第二章 焰熔法合成宝石及鉴定

第二章.焰熔法及焰熔法合成宝石的鉴定

要点：

1．焰熔法基本原理、合成装置与条件、过程及特点

2．合成品种

3．焰熔法合成宝石的鉴定

一、焰熔法合成方法

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。

1．基本原理

焰熔法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籽晶上固结逐渐生长形成晶体。

2．合成装置与条件、过程

图2-1 维尔纳叶法合成装置

(点击可进入多媒体演示)

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2-1）中

进行的。

A．供料系统

原料：成分因合成品的不同而变化。原料的粉末经过充分拌匀，放入料筒。

料筒（筛状底）：圆筒，用来装原料，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、周期性地自动释放。

震荡器：使料筒不断抖动，以便原料的粉末能从筛孔中释放出来。

如果合成红宝石，则需要Al2O3和 Cr2O3，三氧化二铝可由铝铵矾加热获得；致色剂为Cr2 O3 1-3%，

B．燃烧系统：

氧气管：从料筒一侧释放，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。

通过控制管内流量来控制氢氧比例，O2：H2===1：3；

氢氧燃烧温度为25000C，Al2O3粉末的熔点为20500C；

冷却套：吹管至喷嘴处有一冷却水套，使氢气和氧气处于正常供气状态，保证火焰以上的氧管不被熔化

C．生长系统

落下的粉末经过氢氧火焰熔融，并落在旋转平台上的籽晶棒上，逐渐长成一个晶棒（梨晶）。水套下为一耐火砖围砌的保温炉，保持燃烧温度及晶体生长温度，近上部有一个观察孔，可了解晶体生长情况。耐火砖：保证熔滴温度缓慢下降，以便结晶生长；

旋转平台：安置籽晶棒，边旋转、边下降；落下的熔滴与籽晶棒接触称为接晶；接晶后通过控制旋转平台扩大晶种的生长直径，称为扩肩；然后，旋转平台以均匀的速度边旋转边下降，使晶体得以等径生长。

图2-2 焰熔法生长的各种梨晶

梨晶：长出的晶体形态类似梨形，故称为梨晶。梨晶大小通常为长23cm，直径2.5-5cm。图2-2。

生长速度：1厘米/小时，一般6小时完成即可完成生长。

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。

特点：方法特点：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。但用此方法合成的宝石晶体缺陷多、容易识别。

二、合成品种

1．合成刚玉：

合成红宝石：加入致色元素 Cr2 O31-3%

合成蓝宝石：加入致色元素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, 颜色分布不均匀；

粉红色和紫红色：加入致色元素Cr、Ti、Fe；

黄色：加入致色元素Ni和Cr；

变色刚玉：加入V和Cr；显紫红色到蓝紫色的变色效应。

除祖母绿外，任何颜色的刚玉都可以合成。

星光刚玉：如需要合成星光刚玉，则需要在上述原料中再添加0.l一0.3%的TiO2，这样长成的梨晶中，TiO2呈固熔体分布于刚玉晶格中，并没有以金红石的针状矿物相析出。必须在l300度恒温24小时，让金红石针沿六方柱柱面方向出溶，才能产生星光效应。

各种合成刚玉品种的致色元素总结于下表。

表2-1 各种合成刚玉的致色元素

2．合成尖晶石：

市场上所见到的合成尖晶石几乎全是由焰熔法生产，但也可用助熔剂法生产。

原料：

红色： MgO：Al2O3==1：1，致色元素Cr2 O3；

其它颜色的用1:1的比例难以合成，但红色尖晶石只有以1：1的比例才能合成。由此合成的红色尖晶石性脆，所以市场上少见。蓝色尖晶石的合成是人们在合成蓝宝石的实验中偶然获得的。当时人们还不了解蓝宝石的致色元素是Ti和Fe，人们曾经尝试过加入致色元素V、Co、Fe、Mg等，当终于获得蓝色合成品时，人们以为是蓝宝石，结果是合成蓝色尖晶石。

蓝色：MgO：Al2O ===1：1.5-3.5，致色元素Co；

绿色：MgO：Al2O ==1：3

褐色：MgO：Al2O ==1：5

粉红色：MgO：Al2O ===1：1.5-3.5 致色元素Cu；

有月光效应的无色品种： 1：5，过多的氧化铝未熔形成无数细小针状包体导致月光效应，有时甚至形成星光。

烧结蓝色尖晶石：由钴致色，并加入金粉，用来仿青金岩。

3．金红石：

图2-3 合成金红石的装置（马福炉）局部图

天然的金红石常呈细小针状，以大晶体产出的多为褐红色而且多裂，很少有宝石级的材料。合成金红石的目的不是为了替代天然金红石，而是为了模仿钻石。在合成立方氧化锆出现后，合成金红石很少生产了。

因为TiO2在燃烧时易脱氧，所以需要充足的氧，在合成刚玉的装置上多加了一个氧管（见图2-3）。TiO2的熔点为18400C，粉末熔化，再在支座的种晶上结晶。

获得的梨晶为蓝黑色，这是因为高温下形成了Ti33+和相应的氧空位。通过在高温氧化环境中退火处理，退火温度为800-10000C，即可去除蓝黑色，变为淡黄色到近无色的透明晶体。如果在原料中掺入Sc2O3，则可直接获得近无色的晶体。这是因为掺入的Sc2O3在晶体中形成的氧空位会提高晶体中的氧的扩散系数，使晶体在降温过程中就完成氧的扩散和退色。

合成金红石的宝石学性质

化学成分：TiO2；

四方晶系

光泽：金刚光泽；

透明度：透明；

颜色：无色者常带浅黄色调。还可有红、橙、黄、蓝色者。

硬度：6-6.5；

相对密度：4.25；