水热法合成宝石
人工合成红宝石的配方
人工合成红宝石的配方一、原料选择。
1. 主要原料：氧化铝（Al₂O₃）- 氧化铝是红宝石的主要成分。
在自然界中，红宝石就是刚玉（主要为氧化铝）晶体中含有少量铬（Cr）元素而呈现红色。
对于人工合成，需要高纯度的氧化铝粉末。
一般纯度要求达到99.99%以上。
这是因为杂质过多会影响晶体的生长和颜色的纯正性。
2. 致色剂：铬（Cr）化合物。
- 通常选用铬酸铅（PbCrO₄）或氧化铬（Cr₂O₃）作为致色剂。
添加量一般在0.5% - 2%左右。
铬离子（Cr³⁺）取代晶体结构中的铝离子（Al³⁺），从而使合成的晶体呈现红色。
致色剂的用量需要精确控制，如果添加量过少，颜色会太淡，达不到红宝石应有的颜色深度；如果添加量过多，可能会导致晶体内部结构缺陷或颜色过深而不自然。
二、助熔剂法合成红宝石的配方及原理。
1. 配方。
- 助熔剂通常采用氧化铅（PbO） - 硼砂（Na₂B₄O₇）体系。
一般比例为PbO:Na₂B₄O₇ = 1:1到3:1之间。
再加入氧化铝和致色剂铬化合物。
例如，以100克原料总量计算，氧化铝粉末约80 - 90克，致色剂（如氧化铬）0.5 - 2克，助熔剂（氧化铅 - 硼砂混合）10 - 20克。
2. 原理。
- 助熔剂的作用是降低氧化铝的熔点。
氧化铝的熔点非常高（约2050°C），在加入助熔剂后，体系的熔点可以降低到1200 - 1300°C左右，这样就可以在相对较低的温度下进行晶体生长。
在这个过程中，原料在助熔剂的熔体中溶解，然后通过缓慢降温或其他方式，使溶质（氧化铝和铬离子等）以红宝石晶体的形式结晶出来。
三、焰熔法合成红宝石的配方及原理。
1. 配方。
- 原料主要是高纯度的氧化铝粉末和少量的铬酸铅（PbCrO₄）作为致色剂。
氧化铝粉末的纯度要求在99.9%以上。
致色剂的添加量约为1% - 1.5%。
2. 原理。
- 焰熔法是通过氢氧火焰来熔化原料。
氢氧火焰的温度可以达到2500 - 3000°C。
水热法合成红宝石的宝石学特征
第19卷 第2期 桂林工学院学报 V ol.19N o.2 1999年4月 JOU RNA L OF GU ILIN IN ST ITU TE OF TECHNO LOGY A pr. 1999水热法合成红宝石的宝石学特征李隽波 张良钜(桂林工学院材料工程系 541004)摘 要 由曾骥良教授于1996年用水热法合成的红宝石晶体以六方双锥n{2243}单形最发育,其次为平行双面c{0001}和菱面体r{1011}。
合成红宝石的密度、折射率、双折射率特征与天然红宝石接近,微量元素种类和浓度影响合成红宝石的吸收光谱、荧光强弱、颜色和水头。
借助于晶体的生长纹、籽晶片、黑色文字状包裹体、针状、细纱网状、指纹状包裹体和氧化铝粉末等特征包裹体组合,可与天然红宝石、焰熔法及助熔剂法合成红宝石相区别。
关键词 水热法;红宝石;包裹体;桂林分类号 O782 2;P619 281;P585 1水热法合成红宝石于1991年由俄罗斯小批量商业生产。
1993年初,俄罗斯科学院西伯利亚分院与泰国The Pinky T rading Company组建了T AIRUS合资公司,并开始大批量生产水热法合成红宝石[1~2]。
目前的年产量约为200kg。
视重量大小和质量高低价格30~50美元/克拉不等。
我国水热法合成红宝石正处于试验阶段。
1994年起桂林矿产地质研究院晶体公司曾骥良教授等潜心研究水热法合成红宝石,经过反复试验研究,合成的红宝石颜色、水头(透明度)、净度等都达到宝石级并通过广西科委鉴定(1998年6月),目前正在进行工业实验。
由于水热法合成红宝石的实验条件是模拟天然热液矿床的成矿条件,因而用这种方法生产的红宝石其性质和包裹体特征都与天然红宝石极为相似。
因此,研究水热法合成红宝石的性质,掌握其鉴定特征并与天然红宝石、其它方法合成的红宝石相区别则显得极为重要。
1 结晶学特征水热法红宝石的晶形与天然红宝石相似,呈厚板状,最发育的单形是六方双锥面n {2243},其次为平行双面c{0001}和菱面体r{1011}。
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。
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。
水热法合成水晶
水热法合成水晶的工艺
3）生长阶段 加热炉通电加热，将高压釜升温并进行温度调节，调节到所 需要的温度并控制温差。在生产过程中要保持温度稳定（一 般保持温度波动在5摄氏度以内）。生长完毕后停炉，打开 保湿罩，使上部热量的散失快于下部。降温后可将高压釜提 出炉膛。
4）开釜阶段 当釜体温度降至室温后，便可开釜，取出晶体。然后倒出残 余溶液和剩余的熔炼石英，对生长出的晶体和高压釜进行清 洗和检查。
水热法合成水晶晶体的工艺流程图如下
水热法合成水晶的工艺
根据工艺流程图，合成水晶的生长工艺过程可分为以下四个阶段 1）准备阶段
包括溶液的配置、籽晶的切割与清洗，培养液（熔炼石英）、 籽晶、籽晶架挡板、系籽晶金属丝和高压釜自由空间等的体积 计算，充填度计算以及密封环压圈尺寸、加温、测温系统的检 查等。 2）装釜阶段 将熔炼石英放入高压釜内，放置籽晶架，倒入碱液（矿化剂溶 液），测定液面高度，安装密封塞，密封高压釜，然后将高压 釜装入炉膛中，插上热电偶，盖上保湿罩等
水热法合成水晶的工作条件
高压釜
水热法合成水晶的工作条件
矿化剂 我国多用NaOH做矿化剂，所得晶体透明度好，自发晶芽少，过饱和温度 允许50--60℃，但生长速度相对较慢。通常矿化剂浓度在1.0— 1.5mol/L之间。通常还要加入0.1mol/L的li2CO3做添加剂，起定作用
籽晶 常规的籽晶有两种取向：Z切和Y棒。 籽晶的切割方法分为手工和机械两种。手工切割使用与切割大面积的水 晶片，而对于小面积的Z切和Y棒籽晶应采用机械切割。切割好的水晶片 要经过研磨修正外形，去掉生长丘、破边、刀痕和小破口，要求籽晶表 面具有一定的平整度，否则会造成晶体出现串珠状生长丘等。 为了得到纯净的石英块作为籽晶，可对其进行预先除杂，将石英快加热 到350--370℃，同时沿籽晶的Z轴方向加电场，持续加压，可使杂质汇 集到籽晶的阴极面上，去除杂质后，将籽晶浸入氟化物腐蚀液中进行清 洗，使籽晶表面光滑平整。经过上述处理的石英快既可作为籽晶。
水热合法合成宝石
水热法
• 水热结晶主要是溶解———再结晶机理。首先营养料在水热介质里溶 解,以离子、分子团的形式进入溶液。利用强烈对流(釜内上下部分的 温度差而在釜内溶液产生) 将这些离子、分子或离子团被输运到放有 籽晶的的生长区(即低温区) 形成过饱和溶液,继而结晶。
• 二十世纪上叶，战争导致水热法合成水晶大批量的生产。 • 1943年，Laubengayer和Weitz首先水热法成功合成红宝石。 • 1960年，澳大利亚的Lechleitner用水热法成功合成祖母绿。 • 上世纪九十年代，原苏联新西伯利亚合成海蓝宝石。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。 • 目前水热法合成的宝石有：水晶、红宝石、祖母绿、海蓝宝石、蓝宝 石
生长的关键
• 水热法生长的温度500～600℃，温度梯度10～130℃ • 压力70～600MPa,新工艺570℃左右，压力为170MPa左右。 • 籽晶片取向：最理想的取向是与结晶轴C轴的夹角为20°～25°产品 外观为短柱状；俄罗斯的Tairaus采用籽晶片与C轴夹角为43°～47° 是切角最大的，产品为长板状。大多国家采用20°～40°桂林早期采 用35°左右，新工艺则为23°左右。 • 着色剂方面，我国与大多数国家一样采用含铬试剂，少数国家采用(铬 +钒)试剂，或者(铬+钒+铁)。 • 我国与大多国家一样采用黄金管密封悬浮法(澳大利亚Biron和Pool无资 料可查)。俄罗斯Tairus公司不用黄金管，产品中含较高铁以及少量铜 和镍。
谢谢！
设备
高压釜 自动控温电阻炉 测温设备 热电偶 黄金管
高压釜
一般用耐高温高压的钢材制成。关 键结构是可开启的密封系统，内含贵金 属衬里，防止钢质容器被高温高压矿化 剂腐蚀。 我国的桂林水热法合成祖母绿，高 压釜内部多用黄金、铂做内衬。防止矿 化剂腐蚀装置。
水热法合成水晶热力学及其动力学机理分析
发展趋势
1）运用先进的科学技术和生产工艺，对具有缺陷的合 成水晶进行改造
2）改善水晶的颜色，提高水晶的净度，增强其物理性 质、化学性质的稳定性，以提高合成水晶的美学价 值和商品价值。
3）根据天然水晶的形成机理，制造出与天然水晶性质 相同的合成水晶
4）根据社会的发展需要，制造出新的具有特种功能的 晶体材料。
生长区温度和温差：
t＝t溶解－t生长 快速生长优质单晶体的关键 t——质量输送——V生长——包裹体——净度及透明度
压力和充填度：
充填度（ 86%）＝V液体/V自由 P V生长
籽晶பைடு நூலகம்向：
晶体的各向异性 各向生长速度不同
培养体：
质地均匀、无杂质、表面清洁干净、一定的表面比
§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、
棕色、黑色、多色、花色
存在的问题
合成水晶存在的晶体缺陷是水热法合成水晶存在的主要问题 双晶
合成水晶中的双晶，除了有籽晶中原有的双晶遗传下来以外， 在晶体的生长过程中也易于形成双晶。根据其外形特征，可 分为凹陷型双晶、双面体双晶、鼓包双晶和花絮状双晶。 包裹体 合成水晶中的包裹体有固体包裹体和气—液包裹体两种。固 体包裹体大多像一撮晶须，其主要成分是锂辉石或石英的微 晶核 气—液包裹体多呈长条状主要出现在籽晶的生长界面上。
式中X≥2，在接近合成水晶的条件下，测得X值约为 7/3与5/2之间。
水热法合成水晶的基本原理
因此水热法合成水晶包含两个过程： 1）溶质离子的活化
水热法合成宝石
原料选择
根据所需合成的宝石种类，选择合适 的矿物原料，如氧化物、硅酸盐、硫 化物等。
原料处理
将选定的原料进行破碎、研磨、筛分 等预处理，以便更好地进行后续合成 操作。
设备准备与安装
设备选择
根据合成工艺要求，选择适合的水热合成设备，如高压釜、 反应器等。
设备安装
按照合成工艺流程，将设备组装在一起，确保设备连接紧密 、安全可靠。
随着人们对珠宝和宝石的需求不断增加，水热法 合成宝石市场呈现出持续增长的趋势。
消费者对品质和独特性的追求
消费者对宝石的品质和独特性要求越来越高，水 热法合成宝石因其独特性和高品质而受到青睐。
3
市场需求多样化
不同国家和地区对水热法合成宝石的需求存在差 异，多样化的市场需求为行业发展提供了广阔的 空间。
04
水热法合成宝石的质量控制
颜色与透明度
总结词
颜色鲜艳、透明度高
详细描述
水热法合成的宝石颜色鲜艳，透明度高，能够达到与天然宝石相似的光学效果。 在质量控制过程中，需要对合成宝石的颜色和透明度进行严格检测，确保其符合 市场需求。
纯净度与杂质
总结词
高纯净度、微量杂质可控
详细描述
水热法合成宝石的纯净度较高，但也可能含有微量的杂质或包裹体。质量控制过程中需要检测杂质的种类、数量 和分布情况，并尽量减少杂质对宝石质量的影响。
水热法合成宝石
汇报人： 2023-12-30
目录
• 水热法合成宝石简介 • 水热法合成宝石的原理 • 水热法合成宝石的工艺流程 • 水热法合成宝石的质量控制 • 水热法合成宝石的市场前景
01
水热法合成宝石简介
定义与特点
定义
水热法合成宝石是指通过模拟自然界 成矿过程，在高温高压条件下利用水 溶液作为介质，使宝石晶体在其中生 长的一种合成方法。
水热法合成祖母绿的历史、原理、及发展前景课件
班 级 ：141081
水热法合成祖母绿的历史、原理、及发 展前景
摘要：
介绍水热法合成宝石晶体技术的历史和现状，同 时简述所需的设备及步骤
阐述现阶段世界各主要水热法合成祖母绿产品供 应商的部分工艺
指出该方法的发展前景：完善工艺，降低成本； 合成新的功能晶体，拓宽应用范围。
水热法合成祖母绿的历史、原理、及发 展前景
参考文献
陈振强 . 桂林新型水热法合成祖母绿的宝石学特征. 宝石与宝石学杂志2000 （4）
曾骥良 . 中国水热法生长的红宝石与祖母绿。2000年北京国际珠宝首饰学术 会议. 2000-05
沈才卿 . 桂林水热法合成祖母绿的生长原理、鉴定特征和发展前景 珠宝科 技2002年第二期总第45期第14卷
一种高压釜的结构示意图，一 般用耐高温高压的钢材制成。 关键结构是可开启的密封系统， 内含贵金属衬里，防止钢质容 器被高温高压矿化剂腐蚀。
水热法合成祖母绿的历史、原理、及发 展前景
水热法合成祖母绿晶体生长过程
组装好的高压釜在电阻炉加热下升温，内部的水溶液膨胀 产生高压。在600℃左右，黄金管底部的原料被溶解进入 矿化剂水溶液，其中的祖母绿组分浓度不断增大直至达到 饱和。
着色剂方面，我国与大多数国家一样采用含铬试剂， 少数国家采用(铬+钒)试剂，或者(铬+钒+铁)。
我国与大多国家一样采用黄金管密封悬浮法(澳大利 亚Biron和Pool无资料可查)。俄罗斯Tairus公司不用 黄金管，产品中含较高铁以及少量铜和镍。
水热法合成祖母绿的历史、原理、及发 展前景
其他宝石学特征对比
除俄罗斯早期水热法合成祖母绿在查尔斯滤色镜 下呈黄色调或无变化之外，其他水热法合成祖母 绿在查尔斯滤色镜下均呈红色调。
水热法合成宝石
水热法合成宝石模拟自然界热液成矿作用过程，水热法生长晶体宝石是在含水体系中由液相（溶液）转变为晶相的方式进行的。
自然界热液成矿是在一定的温度和压力下进行的，而且成矿溶液具有一定的浓度和PH值（矿化剂溶液的性质因生长宝石晶体的不同而不同）。
实验证明，只有在高压釜中才能满足宝石晶体模拟自然界生长的条件。
所以，水热法有别于其它宝石晶体生长的体系。
该法适用于常温常压下溶解度低而在高温高压下溶解度高的材料。
1．生产工艺根据晶体生长的运输方式，可分为三种生产工艺：（1）等温法等温法主要是利用溶解度差异来生长晶体，所用原料为亚稳相的物质，籽晶为稳定相的物质。
在高压釜内上下无温差，是该法特色。
该法的缺点是，无法生长出晶形完整的大晶体。
（2）摆动法摆动法的装置由两个不同温度的圆筒组成。
一筒盛培养液，另一筒放置籽晶。
定时摆动两个圆筒，以加速二筒之间的对流。
利用两筒间的温度差在高压环境下生长出晶体。
（3）温差法温差法是在立式高压釜内生长晶体的一种方法，多用于生长合成水晶、合成红宝石、合成祖母绿、合成海蓝宝石等。
晶体生长条件如下：a．矿质在矿化剂溶液中应具有一定的溶解度，并能形成所需的单一稳定晶相；b．矿质在适当的温差下能形成过饱和度而又不自发成核；c．晶体生长需要一定切型和规格的籽晶，并使原料的总表面积与籽晶总表面积之比值达到足够大；d．溶液密度的温度系数要足够大，以利晶体生长的溶液对流和溶质传输；e．高压釜容器要有抗高温腐蚀性能。
2．基本装置水热法的基本装置主要有高压釜、加热器、温度控制器和温度记录器等（图2-2）。
3．具体实例：水热法合成水晶（1）水热法合成水晶的原理一般情况下石英是不溶于水的化合物，但由于水在过热状态下所具有的特性，使得石英在一些特殊条件下可以被溶解。
在合成水晶时，必须加入一定量的的溶解度。
矿化剂，以改变溶剂的原始成分与性质，才能增加SiO2（2）水热法合成水晶的工艺水热法合成水晶的工艺流程可以分为以下四个阶段。
水热法合成刚玉技术历史与发展
水热法合成刚玉技术历史与发展摘要：水热法合成刚玉宝石技术历史悠久、商业化程度高，其原理是将原料在溶液中溶解，通过迁移或反应达到过饱和从而析出结晶。
本文在讨论水热法合成刚玉宝石的原理与方法的基础上，结合市场现状与学术界研究现状，对水热法合成刚玉宝石的发展提出一些猜想及建议。
关键词：水热法；发展历程；方法；鉴别长期以来，天然刚玉宝石受到了广大消费者的追求与喜爱，近年来，消费者对合成刚玉宝石的接受度与认可度也有所提高。
水热法合成刚玉宝石是在模拟天然刚玉宝石的水热成矿环境下进行的，由于其生长工艺较为复杂，成本相对较高，该技术也经过了较为漫长的发展期，到目前为止，水热法合成刚玉技术已经成为一种较为先进的刚玉宝石合成方法。
1 发展历程刚玉的合成历史相对其他宝石较为悠久，商业化程度也较高，刚玉宝石合成技术的发展也促进了其他宝石合成技术的发展。
1943年，劳本盖耶、韦茨首次通过水热法合成刚玉获得成功。
1976年，苏联科学家改进了水热法合成红宝石技术，使合成红宝石进入了商业化阶段。
1993年，泰罗斯宝石有限公司成立，主要进行水热法合成红宝石的生产。
20世纪90年代，俄罗斯的研究人员经过大量的实验，研究成功了水热法合成蓝宝石的工艺技术。
20世纪90年代，我国桂林矿产地质研究院开始展开了水热法合成刚玉晶体的研究，并于1999年成功生长红宝石晶体，之后又成功研究出了黄色蓝宝石、蓝色蓝宝石、无色蓝宝石等彩色蓝宝石的合成方法，产品质量处于国际先进水平。
20世纪末，我国合成红宝石的年产规模已达到了一百吨左右，主要用于钟表和珠宝行业。
进入21世纪后，合成刚玉宝石的发展达到了一个新的飞跃，对合成宝石技术的投入也逐年增长，促进了水热法合成刚玉宝石技术的发展。
2 原理水热法是将原本在大气条件下不溶或难溶的物质溶解于高温高压的水溶液中，通过控制温差产生对流以形成过饱和状态，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。
通过加入不同的致色离子，得到不同颜色的刚玉晶体。
第三章 水热法生长宝石晶体与鉴别
第三章水热法生长宝石晶体与鉴别☐一、水热法生长宝石晶体概述☐二、影响宝石晶体生长的因素☐三、水热法生长水晶、红宝石、祖母绿、海蓝宝石晶体☐四、水热法生长宝石晶体的鉴别一、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。
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。
（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。
（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。
4、水热法宝石晶体生长所需的设备☐水热法宝石晶体生长所需的基本设备有：高压釜、炉子、热电偶、温度控制器和温度记录器。
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。
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)。
水热法法合成宝石
水热法宝石合成工艺摘要：宝石以其炫目美丽、坚硬、稀少而备受世人瞩目。
随着社会的开展人们对宝石的喜爱和需求日益增大。
宝石除了可以作为钻戒、耳坠、手链等饰品外，工业上是金刚石的最优替代品运用于彩电、手表等电子产品中，然而自然界里的宝石毕竟很有限，价格也昂贵，于是宝石的人工合成就开场兴起，人工合成宝石也开场商业化。
怎么样才能找到适宜的合成工艺，合成优质且低本钱的宝石呢？这就成了人工宝石合成产业的关键所在。
目前人们合成宝石的工艺主要有焰熔法、助熔剂法、水热法、提拉法等，以下我将主要介绍一下宝石的合成工艺及其特点、还有它的商业前景。
关键词：人工宝石、宝石合成工艺、水热法、商业前景一、宝石种类以及人工宝石背景宝石概念种类：宝石是岩石中最美丽而贵重的一类石。
它们颜色鲜艳，质地晶莹，光泽灿烂，坚硬耐久，同时赋存稀少，是可以制作首饰等用途的天然矿物晶体，如钻石、水晶、祖母绿、红宝石、蓝宝石和金绿宝石〔变石、猫眼〕等；也有少数是天然单矿物集合体，如冰彩玉髓、欧泊。
还有少数几种有机质材料，如琥珀、珍珠、珊瑚、煤精和象牙，也包括在广义的宝石之内。
广义的概念宝石和玉石不分，泛指宝石，指的是色彩瑰丽、坚硬耐久、稀少，并可琢磨、雕刻成首饰和工艺品的矿物或岩石，包括天然的和人工合成的，也包括局部有机材料。
狭义的概念有宝石和玉石之分，宝石指的是色彩瑰丽、晶莹剔透、坚硬耐久、稀少，并可琢磨成宝石首饰的单晶体或双晶，包括天然的和人工合成的，如钻石、蓝宝石等；而玉石是指色彩瑰丽、坚硬耐久、稀少，并可琢磨、雕刻成首饰和工艺品的矿物集合体或岩石，如翡翠、软玉、独山玉、岫玉等，同样既包括天然的，又包括人工合成的。
石的一些特性:宝石均为单晶体、颜色具有均匀单一性、多呈透明体、有光泽、密度变化具有很小范围性、良好的导热性、体积相对要小，重量也轻、硬而脆。
人工宝石的合成背景刚玉是最早合成并进展商业化生产的一类宝石，它开展的同时也带动了其他宝石的开展。
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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。
3.3 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
对流 挡板
生长区温度与温差
压力和充填度
杂质
种晶的取向
营养料
6. 水热法合成宝石晶体
6.1 水热法合成水晶晶体 6.2 水热法合成刚玉类晶体 6.3 水热法合成祖母绿晶体 6.4 水热法合成海蓝宝石晶体
6.1 水热法合成水晶晶体
原理
溶解过程： SiO2+NaOH——Na2Si3O7+H2O SiO2+NaOH——Na2Si2O5+H2O 结晶过程： Na2Si3O7+H2O——2Na++2OH-+Si3O6 Na2Si2O5+H2O——2Na++2OH-+Si2O4
（ 1 ）结构水：天然祖母绿的结构中不仅含有 Ⅰ型水（不含碱或含碱少的条件下生长），而 且存在Ⅱ型水（含碱高的条件下生长）。而水 热法合成祖母绿只有Ⅰ型水。结构上的差异使 得二者在红外光谱下的特征吸收峰不同。
祖母绿结构中的水分子示意图 各种类型祖母绿的红外光谱
晶体结构特征和红外光谱特征 （ Nhomakorabea）籽晶片
由于内部要装酸、碱性的强腐蚀性溶液，当温度和
压力较高时，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，以防矿化剂与釜体材料发
生反应。
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。如合成水晶时，由于溶
液中的SiO2与Na2O和釜体中的铁能反应生成一种在
该体系内稳定的化合物，即硅酸铁钠（锥辉石
工艺参数
（1）悬浮管：均为贵金属，熔点高，密封性要好。 （2）温度和压力： Td：600～620oC，△：50oC左 右，压力约为 8.3X107Pa。 （3）培养料：碎水晶SiO2、Al(OH)3、Be(OH)2等。
工艺参数
（4）种晶：海蓝宝石或无色绿柱石，平行柱面 （1010）和 （0001）切取或者沿与柱面斜交 角度35o。 （5）着色剂：CrCl3.6H2O，晶体呈鲜艳绿色 （含铬约0.9％）。
在LW和SW下，合成红宝石显示比天然红 宝石更强、更亮的红色荧光。 合成黄色蓝宝石在LW下呈惰性，多数晶体 在SW下具有分带性，籽晶片为中～弱的蓝白色 荧光，少数晶体在SW下也呈惰性。
6.3 水热法合成祖母绿晶体
原理
祖母绿化学式：Be3Al2Si6O18 致色剂：Cr3+
合成方法：营养料反应法
营养料：SiO2、Al(OH)3、Be(OH)2、CrCl3.6H2O
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。 此法曾用于生长水晶，通常用碳酸钠溶液为矿化 剂，无定形硅作为培养料，水晶片作籽晶。当溶 液温度接近水的临界温度时，处于不稳定状态的 无定形硅发生溶解，进而当高压釜内 SiO2 浓度达 到过饱和度时，晶体便开始在籽晶上生长。此法 的缺点是无法生长出晶形完整的大晶体。
（6）矿化剂及充填度：最早使用中性到 碱性矿化剂，目前最多的是12 mol/L盐酸， pH<0.1，酸性环境可以防止铬沉淀，有利 于铬进入生长晶体中，使晶体致色。 （7） 充填度：高压釜内加入溶液的量要
用高压釜反应腔体积减去悬浮管体积。
（8）生长速率： 0.1～0.8 mm/d。
晶体结构特征和红外光谱特征
NaFeSi2O6 acmite）附着于容器内壁，从而起到保护
层的作用。
矿化剂指的是水热法生长晶体时采用的溶剂， 通常可分为以下五类： 1) 碱金属及铵的卤化物 2) 碱金属的氢氧化物 3) 弱酸与碱金属形成的盐类 4) 强酸 5) 酸类（一般为无机酸）
3.水热法宝石晶体生长的分类
3.1 等温法
晶体内部特征
a、气液包裹体：生长过程中水的参与而形成，与天
然的极为相似，主要区别在于二者包裹体形态
略有不同，合成的边缘圆滑且较规则。 b、气泡群：早期的较多，现在一般难以见到。 c、籽晶片 d、固体包裹体：呈点絮状或团絮状分布的黄金或箔 金微晶集合体，还可见白的Al(OH)3粉末，外 形似面包屑。
高温饱和溶液被输送到生长区。高压釜上部的温度
低，下部的饱和溶液升到上部随即成为过饱和状态，
溶质就在籽晶上不断地析出，并使籽晶长大。
温差法高压釜
4. 水热法生长宝石晶体的 优缺点 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VO2)。
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。 c、此法生长晶体时，由于与自然界生长晶体条件很
晶体内部特征
e、生长纹理和色带
锯齿状微波纹，分布在籽晶片与生长层之间。色
带不规则，多呈楔状或者条带状。
f、云烟状裂纹
一般内部较为干净，但由于存在开裂现象，早期
合成的红宝石晶体可见云烟状裂隙，并较为发育。
光谱及紫外荧光特征
a、紫外－可见光吸收光谱特征
水热法合成红宝石晶体显示典型的贫铁含铬 吸收光谱，紫外区域内241 nm谱带是区别于天然 红宝石的重要特征。
下不溶或难溶的的物质溶解，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。
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。
2.合成装置
主要装置：
高压釜 加热器 控温设备 原料、溶剂、
光谱及紫外荧光特征
b、红外光谱特征
水热法合成红宝石普遍存在3307、3231、 3184、3013 cm-1的Al－OH伸缩振动和2364、 2348 cm-1 的 KHCO3中O－H伸缩振动，黄色合成 蓝宝石在3600～3000 cm-1范围内有一系列的OH 或结晶水振动。
光谱及紫外荧光特征
c、紫外荧光特征
（4）营养料：Al2O3或合成刚玉碎料和Al2O3混合物。
（5）种晶 ：沿Z轴成不同角度的方向切成圆棒或条
片状。
（6）挡板： 釜内径2.22mm，挡板孔0.64mm，对 生长影响不明显。
水热法合成刚玉宝石致色离子与颜色关系图
晶体的外部特征
a、晶形: 外形多为厚板状－板状，常见的单形有六方
双锥，次为菱面体，偶见复三方偏三角面体及平行双面。 b、晶面条纹: 六方双锥晶面上普遍发育有各种生长花 纹，常见的有舌状或乳滴生长丘、阶状生长台阶、格状 生长纹理和不规则生长斜纹，偶见放射纤维状条纹。 c、开裂现象: 沿籽晶面裂开或者在（22-43）晶面上呈 规则的网状开裂。
（4）生长条纹
石英晶体各向异性导致不同方向上生长速率不
同产生位移而形成。
水热法合成水晶的鉴别特征
天然及人工合成水晶对波长 为0.15～4um光谱的透过率曲线
天然紫晶与合成紫晶的红外吸收光谱
6.2 水热法合成刚玉类晶体
原理
化学反应式： Al2O3 + H2O → Al2O22+ Al2O22+ + H2O → AlO2种晶刚玉晶面上是吸附了OH-离子的原子团， AlO2-取代OH-就位在种晶上，不平衡的O2-又被 OH-取代，重新恢复到活化状态，使晶体不断生 长。 Al-OH- + AlO2- → Al-O-Al-O + OH-
工作条件和工艺参数
（1）温度、压力 T>470oC，P：7.5x107Pa
（2）高压釜 GH33高温合金钢来制造，用银或箔
金作内衬。
（3）矿化剂 NaHCO3＋KHCO3 混合液效果较好，
或者选用Na2CO3 + KHCO3. 适当提高矿化剂浓度可
以提高生长率。充填度（80%）。