水热法合成宝石
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1) 碱金属及铵的卤化物
2) 碱金属的氢氧化物
3) 弱酸与碱金属形成的盐类
4) 强酸
5) 酸类（一般为无机酸）
2021/3/10
讲解：XX
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3.水热法宝石晶体生长的分类
3.1 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
(2) 高压釜（43CrNi2MoV） (3) 矿化剂（NaCO3，NaOH，NaCO3 + NaOH）
2021/3/10
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1. 基本原理
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。
自然界热液成矿就是在一定的温度和压力下，成矿
热液中成矿物质从溶液中析出的过程。水热法合成
第六章 水热法合成晶体
➢ 早在1882年人们就开始了水热法合成 晶体的研究。最早获得成功的是合成 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。
2021/3/10
讲解：XX
1
➢ 随后水热法合
成红宝石于
1943 年 由
Laubengayer
和 Weitz 首 先
获得成功；
2021/3/10
讲解：XX
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
3.2 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。
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3.3 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。当高压釜温度超过100℃后， 由于热膨胀和大量蒸汽的形成，釜内形成气压。
原理
溶解过程：
SiO2+NaOH——Na2Si3O7+H2O SiO2+NaOH——Na2Si2O5+H2O 结晶过程：
Na2Si3O7+H2O——2Na++2OH-+Si3O6
Na2Si2O5+H2O——2Na++2OH-+Si2O4
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工作条件和工艺参数
(1) 温度和压力（Tg=330-3500C，Td=360-3800C， Δ≤500C ，P=1.1-1.6*108Pa,）
生长区温度与温差
压力和充填度
杂质
种晶的取向
营养料
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6. 水热法合成宝石晶体
6.1 水热法合成水晶晶体 6.2 水热法合成刚玉类晶体 6.3 水热法合成祖母绿晶体 6.4 水热法合成海蓝宝石晶体
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6.1 水热法合成水晶晶体
的特色。此法曾用于生长水晶，通常用碳酸钠溶
液为矿化剂，无定形硅作为培养料，水晶片作籽
晶。当溶液温度接近水的临界温度时，处于不稳
定状态的无定形硅发生溶解，进而当高压釜内
SiO2浓度达到过饱和度时，晶体便开始在籽晶上
生长。此法的缺点是无法生长出晶形完整的大晶
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等温法高压釜
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温差法高压釜
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4. 水热法生长宝石晶体的 优缺点
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 VO2)。
b、能够生长出较完美的优质大晶体，并且能够 很好地控制材料的成分。
c、此法生长晶体时，由于与自然界生长晶体条 202件1/3/很10 相似，因讲此解：生XX 长出的宝石晶体与天然宝石晶体最17
➢ Ervin
和
Osborn进一步
完善了这一技
术。
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水热法合成的红宝石的晶体
2
➢ 祖母绿的水热法合成 是由澳大利亚的 Johann Lechleitner在 1960年研究成功的。
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3
➢ 到九十年代 原苏联新西伯 利亚合成出了 海蓝宝石。随 后红色绿柱石 等其它颜色绿 柱石及合成刚 玉也纷纷面市。
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。如合成水晶时，由于溶
液中的SiO2与Na2O和釜体中的铁能反应生成一种在 该体系内稳定的化合物，即硅酸铁钠（锥辉石
NaFeSi2O6 acmite）附着于容器内壁，从而起到保护
层的作用。 2021/3/10
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矿化剂指的是水热法生长晶体时采用的溶剂， 通常可分为以下五类：
宝石就是模拟自然界热液成矿过程中晶体的生长。
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2.合成装置
主要装置：
高压釜 加热器 控温设备 原料、溶剂、 籽晶等
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高压釜为可承高温高压的钢制釜体。 水热法采用的高压釜一般可承受1100℃的温度和
缺点:
a、需要材料比较特殊的高压釜和相应安全防护措 施。 b、需要大小适当、切向合适的优质籽晶。 c、整个生长过程无法观察。 d、投料是一次性的，因此生长晶体的大小受高压 釜容 器大小的 限制。
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5. 影响宝石晶体生长的因素
溶液的过饱和度
矿化剂的性质与浓度
对流 挡板
109Pa的压力，具有可靠的密封系统和防爆装置。 高压釜的直径与高度比有一定的要求，对内径为 100-120mm的高压釜来说，内径与高度比以1：16 为宜。 高度太小或太大都不便控制温度的分布。
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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，以防矿化剂与釜体材料发 生反应。
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3.3 温差法
随着温度不断上升，气压急骤增大，溶解 区的溶质不断溶解于矿化物溶剂中，并形成饱和溶 液。由于温差，就形成了釜内溶液的对流，溶解区 中的高温饱和溶液被输送到生长区。高压釜上部的 温度低，下部的饱和溶液升到上部随即成为过饱和 状态，溶质就在籽晶上不断地析出，并使籽晶长大。
2) 碱金属的氢氧化物
3) 弱酸与碱金属形成的盐类
4) 强酸
5) 酸类（一般为无机酸）
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3.水热法宝石晶体生长的分类
3.1 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
(2) 高压釜（43CrNi2MoV） (3) 矿化剂（NaCO3，NaOH，NaCO3 + NaOH）
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1. 基本原理
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。
自然界热液成矿就是在一定的温度和压力下，成矿
热液中成矿物质从溶液中析出的过程。水热法合成
第六章 水热法合成晶体
➢ 早在1882年人们就开始了水热法合成 晶体的研究。最早获得成功的是合成 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。
2021/3/10
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1
➢ 随后水热法合
成红宝石于
1943 年 由
Laubengayer
和 Weitz 首 先
获得成功；
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12
ຫໍສະໝຸດ Baidu
3.2 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。
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3.3 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。当高压釜温度超过100℃后， 由于热膨胀和大量蒸汽的形成，釜内形成气压。
原理
溶解过程：
SiO2+NaOH——Na2Si3O7+H2O SiO2+NaOH——Na2Si2O5+H2O 结晶过程：
Na2Si3O7+H2O——2Na++2OH-+Si3O6
Na2Si2O5+H2O——2Na++2OH-+Si2O4
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工作条件和工艺参数
(1) 温度和压力（Tg=330-3500C，Td=360-3800C， Δ≤500C ，P=1.1-1.6*108Pa,）
生长区温度与温差
压力和充填度
杂质
种晶的取向
营养料
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6. 水热法合成宝石晶体
6.1 水热法合成水晶晶体 6.2 水热法合成刚玉类晶体 6.3 水热法合成祖母绿晶体 6.4 水热法合成海蓝宝石晶体
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6.1 水热法合成水晶晶体
的特色。此法曾用于生长水晶，通常用碳酸钠溶
液为矿化剂，无定形硅作为培养料，水晶片作籽
晶。当溶液温度接近水的临界温度时，处于不稳
定状态的无定形硅发生溶解，进而当高压釜内
SiO2浓度达到过饱和度时，晶体便开始在籽晶上
生长。此法的缺点是无法生长出晶形完整的大晶
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等温法高压釜
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15
温差法高压釜
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4. 水热法生长宝石晶体的 优缺点
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 VO2)。
b、能够生长出较完美的优质大晶体，并且能够 很好地控制材料的成分。
c、此法生长晶体时，由于与自然界生长晶体条 202件1/3/很10 相似，因讲此解：生XX 长出的宝石晶体与天然宝石晶体最17
➢ Ervin
和
Osborn进一步
完善了这一技
术。
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水热法合成的红宝石的晶体
2
➢ 祖母绿的水热法合成 是由澳大利亚的 Johann Lechleitner在 1960年研究成功的。
2021/3/10
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➢ 到九十年代 原苏联新西伯 利亚合成出了 海蓝宝石。随 后红色绿柱石 等其它颜色绿 柱石及合成刚 玉也纷纷面市。
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。如合成水晶时，由于溶
液中的SiO2与Na2O和釜体中的铁能反应生成一种在 该体系内稳定的化合物，即硅酸铁钠（锥辉石
NaFeSi2O6 acmite）附着于容器内壁，从而起到保护
层的作用。 2021/3/10
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矿化剂指的是水热法生长晶体时采用的溶剂， 通常可分为以下五类：
宝石就是模拟自然界热液成矿过程中晶体的生长。
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2.合成装置
主要装置：
高压釜 加热器 控温设备 原料、溶剂、 籽晶等
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高压釜为可承高温高压的钢制釜体。 水热法采用的高压釜一般可承受1100℃的温度和
缺点:
a、需要材料比较特殊的高压釜和相应安全防护措 施。 b、需要大小适当、切向合适的优质籽晶。 c、整个生长过程无法观察。 d、投料是一次性的，因此生长晶体的大小受高压 釜容 器大小的 限制。
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5. 影响宝石晶体生长的因素
溶液的过饱和度
矿化剂的性质与浓度
对流 挡板
109Pa的压力，具有可靠的密封系统和防爆装置。 高压釜的直径与高度比有一定的要求，对内径为 100-120mm的高压釜来说，内径与高度比以1：16 为宜。 高度太小或太大都不便控制温度的分布。
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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，以防矿化剂与釜体材料发 生反应。
2021/3/10
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3.3 温差法
随着温度不断上升，气压急骤增大，溶解 区的溶质不断溶解于矿化物溶剂中，并形成饱和溶 液。由于温差，就形成了釜内溶液的对流，溶解区 中的高温饱和溶液被输送到生长区。高压釜上部的 温度低，下部的饱和溶液升到上部随即成为过饱和 状态，溶质就在籽晶上不断地析出，并使籽晶长大。