宝石的优化处理和对比特性

宝石的优化处理和对比特性

第一节 合成和人造宝石的概念

一、合成宝石

二、人造宝石

三、人工宝石

四、再造宝石和仿制宝石

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。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，故人工宝石材料成为宝石的替代品 ，在市场上也占有一定的份额，随着合成技术进步，合成宝石的特性也越来越接近天然品种，宝石学家不断面临合成宝石的挑战。

一、合成宝石 1.定义

用各种原料通过晶体生长等方法制备的、在化学成分、晶体结构、物理性质上与其天然的对应宝石基本相同的材料。 2.要点

（1）有天然的对应物：例如合成红宝石对应天然红宝石，它们的物理性质、化学成分和原子结构都基本相同。 （2）化学成分、原子结构、物理性质基本相同，但存在一定的差异: 例如天然尖晶石的化学成分上MgO:Al2O3为1比1，而合成尖晶石为1比1.5-3.5。天然尖晶石的折射率为 1.718，合成尖晶石的为1.727。这些差异使得合成宝石的鉴别成为可能。

二、人造宝石

指人工生产的、没有天然对应物的、具有宝石的工艺性能的材料，例如钇铝榴石（Y3Al5O12 ）。

三、人工宝石

合成宝石和人造宝石的统称。

四、再造宝石和仿制宝石

1.再造宝石：将一些天然宝石的碎块、碎屑经人工熔结后制成。常见的有再造琥珀。

2.仿制宝石: 完全或者部分由人工生产的材料，它们模仿天然宝石或者人造宝石的颜色和外观，但不具有所仿宝石的化学成分、物理性质以及晶体结构，如玻璃和塑料做成的仿制品。

第二节从熔体中结晶的方法

一、焰熔法

二、晶体提拉法

三、冷坩埚法

从熔体中生长晶体的方法是最早研究出的合成宝石的方法，也是广泛应用的合成方法。从熔体中生长单晶体的最大优点是生长速率快，大于在溶液中的生长速率，二者速率的差异在10-1000倍。从熔体中生长晶体的方法主要有焰熔法、提拉法和冷坩埚法。从熔体中结晶合成宝石的基本过程是：粉末原料→加热→熔化→冷却→超过临界过冷度→结晶。

一、焰熔法

1.焰熔法最早是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轰动一时的“日内瓦红宝石”。后来于1902年弗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。焰熔法的基本原理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种晶上固结逐渐生长形成晶体。

2. 焰熔法合成工艺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（图7-2-1）中进行的。

图7-2-1 维尔纳叶法装置

(1)供料系统三氧化二铝粉末通过焙烧铝铵矾来制备，如果合成红宝石，则需要加入

少量的Cr2O3致色剂，添加量为1-3%，原料的粉末经过充分拌匀后放入料筒。料筒：圆筒状，底部有筛孔，料筒中部贯通有一根震动装置使粉末少量、等量、周期性地从筛孔漏出。

（2）燃烧系统氧气管：从料筒一侧释放出氧气，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，氢氧燃烧温度为2500℃，Al2O3的熔点为2050℃。通过控制管内流量来控制氢氧比例，使之为O2:H2=1:3。冷却套：吹管至喷嘴处有一冷却水套，保证火焰以上的氢氧气管道不被熔化。

（3）生长系统燃烧室和保温炉：用耐火砖砌成，作为燃烧室，并保持温度，近上部有一个观察孔，可了解晶体生长情况。Al2O3粉末经过氢氧火焰熔融并落在下方的种晶棒上。旋转平台：安置种晶棒，边旋转、边下降，落下的熔滴在种晶上冷却结晶，通过控制下降速度使晶体扩大生长直径，达到一定的尺寸后，以均匀的速度边旋转边下降，使晶体得以等径生长。梨晶：长出的晶体形态类似梨形，故称为梨晶（图7-2-2）。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。

图7-2-2 焰熔法生长的各种梨晶

因为生长速度快，内应力很大，停止生长后，应该轻轻敲击，让它沿纵向裂开成两半以释放内应力，避免以后产生裂隙。

（4）焰熔法的特点：

生长速度快、设备简单、产量大、便于商业化。世界上每年用此法合成的宝石大于10亿克拉。但用此方法合成的晶体缺陷多，往往达不到功能材料（如光电材料）的要求，多用于宝石。

3. 焰熔法合成宝石的品种焰熔法合成宝石的品种主要有：合成刚玉、合成尖晶石、合成金红石、钛酸锶等多种品种。合成的刚玉族宝石有多种的颜色，致色剂和天然的可以不同：合成红宝石：加入1-3% 的Cr2O3；合成蓝宝石：加入TiO2和FeO，但Ti和Fe 的逸散作用，使合成蓝宝石常常有无色核心和蓝色表皮；粉红色和紫红色：加入Cr、Ti、Fe等致色元素；黄色：加入Ni和Cr致色元素；变色：加入V（和Cr）；显紫红色到蓝紫色的变色效应；星光：加入0.l一0.3%的TiO2，然后通过在l300度下恒温24小时，使TiO2成针状的金红石析出，产生星光效应。

4.焰熔法合成宝石的识别特征（1）原始晶形焰熔法合成的宝石原始晶形都是梨形。而天然宝石的晶体形态为一定的几何多面体。市场上也出现过将焰熔法合成的梨晶破碎，再经过滚筒磨成毛料，来仿冒天然原石。（2）包裹体和色带

图7-2-3 焰熔法合成红宝石中的气泡及弯曲生长纹

合成红、蓝宝石中常可见气泡和未熔粉末。气泡一般小而圆，或似蝌蚪状，可单独或成群出现（图7-2-3）；合成尖晶石中气泡和未熔粉末较少出现，偶尔出现的气泡多为异形。

（3）弯曲生长纹红宝石中常见低反差的弧形生长纹，类似唱片纹（图7-2-3）；蓝宝石的弯曲生长纹较粗而不连续；黄色蓝宝石很少含有气泡，也难见到生长纹。天然红宝石和蓝宝石都显示直或角状或六方色带。合成尖晶石很少显示色带。

（4）吸收光谱合成蓝宝石缺失450nm的吸收带；合成蓝色尖晶石显示典型的钴谱（分别位于540、580、635nm的三条吸收带），天然蓝色尖晶石显示的是蓝区的吸收带，为铁谱。（5）荧光合成蓝宝石有时显示蓝白色或绿白色荧光，天然的为惰性；合成蓝色尖晶石为强的红色荧光，而天然的也为惰性。合成红宝石通常比天然红宝石的红色荧光明显强。

图7-2-4合成刚玉帕拉图

（6）帕拉图法浅色的合成蓝宝石看不到弯曲生长纹，可用这一方法。将样品浸于盛有二碘甲烷的玻璃器皿中，在显微镜下沿光轴方向加上正交偏光片观察，合成蓝宝石可以观察到两组夹角为120度的结构线（图7-2-4）。

（7）红、蓝宝石的加工质量方面鉴别天然合成红、蓝宝石的加工质量通常较为精细，其台面通常垂直光轴，以显示最好的颜色。合成红、蓝宝石梨晶的长轴方向与光轴方向夹角为60度，为了充分利用原料，其台面通常会平行长轴方向切磨（图7-2-5）。所以合成刚玉在台面通常都可见多色性，而天然的则不然。焰熔法合成星光蓝宝石与天然星光蓝宝石的鉴别列于表7-2-1。

（8）异常双折射

焰熔法合成尖晶石与天然尖晶石的区别见表7-2-2，图7-2-6为合成尖晶石的斑纹状消光。焰熔法合成尖晶石与天然尖晶石的区别列于表7-2-2 。