罕见的人工宝石立方氧化锆晶体观赏石

我们通常见到的观赏石都是天然形成的，有纹理石、造型石、晶体等，其实，人工合成 宝石中也有非常漂亮的观赏石。
笔者收藏的是人工合成立方氧化锆晶体的观赏石。由于现在用“冷坩埚熔壳法”合成立 方氧化锆的“冷坩埚”可以放 1000 多公斤原料，合成的立方氧化锆晶体有 400 公斤左右，最 大晶体可达２公斤以上，所以出现合成立方氧化锆晶体观赏石是完全可能的“。冷坩埚熔壳法” 生长立方氧化锆晶体的设备和过程［１］可参阅图１、２、３、４。
入紫铜管围成的杯状“冷坩埚”中，
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在中心投入 0.08% ～ 0.15% 左右 ( 或
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பைடு நூலகம்
“引燃” 小熔区
“冷坩埚”
Zr02+Y203
熔融液
高频线圈 未熔壳 立方氧化锆
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4 ～ 6g) 金属锆片或锆粉用于“引燃”； 2）接通电源，进行高频加热，起燃 1 ～ 2
5）生长完毕后，慢慢降温退火一段时间， 然后停止加热。冷却到室温后，取出熔块，
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9 用小锤轻轻拍打，一颗颗立方氧化锆单晶体便分离出 来。
整个操作从粉料熔化到完全熔融 ( 除熔壳外 )，时 间很短，而晶体生长的时间却较长，生长一炉立方氧 化锆晶体的总时间大约为 20 小时。
3）待“冷坩埚”内原料达到完全熔融要求后，
改变反馈关系，使熔体稳定 30 ～ 60 分钟； 4）“冷坩埚”以 5 ～ 15mm/h 的速度逐
渐下降，离开高频加热后温度降低，造成熔 融液过冷却。这时，在熔体底部开始结晶出 立方氧化锆晶体。开始时形成的晶核较多， 以后互相竞争，根据几何淘汰率，多数小晶 体停止生长，只有少数晶体得以发育成较大 的晶块；
2.2 罕见的立方氧化锆晶体的生长
如上所述，当“冷坩埚”下降时，温度跟着下降， 当温度低于熔点后就开始结晶。在生长 400kg 晶体“冷
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坩埚”底部的晶体生长期间不会产生罕见的晶 体观赏石，但在熔融液液面处，就会出现罕见 的晶体观赏石。笔者在某立方氧化锆生产厂总 经理办公室见到了这样的晶体，非常漂亮，爱 不释手，总经理慷慨赠与笔者一些标本，在此 与大家共享（图 8、9）。
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3.4 可以得到不同颜色的立方氧化锆晶体观赏石
如上所述，在生长立方氧化锆的原料中加入 不同颜色着色剂的话，就可以得到不同颜色的立 方氧化锆晶体观赏石； 3.5罕见的变色晶体观赏石
在人工合成立方氧化锆的工艺中，加入某些 化学元素可以使晶体具有变色效应，通常是指在 太阳光下与在日光灯下有二种不同的颜色。笔者 收藏的紫红色立方氧化锆晶体与蓝紫色立方氧化
9. 立方氧化锆晶体观赏石之二
罕见的人工宝石立方氧化锆晶体观赏石
作者： 作者单位： 刊名：
沈才卿 核工业北京地质研究院
中国宝玉石
英文刊名： 年，卷(期)：
China Gems & Jades 2013(5)
本文链接：/Periodical_zgbys201305024.aspx
5.“冷坩埚熔壳法”晶体生长过程示意图
14. 紫红色晶体观赏石之三（太阳光下）
6. 不同颜色的立方氧化锆晶体
15. 玖瑰红色晶体观赏石之三（日光灯下）
7. 刻磨好的仿钻石立方氧化锆成品
16. 紫红色晶体观赏石之四（太阳光下）
8. 立方氧化锆晶体观赏石之一 17. 玖瑰红色晶体观赏石之四（日光灯下）
由于晶体都是往上长的，在晶体生长竞争 的过程中形成的外形是无规则的，就像天然的 山脉形成一样，由于地壳运动或火山喷发，形 成多种多样、奇形怪状的崇山峻岭，立方氧化 锆的晶体观赏石绝大部分都呈现崇山峻岭的外 形； 3.3 难得的全透明晶体观赏石
立方氧化锆晶体是全透明的，只有到根部 与熔壳接触部分才出现不透明，这在晶体观赏 石中应当算极品；
1. 冷坩埚熔壳法生长立方氧化锆的车间 1 0. 紫红色晶体观赏石之一（太阳光下）
2. 没有加料的冷坩埚全貌
11. 玖瑰红色晶体观赏石之一（日光灯下）
3. 装料后正在用高频加热的冷坩埚
12. 紫红色晶体观赏石之二（太阳光下）
4. 得到的蓝紫色立方氧化锆晶锭
13. 玖瑰红色晶体观赏石之二（日光灯下）
2 罕见的立方氧化锆晶体观赏石的形成
2.1 一般立方氧化锆晶体的生长
高频电流可产生 3000℃以上的温度，而立方氧化 锆粉料在 1200℃以下是非导体，不能被加热熔化，加 入金属锆片或锆粉后高频先熔化金属锆片或锆粉，产 生 1900℃的高温，使粉料 ZrO2 导电并被加热。粉料 ZrO2 的熔点是 2370℃，所以采用高频电流加热完全能 把立方氧化锆粉料熔融成液体。但不能全都熔化，因 此外层加冷却水系统，冷水把热量带走，从而使外层 仍然是粉末而不被熔化，形成一个自身粉料的坩埚， 叫做冷坩埚。在冷坩埚下降离开高频加热后，温度慢 慢下降，当温度低于熔点时，立方氧化锆开始结晶形 成晶体。与此同时，熔融液缓慢减少，液面缓慢下降， 靠近粉料的晶体会出现一层从晶体过渡到非晶体的硬 壳层，然后再到粉末层，实际上在晶体和粉体之间形 成一层熔壳层，所以此方法又叫“冷坩埚熔壳法”。 敲碎晶锭时，凡是靠边的晶体都与熔壳层及粉体相连， 但在销售立方氧化锆晶体前，首先要把与晶体相连的 硬壳层切掉，其次要把比晶体细得太多的部分切掉， 所以，一般我们看不到与硬壳层及粉体相连的立方氧 化锆晶体。
更为罕见的是获得的紫红色立方氧化锆晶 体观赏石是变色的，在太阳光下呈紫红色，而 在日光灯下呈玫瑰红色，见图 10、11、12、 13、14、15、16、17。
3 罕见立方氧化锆晶体观赏石的特点
3.1 罕见立方氧化锆晶体观赏石具有唯一性
由于“冷坩埚熔壳法”生长的立方氧化锆 晶体形状不能人为控制，而是按晶体生长竞争 规则，小晶体不断被大晶体吞并，是自由生长 形成的，所以，不可能出现二个形状一模一样 的晶体，由此可见它具有唯一性； 3.2 外形都呈崇山峻岭
分钟后，原料开始熔化。先熔化金属锆片或金属 锆粉产生小熔池，金属锆片或锆粉熔化的温度高 于 1200℃，使 ZrO2 粉料导电而被加热熔化，从 而使小熔池逐渐扩大熔区，熔融液不断增加。在 此过程中，锆金属与氧反应生成氧化锆。同时， 紫铜管中通入冷水冷却，带走热量，使外层不熔， 形成“冷坩埚熔壳层”；
锆晶体都具有变色效应，只可惜蓝紫色晶体的变 色效应看着很清楚，而照相中看得不太清楚而已。 具有变色效应的晶体观赏石是很罕见的，所以非 常珍贵。
4 总结
藏石文化应当包括人工宝石晶体观赏石。人 工宝石立方氧化锆晶体观赏石具有比天然矿物晶 体观赏石更漂亮的颜色、更漂亮的形状、更奇特 的性能，值得人们对它进行收藏。
我们通常看到的人工合成立方 氧化锆晶体是生产厂进行加工，把 上下两端都切掉后的晶体，只有到 工厂里边去，从刚出炉的“冷坩埚” 中才能找到罕见的立方氧化锆晶体 观赏石。
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1 生长立方氧化锆晶体的工
艺过程
“冷坩埚熔壳法”生长立方氧
化锆晶体的具体工艺过程［２］见图 5。
1）首先将生长立方氧化锆晶体
所使用的粉料 ZrO2 与稳定剂 Y2O3 按 摩尔比 9 ∶ 1 的比例混合均匀，装
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沈才卿（核工业北京地质研究院）
本文阐述了一种罕见的人工宝石立方氧化锆晶体观赏石，介绍了合成立方氧化锆晶体的生 长设备和生长工艺；还介绍了立方氧化锆晶体的生长原理和过程，罕见立方氧化锆晶体的生长 原理和过程。最后总结了罕见人工宝石立方氧化锆晶体观赏石的五大特点。
生长出的立方氧化锆晶块呈不规则柱状，无色透 明，周围是自然形成的贝状面，一般肉眼见不到包裹 体。若加工成圆钻形刻面，酷似钻石。若在原料中加 上着色剂，就会呈现各种不同颜色的晶体，刻磨出多 姿多彩的刻面仿彩色钻石（图 6、7）。目前，每一炉 可生长 400kg 左右晶体，未形成晶体的原料及熔壳体 可回收再用于晶体生长，所以，几乎不会造成材料的 浪费。