蓝宝石、合成金绿宝石、合成尖晶石等均可用此方法制成。
4、熔体法直接熔化宝石原料，然后逐渐降低温度，从而生长出宝石晶体的方法。
根据实际工艺过程的不同又可进一步分为以下两种方法：（1）提拉法：也称丘克拉斯法，适用于红宝石、蓝宝石、星光红宝石、星光蓝宝石、变石、钇铝榴石、钆镓榴石等宝石晶体的生长。
（2）导模法：也称斯切帕诺夫法，是提拉法的变种。
用于生长合成红宝石、金绿猫眼等。
5、区域熔炼法（也称浮区法）将原料逐区熔融并重结晶而生长出宝石晶体的方法。
用此法可生长出合成刚玉类宝石、合成变石和人造钇铝榴石晶体等。
6、冷坩埚熔壳法简称熔壳法，主要用于生产合成立方氧化锆（CZ）晶体。
其原理与熔体法相近，但具体方法及工艺过程较复杂。
7、高温超高压法是在高温超高压条件下，模拟变质成矿过程合成宝石的方法。
常用于合成金刚石、翡翠等。
8、化学沉淀法是一种经化学反应和沉淀，进而加热加压合成非单晶质宝石的方法，如合成欧泊、合成绿松石等。
另外，用于生产合成金刚石薄膜的化学气相沉淀（CVD）法以及最新资料报道的合成碳化硅单晶生产技术，也暂且归属于此类。
焰熔法合成宝石技术（二）
中国宝玉石177期页2023年4月Apr. 2023CHINA GEMS & JADES焰熔法合成宝石技术（二）摘要：本文通过沈才卿组织的三次参观焰熔法合成宝石工厂的实际设备，以及与厂长孙广年先生座谈及参观答疑等，拍摄了大量焰熔法合成宝石车间的实物：包括氢气和氧气管道通入车间的方法，控制氢气和氧气量的方法，料斗的样机及敲击料斗下料的方法，籽晶插入的方法，晶体的退火方法，轴向劈开的晶体，非正常生长的晶体等等。
还有合成四方形的尖晶石晶体，红宝石和蓝宝石晶体，星光红宝石和星光蓝宝石晶体，金红石晶体，钛酸锶晶体等等。
介绍了这些晶体的合成方法，工艺要求及优缺点等，还介绍了50年前我国用焰熔法合成一米长激光红宝石长杆晶的生长工艺等。
68-76沈才卿1，陆太进2，沈湄3，刘结文41. 核工业北京地质研究院2. 国家珠宝玉石首饰检验集团有限公司①3. 台湾宝石学协会荣誉理事长②4. 原中恒誉资产评估公司第一作者介绍: 沈才卿，1942年出生于江苏无锡，1965年毕业于中国科学技术大学，核工业北京地质研究院高级工程师，中宝协人工宝石专业委员会常务副主任委员兼秘书长。
从事成矿模拟实验基础理论研究，宝玉石的人工合成与优化处理教育与研究。
①注: 陆太进原单位中宝协珠宝研究所于2022年3月23日改制挂牌，原来是自然资源部所属事业单位改制为自然资源部所属全资国企单位，单位名称改为“国家珠宝玉石首饰检验集团有限公司”。
②注: 沈湄在2022年6月台湾宝石学协会的改选中被推选为荣誉理事长。
台湾宝石学协会成立于2015年，沈湄于2016年至2022年连续当了二届理事长，不能再连任了。
由于贡献良好经大会同意，推选为终身的荣誉理事长。
目前在2011年沈湄自己创办的台湾宝石学院暨鉴定所工作。
焰熔法合成刚玉类宝石包括合成无色蓝宝石、各种彩色蓝宝石、不同红色的红宝石及合成星光红宝石和星光蓝宝石等宝石晶体，其工作原理及工艺过程同前所述。
宝石改善与人工合成习题
宝石改善与人工合成习题名词解释：合成宝石、人造宝石、拼合宝石、再造宝石、仿宝石、优化处理、优化、处理、籽晶、助熔剂、CVD、KM、HTHP一、填空题1、是助熔剂法合成宝石的鉴定特征，是焰熔法合成宝石的鉴定特征。
2、颜色集中于棱线上呈“蛛网”状分布，说明该宝石经过处理。
3、焰熔法合成红宝石一般有较强的紫外荧光。
4、助熔剂法合成红宝石内部最主要的包裹体是。
5、水热法合成红宝石普遍具有明显的内部生长纹，常呈状和状。
6、合成星光红宝石的特点有、和等。
7、刚玉类宝石优化处理的方法有、、和等。
8、焰熔法合成的蓝宝石在紫外灯下常具有荧光。
9、斯里兰卡一种名为Geuda的乳白色蓝宝石经热处理后，可改变颜色成色。
10、水热法合成祖母绿中常见的包裹体是：、、和。
11、助熔剂法合成祖母绿中常见的包裹体有：、、、等。
12、祖母绿注油是为了和，注油祖母绿可用检查，其表现特点是。
13、合成尖晶石在正交偏光下常表现为，宝石学中称为。
14、染色水晶有明显的，颜色全部集中在其中。
15、若确定绿色翡翠是否为染色，应借助放大观察颜色分布是否为，并结合和观察来确定。
16、欧泊的二层拼合石通常是由和或拼合，而欧泊的三层拼合石通常是由、和拼合。
17、天然欧泊的色斑呈，其特点为，沿一定方向排列呈纤维状，糖处理欧泊的色斑呈，合成欧泊的色斑则呈，其特点为具三维形态，界限分明呈锯齿状，为结构。
18、欧泊常用的优化处理方法是：、和。
19、染色青金石的主要鉴别方法是观察和试验。
20、绿松石的优化处理方法有：、、和。
21、青金石的优化处理方法有：、和。
22、将珍珠放在中浸泡是一种改色的方法，其另一种改色方法为法。
23、不透明的玻璃被用于仿、和等玉石，或仿、和等有机宝石。
24、脱玻化玻璃内部有特殊结构，可仿。
25、最常见的仿珍珠是在珠上涂涂层制成。
26、塑料仿琥珀与琥珀的区别是：在1.13g/cm3的饱和盐水中塑料仿琥珀，而琥珀则。
27、玻璃球和水晶球的最简易区分方法是。
【宝石学】宝石的合成方法
提拉、转动机：一组精密机械装置。
提拉法生产晶体设备
钇铝榴石YAG
3、优缺点
优点： ⑴在生长过程中可以方便地观察晶体的生长状况； (2)晶体生长的完整性好，生长时间短，尺寸大，
应力小； (3)定向杆晶和“缩颈”工艺，保证了晶体位错密
度明显降低，提高了晶体的光学均匀性。
缺点：对于那些化学活性较强或熔点极高的材料， 很难找到不污染熔体的坩埚，这就限制了提拉法使 用的范围。
三、冷坩埚法生长CZ
CZ以其高硬度、高折射率、高色散、“火彩”好、耐酸碱的 特点，备受人们喜爱，畅销世界，成为目前产量最大的人工宝 石。冷坩埚法也因此而名声大噪。
冷坩埚法的晶体生长装置采用“引燃”技 术，将金属的锆片放在“坩埚”内的氧化锆材 料中，高频电磁场加热时，金属锆片升温熔融 为一个高温小熔池，形成大于1200℃的高温区， 氧化锆在1200℃以上时便有良好的导电性能， 在高频电磁场下导电和熔融，并不断扩大熔融 区，直至氧化锆粉料除熔壳外全部熔融。
3.生产过程
焰熔法合成晶体生产过程中
燃烧温度 2050-2150℃
生产过程结束
3、焰熔法生长晶体的优缺点 优点：
(1)采用无坩埚生长晶体，既节省坩埚材料又避免 了坩埚对晶体的污染。
(2)燃烧温度可达2500℃以上，对难熔氧化物晶体 生长十分有利。
(3)成本低、生长速度快，利于大规模生产。 (4)生产设备装置较简单，可生长出大尺寸的晶体。 例如，刚玉梨晶可达直径10～30mm，长500～1000mm 。 缺点：
二、晶体提拉法
提拉法又称丘克拉斯基法，是J.Czochralski在 1917年发明的。
大多数氧化物类晶体如蓝宝石、红宝石、钇铝榴 石（YAG，Y3Al5O12）、钆镓榴石（GGG， Gd3Ga5O12）、变石、尖晶石等都能用提拉法生长晶 体。
焰熔法合成宝石
焰熔法合成宝石利用氢氧火焰产生的高温，将用于合成宝石的原料粉末在频振料筒内下落过程中加热熔化，熔融的熔体，落在支架上的晶杆顶端的籽晶上，随着散热作用缓慢下降而冷凝结晶成梨状晶体（图2-1）。
该法生长晶体过程是模拟岩浆成矿作用中的液相（熔体）转变成晶相方式实现的。
1、工艺流程焰熔法生长宝石晶体的过程，主要有原料的提纯，粉料的制备，晶体生长和退火处理四个步骤。
（1）原料提纯要求原料是来源丰富，价格低廉，提纯方法简便有效。
（2）粉料的制备要求粉料纯度高，化学反应完全，体积容量小，晶体构型要有利于晶体生长。
（3）晶体生长晶体生长的过程可分接籽晶，扩大放肩，等径生长三个阶段。
在整个晶体生长过程中，要求供料系统给料均匀，保证粉料全部熔化成微小液珠；要求气体燃烧器温度达2900℃，并构成三层火焰的形状和温度的有序变化；要求结晶炉给生长的晶体创造良好保温条件，并便于气体流动和不积粉；要求下降机构保证起始位置能使晶体顶部温度高于晶体熔点而低于晶体沸点，并保证有2-3mm厚的熔融层。
（4）退火处理把合成晶体装入高温炉后缓慢升温至预定温度，然后进行长时间的恒温与缓慢退火，以释放合成宝石晶体热应力，防止晶体因受热而开裂。
2．生产设备（1）给料系统要求粉料下落流畅、均匀，经过燃烧器时能熔化成微小液珠。
（2）氢氧燃烧器要求气体结构良好，供气氢氧比例适当，火焰呈三层状，温度稳定在2900℃，应能尽量减少粉料缺失。
（3）结晶炉要求炉体保温稳定，炉膛呈流线型，不积粉，不使气体产生涡流，温度梯度小。
（4）下降机构应适应晶体生长温度，保证晶体的固液界面稳定，下降匀速平稳，与结晶速度相同。
并保证籽晶顶部有2-3mm熔融层。
3．具体实例：焰熔法合成刚玉类宝石（1）原料的选择目前，国内外焰熔法合成刚玉类宝石都采用硫酸铝铵（又名铝铵矾）作为制备γ-AI2O3粉料的首选原料，其优点如下：a．铝铵矾原料丰富，价格低廉，提纯方法简单有效；b．铝铵矾焙烧产物松散流动性好；c．铝铵矾溶解度大，可采用简单的结晶法进行提纯，而且在重结晶过程中，它的排杂效果很好，只需3~4次重结晶，铝铵矾的纯度就能达到99.9%~99.99%。
宝石改善与人工合成
天然宝石的人工改善（Nature gemstone enhancement）指人们运用某种技术方法和工艺处理来改变宝石的颜色，提高宝石的净度、物理和化学稳定性，使天然宝石的外观得到改善，从而提高宝石美学价值和商品价值的过程。
优化处理：指除切磨和抛光以外，用于改善珠宝玉石的外观(颜色、净度或特殊现象)、耐久性或可用性的所有方法。
光的颜色变化表达方法——牛顿光谱、CIE颜色系统颜色三要素：色相、饱和度（色度）、明度（亮度）近代科学颜色理论：晶体场理论、分子轨道理论、能带理论、结构缺陷理论优化：传统的、被人们广泛接受的、使珠宝玉石潜在的美显示出来的优化处理方法。
如热处理红宝石、浸无色油祖母绿、玉髓玛瑙的染色处理等处理：非传统的、尚不被人们接受的优化处理方法。
如染色处理翡翠、辐照处理钻石、表面扩散处理蓝宝石等。
热处理：将宝石放置在可控气氛和温度的加热设备中，添加不同的化合物和涂填物、选择不同的温度范围、气氛条件、加热速率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广泛接受的常见优化方法。
热处理技术的原理分为八类：1. 使宝石中致色元素改变而产生颜色的变化，如珍珠、象牙、珊瑚、琥珀等2.使宝石原有的色心被破坏而引起颜色的变化3.使宝石中的杂质扩散或改变存在状态而改变颜色4.使一些含水的宝石发生脱水作用而引起颜色的变化5.使某些宝石发生结晶构型的变化6.使某些宝石发生重组、再生和净化而达到优化的目的7.消除宝石中的包裹体，提高宝石的透明度和净度8.温度骤变可能引起珠宝玉石内部产生裂纹热处理刚玉的鉴别特征：1.颜色不均匀，原色带的颜色、清晰度也会发生不同程度的变化。
2.固态包裹体有不同程度变化3.流体包裹侵入新胀裂的裂隙中4.表面特征：表面产生一些凸凹不平的麻坑。
二次抛光出现双角棱、多面角棱。
5.吸收光谱和荧光特征：黄色和蓝色蓝宝石在台式分光镜下观察，缺失450nm吸收带，某些热处理的蓝色蓝宝石在短波紫外光下显示弱的淡绿色或淡蓝色荧光。
蓝宝石常见优化处理和合成方式
蓝宝石常见优化处理和合成方式关于宝石，借用农夫山泉的一句广告语来说，我们不生产宝石，我们只是大自然的搬运工。
市场总是会存在良莠不齐的情况，所以很多时候，人们总是需要一颗识货的眼睛或是懂货的心。
蓝宝石和红宝石同为刚玉家族中的一员，其合成方式与上文中提到的红宝石的合成方式基本上没有什么明显的区别。
天然无烧矢车菊蓝宝石1、焰熔法合成蓝宝石与天然蓝宝石的区别焰熔法合成蓝宝石可有多种颜色，当化学组成为纯 A12O3 时，合成样品为无色，当掺人少量 Pe 和 Ti 时样品呈蓝色，当掺人少量 Co 和 Ni 时样品呈绿色，单纯的 Ni 可使样品呈黄色，当样品掺人少量 V 时可产生具变色效应的蓝宝石，焰熔法合成蓝宝石与天然蓝宝石在颜色上无明显差异。
二者在鉴定方面可以从生长纹、气泡包体、发光性、吸收光谱几个方面来鉴别。
焰熔法合成蓝宝石2、助熔剂法合成蓝宝石系统宝石学里面关于助熔剂法合成蓝宝石是这样描述的：助熔剂法合成蓝宝石内的助熔剂残余、颜色色带、铂金属片等特点与其相应的助熔剂法合成红宝石相同，不同点在于：1)荧光在紫外灯下助熔剂残余可有粉红色、黄绿色、棕绿色等多种荧光，而且荧光较强，而天然蓝宝石多表现为荧光惰性；2)吸收光谱与天然蓝宝石相比，助熔剂合成蓝宝石有可能缺失460nm、470nm的吸收线。
合成蓝宝石戒指3、水热法合成蓝宝石水热法合成技术是一种更接近天然宝石在热液环境中生长的技术，因此合成蓝宝石与天然蓝宝宝石极为相近，但是由于成本比较高，所以很少作为商品来流通。
在鉴定方面，一般也是从颜色、发光性、晶体、包体、生长纹几个方面来鉴别。
合成蓝宝石耳钉4、蓝宝石的优化及特殊处理蓝宝石在优化处理方面和红宝石还是很相似的，目前国际上接受或者说认可的处理方式仅限于单纯的传统加热处理。
其他染色、浸有色油、填充、扩散等方式都是目前国际上不接受的处理方式，有些处理方式甚至有可能给人的身体带来一定损害。
贵重宝石都是纯天然的，如果遇到一颗特别漂亮，完美无瑕的时候，就要多花点心思了！填充一般是为了遮盖天然宝石的瑕疵，将石蜡、有色油或合成树脂等折射率与刚玉相近的物质注入裂隙、裂纹明显的宝石中，消除因裂隙造成的光线折射不均匀等的现象，提高宝石的净度。
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41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
宝石改善与人工合成助熔剂法
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
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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。
2． 合成品种 3． 焰熔法合成宝石的鉴定
宝石改善与人工合成焰熔法
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？
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
宝石改善与人工合成焰熔法
• 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。
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 ）
宝石改善与人工合成焰熔法
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。
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
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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
• 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。
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
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
宝石改善与人工合成焰熔法
焰熔法生长宝石晶体与鉴别
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
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 。
宝石改善与人工合成焰熔法
• 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
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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。
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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宝石改善与人工合成焰熔法
五、 人工晶体生长方法： 1．从熔体中生长单晶体：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