提拉法合成宝石及其鉴定方法
提拉旋转系统在蓝宝石晶体生长过程中的应用
提拉旋转系统在蓝宝石晶体生长过程中的应用蓝宝石（Sapphire）是一种氧化铝（α-Al2O3）的单晶，自身的耐高法性能使其被广应用于军事、卫星、激光窗口等领域。
其结构独特、性能优异、热学性能好，也被应用在发光二极管的衬底材料。
近年来，随着现代科学技术的不断发展，对蓝宝石晶体材料的尺寸、质量不断的提出新的要求。
蓝宝石有很多的合成方法，主要有热交换法、泡生法、坩埚下降法及提拉法。
最具代表性的方法就是提拉法。
所以在提拉法中对蓝宝石晶体生长距离检测的要求很高。
需要精度很高的提拉旋转系统来生长出质量优良的蓝宝石晶体。
标签：提拉法；提拉控制器；蓝宝石提拉旋转系统主要由控制系统、伺服放大器、伺服电机、减速器等组成，伺服放大器通过脉冲信号控制，它连接伺服电机及减速器后带动传动装置。
提拉控制器通过RS485通信方式接收上位机给定的提拉距离，根据伺服放大器、减速器及传动装置的轴距，通过单片机计算出单位时间内对应的距离，及通过驱动电路发出相应频率的脉冲信号给伺服放大器，伺服放大器驱动电机，然后经减速器到传动轴，来达到精密的提拉控制。
1 提拉法提拉法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理，将蓝宝石晶体的原料加热到熔点，使能形成液体，在固液界面处，经一个单晶的籽晶来接触液体表面，藉由熔体温度下降，将产生由液态转换成固态的相变化。
液体会慢慢凝固于籽晶上面，形成结构相同的晶体。
然后通过极其缓慢的速度向上提拉单晶籽晶，同时加以一定的速度的旋转，随之缓慢的提拉后，液态逐渐变成固态，最终生长成为蓝宝石晶体。
提拉法的优点在于其生长的周期短、速度快；生长过程中方便观察；温度梯度控制方便；可通过改变转速调节液流；晶体质量高。
根据技术要求，选择使用合适的单晶生长设备；其次是要掌握一整套单晶硅的制备工艺、技术，包括：（1）单晶硅系统内的热场设计，确保晶体生长有合理稳定的温度梯度；（2）单晶硅生长系统内的氢气气体系统设计；（3）单晶硅夹持技术系统的设计；（4）为了提高生产效率的连续加料系统的设计；（5）单晶硅制备工艺的过程控制。
合成宝石分类、特征与鉴定方法
合成宝石分类、特
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征和鉴定方法
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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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宝石的合成及优化
实例1：蓝宝石的改色
蓝宝石中二价铁单独存在时，它也不呈颜色，而当它 以三价铁存在时，则呈现黄色。因此，对只存在二价铁的无 色蓝宝石，通过在氧化条件下对其进行高温热处理，可变为 黄色。
Fe+2 → Fe+3 黄色（氧化）
氧化气氛中热处理后呈黄色 实例２：红宝石消除丝光，增加透明度
不溶或难溶的物质溶解，或反应生成含有宝石分子的溶液，
通过控制高压釜内溶液的温差产生对流 ，使溶液过饱和而析
出溶质生长晶体的方法。这种方法与天然宝石在热液成矿过
程中形成的方式非常相似。
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。
当高压釜内加入原料、溶液和籽晶并密封后，用加热 器进行加温，在釜内产生温度和压力。高压釜下部由于温度 较高，原料中的SiO2逐渐向溶液中溶解。而高压釜上部的温 度较低，溶液处于过饱和状态。SiO2便析出，在籽晶上逐步 生长成晶体。经过一个周期的生长后，便可打开高压釜，取 出晶体。
水热法的生长条件最接近于自然界宝石生长的条件。因此， 用水热法合成的宝石不易与相应的天然宝石相区别。水水热法合成宝 石中可能含有的包裹体有：
表面处理的结果较易识别。用放大镜仔细观察就不 难发现各种处理的痕迹。箔衬和色衬通过观察亭部的涂层便 可识别。表面涂层容易脱落。
表面镀膜的托帕石
（二）优化处理方法—表面扩散处理
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。由于着色 离子在晶体中的扩散是很困难的，因此，扩散层只局限于宝 石表面。
合成宝石的主要方法（模拟晶体生长）
第三章 提拉法合成宝石及其鉴定方法
第三章提拉法及其合成宝石的鉴定要点:∙晶体提拉法的原理方法∙提拉法合成宝石的鉴定提拉法又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年发明的从熔体中提拉生长高质量单晶的方法。
这种方法能够生长无色蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等重要的宝石晶体。
2O世纪60年代，提拉法进一步发展为一种更为先进的定型晶体生长方法——熔体导模法。
它是控制晶体形状的提拉法，即直接从熔体中拉制出具有各种截面形状晶体的生长技术。
它不仅免除了工业生产中对人造晶体所带来的繁重的机械加工，还有效的节约了原料，降低了生产成本。
第一节提拉法一、提拉法的基本原理提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。
图 3-1 提拉法合成装置(点击可进入多媒体演示)二、提拉法的生长工艺首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态；然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，在不断提拉和旋转过程中，生长出圆柱状晶体。
1.晶体提拉法的装置晶体提拉法的装置由五部分组成：（1）加热系统加热系统由加热、保温、控温三部分构成。
最常用的加热装置分为电阻加热和高频线圈加热两大类。
采用电阻加热，方法简单，容易控制。
保温装置通常采用金属材料以及耐高温材料等做成的热屏蔽罩和保温隔热层，如用电阻炉生长钇铝榴石、刚玉时就采用该保温装置。
控温装置主要由传感器、控制器等精密仪器进行操作和控制。
（2）坩埚和籽晶夹作坩埚的材料要求化学性质稳定、纯度高，高温下机械强度高，熔点要高于原料的熔点200℃左右。
常用的坩埚材料为铂、铱、钼、石墨、二氧化硅或其它高熔点氧化物。
其中铂、铱和钼主要用于生长氧化物类晶体。
提拉法
作坩埚的材料要求化学性质稳定、纯度高，高温下机械强度高，熔点要高于原料的熔点200℃左右。常用的坩埚材料为铂、铱、钼、石墨、二氧化硅或其它高熔点氧化物。其中铂、铱和钼主要用于生长氧化物类晶体。
籽晶用籽晶夹来装夹。籽晶要求选用无位错或位错密度低的相应宝石单晶。
（3）传动系统
生长பைடு நூலகம்点
（1）温度控制在晶体提拉法生长过程中，熔体的温度控制是关键。要求熔体中温度的分布在固液界面处保持熔点温度，保证籽晶周围的熔体有一定的过冷度，熔体的其余部分保持过热。这样，才可保证熔体中不产生其它晶核，在界面上原子或分子按籽晶的结构排列成单晶。为了保持一定的过冷度，生长界面必须不断地向远离凝固点等温面的低温方向移动，晶体才能不断长大。另外，熔体的温度通常远远高于室温，为使熔体保持其适当的温度，还必须由加热器不断供应热量。
为了获得稳定的旋转和升降，传动系统由籽晶杆、坩埚轴和升降系统组成。
（4）气氛控制系统
不同晶体常需要在各种不同的气氛里进行生长。如钇铝榴石和刚玉晶体需要在氩气气氛中进行生长。该系统由真空装置和充气装置组成。
（5）后加热器
后热器可用高熔点氧化物如氧化铝、 陶瓷或多层金属反射器如钼片、铂片等制成。通常放在坩埚的上部，生长的晶体逐渐进入后热器，生长完毕后就在后热器中冷却至室温。后热器的主要作用是调节晶体和熔体之间的温度梯度，控制晶体的直径，避免组分过冷现象引起晶体破裂。
（2）提拉速率提拉的速率决定晶体生长速度和质量。适当的转速，可对熔体产生良好的搅拌，达到减少径向温度梯度，阻止组分过冷的目的。一般提拉速率为每小时6-15mm。在晶体提拉法生长过程中，常采用“缩颈”技术以减少晶体的位错，即在保证籽晶和熔体充分沾润后，旋转并提拉籽晶，这时界面上原子或分子开始按籽晶的结构排列，然后暂停提拉，当籽晶直径扩大至一定宽度（扩肩）后，再旋转提拉出等径生长的棒状晶体。这种扩肩前的旋转提拉使籽晶直径缩小，故称为“缩颈”技术。
【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
冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石位错分析
冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石位错分析1、简介蓝宝石（Al2O3）是一种很重要的单晶，因其出众的物理和化学特性，有很广泛的应用。
大尺寸、高质量蓝宝石在军事窗口材料领域占有优势。
然而，众所周知，位错是蓝宝石中非常重要且很常见的一种缺陷，会对蓝宝石的生长，特性和塑性形变产生重要的影响。
迄今为止，只有少数几种方法如热交换法（HEM），温度梯度法（TGT）等能够生产出大尺寸的蓝宝石。
然而，这些方法都因其生长方式而具有固有的位错特性，在本文中，我们基于直拉法和泡生法，发明出一种新的长晶方法：冷心放肩微量提拉法（SAPMAC），并通过化学蚀刻，电子显微镜扫描和伯格- 巴雷特X射线形貌探测等方法来研究蓝宝石的位错。
2、实验2.1 SAPMAC法生长蓝宝石单晶SAPMAC法是基于直拉法和泡生法而发明的一种生长大尺寸蓝宝石单晶的方法，通过使用一种Ikal-200改进型单晶生长炉，其中包含钼制坩锅，钨发热体和钼制隔热屏等。
钨发热体设计成鸟笼状，顶端焊接在具有水冷的铜电极上，通过调整发热体的电阻和水冷系统来建立合适的温度梯度。
在长晶开始前，需要先把钼坩埚空烧至1800°数个小时，用以排除坩埚表面杂质，从而减少污染。
把准备好的氧化铝颗粒块（纯度至少99.995％）装入坩埚中，把具有一定晶相的籽晶通过籽晶夹安装在热交换器底部。
把炉内抽真空至小于1.0×10-4Pa。
加热至熔化氧化铝原料并保持恒温数个小时。
缓慢降低溶液温度，旋转并下降籽晶至其几何中心接触溶液的冷心位置，进行引晶。
引晶结束后，通过微量提拉籽晶和降温来完成晶体生长过程中的扩肩、等径、退火等过程。
一些技术参数参见Table1。
2.2 样品制备蓝宝石单晶通过SAPMAC法生长，从晶锭不同的方位垂直的截取（0001）晶相的蓝宝石样品（10mm×10mm×2mm），所有的样品表面都经机械化学抛光（CMP）处理过。
2.3化学蚀刻和位错坑观察在熔化的KOH（320°）中进行化学蚀刻，蚀刻坑的数量通过光学显微镜来计算，位错坑通过SEM（S-3400N, Hitachi)来计算。
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。
晶体提拉法
• 采用电阻加热，方法简单，容易控制。保 温装置通常采用金属材料以及耐高温材料 等做成的热屏蔽罩和保温隔热层，如用电 阻炉生长钇铝榴石、刚玉时就采用该保温 装置。
• 控温装置主要由传感器、控制器等精密仪 器进行操作和控制。
2.后热器 3.坩锅
传动系统
气氛控制 系统
传动系统
为了获得稳定的旋转和升降，传动系 统由籽晶杆、坩埚轴和升降系统组成。
2. 提拉法含有气体包体，且气泡分布不均 匀。提拉法常可见拉长的或哑铃状气泡。
• 3. 提拉法合成的宝石是在耐高温的铱、 钨或钼金属坩埚中熔化原料的，可能含 有金属包体。
• 4. 提拉法生长的宝石晶体原料在高温下 加热熔化，偶尔可见未熔化的原料粉末。
• 5. 提拉法生长的宝石晶体时，由于采用 籽晶生长，生长成的晶体会带有籽晶的 痕迹。并且可能产生明显的界面位错。
极限生长速率fmax ：
对于纯材料：
fmax
Ks
l
( T z
)s
(Ks为晶体的导热率)
对于掺质的材料
f max
D[ke
(1 ke ) exp( mcl (B) ((1 ke
f
D )
c)]
(
T z
)l
4 晶体提拉法生长宝石实例
－蓝宝石提拉晶体的放肩控制 蓝宝石单晶的应用非常广泛。以蓝宝石 单晶片作绝缘村底的集成芯片，航天工业作 红外透光材料用得最多；工业中作宝石轴承、 仪表等；人们生活中作宝石表面、装饰等。 提拉法生长的蓝宝石单晶适用于红外、半导 体发光及集成电路的大量需要。
3 晶体提拉法生长工艺
A 生长过程。 B 直径自动控制。（ADC技术） C 材料挥发的控制。 D 温场的选择与控制。 E 生长速率的控制。
晶体提拉法
晶体提拉法
1 晶体提拉法的简介 2 晶体提拉法生长设备介绍 3 晶体提拉法生长工艺介绍 4 晶体提拉法生长蓝宝石实例
－蓝宝石提拉晶体界面翻转的控制 5 晶体提拉法生长晶体缺陷的形成与控制 6 晶体提拉法生长宝石晶体的鉴别
晶 体 提 拉 法 生 长 仿 祖 母 绿 合 成 品
晶体提拉法生长红宝石的合成品
晶体提拉法生长无色蓝宝石
晶 体 提 拉 法 生 长 宝 石 的 设 备 实 物 图
1. 晶体提拉法的简介
a 物质条件
包括生长设备的稳定性，有害杂质的影响， 籽晶。
生长设备的稳定性：生长界面的稳定性控制、 生长温度的稳定性控制、中心对称性控制。 有害杂质：指的是不纯杂质和配比引起的杂质 籽晶：选用优质籽晶和采用缩颈工艺
b 热力学因素
• 1、应力：晶体中的应力一般由三种情况产生， 热应力，化学应力和结构应力，当应变超过了 晶体材料本身塑性形变的屈服极限时，晶体将 发生开裂，一般沿着解理面开裂。
• 主要优点如下：
• (1) 可方便地观察晶体的生长状况，有利于及时 掌 握生长情况，控制生长条件。
• (2) 生长晶体不与坩埚接触，没有坩埚壁的寄生 成核
• (3) 可以方便地使用定向籽晶和“缩颈”工艺．
•
总之，晶体提拉法生长的晶体，其完整性很
高，而生长率和晶体尺寸也是令人满意．例如，
提拉法生长的红宝石与焰熔法生长的红宝石相比，
• 控温装置主要由传感器、控制器等精密仪 器进行操作和控制。
合成宝石毕业论文
百度文库- 让每个人平等地提升自我2013—2014学年第二学期《合成宝石》课程期末大作业（论文）班级：11工商（珠宝鉴定）本学号:姓名：李晶任课教师：张晓晖分数：____________________评语：____________________________________________________________________________________________________________________________教师签名：_______________ 批阅日期：__________我看合成红宝石工艺及鉴别摘要：合成红宝石的方法多种多样，常见的有助溶剂法、水热法和提拉法，但在生产中广泛采用的是焰熔法。
关键词：合成红宝石助溶剂生长法水热法焰熔法提拉法前言合成红宝石(Synthetic ruby)通常呈现鲜亮的红色，与天然红宝石区别甚小，物理性质也相同。
除像天然红宝石一样被加工成椭圆形、圆形或梨形的混合刻面琢型以及腰圆型外，有时还被加工成—些特殊琢型，如上部为中凸的弧形面，而下部为刻面的长方形或椭圆形混合琢型;或者上部为中凸的弧形面和刻面，而下部为刻面的长方形混合琢型。
这些特殊琢型是合成红宝石特有的，其粒重多在5～15克拉。
也有用合成红宝石加工珠形项链和手镯的。
合成红宝石是按工业规模生产的第一种合成宝石。
一、合成红宝石的技术与方法（一）助溶剂生长法合成红宝石助溶剂生长法合成红宝石晶体[1]是在自发成核缓冷法合成无色蓝宝石晶体的基础上发展而来。
无色合成蓝宝石晶体的助溶剂生长法首次由德国人实现于1837年，方法较简单，是用PbF₂-PbO作助溶剂，Al₂O₃作原料，将其混合后放入铂金坩埚中，加热至1350℃，经数小时后，使Al₂O₃完全熔融，之后按照1℃/h的冷却速度冷却至900-1000℃，倒出残余助溶剂熔融液，冷却至室温后，用硝酸溶液溶去助溶剂，由此得到无色蓝宝石晶体位错密度较低。
宝石合成方法及原理汇总
宝石合成原理与方法（汇总）第一章绪论要点人造宝石材料的重要性人造宝石材料的发展基本概念晶体生长基本理论一、人造宝石材料的重要性随着科学技术的发展，人民生活水平不断提高，人类对宝石的需求也逐渐增加。
然而天然宝石材料的资源毕竟是有限的，而人工宝石材料能够大批量生产，且价格低廉，故人工宝石材料在市场上占有较大的份额。
随着科学技术的发展，人工宝石材料的品种日益繁多,合成宝石的特性也越来越接近天然品种。
宝石学家不断面临鉴别新的人造宝石材料的挑战。
某些人工的晶体材料也用于工业产品及设备的制造及生产中。
例如，人造钇铝榴石被广泛用于激光工业，合成水晶是用作控制和稳定无线电频率的振荡片和有线电话多路通讯滤波元件及雷达、声纳发射元件等最理想的材料。
二、人造宝石材料的发展人工制造宝石的历史可追溯到1500年埃及人用玻璃模仿祖母绿、青金石和绿松石等。
人工合成宝石始于18世纪中期和19世纪，由于矿物学研究的发展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。
从此，宝石合成业飞速地发展起来。
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。
我国的人工宝石材料的生产起步较晚。
五十年代末，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。
我国进行水热法生长水晶的研究工作，始于1958年。
宝石鉴定学校教你合成金绿宝石的鉴别-元实珠宝培训学校
宝石鉴定学校教你合成金绿宝石的鉴别-元实珠宝培训学校合成金绿宝石的鉴别——元实宝石鉴定培训金绿宝石是铍和铝的氧化物，品质优良的是极为珍贵的猫眼石。
金绿宝石一般为厚板状，透明有玻璃光泽，呈深浅不同的绿色或黄至棕色，有些在不同的光源下会发出不同的颜色。
金绿宝石主要产于花岗伟晶岩、细晶岩和云母片岩中，因为它非常坚硬耐磨，所以在溪流和砾石中也会存在。
人工的方法可以合成金绿宝石，但品质不如天然的。
合成金绿宝石的鉴定方法很难，用肉眼很难识别，而用仪器鉴定也颇费功夫。
据了解，目前合成金绿宝石的主要合成方法有：助溶剂法、晶体提拉法和区域熔炼法。
与天然金绿宝石一样，合成金绿宝石可以有金绿宝石、猫眼、变石三个品种，而且主要是合成变石。
合成变石是最难于同变石鉴别的宝石。
合成变石具有几乎同天然变石完全一样的物理、化学、晶体光学性质。
因此，对于合成变石的鉴定仅能从合成变石内部包体的特点入手。
不同的合成方法产生不同特征的内部包体。
1、助溶剂法合成金绿宝石的鉴定方法对于助溶剂法合成变石，经常见到脉状包体，助溶剂包体可呈云雾状外挂，具有细薄的、模糊的外形，也可以是粗粒的冰含有助溶剂的小水滴。
在大约70倍放大镜下，熔剂小滴趋于拉长状，一群小滴大致在同一方向上拉长。
在反射光中，具有粒状表面，并具淡黄橙色。
助溶剂法合成变石另一常见的特征包体是微小的六边形或三角形铂金属片。
铂金属片来源于铂坩埚。
铂金属片在某些方向看起来黑色不透明，转动一定方向，铂金属片可发出亮白反射光。
平行于晶面的生长线呈直线状，互相间并以一定角度交汇，生长线非常清晰，往往相似于助溶剂法合成祖母绿所显示的“威尼斯百叶窗”效应。
成层的包体平行于种晶面也常见到。
2、晶体提拉法生长的合成变石鉴定方法晶体提拉法生长的合成变石具有针状包体及弧形生长纹，是鉴定其为合成品的证据。
合成变石猫眼显示出极其细小的白色粒状包体，也发现有波浪状纤维包体。
短波紫外线下宝石表现出弱的白至黄色荧光，而内部呈弱的红橙色荧光。
晶体提拉法生长红宝石的工艺流程
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红宝石是一种宝石级别的铝酸盐矿物，其成分为氧化铝（Al2O3），在天然界中以各种形式存在，但宝石级别的红宝石通常通过人工合成来获取。
下面是生长红宝石的晶体提拉法的工艺流程。
原料准备。
1. 氧化铝粉末准备。
氧化铝是生长红宝石晶体的主要原料。
【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。
合成宝石特征
合成宝石特征当代由于合成技术的发展，几乎所有天然宝石都可在实验室里合成，而且彼此的特征愈来愈接近，甚至达到难以分辨的程度。
一、合成金刚石（钻石）宝石级合成金刚石主要采用高温高压法（HTHP）的BARS压力机生产，目前首饰用合成钻石的主要生产国有俄罗斯、乌克兰、美国等。
HTHP合成钻石其主要物理、化学性质与天然钻石类似。
（一）晶种触媒法合成金刚石特征1．晶形一般为立方体{100}与八面体{111}的聚形。
“BARS”法合成的钻石晶形上可有轻微的歪曲树枝状花纹，波状附生像及残晶薄片，温度过低时晶面的边缘常有突出而中心凹陷，温度过高时，整个晶体变圆。
显微镜下可见生长纹理及不同生长区的颜色差异。
2．合成钻石晶体一般呈浅黄色、橘黄色、褐色。
低温生长者色较浅，高温生长者色较深。
颜色明显依赖于所采用的触媒合金。
若触媒为Fe－Al合金时，所生晶体为无色，含B（硼）元素其色为蓝，含Ni（镍）元素其色褐黄。
颜色分布不均匀，可见沿八面体晶棱平行排列的色带。
3．内含物主要是触媒金属，孤立或成群的出现于晶体表面或沿内部生长区间边界定向分布，呈浑圆状、拉长状、点状或似针状。
净度以P、SI为主。
HTHP 合成钻石生长纹发育，其特征因生长区而异。
八面体生长区的生长纹平直，并可有褐红色针状包体（仅在阴极发光下可见）；立方体生长区无生长纹，但可有黑十字包体；四角三八面生长区边缘发育有平直生长纹。
4．光性特征：常有很弱的异常双折射。
干涉色颜色变化不明显，不如天然钻石明显。
5．发光性：在紫外灯下、X射线和阴极射线下均呈规则的分区分带发光，不同生长区发出不同颜色的光，且具有规则的几何图形。
6．吸收光谱：Ⅰb型者一般明显吸收，有时因生长过程中的冷却作用会造成658nm处的吸收；Ⅰb＋Ⅰa型者在600－700nm处可见数条清晰的吸收线，而无天然钻石的415nm吸收线。
（见表2-5）（二）化学气相法合成金刚石薄膜（CVD合成钻石）1．物理性质：硬度、导热性、密度、弹性、透光性等物理性质接近或达到天然金刚石。
各种合成方法对比
（3）传动系统：为了获得稳定的旋转和升降，传动系统由籽晶杆、坩埚轴和升降系统组成。
C.工艺条件
原料：合成祖母绿所使用的原料是纯净的绿柱石粉或形成祖母绿单晶所需的纯氧化物，成份为BeO、SiO2、AL2O3及微量的Cr2O3。
助熔剂：常用的有氧化钒、硼砂、钼酸盐、锂钼酸盐和钨酸盐及碳酸盐等。目前多采用锂钼酸盐和五氧化二钒混合助熔剂。
2、合成装置
水热法合成宝石采用的主要装置为高压釜，在高压釜内悬挂种晶，并充填矿化剂。
把原料先烧结或压制成棒状，然后用两个卡盘将两端固定好。将烧结棒垂直地置入保温管内，旋转并下降烧结棒(或移动加热器)。烧结棒经过加热区，使材料局部熔化。熔融区仅靠熔体表面张力支撑。当烧结棒缓慢离开加热区时，熔体逐渐缓慢冷却并发生重结晶，形成单晶体。
在浮区熔炼法装置中，将高频线圈绕在垂直安装的材料棒上。感应加热在熔区中可提供自动的电磁搅拌，揽拌的程度取决于所用的频率、线圈的实际配置和熔区的长度，还可通过检测热损耗值或材料导电率的变化来实现熔区直径的自动控制。移动原料烧结棒（或移动加热器），使烧结棒自上而下逐步被加热熔化。熔区内的温度大于原料熔化温度，熔区以外温度则小于原料熔化温度。旋转烧结棒，热源逐渐从烧结棒一端移至一端，直至整个烧结棒变成宝石单晶。重复该过程，可使晶体进一步得到精炼和提纯。
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。
主要设备
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提拉法又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年发明的从熔体中提拉生长高质量单晶的方法。
这种方法能够生长无色蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等重要的宝石晶体。
2O世纪60年代，提拉法进一步发展为一种更为先进的定型晶体生长方法——熔体导模法。
它是控制晶体形状的提拉法，即直接从熔体中拉制出具有各种截面形状晶体的生长技术。
它不仅免除了工业生产中对人造晶体所带来的繁重的机械加工，还有效的节约了原料，降低了生产成本。
第一节提拉法一、提拉法的基本原理提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。
图 3-1 提拉法合成装置(点击可进入多媒体演示)二、提拉法的生长工艺首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态；然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，在不断提拉和旋转过程中，生长出圆柱状晶体。
1.晶体提拉法的装置晶体提拉法的装置由五部分组成：（1）加热系统加热系统由加热、保温、控温三部分构成。
最常用的加热装置分为电阻加热和高频线圈加热两大类。
采用电阻加热，方法简单，容易控制。
保温装置通常采用金属材料以及耐高温材料等做成的热屏蔽罩和保温隔热层，如用电阻炉生长钇铝榴石、刚玉时就采用该保温装置。
控温装置主要由传感器、控制器等精密仪器进行操作和控制。
（2）坩埚和籽晶夹作坩埚的材料要求化学性质稳定、纯度高，高温下机械强度高，熔点要高于原料的熔点200℃左右。
常用的坩埚材料为铂、铱、钼、石墨、二氧化硅或其它高熔点氧化物。
其中铂、铱和钼主要用于生长氧化物类晶体。
籽晶用籽晶夹来装夹。
籽晶要求选用无位错或位错密度低的相应宝石单晶。
（3）传动系统为了获得稳定的旋转和升降，传动系统由籽晶杆、坩埚轴和升降系统组成。
（4）气氛控制系统不同晶体常需要在各种不同的气氛里进行生长。
如钇铝榴石和刚玉晶体需要在氩气气氛中进行生长。
该系统由真空装置和充气装置组成。
（5）后加热器后热器可用高熔点氧化物如氧化铝、陶瓷或多层金属反射器如钼片、铂片等制成。
通常放在坩埚的上部，生长的晶体逐渐进入后热器，生长完毕后就在后热器中冷却至室温。
后热器的主要作用是调节晶体和熔体之间的温度梯度，控制晶体的直径，避免组分过冷现象引起晶体破裂。
2.晶体提拉法生长要点（1）温度控制在晶体提拉法生长过程中，熔体的温度控制是关键。
要求熔体中温度的分布在固液界面处保持熔点温度，保证籽晶周围的熔体有一定的过冷度，熔体的其余部分保持过热。
这样，才可保证熔体中不产生其它晶核，在界面上原子或分子按籽晶的结构排列成单晶。
为了保持一定的过冷度，生长界面必须不断地向远离凝固点等温面的低温方向移动，晶体才能不断长大。
另外，熔体的温度通常远远高于室温，为使熔体保持其适当的温度，还必须由加热器不断供应热量。
（2）提拉速率提拉的速率决定晶体生长速度和质量。
适当的转速，可对熔体产生良好的搅拌，达到减少径向温度梯度，阻止组分过冷的目的。
一般提拉速率为每小时6-15mm。
在晶体提拉法生长过程中，常采用“缩颈”技术以减少晶体的位错，即在保证籽晶和熔体充分沾润后，旋转并提拉籽晶，这时界面上原子或分子开始按籽晶的结构排列，然后暂停提拉，当籽晶直径扩大至一定宽度（扩肩）后，再旋转提拉出等径生长的棒状晶体。
这种扩肩前的旋转提拉使籽晶直径缩小，故称为“缩颈”技术。
3.提拉法的优缺点晶体提拉法与其它晶体生长方法相比有以下优点：（1）在晶体生长过程中可以直接进行测试与观察，有利于控制生长条件；（2）使用优质定向籽晶和“缩颈”技术，可减少晶体缺陷，获得所需取向的晶体；（3）晶体生长速度较快；（4）晶体位错密度低，光学均一性高。
晶体提拉法的不足之处在于：（1）坩埚材料对晶体可能产生污染；（2）熔体的液流作用、传动装置的振动和温度的波动都会对晶体的质量产生影响。
三、晶体提拉法生长的宝石品种1.合成红宝石晶体原料：AL2O3和1-3%的Cr2O3加热：高频线圈加热到2050℃以上；屏蔽装置：抽真空后充入惰性气体，使生长环境中保持所需要的气体和压强。
将原料装入铱、钨或钼坩埚中。
坩埚上方的提拉杆的下端的籽晶夹具上装一粒定向的红宝石籽晶。
将坩埚加热到，使原料熔化。
再降低提拉杆，使籽晶插入到熔体表层。
控制熔体的温度，使之略高于熔点。
熔去少量籽晶以保证能在籽晶的清洁表面上开始生长。
在实现籽晶与熔体充分沾润后，缓慢向上提拉和转动晶杆。
控制好拉速和转速，同时缓慢地降低加热功率，籽晶直径就逐渐扩大。
小心地调节加热功率，实现宝石晶体的缩颈-扩肩-等径-收尾的生长全过程。
通过屏蔽装置的窗口可以观察生长过程，还可利用红外传感器测量固-液界面的亮光环温度，实现控制生长过程。
2.合成变石晶体原料：AL2O3和BeO的粉末按l:1混合，加入致色剂Cr2O3和V2O5。
加热：高频线圈加热到1870℃以上，使原料熔化。
保温l小时均化熔体，然后降温30-50℃，接籽晶。
屏蔽装置：抽真空后充入惰性气体，使生长环境中保持所需要的气体和压强。
通过观察测试，控制和调节晶体生长。
3.人造钇铝榴石原料：Y 2O3：AL2O3=3：5提拉炉：中频线圈加热坩埚：铱气氛：N2+Ar熔点：1950℃生长速度：每小时6mm以下。
第二节熔体导模法熔体导模法有二种不同类型，一种是上个世纪60年代由苏联的斯切帕诺夫完成的，称斯切帕诺夫法。
它是将有狭缝的导模具放在熔体中，熔体通过毛细管现象由狭缝上升到模具的顶端，在此熔体部分下入晶种，按导模狭缝规定的形状连续地拉制晶体，其形状完全由毛细管狭缝决定。
由于熔体是通过毛细作用上升的，会受到毛细管大小及熔体密度和重量的限制，所以此法具有局限性。
此法的优点是不要求所用模具材料能被熔体润湿。
另一种方法称“边缘限定薄膜供料生长”技术，简称EFG法，是上世纪70年代初，由美国TYCO实验室的拉培尔(Labell H.E.)博士研究成功的。
EFG法首要的条件是要求模具材料必须能为熔体所润湿，并且彼此间又不发生化学作用。
在润湿角θ满足0<θ<90°的条件下，使得熔体在毛细管作用下能上升到模具的顶部，并能在顶部的模具截面上扩展到模具的边缘而形成一个薄膜熔体层，晶体的截面形状和尺寸则为模具顶部边缘的形状和尺寸所决定，而不是由毛细管狭缝决定。
因此，EFG法能生长出各种片、棒、管、丝及其它特殊形状的晶体，具有直接从熔体中控制生长定型晶体的能力。
所以，此法生产的产品可免除对宝石晶体加工所带来的繁重切割、成型等机械加工程序，同时大大减少了物料的加工损耗，节省了加工时间，从而降低了产品的成本。
该方法应用广泛。
一、熔体导模法的工作原理熔体导模法全名为边缘限定薄膜供料提拉生长技术。
它是熔体提拉法的一个变种，特别适用于片状、管状和异型截面的晶体生长，这种方法可以生长合成蓝宝石、合成红宝石、合成变石以及钇铝榴石。
导模法生长晶体的工作原理是，将原料放入坩埚中加热熔化，熔体沿一模具在毛细作用下上升至模具顶端，在模具顶部液面上接籽晶提拉熔体，使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出与模具边缘形状相同的单晶体。
二、熔体导模法生长工艺首先，将原料在坩埚中加热熔化，把能被熔体所润湿的材料制成带有毛细管或狭缝的模具放置在熔体中，熔体沿着毛细管涌升到模具顶端，并扩展布满端面形成熔体薄层。
在这层熔体中引籽晶，待籽晶浸渍表面回熔后，逐渐提拉上引。
晶体的形状由模具顶部截面形状所决定，晶体按该尺寸和形状连续地生长。
1. 熔体导模法的装置图3-2 熔体导模法的模具示意图1籽晶杆；2 籽晶； 3 晶体； 4 熔体； 5 模具导模法晶体生长装置与提拉法基本相同，只是在坩埚底部垂直安装了一个钼制的毛细管膜具。
籽晶通过毛细管口与熔体相接触，然后按膜具顶端截面形状被提拉出各种形状的晶体（图3-2）。
模具的选择依据籽晶材料而定，以材料熔点高于晶体的熔点、材料能被熔体润湿和不与熔体发生化学反应为原则。
可根据需要设计成杆状、片状、管状或多管状等。
2.熔体导模法生长要点（1）温度控制欲生长出结构完整的晶体，必须有一个合适的温场。
炉温太高，籽晶会熔掉，晶体会收缩，严重时会造成缺口；炉温过低，晶体会在导模顶部凝固，晶体会呈枝蔓状生长和小晶粒团聚状生长。
（2）生长速度生长速度是影响晶体质量的原因之一。
若生长速度过高，生长界面会成蜂窝状，晶体中会有大量气孔或空洞，位错密度也将增高。
3.导模法生长晶体实例合成变石猫眼可用导模法生长的。
合成变石猫眼的生长需要在原料中掺入铬和钒，使晶体具有变色的特征。
铬含量过高会使宝石绿色减弱，甚至略带红色；含量过低又会使宝石无色彩变化。
钒的作用是增强变色的敏感性和调整宝石的颜色。
合理调整铬和钒的用量可仿制不同产地的天然变石猫眼。
猫眼效应由宝石内部有无数极细小的纤维状结构有规律地平行排列产生。
合成变石猫眼的具体生长方法如下:原料：按化学配比称取高纯度的AL2O3、BeO原料和致色元素Cr2O3、V2O5，将粉料压成块状；在1300℃下灼烧10小时，得到多晶质金绿宝石块料。
加热：将制成的原料装入钼坩埚中，使用射频加热到1900℃以上至熔化。
生长（即提拉）速度：每小时为15-20mm。
在坩埚内垂直地安放钼制的毛细管模具。
熔体在毛细管作用下涌升到模具顶端，并扩展布满端面形成熔体薄层。
将坩埚上方的变石籽晶接触模具顶端熔体膜，待籽晶浸渍表面回熔后，逐渐提拉上引。
晶体生长是在氩气体中进行的，保持生长所需要的惰性气体和压强环境。
晶体生长停止后，在4小时内将炉温降至500℃，然后缓慢冷却至室温。
即得到了模具顶部截面形状的变石猫眼宝石晶体。
三、熔体导模法的晶体特征1. 晶体的生长特征（1）能够直接从熔体中拉制出丝、管、杆、片、板以及其它各种特殊形状的晶体。
（2）能够获得成分均匀的掺质晶体。
因为熔体在毛细管中的对流作用极弱，界面通过扩散过程向熔体主体中运动，在提拉作用下，晶体的熔质浓度将达到主体的浓度。
（3）易于生长出无生长纹的、光学均匀性好的晶体。
第三节提拉法合成宝石的鉴别一.提拉法合成宝石的基本特征1.提拉法生长的宝石晶体，由于提拉和旋转作用，会产生弯曲的弧形生长纹。
导模法生长晶体时晶体不旋转，因而没有弯曲生长纹。
2.提拉法和导模法合成的晶体，都会含有气体包体，且气泡分布不均匀。
提拉法常可见拉长的或哑铃状气泡。
3.提拉法合成的宝石是在耐高温的铱、钨或钼金属坩埚中熔化原料的，导模法生长的宝石在导模金属上生长的，所以都可能含有金属包体。