水热法合成水晶
人造水晶制作实验报告
一、实验目的1. 了解人造水晶的制备原理及工艺流程。
2. 掌握水热法制备人造水晶的操作步骤。
3. 分析实验过程中可能出现的误差及解决方法。
二、实验原理人造水晶，又称人造石英晶体，是一种通过人工方法合成的晶体材料。
其主要成分是二氧化硅，具有较好的透光性、硬度及稳定性。
本实验采用水热法，通过高温高压条件下，使二氧化硅溶解并重结晶，从而制备出人造水晶。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：无水硅酸、二氧化硅、蒸馏水、晶核。
2. 实验仪器：高压釜、加热器、温度计、压力计、搅拌器、容器等。
四、实验步骤1. 准备溶液：将无水硅酸、二氧化硅及蒸馏水按照一定比例混合，搅拌均匀。
2. 将溶液倒入高压釜中，确保液面不超过釜体高度的2/3。
3. 将晶核放入溶液中，确保晶核悬浮在溶液中。
4. 将高压釜密封，加热至330-380摄氏度，加压至80-150Mpa。
5. 在高温高压条件下，溶液中的二氧化硅逐渐溶解，并重结晶在晶核上。
6. 保持温度和压力，使溶液中的二氧化硅充分溶解和重结晶。
7. 冷却高压釜，待温度降至室温后，打开高压釜，取出人造水晶。
8. 对人造水晶进行切割、打磨等加工处理。
五、实验结果与分析1. 实验结果：成功制备出人造水晶，外观晶莹剔透，色泽一致。
2. 分析：（1）实验过程中，溶液的配比、温度、压力等因素对水晶的制备质量有较大影响。
通过调整这些因素，可以优化水晶的制备工艺。
（2）晶核的选择对水晶的质量也有一定影响。
选用合适的晶核，可以提高水晶的结晶速度和结晶质量。
（3）实验过程中，可能出现的误差有：溶液配比不准确、温度和压力控制不稳定等。
为减小误差，应严格控制实验条件，确保实验数据的准确性。
六、实验总结1. 本实验成功制备出人造水晶，掌握了水热法制备人造水晶的操作步骤。
2. 通过实验，了解了水晶的制备原理及工艺流程，为后续相关研究奠定了基础。
3. 实验过程中，发现了一些可能影响水晶制备质量的因素，为优化水晶制备工艺提供了参考。
用白开水就能造出水晶？开始不信看完之后真的信了
用白开水就能造出水晶？开始不信看完之后真的信了
一块这么好看的水晶体，其实自己也可以DIY出来的。
第一步，先在烧杯里倒入200ml的热水。
第二步，往热水里放入五勺五水合硫酸铜粉末并充分搅拌，搅拌过后将其静置两天让溶液结晶。
第三步，将剩余的溶液倒入另一个烧杯里，然后将结晶体倒出来。
第四步，在这些结晶体里面选出一块最光滑的晶块（尽可能大），但不要徒手接触！然后用细绳将晶块帮助。
第五步，将之前的溶液过滤杂质，每五天一次。
第六部，将绑好的晶块放入溶液内，当不能触碰到杯底。
35天之后，将晶体取出，可以看到此时的晶体已经大了好几倍。
第七步，将取出来的晶块晾干，然后用透明的指甲油均匀的涂抹在晶块上。
等指甲油干了之后，一块DIY的水晶就完成了。
水晶合成技术实验报告
水晶合成技术实验报告实验目的：本实验旨在探究水晶合成技术，通过实验操作了解水晶生长的原理，并掌握合成水晶的基本方法，进一步加深对晶体生长过程的认识。
实验材料：1. 硅酸钠溶液2. 硫酸铜溶液3. 玻璃棒4. 培养皿5. 蒸馏水6. 温度计7. 恒温水浴实验原理：水晶合成技术通常采用水热合成法，即在一定温度和压力下，通过溶液中的离子逐渐沉积在晶体核上，形成晶体。
本实验中，硅酸钠溶液作为母液，硫酸铜溶液作为晶体生长的催化剂，通过控制反应条件，促使晶体生长。
实验步骤：1. 准备硅酸钠溶液和硫酸铜溶液，按照实验要求调整至适当浓度。
2. 将硅酸钠溶液倒入培养皿中，加入少量硫酸铜溶液，轻轻搅拌使两者混合均匀。
3. 将培养皿置于恒温水浴中，设定温度为60℃，持续加热。
4. 观察晶体生长情况，记录晶体生长的时间和形态变化。
5. 晶体生长至适当大小后，取出培养皿，停止加热。
6. 用蒸馏水清洗晶体，去除表面的杂质。
7. 将清洗后的晶体置于干燥器中干燥，记录晶体的最终形态和尺寸。
实验结果：通过实验操作，成功合成了水晶。
晶体呈现出规则的几何形态，表面光滑，颜色透明。
晶体的生长速度与溶液浓度、温度等因素密切相关。
在实验过程中，通过调整这些条件，可以控制晶体的生长速率和最终形态。
实验结论：本实验验证了水热合成法在水晶合成中的有效性。
通过精确控制反应条件，可以实现对晶体生长过程的精确控制。
此外，实验结果表明，晶体的生长是一个动态平衡过程，需要在适宜的条件下进行。
实验反思：在实验过程中，需要注意溶液的混合比例和加热温度的控制，以避免晶体生长过快或过慢。
同时，实验操作的准确性对晶体的质量和形态有直接影响，因此在实验中应保持操作的规范性和准确性。
通过本次实验，对水晶合成技术有了更深入的理解和掌握。
晶体的制备方法
水热合成方法的简介1．概述水热合成是指温度为100～1000 ℃、压力为1MPa～1GPa 条件下利用水溶液中物质化学反应所进行的合成。
在亚临界和超临界水热条件下,由于反应处于分子水平,反应性提高,因而水热反应可以替代某些高温固相反应。
又由于水热反应的均相成核及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同,因而可以创造出其它方法无法制备的新化合物和新材料。
一系列温和与高温高压水热反应的开拓及其在此基础上开发出来的水热合成路线,已成为目前获取多数无机功能材料和特种组成与结构的无机化合物的重要途径。
在水热合成体系中,已开发出多种新的合成路线与新的合成方法,如直接法、籽晶法、导向剂法、模板剂法、络合剂法、有机溶剂法、微波法以及高温高压合成技术等。
包括水热合成在内的无机合成化学,近期在凝聚态物理领域的某些强关联体系做出了重要的贡献。
目前的强关联无机固体的研究孕育着新概念、新理论和新材料。
具有特殊光、电、磁性质及催化性能的无机材料合成、制备与组装以及结构与性能之间关系研究的突破,导致新物种和新材料的出现,甚至会带动新的产业革命。
新型无机化合物及功能材料的大量开发,主要依赖于新的合成途径、合成技术与相关理论的发展。
针对国际上目前在无机材料的合成与制备研究方面的前沿动态,我们提出并发展了先进材料水热合成路线,深入广泛地探讨不同类型具特殊光、电、磁、催化功能的无机材料的合成与制备技术,系统地研究它们的形成规律和反应机制以及它们的结构、组成、性能及彼此之间的关系。
我们应用变化繁多的水热合成技术和技巧,制备出了具有光、电、磁性质的包括萤石、钙钛矿、白钨矿、尖晶石和焦绿石等主要结构类型的复合氧化物。
该系列复合氧化物的成功水热合成,替代及弥补了目前大量无机功能材料需要高温固相反应条件的不足。
目前温和水热合成技术,结合变化繁多的合成方法和技巧,已经获得了几乎所有重要的光、电、磁功能复合氧化物和复合氟化物。
如双掺杂二氧化铈固体电解质、巨磁阻材料以及铋系超导材料。
专业珠宝鉴定师教你如何鉴别合成水晶
• 现在市面上的无色水晶珠链和 茶晶珠链可谓天然与合成掺半， 但是纯净的无色水晶项链的珠 子都是人工挑选的,不可避免的 有个别珠子会有一点点肉眼可 见的絮状等包含物.而彩色水晶 珠链多数为合成水晶。
• 真正的天然彩晶较少，用来做 成项链的就更少。合成水晶尤 其是彩色合成水晶的最大特点 是颜色纯正均一。色泽就像彩 色玻璃那样均匀,不象天然彩晶 那样有随意不规则的深浅色带。 而天然的紫色、黄色和茶色水 晶色常不均一。
• 合成水晶是人工宝石的一种。 它是采用水热法，在高压釜内 一定理化条件下生长的晶体。 根据宝玉石命名规定，人工宝 石若无天然对应物，如钛酸锶 自然界没有它的对应物，命名 为人造钛酸锶。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 人工宝石若有天然对应物，如 水热法生长的二氧化硅结晶体， 在自然界有它的对应物天然水 晶，命名为合成水晶，而不能 称为合成水晶，也不能称为养 殖水晶、熔炼水晶，更不能称 为纯水晶。
• 这个我们在上一段已经和大家 分析过了，在天然水晶中，常 有包裹体和绵，而合成水晶晶 莹剔透，个别则有气泡或固体 杂质。近来一些合成水晶内常 有一些三角形长管状气孔，在 这些气孔中有绿色或红色粉状 物。
• 这种长管的特点是沿一个方向 平行排列，断面为三角形，里 面常有不均匀的绿色或红色粉 状物沿壁分布，中间往往是空 的，长管端头有变尖的趋势。 而真正的天然水晶是含阳起石、 金红石等矿物的晶体,这些矿物 各有其晶形。它们被包在水晶 中，无方向性随意排列，粗细 长短各异，并常伴有天然水晶 所固有的包裹体和绵等。
合成水晶和天然水晶的区别
• 人工合成水晶和天然水晶的成 分分子排列完全相同，各种物 理性质和化学性质也相同，也 有一样硬度、也有双折射型、 导热也一样。唯一的区别就是 合成水晶不像天然水晶那样在 自然环境中生成，所以里面无 任何气液包体等杂质(合成水晶 原石中间有一片种子线)，而再 好的天然水晶在放大到几百倍 后都能看到天然的杂质或者生 长纹；另外用红外光谱仪也能 分辨天然水晶和人工合成水晶。
人造水晶的原理
人造水晶的原理咱先得知道啥是水晶，水晶在大家心里那可是亮晶晶、透透的，可美了呢。
天然水晶那是大自然的宝贝，是经过漫长的地质作用才形成的。
但人造水晶也有它独特的魅力哦。
人造水晶主要是通过一种叫水热法的方式来制造的。
你就想象一个超级大的高压锅，不过这个高压锅可高级啦。
在这个特殊的容器里，装上高温高压的水，就像给水晶打造一个超级舒服又特别的小窝。
然后呢，把一些水晶的原料，像二氧化硅之类的东西放进去。
这二氧化硅就像是做蛋糕的面粉一样，是最基本的材料哦。
这里面的温度和压力都得控制得特别精准呢。
就像你烤小饼干，火候和时间都得刚刚好，不然饼干就不好吃了。
人造水晶的时候，这个温度和压力就是那个火候。
在合适的高温高压下，二氧化硅这些原料就开始慢慢变化啦。
它们就像一群小娃娃，在这个特殊的环境里手拉手，慢慢组合起来，变成那种晶体的结构。
还有一种制造人造水晶的方法是焰熔法。
这个方法听起来就很酷炫呢。
就好像是用火来变魔术一样。
把原料粉末通过火焰的高温来熔化，然后让它慢慢冷却结晶。
你看那火焰呼呼地烧着，原料粉末就像在火中跳舞一样，一点点变成我们想要的水晶模样。
人造水晶为啥要这么费劲地制造呢？其实呀，它有好多好处呢。
一方面，它可以让更多的人能拥有水晶一样亮晶晶的东西。
天然水晶毕竟数量有限，而且价格有时候高得吓人。
人造水晶就亲民多啦，那些喜欢亮晶晶饰品的小姐妹，就可以花比较少的钱，戴上像水晶一样美的东西。
而且人造水晶在工业上也有大用处呢。
比如说在光学仪器里面，人造水晶可以被制作成镜片之类的东西。
它的光学性能也很不错的，就像一个小助手，在仪器里默默地发挥着自己的作用。
咱再说回制造的原理哈。
不管是水热法还是焰熔法，都是人类智慧的结晶呢。
就像我们想办法让普通的东西变成神奇的水晶一样。
在这个过程中，科学家们就像魔法师，不断地调整着各种条件，直到做出满意的人造水晶。
不过呢，人造水晶和天然水晶还是有区别的。
天然水晶就像是大自然的亲生孩子，有着独特的纹理和灵性。
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， 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（ 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， ）。生长完毕后停炉 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。 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。 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。 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， 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。 洗和检查。
水热法合成水晶的基本原理
一般情况下石英石 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。 高温高压下石英在 水中的溶解度曲线 见右图
水热法合成水晶的基本原理
在临界温度附近，石英在水中的溶解度很低； 在临界温度附近，石英在水中的溶解度很低；而在较 高的温度和较低的压力条件下， 高的温度和较低的压力条件下，其溶解度具有负的 溶解度温度系数， 溶解度温度系数，这些特性为在纯水系统中生长石 英晶体造成困难。 英晶体造成困难。所以在合成水晶是必须加入一定 量的矿化剂，以改变溶剂的原始成分与性质，才能 量的矿化剂，以改变溶剂的原始成分与性质， 增加SiO 的溶解度。 增加SiO2的溶解度。 下图为不同装满度时，石英在NaOH、 下图为不同装满度时，石英在NaOH、NaCO3溶液及纯水 NaOH 中的溶解度与温度的关系图。 中的溶解度与温度的关系图。
水热法合成水晶
咏水精
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
水热法制备特定形貌单晶
What I have learned
• 本文中制备实验采用了水热法制备，相较传统的高温固相法 、共沉淀法和柠檬酸络合法，操作可实行性更高，对本人的 实验课题有借鉴意义。 • 文中研究的表征手段相当完备，充实了本人的知识构架，为 以后实验在表征方面提供了些许便利。（PPT由于篇幅限制 ，部分表征手段并未列出） • 文中结论称催化剂催化性能与其晶态结构和特定的表面形貌 相关，为本人后续实验提供了理论支持。
本文以不同化合物为金属源，采用水热法并在一 定温度下灼烧水热后所得产物，制备了单晶类钙 钛矿型氧化物La2-xSrxCuO4(x=0,1)纳微米粒子， 并对这些具有特定表面形貌单晶纳微米粒子进行 了表征，考察了其对甲烷氧化反应的催化性能．
Experimental
1. 制备具有特定形貌的氧化铜和氧化镧：
Sr掺杂显著提高了催化剂表面Cu3+ 浓度、吸附氧量和还原能力，从而 提高了α氧脱附量。催化剂的还原
能力与其粒子的表面形貌有关．
Conclusion
以纺锤体状单晶CuO、片状单晶La2O3和硝酸盐作金属源，采用水热法并焙 烧水热处理后所得产物，制备了具有纺锤体状、棒状和短链状的类钙钛矿型 氧化物 La2-xSrxCuO4(x=0,1)单晶纳微米粒子。Sr掺杂不仅增加了催化剂表面Cu3+含量 和吸附氧量，而且显著改善了催化剂的还原性能。
水热法制备特定形貌单晶La2-xSrxCuO4 及甲烷催化氧化性能
张悦，张磊等. 水热法制备特定形貌单晶La2-xSrxCuO4及甲烷催化 氧化性能. 催化学报[J].2009,30(4):347～354
• 1.Introduction • 2.Experimental • 3.Results
天然水晶和水热法合成水晶的拉曼光谱分析
天然水晶和水热法合成水晶的拉曼光谱分析曹盼;虞澜;祖恩东【期刊名称】《光散射学报》【年(卷),期】2017(29)1【摘要】水热法合成水晶是依据天然水晶的物理化学性质并模拟其形成环境制得,常规检测方法无法鉴别.本论文采用法国(HORIBA Jobin Yvon)OLYMPUS BX41激光拉曼仪测试分析,并对天然水晶与水热法合成水晶拉曼谱466 cm-1谱峰进行高斯线性拟合,发现水晶半高宽均大于6.5 cm-1,而合成水晶半高宽均小于6.5 cm-1.拉曼光谱半高宽值的差异可对天然水晶和水热法合成水晶的鉴别提供依据.%Synthetic crystal by hydrothermal method is based on the physical and chemical properties of natural crystal which can simulate the formation environment,conventional detection methods can't be identified.This paper used the laser Raman spectrometer of French Olympus BX41 to test,the natural crystal and synthetic crystal of Raman spectrum 466 cm-1 spectra were fitted by linear Gaussian fitting,it found that the FWHM of nature crystal were more than 6.5 cm-1,the FWHM of synthetic crystal were less than 6.5 cm-1.The Differences of Raman FWHM can provide the information to identify the natural crystal and synthetic crystal by hydrothermal method.【总页数】4页(P50-53)【作者】曹盼;虞澜;祖恩东【作者单位】昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明 650093;昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明 650093;昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明 650093【正文语种】中文【中图分类】P575.4【相关文献】1.加热紫水晶对鉴定合成和天然紫水晶的意义 [J], 陈耀婷;陈婷2.天然水晶与水热法合成水晶的近红外光谱对比分析 [J], 曹盼;虞澜;祖恩东3.天然祖母绿和水热法合成祖母绿的拉曼光谱分析 [J], 曹盼;康亚楠;祖恩东4.天然水晶与合成水晶的肉眼鉴别 [J], 张辰子;陈秀英5.如何发掘天然水晶的意境美打造水晶佛造像艺术精品 [J], 苏明贤因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水热法合成水晶
水热法合成水晶的工作条件
温度和压力 水热法生长的水晶是α 石英。由于α 石英在573℃时会转化为β 石英，所 以水热法生长适应的温度应低于573℃。通常结晶区温度为330-350℃， 溶解区温度为360℃-380℃。模拟天然水晶的形成条件，将压力定为 1.1×108----1.6×108Pa。
高压釜 一般选用43CrNiMoV钢材制造釜体，长3.7m、外径46cm、内径41cm、腔 长3m、容积147L,密封方式采用改进后的布里奇曼结构（具有密封可靠、 装卸方便的特点）。高压釜内一般不用衬套，因使用过程中其内壁可生 成钠铁硅盐化合物的薄层，因此长成的无色水晶晶体中几乎不含铁。用 这种材料制成的高压釜适用于温度400℃，压力1.5×108Pa的生长条件， 且每炉生长量为150Kg。 高压釜内的挡板周围，由于处于对流体的交汇点，会有部分容积沉积于 此，不但减少了原料到达生长区的量，而且回复是高压釜内容器。为了 避免这种情况发生，可在溶解区内安装溶质捕获装置，以保证对流液体 上下运行无阻。
存在的问题
位错和腐蚀隧道 合成水晶中的位错多为刃位错和混合位错。除线位错外，可 有层位错。位错一般源于籽晶、籽晶—晶体界面及晶体内部 所含的包裹体。 腐蚀隧道是作为籽晶的石英晶片经过腐蚀而形成的。腐蚀隧 道的形成与位错、包裹体和不均匀沾染的杂质有关系。
生长条纹 由于石英晶体具有各向异性的特点，因此在各方向上的生长 速率是不同的，由于晶格平面的位移而产生的线缺陷，会导 致产生生长条纹。
在K2CO3溶液中生长紫水晶
水晶的基本结构是由一个硅离子和四个氧离子构成的硅 氧四面体。当铁元素进入水晶晶体结构中便可以三价形式代 替四面体中心的硅离子，或以离子形式充填到相邻四面体间 的空隙中。当铁硅发生替代后，中心原子价态由四价变为三 价，三价铁形成［FeO4］5-心，替代后晶体内形成的负电荷 由碱金属阳离子或质子进入水晶晶体中和形成的［FeO4］5心几乎不吸收可见光需经过粒子流或电子流进行辐照处理， 使［FeO4］5-心转变为［FeO4］4-色心，转变后的［FeO4］4色心可以吸收可见光中的黄绿色光，使水晶产生被吸收光的 补色——紫色色调。因此在K2CO3溶液中生长紫水晶，实际 上是将三价铁离子引入无色水晶晶体，在经过辐照处理形成 电子-空穴色心的过程
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。
水晶合成
水晶合成水晶俗称石英，是一种理想的压电材料和光学材料。
随着新技术的发展和人们生活水平的提高,对水晶的需要量与日俱增。
近10 年来,出现过3次高峰。
1979~1980 年由于电子手表和电子钟的迅猛崛起，带来了第1次高峰；1983~1984 年微型计算机的应用猛增,掀起了第2 次高峰；1988 年至今形成了第3 次高峰,主要是移动通信、汽车电话、无绳电话及呼叫器的需要量剧增。
合成水晶是人工模仿天然水晶的化学成分，以及形成时的温压条件，在实验室中合成的。
合成水晶与天然水晶的基本性质相同，所不同的只是结晶的时间和地点。
由于合成水晶在其他工业领域中的广泛应用，现在世界上许多国家都可以进行大规模生产，至今已有近百年的历史。
合成水晶具有以下特点：（1）有子晶晶核。
晶核一般为无色的长板柱状，与周围合成晶界线清楚。
（2）尤其是彩色合成水晶，颜色均一。
（3）净洁无瑕。
1. 水晶合成的基本原理温差法是目前使用最广泛的水热法生长晶体的方法，其原理是在过饱和溶液中生长晶体、高压釜下部温度较高SiO2渐渐的向溶液内溶解，上部温度较低，SiO2慢慢析出，在放好的籽晶片上生长。
在合成水晶时，必须加入一定量的矿化剂，以改变溶剂的原始成分与性质，才能增加SiO2的溶解度。
水热法合成水晶的生产包含两个过程：（1）溶质离子的活化+-+-HOONaSiSi+2OH+O=Na37623+-+-OHNaSiSiONa+=+2OHO52224（2）活化了的离子受待生长晶体表面活性中心的吸引，在静电引力、化学引力和范德华力等的作用下，穿过生长晶体表面的扩散层而沉降到晶体表面。
OH以物理在合成水晶的生长过程中，由于硅酸盐离子缩合不完全，有的-吸附或化学吸附的形式残留在晶体内，所以在生长速率比较大的晶体内，一般-OH含量也较多，这表明在快速生长的条件下反应不完全，-OH未全部放回溶液而有部分留在晶体内，并影响晶体的质量。
化学过程如图1。
图1 合成水晶的生长过程示意图2.水晶合成的工艺过程水热法合成水晶晶体的工艺流程如图2图2 水热法合成水晶的工艺流程图根据流程图，水热法合成水晶的工艺流程可以分为以下四个阶段。
水热法合成单晶的特点
水热法合成单晶的特点
水热法是一种常用的合成单晶材料的方法。
它是利用高温高压
下水溶液的特殊性质来促进晶体生长的过程，具有如下特点。
水热法合成单晶的特点之一是高度的晶体纯度。
由于水热条件
下晶体生长的反应环境是相对封闭的，外界杂质很难进入反应体
系中。
因此，在水热法下合成的单晶晶体中杂质的存在较少，纯
度较高。
水热法合成单晶的特点之二是良好的晶体形态可控性。
在水热
反应中，温度、压力、溶液浓度以及加入的添加剂等因素都会对
晶体生长过程产生影响。
通过控制这些因素，可以实现对单晶晶
体形态的调控，获得具有特定形状和结构的晶体。
水热法合成单晶的特点之三是晶体生长速度较快。
水热反应中，高温和高压能够提供充足的能量，促使晶体快速生长。
相比较其
他合成方法，水热法不仅可以获得较大尺寸的单晶，而且能够在
相对较短的时间内完成晶体生长。
水热法合成单晶的特点之四是适用于多种物质。
水热法对于无
机晶体、有机晶体以及生物晶体的合成均具有一定的适用性。
在
水热反应条件下，许多物质的溶解度都可以得到提高，从而可以
在水相中完成晶体生长过程。
水热法合成单晶的特点包括高纯度、晶体形态可控性、快速生
长速度以及适用性广泛。
这使得水热法成为了制备单晶材料的重
要方法，在材料科学、化学、物理等领域中得到广泛应用。
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。
温差水热法合成水晶的原理
温差水热法合成水晶的原理温差水热法（Hydrothermal synthesis）是制备单晶体材料的一种常见方法之一，该方法通过在高温高压的水热条件下使化学反应发生，从而合成出高质量、大尺寸的晶体。
其原理主要包括溶质溶解、核形成、生长、洗涤和干燥等过程。
温差水热法的原理如下：1. 溶质溶解：将原料溶解在水溶液中。
通常情况下，水溶液中的温度较高，使得晶体原料能够充分溶解。
2. 核形成：将溶液加热至较高温度，使得溶液中的溶质浓度超过饱和度。
过饱和度是指溶液中溶质的浓度超过溶解度，此时溶液呈现出不稳定的状态，会产生一个极小的晶核。
3. 生长：晶格能量较低的溶质会在晶核上发生吸附和附着，使得晶体逐渐生长。
晶体的生长速率取决于溶液中溶质的浓度和晶体生长界面的能量差异。
4. 洗涤：晶体在生长过程中会吸附一些溶液中的杂质，为了获得纯净的晶体，需要将晶体从溶液中取出并用纯净溶剂反复洗涤。
5. 干燥：洗涤后的晶体需要经过干燥过程，去除残余的溶剂，使得晶体完全干燥。
温差水热法的成功合成单晶体的关键在于控制好反应条件和晶体生长过程中的各个环节。
以下是一些影响温差水热法合成水晶的重要因素：温度：温差水热法通常在高温高压条件下进行，温度对晶体生长速率和生长方向有重要影响。
较高的温度有利于使晶体原料充分溶解以及快速生长晶体，但过高的温度会导致晶体溶解度过大，影响晶体纯度。
压力：压力是维持水在高温高压条件下保持液态的重要因素，也会影响晶体的生长速率。
高压条件下能够增加水的溶解度，有利于晶体的生长，但过高的压力可能会导致晶体的完整性受损。
溶液浓度和配比：溶液中晶体原料的浓度和配比对晶体生长速率和晶体质量有重要影响。
溶液中溶质浓度过低会导致晶体生长速率过慢或无法生长，而浓度过高则可能会导致过饱和度过高，使得晶体过多缺陷。
晶体生长环境：晶体生长过程中的平衡环境也会对晶体的生长速率和质量产生影响。
例如，搅拌晶体生长过程中的溶液有助于减小晶体尺寸分布和增加晶体的生长速率。
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)。
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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。
水晶合成的研究历程
19世纪初：水晶的晶体生长是在碱性硅酸盐里进 行的。
20世纪初：尝试在籽晶上生长水晶。 1928年，德国人理查德纳肯进行了高压釜中水晶 生长的研究。 1950年，美国贝尔实验室和英国通用电子集团公 司成功的将水晶的水热法生长技术推广到商业性生 产中。 我国对水热法合成水晶的研究工作始于1958年， 合成彩色水晶从1992年开始生产。
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
2)活化了的离子受待生长水晶表面活性中心的吸引，在静电引 力、化学引力和范德华力等的作用下，穿过生长晶体表面的 扩散层而沉降到晶体表面。
水热法合成水晶的工艺
水晶的定义
水晶（Quartz Crystal)是一种无 色透明的大型石 英结晶体矿物。 它的主要化学成 份是二氧化硅
水晶的用途
水晶作为装饰品用于 装点居室、 美化公共环境、 装点汽车、 美化个人仪表。
水晶的工业用途包括： 聚焦折射、 储存资料、 传递讯息、 能源转换、 能量扩大。
合成水晶的定义
合成水晶是在种晶的基底上生长起来的一种晶 体，它是采用水热法，在高压釜内一定理化条 件下生长的晶体，是人工宝石的一种。
水热法合成水晶的工作条件
温度和压力 水热法生长的水晶是α 石英。由于α 石英在573℃时会转化为β 石英，所 以水热法生长适应的温度应低于573℃。通常结晶区温度为330-350℃， 溶解区温度为360℃-380℃。模拟天然水晶的形成条件，将压力定为 1.1×108----1.6×108Pa。
高压釜 一般选用43CrNiMoV钢材制造釜体，长3.7m、外径46cm、内径41cm、腔 长3m、容积147L,密封方式采用改进后的布里奇曼结构（具有密封可靠、 装卸方便的特点）。高压釜内一般不用衬套，因使用过程中其内壁可生 成钠铁硅盐化合物的薄层，因此长成的无色水晶晶体中几乎不含铁。用 这种材料制成的高压釜适用于温度400℃，压力1.5×108Pa的生长条件， 且每炉生长量为150Kg。 高压釜内的挡板周围，由于处于对流体的交汇点，会有部分容积沉积于 此，不但减少了原料到达生长区的量，而且回复是高压釜内容器。为了 避免这种情况发生，可在溶解区内安装溶质捕获装置，以保证对流液体 上下运行无阻。
水热法合成水晶的工作条件
培养料（晶料的用量。 通常水晶生长的培养料采用熔炼石英，粒度要求在2cm左右， 质地均匀，表面要仔细清洗，不能含有暗色矿物和固体包裹 体。也可用加热非晶质石英岩形成的结晶质石英岩做培养料
生长速率 水晶的生长速率时间内沿着籽晶面法线方向所增大的厚度。 影响因素有籽晶取向和面积、充填度或压力、生长温度和温 差、溶液浓度、矿化剂浓度和性质等。
水热法合成水晶的基本原理
一般情况下石英石 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。 高温高压下石英在 水中的溶解度曲线 见右图
水热法合成水晶的基本原理
在临界温度附近，石英在水中的溶解度很低；而在较 高的温度和较低的压力条件下，其溶解度具有负的 溶解度温度系数，这些特性为在纯水系统中生长石 英晶体造成困难。所以在合成水晶是必须加入一定 量的矿化剂，以改变溶剂的原始成分与性质，才能 增加SiO2的溶解度。
下图为不同装满度时，石英在NaOH、NaCO3溶液及纯水 中的溶解度与温度的关系图。
水热法合成水晶的基本原理
水热法合成水晶的基本原理
石英在NaOH中的化学反应产物以Si3O72-和Si2O52-为主， 而在NaCO3中的反应产物以Si2O52-为主。他们是氢氧 根离子、碱金属离子与石英表面没有补偿电荷的硅 离子、氧离子反应的结果。这种聚合物的形式与温 度、压力有关，即随着温度、压力的变动， SiO2/ Na2O的比值与有所不同。石英在NaOH中的溶解反应 可以用下式表示