04 第四章 宝石的合成及优化

焰熔法合成的梨晶
焰熔法合成宝石的特点
1）具有弯曲生长纹。这是焰熔法特殊的晶体 ）具有弯曲生长纹。 生长方式所决定的。 生长方式所决定的。 2）可能含有大量的气泡而不是天然宝石中常 大量的气泡而不是天然宝石中常 ）可能含有大量的气泡 见的气液两相的包裹体。 见的气液两相的包裹体。这时因为焰熔法 的晶体是在高温下生长的。 的晶体是在高温下生长的。其中有大量氢 气和氧气的参与但没有水的参与。 气和氧气的参与但没有水的参与。 3）晶体生长速度快，生产成本低。 ）晶体生长速度快，生产成本低。
第四章 宝石的合成与优化
本章主要介绍合成宝石常见的几种 合成方法及这些宝石的主要识别特征； 合成方法及这些宝石的主要识别特征； 还介绍了宝石优化处理的方法和鉴别特 征，以及国家有关标准中关于宝石优化 的一些规定。 的一些规定。
第一节 宝石的合成
一、概 述 合成宝石最早始于十九世纪。二十世纪初， 合成宝石最早始于十九世纪。二十世纪初， 维尔纳叶成功地进行了合成红宝石和合成蓝宝石的 维尔纳叶成功地进行了合成红宝石和合成蓝宝石的 商业化生产。目前， 商业化生产。目前，几乎所有的天然宝石都可以用 人工的方法合成出来。 人工的方法合成出来。 区分合成宝石与天然宝石是宝石界的一项重要 且艰巨的任务。为此， 且艰巨的任务。为此，必须首先了解合成宝石的方 工艺过程和形成环境等， 法，工艺过程和形成环境等，进而找出它们的鉴定 方法和鉴定依据。 方法和鉴定依据。
水热法成长水晶的装置
生长原理（以水晶为例） 生长原理（以水晶为例）
原料： 原料：块石英 溶液： 溶液：Na2CO3或NaOH和KOH溶液 或 和 溶液 温度：340-360℃ 温度：340-360℃ 压力： 压力：1000个大气压 个大气压 周期：40-60天 周期： 天
生长原理（以水晶为例） 生长原理（以水晶为例）
水热法合成宝石的特点
水热法的生长条件最接近于自然界宝石生长 的条件。因此， 的条件。因此，用水热法合成的宝石不易与相应 的天然宝石相区别。 的天然宝石相区别。水水热法合成宝石中可能含 有的包裹体有： 有的包裹体有： 1)气液两相包裹体。这也是天然宝石中常有 气液两相包裹体。 气液两相包裹体 的包裹体。 的包裹体。 2)高压釜内壁上掉下的包裹体，如面包渣状 高压釜内壁上掉下的包裹体， 高压釜内壁上掉下的包裹体 包裹体、白金片等。 包裹体、白金片等。这是与天然宝石相区别的主 要特征。 要特征。 3)籽晶片 籽晶片
焰熔法合成红宝石中的弯曲生长纹
不同的宝石所用原料的成分不同
宝石 红宝石 蓝宝石 仿变石 颜色 红 蓝 灰蓝灰蓝-紫红 主要成分 Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3 +MgO Al2O3+TiO2 Al2O3+TiO2 着色剂 Cr Fe+Ti V Co Cr Fe+Ti
合成尖晶石 蓝 星光红宝石 红 星光蓝宝石 蓝
当高压釜内加入原料、 当高压釜内加入原料、溶液和籽晶并密 封后，用加热器进行加温， 封后，用加热器进行加温，在釜内产生温度 和压力。高压釜下部由于温度较高， 和压力。高压釜下部由于温度较高，原料中 的SiO2逐渐向溶液中溶解。而高压釜上部的 逐渐向溶液中溶解。 逐渐向溶液中溶解 温度较低，溶液处于过饱和状态。 温度较低，溶液处于过饱和状态。SiO2便析 便析 在籽晶上逐步生长成晶体。 出，在籽晶上逐步生长成晶体。经过一个周 期的生长后，便可打开高压釜，取出晶体。 期的生长后，便可打开高压釜，取出晶体。
装置与晶体生长过程（红宝石为例） 装置与晶体生长过程（红宝石为例）
焰熔法的装置主要包括三个部分： 焰熔法的装置主要包括三个部分： 原料系统：主要有料筒、振动器和原料。 原料系统：主要有料筒、振动器和原料。原 料为Al2O3和Cr2O3。因为红宝石的主要成分为 料为 和 。 Al2O3,其中的 其中的Cr2O3是用来产生红宝石的红色。 是用来产生红宝石的红色。 其中的 是用来产生红宝石的红色 燃烧系统：主要有氧气、氢气、火焰、 燃烧系统：主要有氧气、氢气、火焰、耐火 冷却套等。焰熔法采用氢氧焰作为热源。 砖、冷却套等。焰熔法采用氢氧焰作为热源。两 个相套的管子分别输入氢气和氧气， 个相套的管子分别输入氢气和氧气，在喷嘴处混 合后燃烧，产生2500℃的高温，用来熔化原料。 合后燃烧，产生 ℃的高温，用来熔化原料。 生长系统：生长晶体（梨晶）、籽晶、 ）、籽晶 生长系统：生长晶体（梨晶）、籽晶、旋转 杆等
装置与晶体生长过程
提拉法的生长装 置由坩埚，熔体（ 置由坩埚，熔体（原 料）、晶种与晶体提 ）、晶种与晶体提 拉机构、 拉机构、高频加热器 与温度控制系统以及 炉体和气氛控制系统 等组成。 等组成。坩埚材料主 要是耐高温抗腐蚀的 钼等金属。 铂、铱、钼等金属。
装置与晶体生长过程
晶体生长时， 晶体生长时，将所需的原料放入坩埚 并用高频线圈加热至原料熔化。 内，并用高频线圈加热至原料熔化。将熔 体表面的温度控制在晶体熔点， 体表面的温度控制在晶体熔点，让晶种接 触熔体表面。然后在拉杆的作用下缓慢旋 触熔体表面。 转提拉。在晶种的端部发生结晶作用， 转提拉。在晶种的端部发生结晶作用，形 成圆棒状的晶体。 成圆棒状的晶体。
二、合成方法之二——提拉法 合成方法之二 提拉法
是一种常用的晶体生长方法。 是一种常用的晶体生长方法。能在 较短的时间内生长出高质量的大晶体。 较短的时间内生长出高质量的大晶体。 但它设备昂贵，生产成本高。 但它设备昂贵，生产成本高。 合成宝石中大多数氧化物类的晶体， 合成宝石中大多数氧化物类的晶体， 如红宝石、蓝宝石、尖晶石、变石、 如红宝石、蓝宝石、尖晶石、变石、 YAG、GGG等都可用提拉法生长。 等都可用提拉法生长。 、 等都可用提拉法生长
晶体的生长过程
料筒中的原料在振动器的作用下， 料筒中的原料在振动器的作用下，从 料筒底部落下。 料筒底部落下。经过由氢气和氧气燃烧产 生的火焰发生熔融作用， 生的火焰发生熔融作用，产生的熔体并落 在旋转杆顶端的籽晶上冷却结晶。 在旋转杆顶端的籽晶上冷却结晶。随旋转 杆下降，晶体一层一层地生长，不断长大， 杆下降，晶体一层一层地生长，不断长大， 形成梨晶。梨晶在生长过程中， 形成梨晶。梨晶在生长过程中，其顶部始 终保持厚度约20µm的熔融层。晶体生长速 的熔融层。 终保持厚度约 的熔融层 度一般为1cm/h。 度一般为 。
提拉法合成宝石的特点
提拉法生长的晶体质量好， 提拉法生长的晶体质量好，宝石中的 内含物较少。 内含物较少。有时含有少量的气泡及弯曲 生长纹。 生长纹。
二、合成方法之三——水热法 合成方法之三 水热法
水热法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， 些在大气条件下不溶或难溶的物质溶解， 或反应生成含有宝石分子的溶液，通过 或反应生成含有宝石分子的溶液， 控制高压釜内溶液的温差产生对流 ，使 溶液过饱和而析出溶质生长晶体的方法 的方法。 溶液过饱和而析出溶质生长晶体的方法。 这种方法与天然宝石在热液成矿过程中 形成的方式非常相似。 形成的方式非常相似。
这类方法的特点是液体的成分与宝石 的成分不同， 的成分不同，宝石生长的基本条件是溶液 达到过饱和后， 达到过饱和后，晶体从过饱和的溶液结晶 出来。 出来。 具体的方法有：水热法、助熔剂法 具体的方法有：水热法、
二、合成方法之一——焰熔法 合成方法之一 焰熔法
焰熔法也称维尔纳叶法， 焰熔法也称维尔纳叶法，是由法国人 维尔纳叶于1905年发明并用于红宝石的合 维尔纳叶于 年发明并用于红宝石的合 至今已有100多年的历史。 成，至今已有 多年的历史。 该方法的特点是设备简单、晶体生长 该方法的特点是设备简单、 速度快，成本低。 速度快，成本低。它是目前合成宝石的最 常用的方法
1882年人们就开始了水热法合成晶体的研究 最早获 年人们就开始了水热法合成晶体的研究, 年人们就开始了水热法合成晶体的研究 得成功的是合成水晶。二十世纪上叶， 得成功的是合成水晶。二十世纪上叶，由于军工产品 的需要，水热法合成水晶投入了大批量的生产。 的需要，水热法合成水晶投入了大批量的生产。 水热法合成红宝石于1943获得成功。 获得成功。 水热法合成红宝石于 获得成功 1946年奥地利首先成功合成水热法 祖母绿 年奥地利首先成功合成水热法 1965年美国开始水热法合成祖母绿的商业生产。 年美国开始水热法合成祖母绿的商业生产。 年美国开始水热法合成祖母绿的商业生产 1988年我国有色金属工业总公司广西桂林宝石研究所 年我国有色金属工业总公司广西桂林宝石研究所 用水热法合成出质量较好的宝石级祖母绿 。 九十年代俄罗斯合成出了海蓝宝石、红色绿柱石等其 九十年代俄罗斯合成出了海蓝宝石、 它颜色的绿柱石。 它颜色的绿柱石。
装置与晶体生长过程
它包括高压釜、加热器、控温设备以及原料、 它包括高压釜、加热器、控温设备以及原料、 高压釜 溶液、籽晶等。 溶液、籽晶等。 高压釜是一个用特种钢制作的的圆柱形容器。 高压釜是一个用特种钢制作的的圆柱形容器。 它耐高温高压和耐腐蚀。 它耐高温高压和耐腐蚀。 加热器一般用电阻丝加热， 加热器一般用电阻丝加热，按温度场的要求 设计，上部冷，下部热。 设计，上部冷，下部热。 高压釜内加生长晶体所需的原料、 高压釜内加生长晶体所需的原料、矿化剂溶 液和籽晶
我国的水热法合成祖母绿
水热法合成宝石的识别特征
铂金片： 铂金片：来自坩埚的贵金属的包体
水热法合成宝石的识别特征
合成祖母绿中的 钉子形包体及硅铍石晶体包体
二、合成方法之四——助熔剂法 合成方法之四 助熔剂法
助熔剂法又称高温熔体溶液法， 助熔剂法又称高温熔体溶液法，它是将晶 体的成分在高温下溶解于低熔点的助熔剂熔体 形成饱和溶液。然后通过缓慢降温等方法， 中，形成饱和溶液。然后通过缓慢降温等方法， 形成过饱和溶液，而使晶体结晶。 形成过饱和溶液，而使晶体结晶。 助熔剂法的优点是适用性强， 助熔剂法的优点是适用性强，要求的温度 因此设备相对简单。缺点是， 低，因此设备相对简单。缺点是，晶体生长速 度慢，生长周期长， 度慢，生长周期长，且有此助熔剂有毒性和腐 蚀性，容易污染环境。 蚀性，容易污染环境。