宝石人工合成方法第二部分
【宝石学】宝石的合成方法
经过几十年的努力，目前已能获得十几克拉大的晶体，但宝石级钻石合 成的成本仍很高，不能进行大批量的生产。2000年可切磨的合成钻石只有 3500ct，仅占当年天然宝石级钻石产量的0.01%。
占总重量百分比 0.15 0.1 2.0 0.13 0.1 0.1 0.3 0.3 0.15
0.09+0.15 1.1+1.1 0.15+1.0
0.08+0.08
晶体颜色 红色 黄色 紫色 淡黄色 粉红色 黄绿色
橄榄绿色 深紫色 淡绿色 攻瑰红色 淡蓝色 紫蓝色 棕色
四、助熔剂法
原理和方法
助熔剂法又称高温熔体溶液法，它是将晶体的 原成分在高温下溶解于低熔点助熔剂熔体中，形成 饱和的溶液（熔融液），然后缓慢冷却或恒温下蒸 发熔剂等方式，使晶体从过饱和熔融液中不断结晶 出来。与矿物晶体从岩浆中结晶的过程相似。
氧化锆粉末和稳定剂装在由冷却铜管组成的金 属杯内，在粉末中心放入引燃用的锆金属粉末 或锆金属棒。然后由高频线圈加热。
高频使锆金属熔化，熔化部分向外蔓延，引燃 周围的粉末。紧靠着杯壁的粉末在循环冷剂的 作用下保持固态，构成一层薄薄的外壳。
待坩埚内的物质达到完全熔融后，将坩埚从加 热区缓缓移开，坩埚内的物质开始冷却，结晶 从壳底开始，向上长出圆柱状的晶体，直到全 部结晶固化。
合成水晶的掺杂与颜色对照表
掺杂种类 Fe3＋ Fe2＋ Co2＋ Mn4＋ Al3＋
质量分数％ 0.1～0.7 0.1～0.6 0.1～0.4 0.2～0.5 0.1～0.2
人工合成红宝石的配方
人工合成红宝石的配方一、原料选择。
1. 主要原料：氧化铝（Al₂O₃）- 氧化铝是红宝石的主要成分。
在自然界中，红宝石就是刚玉（主要为氧化铝）晶体中含有少量铬（Cr）元素而呈现红色。
对于人工合成，需要高纯度的氧化铝粉末。
一般纯度要求达到99.99%以上。
这是因为杂质过多会影响晶体的生长和颜色的纯正性。
2. 致色剂：铬（Cr）化合物。
- 通常选用铬酸铅（PbCrO₄）或氧化铬（Cr₂O₃）作为致色剂。
添加量一般在0.5% - 2%左右。
铬离子（Cr³⁺）取代晶体结构中的铝离子（Al³⁺），从而使合成的晶体呈现红色。
致色剂的用量需要精确控制，如果添加量过少，颜色会太淡，达不到红宝石应有的颜色深度；如果添加量过多，可能会导致晶体内部结构缺陷或颜色过深而不自然。
二、助熔剂法合成红宝石的配方及原理。
1. 配方。
- 助熔剂通常采用氧化铅（PbO） - 硼砂（Na₂B₄O₇）体系。
一般比例为PbO:Na₂B₄O₇ = 1:1到3:1之间。
再加入氧化铝和致色剂铬化合物。
例如，以100克原料总量计算，氧化铝粉末约80 - 90克，致色剂（如氧化铬）0.5 - 2克，助熔剂（氧化铅 - 硼砂混合）10 - 20克。
2. 原理。
- 助熔剂的作用是降低氧化铝的熔点。
氧化铝的熔点非常高（约2050°C），在加入助熔剂后，体系的熔点可以降低到1200 - 1300°C左右，这样就可以在相对较低的温度下进行晶体生长。
在这个过程中，原料在助熔剂的熔体中溶解，然后通过缓慢降温或其他方式，使溶质（氧化铝和铬离子等）以红宝石晶体的形式结晶出来。
三、焰熔法合成红宝石的配方及原理。
1. 配方。
- 原料主要是高纯度的氧化铝粉末和少量的铬酸铅（PbCrO₄）作为致色剂。
氧化铝粉末的纯度要求在99.9%以上。
致色剂的添加量约为1% - 1.5%。
2. 原理。
- 焰熔法是通过氢氧火焰来熔化原料。
氢氧火焰的温度可以达到2500 - 3000°C。
05 第五章 合成宝石及人造宝石
三、冷坩埚法
冷坩埚法是生产合成立方氧化锆晶体的方法。 该方法是俄罗斯科学院列别捷夫固体物理研究所的 科学家们研制出来的，并于1976年申请了专利。由 于合成立方氧化锆的外观和钻石相似，无色的合成 立方氧化锆迅速而成功的取代了其他的钻石仿制品， 成为钻石首选的代用品。合成立方氧化锆易于掺杂 着色，可获得各种颜色鲜艳的晶体，因此受到了宝 石商和消费者的欢迎。
钻石-石墨相图
球形压机
球形压机内部结构
合成钻石晶形与生长温度的关系
宝石级合成钻石的主要识别特征
结晶习性：合成钻石常常为立方体、八面体， 及二者的聚形，而天然钻石最常见的形态是八面体、 菱形十二面体。 晶面纹理：合成钻石可显示树枝状、漏砂状或 交切状纹理，接种面上粗糙不平。天然钻石常见三 角凹痕。 钻石类型：合成钻石为Ib型或者II型。 包裹体：针状、片状、针点状的金属包裹体，大量 的金属包裹体使得合成钻石具有明显的有磁性，甚 至会导电。 吸收光谱：合成钻石无415nm吸收线，
一、水热法
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。随后，水热法合成红宝石于1943年由 Laubengayer和Weitz首先获得成功，Ervin和Osborn进 一步完善了这一技术。1946年奥地利的N.Lechleitner 首先成功合成水热法 祖母绿，1960年澳大利亚的 Johann Lechleitner也研究成功，1965年美国的Linde公 司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曾骥良等 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、红色绿柱石等其它颜 色的绿柱石。
红蓝宝石的人工合成方法
红蓝宝石的人工合成方法摘要：主要为了大家了解宝石合成的常用方法关键词：宝石人工合成。
人工合成宝石是相对于天然宝石而言的，是为缓解天然宝石供需矛盾而产生和发展的产物，是人工制作而非天然产出的宝石。
人工合成宝石，可简称为人工宝石，是指人们运用现代科学技术的基本原理和方法，选用适宜的原材料，通过合理的工艺、技术流程，在实验室或工厂里制造出来的用作首饰及装饰品的材料1．1 焰熔法这个方法是1902年由法国的维尔纳叶发明的，所以也称“维尔纳叶法”。
它主要用于合成熔点很高的宝石，如合成红宝石、蓝宝石、各种颜色的尖晶石、金红石、星光红宝石、星光蓝宝石及人造钛酸锶等，也是目前合成宝石的主要方法之一。
此法合成宝石的原理是利用氢气与氧气燃烧的温度可以高达2900℃的特点，在火焰的上方放宝石原料的粉末，火焰的下方放生长晶体的晶种，宝石粉末通过氢氧火焰时被熔化成熔融液掉落在下面的宝石晶种上，晶体即可不断往上生长。
为了保证晶体能够不断往上生长，宝石晶种要安放在一个可以下降的装置上，并且要使下降装置的下降速度与晶体生长速度相同。
其次，还要使生长的宝石晶体下降入一个保温良好的容器里，否则宝石晶体在空气中会因急剧冷却而产生内应力，对宝石晶体产生破坏作用，轻则形成裂纹，重则使宝石破裂。
1.1.1 优点（1）焰熔法合成红宝石时不用坩埚，可以节省制作坩埚的耐高温材料，又可以避免坩埚成分的污染；（2）晶体生长速度较快，短时间内可以得到较大尺寸的晶体；（3）生长设备比较简单，劳动生产率高，适用于工业化生产；（4）三氧化二铝晶体本身是没有颜色的，为无色蓝宝石，只要在三氧化二铝的粉末原料中加入致色剂后就能出现颜色1.1.2 缺点（1）由于氢氧火焰的温度梯度较大，造成晶体结晶层的纵向温度梯度和横向温度梯度均较大，故生长出来的红宝石晶体质量欠佳，不能用于激光等要求质量很高的高科技方面；（2）火焰气体的温度不可能控制得很稳定，由此造成的温度变化使晶体产生较大的内应力，导致晶体的位错密度较高；（3）原材料在火焰中熔化时不可能完全被熔化结晶成晶体，大约有30％的粉料损失；1.2 水热法这是模拟自然界热液成矿条件创造的一种宝石合成方法。
人工宝石制造方法
人工宝石制造方法人工宝石是指通过人工合成的方式制造出来的具有类似天然宝石外观和性质的人造宝石。
人工宝石制造方法的发展经历了多年的研究和实践，目前已经取得了很大的突破。
下面将详细介绍人工宝石的制造方法。
第一种制造方法是化学合成法。
这种方法是最常见和广泛使用的人工宝石制造方法之一。
通过选择适当的化学原料，将其放入高温高压的反应器中，经过一系列的化学反应，最终形成宝石的晶体结构。
例如，合成蓝宝石的方法是在高温下将铝氧体和氧化铝进行反应，形成具有蓝色的铝氧化物晶体。
第二种制造方法是溶液法。
这种方法是在溶液中加入适当的化学物质，通过调节溶液的温度和浓度来促使晶体的生长。
这种方法适用于某些宝石的制造，如人造钻石。
首先，将碳原子溶解在高温高压的溶液中，然后通过降低温度和增加压力，使碳原子结晶成钻石的晶体。
第三种制造方法是熔融法。
这种方法主要适用于制造某些高熔点的宝石，如红宝石和蓝宝石。
首先，将适当的化学原料放入炉中进行高温熔融，然后通过控制温度和冷却速度，使熔融物体逐渐结晶成宝石的晶体。
这种方法制造出来的人工宝石具有较高的纯度和透明度。
除了上述几种常见的制造方法外，还有一些其他的制造方法。
例如，气相沉积法是通过将气体中的化学物质沉积在基底上形成薄膜，然后通过多次沉积和热处理的过程来制造宝石。
这种方法适用于制造薄膜状的宝石材料。
还有一种叫做生长法的制造方法，它是将化学原料溶解在适当的溶剂中，然后通过控制温度和浓度来促使晶体的生长。
这种方法适用于制造大尺寸的宝石。
人工宝石制造方法的发展使得人们能够制造出与天然宝石相似的材料，这不仅满足了人们对宝石的需求，同时也降低了宝石的价格。
然而，人工宝石制造方法仍然面临一些挑战，如如何制造出更大尺寸和更高质量的宝石等。
人工宝石制造方法是通过化学合成、溶液法、熔融法、气相沉积法和生长法等多种方法来制造人工宝石。
这些方法在实践中不断发展和完善，为人们提供了更多选择和可能性。
随着技术的进步，相信未来人工宝石制造方法将会更加先进和高效。
宝石人工合成方法第二部分
助熔剂法又称高温熔体法，将原料成分在高温下熔解于低熔点助熔剂熔体中，形成饱和溶液,然后通过缓慢地降温或在恒定温度下蒸发熔剂等方法，形成过饱和溶液而析出晶体。
似自然界矿物晶体从岩浆中结晶的过程。
一、助熔剂法的原理:顾名思义，一定有助熔剂.助熔剂条件：熔化后能溶解待生长的晶体材料且不易挥发。
常用助熔剂：PbF2、Pb02、Bi203、B203、BaO—Bi203等极性化合物。
另外还有一些复杂的化合物,如钨酸盐、钼酸盐等。
助熔剂法生长晶体的原理：1)A熔点为TA，B熔点为TB，E为共结点。
2)将A、B组分混合，混合比例X。
当温度为TX时，混合组分X融成溶液。
随着温度的下降，X组分至Q 点，相当于TQ时，结晶析出A。
3)温度进一步降低，熔融的成份沿共结线TA-Q-E下滑。
A在X混合溶液中的成分不断增加，溶液处于过饱和状态,不断析出A组分，并长大成晶体。
从图可知：由于A组分中加入低熔点的B组分后，A组分的熔点和结晶点由TA 下降到TQ，这样就可以在较低的温度下生长出高熔点的宝石晶体。
因为B组分起到了降低熔点的作用，故称为助熔剂。
二、助熔剂法的分类1.自发成核法（1）缓冷法：在高温使材料熔融于助溶剂中，缓慢降温冷却，使晶体从饱和熔体中自发成核并逐渐成长的方法。
(2）反应法：助熔剂和原料熔融后，助溶剂与原料反应，反应后的晶体成分在熔融体中维持一定的过饱和度，生长晶体的方法.（3）蒸发法:是在恒温下，蒸发熔剂，使熔体过饱和,从而使晶体析出并长大的方法。
①籽晶旋转法:由于助熔剂熔融后粘度较大，采用籽晶旋转，搅拌熔体，使晶体长大，且少含包裹体.(合成红宝石)②顶部籽晶旋转提拉法：这是①法和晶体提拉法的结合。
边旋转边提拉，晶体绕籽晶逐渐长大。
③底部籽晶水冷法：水冷部位形成过饱和熔体抑制了熔体其它部位成核，保证籽晶的生长.1。
对待生长晶体有极好的溶解性,随温度的变化,溶解度变化也较大。
2.在宽的温度范围内，所生长的晶体是唯一的稳定相，助熔剂与晶体成分不能形成中间产物。
02 水热法 宝石改善与人工合成 讲座
水热法
水热法是利用高温高压的水溶液溶解矿物质， 控制高压釜内溶液的温差产生对流和形成过 饱和状态，使溶解在溶液中的矿物质在种晶 上析出，生长成较大的晶体。 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。 水热法合成宝石就是模拟自然界热液成矿过 程中晶体的生长。
③ 生长阶段 ④ 开釜阶段
升温调节、控温和温差， 停炉、打开保险、冷却降温、高压釜出膛
降至室温、开釜、取晶体、 倒余渣、清洗晶体和高压釜、检查
合成彩色水晶添加的致色元素及随后的处理
颜色
蓝色 褐色 深褐色 绿色 紫色 黄色 黄-绿色
添加剂及随后的处理
加Co，然后在还原环境加热 加Fe 加Al，然后辐照 加Fe，然后在还原环境中加热 加Fe，然后辐照 加Fe g射线辐照，然后加热
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 了解影响水热法宝石晶体生长的因素及其
合成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？ 2. 水热法生长的宝石晶体有几种？ 3. 水热法生长的各洁干净、一定的表面积比
§3 水热法生长水晶晶体与鉴别
水热法合成水晶的历史 始于19世纪初 1928年德国科学家理查德.纳肯首次使用高压釜 1950年美国、英国进行商业性生产 我国50年代开始研究，1998年产量可达1400吨
已投放市场的合成水晶品种 无色、紫色、黄色、绿色、蓝色、玫瑰粉红色、
等温法高压釜
溶液 培养体 高压釜 籽晶
温差法高压釜
宝石的四种制作
宝石的四种制作
人造宝石的四种制作方法
时间：2012-09-15 来源：好乐美饰
人造宝石已经历了近百年的研究和发展。
目前，工艺日趋完善，产品十分精美，尤其是合成的宝石，已经达到了与天然宝石真假难分的境地。
为了准确地鉴别人造宝石，掌握因生产环境的局限性，而出现的与天然宝石不同的微小差别，就必须了解人造宝石的制造方法。
目前常见的人造宝石制造方法有以下4种：
（1）焰熔法：将合成宝石化学组成所需要的固态粉末原料混合在一起，在氢氧高温火焰下熔融，溶液随着温度的降低，而结晶成为合成宝石晶体。
具体方法如维纽耳氏法。
（2）熔融法：将合成宝石化学组成所需要的固态物质放在高温下熔融，溶液随着温度的降低，结晶成为合成宝石晶体。
具体方法如提拉法。
（3）水热生长法：将合成宝石化学组成所需要的固态原料，置于高温高压条件下溶解于水中，随后在较冷的部位，以晶种为核心，结晶成为合成宝石晶体，具体方法如高压釜法。
（4）助溶剂熔化生长法：将合唱宝石原料，在高压高温条件下借助熔剂熔解，随后随着温度降低，以晶种为核心，结晶成合成宝石晶体。
当今，绝大多数高贵宝石都有与其相似的人造宝石或仿制品，常见的人造宝石有：祖母绿、金刚石、红宝石、蓝宝石、变石、水晶、蛋白石、碧玺、绿松石等。
珠宝知识培训之人工合成宝石.
一、概述
(一) 合成宝石与人造宝石 1. 合成宝石的定义
合成宝石是全部或部分由人工生产的无机产物,且它 们的物理性质,化学成分和晶体结构和所对应的天然宝石 基本相同。 A．原料：半人工材料；如天然去皮水晶作为合成水晶 的原料；
人工分离出的原料Al2O3 作为合成红宝石的原料； B．有天然对应物：天然红宝石---合成红宝石
维尔纳叶法合成装置
（3）维尔纳叶法合成装置
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 Cr2 O3，三氧化二 铝可由铝铵矾加热获得；致色剂为Cr2 O3 1-3%， B． 燃烧系统
它们的物理性质、化学成分和原子结构都基本相同； C．可以有小的差异：
天然尖晶石：MgO：Al2O3==1：1， RI 1.718， SG 3.60
合成尖晶石：MgO：Al2O3==1：1.5—3.5；RI 1.727， SG 3.63
正是这微小的差异，使我们能够区分它们。
2人造宝石 指人工生产的非天然形成的无机材料。 狭义的人造宝石：具有独特的化学成分、原子结构和
由此得出晶体生长过程应该是：先长一条行列，再长 相邻的行列，长满一层面网，然后开始长第二层面网，晶 面(晶体上最外层面网)是逐层向外平行推移的。这便是科 塞尔一斯特兰斯基所得出的晶体生长理论。
B.非完整光滑界面生长模型
此模型又称为螺旋生长理论模型，或BCF理论模型。该 模 型 于 1949 年 由 弗 朗 克 首 先 提 出 ， 后 由 弗 朗 克 等 人 （Buston、Cabresa、Frank）进一步发展并提出一系列与 此相关的动力学规律，总称BCF理论模型。该理论模型认 为，晶面上存在的螺旋位错露头点可以作为晶体生长的台 阶源（下图），促进光滑界面的生长。这种台阶源永不消 失，因此不需要形成二维核。这一理论成功的解释了晶体 在很低的饱和度下仍能生长，而且生长出光滑的晶体界面 的现象。
人工宝石制造方法
人工宝石制造方法人工宝石是一种通过模拟自然形成宝石的过程，以人工手段合成的宝石。
在现代科技的支持下，人工宝石的制造过程变得越来越成熟和精确。
本文将介绍人工宝石制造的方法和技术。
人工宝石的制造需要选择合适的原材料，常见的原材料包括氧化铝、氧化锆等。
这些原材料具有良好的透明度和硬度，是制造人工宝石的基础。
制造人工宝石的方法有很多种，其中最常见的是高温熔融法。
这种方法利用高温熔融原材料，然后通过控制温度和压力的变化，使其逐渐结晶成宝石的形态。
这个过程需要在特定的实验室条件下进行，确保宝石的质量和纯度。
还有一种常见的制造方法是化学沉积法。
这种方法利用化学溶液中的金属离子，在特定的温度和压力条件下，通过沉积和结晶的过程，生成宝石的晶体。
这种方法可以控制宝石的形态和颜色，制造出各种不同种类的人工宝石。
除了上述两种方法，还有其他的制造方法，如溶液法、气相沉积法等。
每种方法都有其特点和适用范围，根据不同的需求和要求，选择合适的制造方法。
在制造人工宝石的过程中，还需要注意一些关键的技术和环节。
首先是原材料的选择和准备，确保原材料的纯度和质量。
其次是温度和压力的控制，要保持稳定的实验环境，以确保宝石的质量和形态。
此外，还需要进行后续的加工和磨光，使宝石的表面光滑和亮丽。
人工宝石的制造是一项复杂而精细的工艺，需要科学的方法和技术的支持。
通过不断的研究和创新，人工宝石的制造技术得到了长足的发展和进步。
现在的人工宝石已经达到了与天然宝石相媲美的水平，甚至在某些方面更具优势。
人工宝石制造的发展不仅满足了人们对宝石的需求，也推动了宝石行业的繁荣和发展。
人工宝石不仅可以用于首饰制作，还可以应用于科学研究和工业领域。
它具有可控性强、成本低廉、产量稳定等优点，受到了越来越多人的青睐。
人工宝石的制造方法多种多样，每种方法都有其独特的特点和适用范围。
通过科技的进步和创新，人工宝石的制造技术得到了长足的发展和提升。
人工宝石已经成为了一种替代天然宝石的重要选择，为人们提供了更多的选择和可能。
合成宝石学总结
合成宝石学复习提纲一、填空第二章熔体法—焰熔法（维尔纳叶法）1. 焰熔法基本原理：利用氢氧的高温，使疏松的粉料通过氢氧焰撒下、熔融，落在冷却的结晶杆上，结晶成单晶。
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。
2. 焰熔法生长宝石工艺：1)原料的制备与提纯2)粉料制备：高纯度，高分散性，均一性3)晶体生长：引晶，放肩，等径生长4)退火处理3. 维尔纳叶法生长刚玉晶体（1）原料的制备与提纯：●AI2(SO4)3 :(NH4)2SO4 = 2.5 : 1；●加1.5倍水，加热溶解，缓慢冷却结晶，得到铝铵矾晶体。
AI2(SO4)3 + (NH4)2SO4 + H2O —— (NH4)2AI2(SO4)4-24 H2O●PH>3.5，重结晶，可去除钾离子； PH<3.5，重结晶，可去除铁、钛、铜、锰、镁等离子。
●去离子水重结晶3~5次，铝铵矾纯度达99.9%以上。
（2）粉料制备：●铝铵矾脱水：(NH4)2AI2(SO4)4-24 H2O——— (NH4)2AI2(SO4)4 - H2O + 23 H2O ↑ (200 ℃) (NH4)2AI2(SO4)4 - H2O——— (NH4)2AI2(SO4)4 +H2O ↑(250~350 ℃) 脱水炉温 < 300℃，脱水率 < 60%，可以保证粉料较好的分散性和流动性。
●无水硫酸铝铵分解：(NH4)2AI2(SO4)4 ——AI2(SO4)3 + NH3 ↑ + SO3 ↑ + H2O ↑ (450~550℃)●硫酸铝分解：AI2(SO4)3 ——γ-Al2O3 + SO3 ↑ (650~850℃)（3）晶体生长：包括引晶、放肩、等径生长三个步骤。
焰熔法合成宝石技术（二）
中国宝玉石177期页2023年4月Apr. 2023CHINA GEMS & JADES焰熔法合成宝石技术（二）摘要：本文通过沈才卿组织的三次参观焰熔法合成宝石工厂的实际设备，以及与厂长孙广年先生座谈及参观答疑等，拍摄了大量焰熔法合成宝石车间的实物：包括氢气和氧气管道通入车间的方法，控制氢气和氧气量的方法，料斗的样机及敲击料斗下料的方法，籽晶插入的方法，晶体的退火方法，轴向劈开的晶体，非正常生长的晶体等等。
还有合成四方形的尖晶石晶体，红宝石和蓝宝石晶体，星光红宝石和星光蓝宝石晶体，金红石晶体，钛酸锶晶体等等。
介绍了这些晶体的合成方法，工艺要求及优缺点等，还介绍了50年前我国用焰熔法合成一米长激光红宝石长杆晶的生长工艺等。
68-76沈才卿1，陆太进2，沈湄3，刘结文41. 核工业北京地质研究院2. 国家珠宝玉石首饰检验集团有限公司①3. 台湾宝石学协会荣誉理事长②4. 原中恒誉资产评估公司第一作者介绍: 沈才卿，1942年出生于江苏无锡，1965年毕业于中国科学技术大学，核工业北京地质研究院高级工程师，中宝协人工宝石专业委员会常务副主任委员兼秘书长。
从事成矿模拟实验基础理论研究，宝玉石的人工合成与优化处理教育与研究。
①注: 陆太进原单位中宝协珠宝研究所于2022年3月23日改制挂牌，原来是自然资源部所属事业单位改制为自然资源部所属全资国企单位，单位名称改为“国家珠宝玉石首饰检验集团有限公司”。
②注: 沈湄在2022年6月台湾宝石学协会的改选中被推选为荣誉理事长。
台湾宝石学协会成立于2015年，沈湄于2016年至2022年连续当了二届理事长，不能再连任了。
由于贡献良好经大会同意，推选为终身的荣誉理事长。
目前在2011年沈湄自己创办的台湾宝石学院暨鉴定所工作。
焰熔法合成刚玉类宝石包括合成无色蓝宝石、各种彩色蓝宝石、不同红色的红宝石及合成星光红宝石和星光蓝宝石等宝石晶体，其工作原理及工艺过程同前所述。
宝石人工合成技术
宝石人工合成技术宝石是人类历史上一直以来所追求的珍贵宝物，然而，天然宝石的稀缺性和高昂的价格使得它们成为富有的人们的专属奢侈品。
为了满足广大人民群众对宝石的需求，人工合成宝石技术应运而生。
人工合成宝石是通过模拟天然宝石的形成过程，利用人工方法在实验室中合成具有相同物理化学性质的宝石。
这种技术不仅可以大幅降低宝石的价格，使更多人有机会拥有宝石，同时也可以减少对自然资源的依赖，保护环境。
人工合成宝石的技术主要分为两种：高温高压法和溶液法。
高温高压法是最早被应用于人工宝石合成的方法之一。
这种方法通过在实验室中模拟地壳中的高温高压环境，使用高温高压设备将矿物原料加热并施加高压，使其在短时间内快速结晶形成宝石。
高温高压法主要适用于合成钻石、蓝宝石、红宝石等贵重宝石。
溶液法是另一种常用的宝石合成方法。
这种方法是将矿物原料溶解在高温高压下的溶液中，然后通过控制温度和压力的变化，使溶液中的成分逐渐结晶沉淀形成宝石。
溶液法主要适用于合成石英、蓝宝石、绿柱石等宝石。
无论是高温高压法还是溶液法，都需要精确控制合成条件，包括温度、压力、溶液成分等，以确保合成出的宝石具有良好的品质。
同时，还需要采用适当的添加剂来调控宝石的颜色、杂质含量等特征，使合成的宝石更接近天然宝石。
人工合成宝石在外观、物理性质上与天然宝石非常相似，很难通过肉眼或常规手段来区分。
因此，为了保护消费者的权益，许多国家都要求人工合成宝石必须在宝石上刻上标识，以示其为人工合成。
尽管人工合成宝石技术已经非常成熟，但人工宝石与天然宝石之间仍存在一些差异。
首先，人工宝石的产量可以控制，而天然宝石的产量则受限于天然资源的稀缺性。
其次，由于人工宝石的成分和结晶过程是可控的，因此它们在颜色、纯度等方面往往更加均匀一致。
然而，这也意味着人工宝石缺乏天然宝石所具有的独特性和稀有性。
总的来说，人工合成宝石技术的出现为广大消费者提供了更多选择，使更多人有机会拥有心仪已久的宝石。
宝石改善与人工合成-助熔剂法
助熔剂包裹体
助熔剂法生长祖母绿晶体的鉴别
红外光谱鉴定：不存在任何水的吸收峰 包裹体特征
未熔化的固体包裹体呈羽毛状、纱状或束状，看 上去象飘动的窗纱；
阶梯状粗粒助熔剂包体； 铂或硅铍石的固相包裹体。 天然籽晶片痕迹 颜色较浅，生长的祖母绿颜色较深，环绕着种晶
的深色祖母绿部分显示出相同包裹体类型； 成分分析
热区：添加原料、助熔剂和致色剂； 冷区：吊挂籽晶，视坩埚大小排列祖母绿籽晶片。
升温至原料熔融，热区熔融后祖母绿分子扩散到温度 稍低的冷区。当祖母绿熔融液浓度过饱和时，祖母绿便 在籽晶上结晶生长。热区和冷区的温差很小，保持低的 过饱和度以阻止硅铍石和祖母绿的自发成核作用。
添加原料，一次可生长多粒祖母绿晶体。
助熔剂法生长宝石晶体与鉴别
本章要点
掌握助熔剂法生长宝石晶体的基本原理 了解助熔剂法生长宝石晶体的各种方法及
工艺过程
鉴别助熔剂法生长的祖母绿和红宝石晶体
复习思考题
1. 助熔剂法生长宝石晶体的概念？ 2. 助熔剂法生长宝石晶体的基本原理？ 3. 合成祖母绿和合成红宝石晶体可用哪几种助熔 剂法进行生长？ 4. 助熔剂法生长宝石晶体有何优缺点。 5. 助熔剂法生长的宝石晶体有哪些特征？ 6. 如何鉴别助熔剂法合成的祖母绿和红宝石？
主要设备 高温马弗炉和铂坩埚。
合成祖母绿晶体常采用 1650℃的硅钼棒电炉。炉子 一般呈长方体或圆柱体，要 求炉的保温性能好，良好的 控温系统。
生长过程
首先在铂坩埚中放入晶体原料和助熔剂，将坩埚放入高温 电阻炉中加热，待原料和助熔剂开始熔化后，在略高于熔点 的温度下恒温一段时间，使所有原料完全熔化。
生长速度约0.33mm/月。12个月内可长出2cm的晶体。
【宝石学】宝石的合成方法
提拉、转动机：一组精密机械装置。
提拉法生产晶体设备
钇铝榴石YAG
3、优缺点
优点： ⑴在生长过程中可以方便地观察晶体的生长状况； (2)晶体生长的完整性好，生长时间短，尺寸大，
应力小； (3)定向杆晶和“缩颈”工艺，保证了晶体位错密
度明显降低，提高了晶体的光学均匀性。
缺点：对于那些化学活性较强或熔点极高的材料， 很难找到不污染熔体的坩埚，这就限制了提拉法使 用的范围。
三、冷坩埚法生长CZ
CZ以其高硬度、高折射率、高色散、“火彩”好、耐酸碱的 特点，备受人们喜爱，畅销世界，成为目前产量最大的人工宝 石。冷坩埚法也因此而名声大噪。
冷坩埚法的晶体生长装置采用“引燃”技 术，将金属的锆片放在“坩埚”内的氧化锆材 料中，高频电磁场加热时，金属锆片升温熔融 为一个高温小熔池，形成大于1200℃的高温区， 氧化锆在1200℃以上时便有良好的导电性能， 在高频电磁场下导电和熔融，并不断扩大熔融 区，直至氧化锆粉料除熔壳外全部熔融。
3.生产过程
焰熔法合成晶体生产过程中
燃烧温度 2050-2150℃
生产过程结束
3、焰熔法生长晶体的优缺点 优点：
(1)采用无坩埚生长晶体，既节省坩埚材料又避免 了坩埚对晶体的污染。
(2)燃烧温度可达2500℃以上，对难熔氧化物晶体 生长十分有利。
(3)成本低、生长速度快，利于大规模生产。 (4)生产设备装置较简单，可生长出大尺寸的晶体。 例如，刚玉梨晶可达直径10～30mm，长500～1000mm 。 缺点：
二、晶体提拉法
提拉法又称丘克拉斯基法，是J.Czochralski在 1917年发明的。
大多数氧化物类晶体如蓝宝石、红宝石、钇铝榴 石（YAG，Y3Al5O12）、钆镓榴石（GGG， Gd3Ga5O12）、变石、尖晶石等都能用提拉法生长晶 体。
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助熔剂法又称高温熔体法，将原料成分在高温下熔解于低熔点助熔剂熔体中，形成饱和溶液，然后通过缓慢地降温或在恒定温度下蒸发熔剂等方法，形成过饱和溶液而析出晶体。
似自然界矿物晶体从岩浆中结晶的过程。
一、助熔剂法的原理：顾名思义，一定有助熔剂。
助熔剂条件：熔化后能溶解待生长的晶体材料且不易挥发。
常用助熔剂：PbF2、Pb02、Bi203、B203、BaO-Bi203等极性化合物。
另外还有一些复杂的化合物，如钨酸盐、钼酸盐等。
助熔剂法生长晶体的原理：1)A熔点为TA，B熔点为TB，E为共结点。
2)将A、B组分混合，混合比例X。
当温度为TX时，混合组分X融成溶液。
随着温度的下降，X组分至Q 点，相当于TQ时，结晶析出A。
3)温度进一步降低，熔融的成份沿共结线TA-Q-E下滑。
A在X混合溶液中的成分不断增加，溶液处于过饱和状态，不断析出A组分，并长大成晶体。
从图可知：由于A组分中加入低熔点的B组分后，A组分的熔点和结晶点由TA 下降到TQ，这样就可以在较低的温度下生长出高熔点的宝石晶体。
因为B组分起到了降低熔点的作用，故称为助熔剂。
二、助熔剂法的分类1.自发成核法（1）缓冷法：在高温使材料熔融于助溶剂中，缓慢降温冷却，使晶体从饱和熔体中自发成核并逐渐成长的方法。
（2）反应法：助熔剂和原料熔融后，助溶剂与原料反应，反应后的晶体成分在熔融体中维持一定的过饱和度，生长晶体的方法。
（3）蒸发法：是在恒温下，蒸发熔剂，使熔体过饱和，从而使晶体析出并长大的方法。
①籽晶旋转法：由于助熔剂熔融后粘度较大，采用籽晶旋转，搅拌熔体，使晶体长大，且少含包裹体。
（合成红宝石）②顶部籽晶旋转提拉法：这是①法和晶体提拉法的结合。
边旋转边提拉，晶体绕籽晶逐渐长大。
③底部籽晶水冷法：水冷部位形成过饱和熔体抑制了熔体其它部位成核，保证籽晶的生长。
1.对待生长晶体有极好的溶解性，随温度的变化，溶解度变化也较大。
2.在宽的温度范围内，所生长的晶体是唯一的稳定相，助熔剂与晶体成分不能形成中间产物。
3.助熔剂具有较低的粘度和较高沸点。
4.挥发性小，毒性小，容易清除。
1.适用性强，几乎所有材料都有合适的助熔剂。
2、温度要求低，许多难熔化合物或熔点处易挥发和变价的化合物等均能生长。
3.包裹体类似天然宝石。
4. 设备简单。
（坩锅/加热炉）5.生长周期长，速度慢，晶体小，容易夹杂助熔剂阳离子，且有些助熔剂有腐蚀性和毒性，容易污染环境。
一、Espig自发成核缓冷法生长祖母绿1.主要设备：高温马弗炉和铂坩埚.据炉体温度，可采用硅碳棒发热体炉(1350℃)或硅钼棒发热体炉(1650℃)。
炉子呈长方体或圆柱状。
保温性好，铂坩埚出入方便。
2.工艺流程1)铂坩埚装料（按比例）烧结块经导管至坩埚底部，2)悬挂籽晶: 籽晶在挡板下，防止浮到表面.3)高温炉加热熔化原料:加热材料在熔剂中，底部烧结块向上扩散，上部石英向下，相遇后发生化学反应，形成祖母绿溶液；4)晶体生长:组分绕籽晶长3）生长结束—倾倒残余溶液—晶体回炉—冷却室温3.工艺条件1)原料为纯净的绿柱石粉或纯氧化物。
2)助熔剂：多采用LiM0207，且熔点低于祖母绿(1750℃)。
3)合成祖母绿的稳定温度为900—11500C，时间320小时，严格控温，否则易形成金绿宝石1200—13000C)或硅铍石(1100—12000C)。
4)严格供料:Si02 2—4周／次,其它2天一次。
5)坩埚顶、底部温度要高，中温要低，存在温差。
6）晶体大小2-10毫米，产量小。
一年最大2厘米二、吉尔森籽晶法祖母绿1.主要设备铂坩埚中间竖向加铂栅栏，分为二区(高、低温区，产生冷、热对流)。
二区温差小，以保持低的过饱和度，防止硅铍石和祖母绿的自发成核。
2.生长过程1)优化种晶：先选用无色绿柱石切片做籽晶，在二面上合成祖母绿再把合成祖母绿做种晶。
2)放置原料：热区放入绿柱石块原料，冷区挂种晶。
3)加热坩埚，使热区原料熔融后，扩散到稍低温的冷区，形成过饱和的条件，在籽晶上生长晶体。
3.工艺条件1）原料采用绿柱石块，助熔剂采用钼酸锂。
2）两区对流可用机械来驱动。
3）典型生长工艺：1mm／月，7个月厚7mm14mm*20mm大的晶体可得18ct的刻面宝石。
4) 由于使用籽晶，生长晶体体积大，质量好。
三、助熔剂法生长红宝石晶体1.主要设备1）铂坩锅、电炉（与Espig相似)。
2）坩埚变速旋转器：使熔体处于搅动中充分熔融。
3）籽晶杆转动，晶体遇冲刷，包裹体减少。
①放置原料和助熔剂于坩埚内。
②将坩埚放入装有旋转底座的电炉内加热。
③在高于饱和温度20℃，旋转坩埚，使原料充分熔融，缓慢下降籽晶、降低温度，使溶液达到过饱和，晶体生长。
④停止加热、冷却、倒出熔剂。
1)Na3AlF6和A1203的二元相图确定配比：1：0.13-0.2，1％-3％的Cr203为原料。
2)坩埚装料1000g，大于饱和温度200C。
保持4-5h，使熔质充分熔化。
3)生长温度980-1050℃，△T=20℃4)降温速度:0．5-1.0℃／h5)熔剂在熔融状态有6%的挥发,故须增加熔剂的比例,并且使种晶放在液面较下方.四、助熔剂法生长YAG晶体1.主要设备1）底部籽晶水冷却法铂坩埚(体积2．5升)，加热炉，控温测温装置，坩埚底部用冷水冷却装置。
2）自发成核缓冷法铂坩埚、加热炉2.生长过程以底部籽晶冷却法为例:Y3Al5O121、将原料与熔剂放入坩埚，置于炉中。
2、加热1300℃熔融原料。
3、浸入籽晶于中心水冷区。
4、缓慢降温，溶液过饱和沿籽晶长出晶体。
5、自发成核缓冷法过程同红宝石。
3.工艺条件1、将原料Y2O3/Al2O3与熔剂PbO/PdF2/B2O3,Nd2O3按比例放入坩埚、炉中。
2、籽晶:YAG晶体,底面为(110), 高8mm,16*16mm2.3.加热1300℃熔融原料,恒温25h.以3℃/h降温到1260℃, 底部采用水冷。
4、浸入籽晶后以0.3-2℃/h降至950℃.5、提拉晶体离开溶液,于炉体一同自然冷却。
第三节助熔剂法合成宝石的鉴别一、助熔剂法合成祖母绿（一）助熔剂法合成祖母绿的类型1.查坦姆合成祖母绿参数:DS=2．65，RI=1．563～1．560，DR=0．007.成分中可有Li、Mo、V等元素包体:羽状、面纱状及硅玻石，LW:具鲜红色荧光.滤色镜:呈鲜艳的红色。
2.吉尔森法合成祖母绿参数:DS,RI,包体与查坦姆的相似。
不同点LW:橙红色荧光。
最近产品可显红色荧光吉尔森法合成祖母绿可大至18ct.吉尔森法还可生长含有Cr和Ni的黄绿色祖母绿吉尔森N型无荧光。
3.莱尼克斯(Lennix)合成祖母绿用钼酸锂和硼盐为助溶剂。
参数:RI=1．558—1．566，DR=0．003，DS=2．65～2．668／cm3。
LW：呈亮红色，SW:呈模糊的橙红色。
此法合成祖母绿都富含FeO、MgO。
在阴极发光下发紫色—蓝紫色荧光。
包裹体平行于C轴的不透明管状包裹体；平行底面放射状分布包裹体硅铍石和绿柱石细柱状晶体4.俄罗斯NOVOSibirsk助熔剂法合成祖母绿长可达100mm，直径可达60mm，DS和RI比一般助熔剂合成祖母绿的低.包裹体:类似次生愈合和原生空洞充填的助熔剂包裹体。
助熔剂充填的次生裂隙平行c轴的两相包裹体或三相包裹体似哥伦比亚天然祖母绿。
.内部特征助熔剂残余（云翳状或花边状、小滴和空洞、沿裂隙充填）硅铍石晶体、色带、残余种晶板2.密度、折射率DS=2．65g／cm3，在2.65的重液中缓慢下沉或悬浮。
RI=1．56—1．57，DR=0．003。
比天然都低.3、查尔斯滤色镜：多呈强红色，但吉尔森N型无变化。
4.发光性LW:呈红色荧光。
且在SW下查坦姆的透过率比天然都强（230nm透过）。
5.吸收光谱与天然祖母绿类似，也有Cr吸收谱。
吉尔森N型添加了铁，在紫区427nm有吸收带，6.红外光谱无水的吸收。
天然:Ⅱ型水5278cm-1 非常强，Ⅰ型水5590cm-1 很弱.合成:助熔剂法无水吸收峰.二、助溶剂法合成刚玉宝石的鉴别1、助熔剂法合成红宝石的鉴定特征(1)晶体特征晶形具完好几何形态。
但晶形主要呈板状、粒状，单晶中底面及菱面体面十分发育，缺失天然红宝石的六方柱面、六方锥面。
(2)颜色颜色丰富，深浅不一的红色,似天然红宝石。
（3）发光性一般来讲，可有较强的红色荧光.有些品种因稀士元素的加入可有特殊的荧光。
(4)查尔斯滤色镜观察可能显示较明显的红色。
(5)吸收光谱比天然明显、清晰。
个别品种在紫外光区有吸收。
（6）微量元素在X荧光光谱分析中，助熔剂合成红宝石显示微量铅等元素的存在。
（7）内部特征a．助溶剂包裹体：颜色：透射光:部分不透明，为灰黑色、棕褐色或黑色；反射光:浅黄色、橙黄色，并具有金属光泽。
形态:树枝状、栅栏状、网状、扭曲的云状、溶滴状、彗星状。
马赛克结构及收缩洞助溶剂熔滴未脱玻化之前呈均一的玻璃态，在急速冷却条件下，由于热胀冷缩作用，熔滴的中心形成一个空洞，空洞边缘是马赛克状结构的收缩态。
b.色带、色块平直的角状生长环带、不均匀色块、搅动状的颜色不均匀现象，色块呈纺锤形、三角形.合成红宝石出现的蓝色三角形生长带，可作为鉴定特征。
c.金属片铂金片:透射光不透明,反射光为银白色,具金属光泽，铂片出现的机率是较低的，但一经发现，可作为合成红宝石的依据。
(8).助溶剂法合成红宝石的主要品种：查塔姆（Chatham）、罗姆拉（Ra-maura）、克尼什卡（Knischka）、卡桑（Kasha）、多罗斯（Douros）。
不同的品种鉴定特征有差异。
2.助溶剂法合成蓝宝石的鉴定特征合成蓝宝石的助溶剂残余、色带、铂金属片等特点与合成红宝石相同，不同点在于：(1)荧光：在紫外灯下助溶剂残余可有粉红色、黄绿色、棕绿色等多种荧光，而且荧光较强。
而天然蓝宝石多表现为荧光惰性。
(2)吸收光谱：与天然蓝宝石相比，助溶剂合成蓝宝石有可能缺失460nm、470nm的吸收。
3.助熔剂法合成尖晶石的鉴定特征颜色红色和蓝色，其次有浅褐黄、粉、绿等色，有些天然品未见。
化学成分上与天然尖晶石相近，区别主要表现在内部包裹体特征、吸收光谱、荧光特征的差异。
4.助熔剂法合成金绿宝石及其鉴别合成金绿宝石可有金绿宝石、猫眼、变石三个品种，最常见是合成变石。
一:高频冷坩锅技术概述1.基本原理:铂熔点:1769℃;立方氧化锆稳定的温度为2750℃.不使用专门的坩埚,直接用拟生长的晶体材料起坩埚的作用。
外壳因加设水冷系统,吸收表面热量,形成一层未熔壳—“冷坩锅”.中间的立方氧化锆原料在高频电磁波的作用下熔融，依靠坩锅下降法,降低温度使熔体达到过冷却状态，结晶生长出立方氧化锆晶体。
2.设备1)高频电源①工作频率1-6MHz振荡稳定,可以调节. ②工作匹配性好,在过压下不损坏元件③可以长时间运行2)冷坩锅系统①水冷“U”型单管铜管,之间缝隙1-1.5mm(确保电磁场能量通过).②水冷底座:绝缘层(切断高频感应电流)上供水腔,下出水腔,与铜管焊接.③玻璃钢绝缘支架,以与引下装置绝缘3)引下装置及调速系统采用丝杆式蜗轮杆传动机构,用直流力矩发电机核可精确调速的电动机组拖动,保证晶体的稳定生长.二、工艺流程1.配制粉料ZrO2和稳定剂Y2O3（9：1）装入金属杯，中心放金属锆片。