宝石人工合成方法第三部分

一、原理：在高压釜内，从过饱和溶液中生长宝石晶体

二、分类（按晶体生长的运输方式不同）

1、等温法：

在高压釜内无温差的条件下，采用矿化剂，加热溶液温度接近水的临界温度时，使不稳定相/亚稳定相的原料不断溶解，直至溶液达到过饱和状态时，即在稳定的籽晶上生长，这是利用物质的溶解度差异生产晶体的方法。

2、温差法：在封闭的高压釜中，高温高压条件下，原料在釜内下部温度较高部位溶解达饱和状态，并逐渐向上部温度较低部位流动，形成过饱和溶液后即以籽晶为核心生长晶体的方法。

采用温差法使晶体生长的条件是：

（1）原料在高温高压的矿化剂水溶液中，具有一定的溶解度且为稳定的单一相。

（2）原料的溶解度温度系数大，高温溶解，低温则形成足够的过饱和度。

（3）籽晶的切型易于晶体的生长。

（4）溶液密度的温度系数要足够大，能起到溶液的对流及溶质传输作用。

（5）备有耐高温高压抗腐蚀的容器。

三、设备

1.高压釜:具有耐热耐压抗腐蚀性好抗蠕变性强的特种合金钢圆形钢筒.

2.加热炉:提供加热温度和温度梯度.加热的方式有两种(1)加热板结合不同厚度的保温层调节温度梯度(2)位置分布不同的可控制的电阻绕组管式加热炉.

3.密封系统:压缩式、拉封式.密封材料有银、纯铁、石墨、铜等各种软金属.

六、水热法合成宝石的优缺点：

1、适宜高温下存在相变和在接近熔点时近乎分解的材料。

2、合成晶体完整、粒大、质优，能很好地控制材料成分。

3、生长的条件与自然界相似,合成晶体与天然宝石最接近。

4、设备贵，内压大，安全性差.

5、生产过程均在釜内进行不直观。

6、晶体生长的速度慢、周期长，产量受高压釜空间限制。

7、需要适当大小的优质籽晶。

一、影响因素

(一)矿化剂（溶剂）的性质和浓度

矿化剂的作用

使结晶物质具有比较大的溶解度。

使结晶物质具有足够大的溶解度温度系数。

不同宝石需用不同的矿化剂；同一宝石采用不同矿化剂，合成晶体质量和生长速度亦不相同。

矿化剂溶液的浓度影响晶体生长速度，浓度过大过小都可大大地降低宝石晶体的生长速度。

(二)温度与温差晶体生

长受各种物理、化学条件影响。在高压釜内：

若温差一定时,T U(生长）；若温度一定时，T(温差）U(生长）

不良反应：若生长速度过大，原料供应不足，晶体易出现裂隙。温差愈大，溶液的对流速

度和溶质的转移量越大，质量交换越快，晶体的包裹体越多。

(三)压力和充填度（装满度）

在一定的温度和溶液浓度条件下，高压釜内的压力是由反应腔内溶液的充填度所决定的。充填度：加入溶液的体积占反应腔自由体积的百分比。

同一温度下，充填度越高，P U (生长）

充填度可调整釜内压力。不良反应：充填度过大，釜内压力过大，给材料的选择带来困难，并易造成安全隐患。充填度一般不应超过86%。

(四)对流挡板

高压釜中生长区和溶解区之间装有挡板，挡板上打有圆孔。

对流挡板作用

调整生长系统的质量交换

开孔率越大，上下区温差越小，晶体的生长速度越小

不同口径的高压釜，其开孔率不同，小口径以10%—20%为好；大口径以5%—7%为宜；大于200mm的高压釜以3%—5%为好。

(五)籽晶取向

因为晶体具各向异性，不同的晶面，生长速度不同。所以合成宝石时必须对籽晶进行定向及切型，以利于晶体的生长。

例：水晶的定向有：垂直于Z 轴；平行于Y 轴。

刚玉的定向有：垂直于Z 轴。

(六)、培养体

多为合成宝石化学成分的氧化物材料。要求其量足、

质地均匀无杂质，表面洁净且具有一定的表面积比。

增大生长区和溶解区温差

二水热法生长宝石晶体的工艺条件

三(一)水晶

彩色水晶的颜色与掺入杂质种类、含量和辐照剂有关

(二)祖母绿

1.设备高压釜:(尺寸比水晶小)并使用黄金/铂作内衬.

加热系统和控温系统等.

2.培养料:二氧化硅(64-67%) 氧化铝(17-19%)氧化铍(14-15.5%)及少量氧化铬.

3.矿化剂: 酸性溶液4-2molHCl.

4.籽晶:天然海蓝宝石(1010),(0001)或与柱面35°切片.

5.工艺流程:把培养料装入釜内,用螺母封闭.加热高压釜,SiO2在顶部分解,其他在底部溶解,上下釜存在温度差,溶液对流,分解的培养料在中部相遇,在适当的温度梯度和过饱和度下,围绕籽晶结晶.

(三)梯形水热法合成红宝石(桂林)

1.设备；高压釜:38mm*700mm,及与高压釜配套的温差井式电阻炉(三段控温方式)组成,黄金作内衬.用双锥封闭环等封闭.

2.生长条件:溶解区550-580℃,生长区505-515,温差=45-65℃. 1.5-2*108Pa .充填度:55-65%.生长速度U=6.5-7.5 ct/d.

2.培养料:一定数量,粒径=5-7mm焰熔法合成无色刚玉碎块和少量的氢氧化铝粉末及少量致色离子氧化物.

3.矿化剂: 碱金属碳酸盐复杂溶液.总浓度2-3mol/L ,液固体比1.8-2ml/g.常用CcO-Cu2O或PbO-PbO为氧化-还原缓冲剂.是着色剂5-10倍.

4.籽晶切片:平行(2243).六方双锥

5.工艺流程: 把培养料装入釜内,用螺母封闭.加热高压釜,SiO2在顶部分解,其他在底部溶

解,上下釜存在温度差,溶液对流,分解的培养料在中部相遇,在适当的温度梯度和过饱和度下,围绕籽晶结晶. 6.特点:黄金丝作为梯形籽晶架,一次可放6-10个籽晶.彩色刚玉的生长周期7-10d;单炉生长晶体

350-450ct;单个晶体重60-90ct;晶体成板状大小多为30mm*25mm*10mm.无色合成刚玉的单晶生长速度是彩色的2-3倍.

一、水热法合成水晶与天然水晶的区别

1．颜色：

合成水晶是在相对稳定的条件下人工生产而成。批量样品过多表现出颜色的统一性。

（1）无色水晶有统一的高透明度。（2）彩色水晶具有均匀、统一的颜色。（3）颜色呆板，不自然。天然彩色水晶一般都有颜色深浅不均现象，且颜色柔和、自然。

2.种晶：（1）可见种晶板，种晶板有白色、彩色。它与晶体之间有清楚的界限及颜色差异。（2）少量杂质自发成核形成了微小双晶分布在种晶板或有缺陷的部位，即花絮状双晶。显微镜下呈白色雾状。（3）种晶板附近常出现应力裂隙。裂细小呈弯折状，与种晶有夹角，在切磨好的宝石顶部，有时可见这种雁行排列的裂纹。

3、包裹体

天然水晶固态包体品种繁多(金红石、电气石、FeS、水晶)。而合成水晶的固态包裹体主要是未溶解的原料或石英微晶核。这种包裹体都表现为面包渣状。

（生长条件稳定时少，不稳定时多，特别是生长中断时，平行于种晶板的大量“面包渣”沿生长面平行出现——桌面灰尘)

桌面灰尘一层甚至2—3层贯穿于整个晶体。它与天然水晶中的气液包裹体相似，但有区别：

4.色带：

天然水晶色带、色斑发育，可有角状色带。合成彩色水晶亦可出现色带，但仅出现一组。色带往往平行于种晶板。合成紫色带平行于菱面体(正r负z)方向且伴随色带出现平行的密集的生长纹。

合成黄水晶色带垂直光轴方向且伴随色带出现密集生长纹。

5.双晶

天然：巴西律、道芬双晶，双晶可贯穿

晶体，也可发育在局部。

非双晶区：牛眼;双晶区：“螺旋

桨”状干涉图

合成：双晶存在于种晶板附近，呈细小

的凹面多面体,鼓包状和花絮状

双晶。只见牛眼干涉图。

6.红外光谱

对于那些非常纯净、生长痕迹均不明显的水晶饰品

用常规仪测试天然与合成较困难，需借红外光谱仪。

红外光谱主要测试：水晶中的（OH）-1、H2O ，它们表现为

3200cm-1—3600 cm-1区间的伸缩振动带

1500cm-1—1700 cm-1区间的弯曲振动带

5200cm-1伸缩振动与弯曲振动的合频谱带