宝石合成方法及原理汇总
水热法合成宝石
加铁
? 褐色
加铁
主要晶体缺陷
? （1）双晶 根据外观特征分为凹陷型双晶、多面体双晶、鼓
包双晶和花 絮状双晶四种。 ? （2）包裹体
主要有固体包裹体和气－液两相包裹体。
主要晶体缺陷
? （3）位错和腐蚀隧道 位错多位刃为错和混合位错。除了这些线位错
外，还有层位错。腐蚀隧道是作为籽晶的石英晶片经 过腐蚀形成的，一般成管状。
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件很 相似，因此生长出的宝石晶体与天然宝石晶体最接近。
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
工作条件和工艺参数
（4）营养料：Al2O3或合成刚玉碎料和 Al2O3混合物。 （5）种晶 ：沿Z轴成不同角度的方向切成圆棒或条
片状。 （6）挡板： 釜内径2.22mm ，挡板孔0.64mm ，对
生长影响不明显。
水热法合成刚玉宝石致色离子与颜色关系图
晶体的外部特征
a、晶形: 外形多为厚板状－板状，常见的单形有六方 双锥，次为菱面体，偶见复三方偏三角面体及平行双面。
(1) 温度和压力（ Tg=330-350 0C，Td=360-380 0C， Δ≤500C ，P=1.1-1.6*10 8Pa, ）
(2) 高压釜（ 43CrNi 2MoV） (3) 矿化剂（ NaCO 3，NaOH ，NaCO 3 + NaOH ）
合成宝石课件三
合成宝石课件三合成宝石三一、原理：在高压釜内，从过饱和溶液中生长宝石晶体二、分类（按晶体生长的运输方式不同）1、等温法：在高压釜内无温差的条件下，采用矿化剂，加热溶液温度接近水的临界温度时，使不稳定相/亚稳定相的原料不断溶解，直至溶液达到过饱和状态时，即在稳定的籽晶上生长，这是利用物质的溶解度差异生产晶体的方法。
2、温差法：在封闭的高压釜中，高温高压条件下，原料在釜内下部温度较高部位溶解达饱和状态，并逐渐向上部温度较低部位流动，形成过饱和溶液后即以籽晶为核心生长晶体的方法。
采用温差法使晶体生长的条件是：（1）原料在高温高压的矿化剂水溶液中，具有一定的溶解度且为稳定的单一相。
（2）原料的溶解度温度系数大，高温溶解，低温则形成足够的过饱和度。
（3）籽晶的切型易于晶体的生长。
（4）溶液密度的温度系数要足够大，能起到溶液的对流及溶质传输作用。
（5）备有耐高温高压抗腐蚀的容器。
三、设备1.高压釜:具有耐热耐压抗腐蚀性好抗蠕变性强的特种合金钢圆形钢筒.2.加热炉:提供加热温度和温度梯度.加热的方式有两种:(1)加热板结合不同厚度的保温层调节温度梯度(2)位置分布不同的可控制的电阻绕组管式加热炉.3.密封系统:压缩式、拉封式.密封材料有银、纯铁、石墨、铜等各种软金属.四、水热法合成宝石的优缺点：1、适宜高温下存在相变和在接近熔点时近乎分解的材料。
2、合成晶体完整、粒大、质优，能很好地控制材料成分。
3、生长的条件与自然界相似,合成晶体与天然宝石最接近。
4、设备贵，内压大，安全性差.5、生产过程均在釜内进行不直观。
6、晶体生长的速度慢、周期长，产量受高压釜空间限制。
7、需要适当大小的优质籽晶。
一、影响因素(一)矿化剂（溶剂）的性质和浓度矿化剂的作用：使结晶物质具有比较大的溶解度。
使结晶物质具有足够大的溶解度温度系数。
不同宝石需用不同的矿化剂；同一宝石采用不同矿化剂，合成晶体质量和生长速度亦不相同。
矿化剂溶液的浓度影响晶体生长速度，浓度过大过小都可大大地降低宝石晶体的生长速度。
【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。
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。
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。
焰熔法合成宝石
合成刚玉 合成红宝石 合成蓝宝石 合成黄色蓝宝石 合成紫色蓝宝石 合成变色蓝宝石 合成星光红宝石 合成星光蓝宝石
原料 Al2O3 ，另加致色元素如下 Cr2 O3， 1-3% Fe，Ti；0.3-0.5% Ni，Cr Cr Fe，Ti Cr2 O3，V2O5，3-4% TiO2 0.1-0.3%，Cr2 O3 1-3% FeO+TiO2：0.3-0.5%；TiO2 ： 0.1-0.3%
合成金红石加入着色剂所呈现的颜色
加入的着色剂 呈现的颜色 加入的着色剂 呈现的颜色
优点 ①氢氧焰产生的温度高，可以合成高熔点的晶体； ②生长速度快，短时间内可以得到较大尺寸的晶体； ③生产设备简单，生产量大，适合工厂规模化生产。 缺点 ①火焰温度变化梯度较大，容易影响晶体质量； ②原料纯度及粒度要求严格。
二、焰熔法生长刚玉类晶体
品种有无色、彩色、星光等品种，主要化学 成分为Al2O3，不同品种，配料添加剂不同， 工艺流程基本相同。
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。
筛孔挡板
震荡器：使料筒不断抖动，以便原料的粉末能从
筛孔中释 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%，
维尔那叶炉结构图
b、燃烧系统
氧气管：从料筒一侧释放，与原料粉末一同下氧降气进；口 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2500oC，Al2O3粉末的熔点为氢2气05进0o口C； 冷却套：吹管至喷嘴处有一冷却水套，使氢气冷却和套氧及气 处于正常供气状态，保证火焰以上的氧管不被熔化循环水
内容
一、焰熔法生长宝石工艺 二、焰熔法生长刚玉类、金红石类、
宝石合成技术
宝石合成技术人工宝石的合成方法:1、焰熔法2、水热法3、助溶剂法4、熔体法5、冷坩埚熔壳法6、高温高压法7、化学沉淀法8、区域熔炼法焰熔法一、原理将合成宝石的原料(固态的粉末组分)按一定比例均匀混合在一起，用氢氧火焰把原料熔化，然后随着温度下降在熔体中进行晶体生长的方法。
二、设备1.供料系统：为圆柱形的筛状供料容器和料斗组成，震动器有规律地振动使粉末均匀下落到氧气流中。
2.气体燃烧系统：融化粉料的设备。
氧气、氢气通过燃烧器燃烧，温度可达2500℃。
3.结晶炉：马弗炉，主要起保温作用。
炉膛呈流线型，易于气体流动和不积粉。
4.下降系统：把籽晶固定于结晶杆上，并把结晶杆安装在支架上，结晶杆可缓慢下降并不断旋转，以保证晶体的生长尺寸。
三、一般工艺流程1、原料制备：要求纯净，颗粒均匀，高分散，具适当的堆积密度和流动性。
掺杂剂要考虑到宝石的颜色，光学性能，宝石结构和物理性质，生长过程中的烧失量。
2、下料，将原料粉末与掺杂剂按比例置于筛状容器，振动过筛，落入氧气流内。
3、熔料，内管中的氧气与外管中的氢气混合燃烧。
4、晶体生长：熔体下落到种晶的生长台上，旋转并下降，晶体生长成梨形圆棒。
5、处理晶体，关闭气体，晶体冷却，由于晶体生长时内聚了大量应力，当停止加热晶体，易从纵轴裂成两半。
6、退火处理，将合成晶体装炉缓慢升温几小时，恒温保温，再慢慢降至室温以减少热应力。
四、焰熔法晶体生长工艺特点1.此方法不需坩埚，即节省坩埚材料，又避免坩埚污染。
2.氢、氧燃烧温度高达2500度，适合难熔氧化物。
3.生长速度快、有利于大规模生产，成本低。
4.生产设置简单，能长出大的晶体。
5.若生长温度梯度大，内应力大，易裂开。
6.对粉料的纯度、粒度要求严格，并在合成过程中有30%的损失量，提高了原料成本。
7.易挥发或易氧化的材料不适宜此方法。
五、合成品种及其鉴定特征（一）合成刚玉1．原始晶形：焰熔法合成的宝石原始晶形都是梨形。
而天然宝石的晶体形态为一定的几何多面体。
助熔剂法合成宝石的原理和方法(精)
• 原理：高温常压下，缓慢降 温或蒸发均匀饱和熔融液（ 组分原料+低熔点助熔剂） • A—宝石组分，Ta—A熔点 TQ—A结晶温度，B—助熔剂 Tb—B熔点，X—熔融液 • B使Ta< TQ (降低熔点) • 可以在较低温度下生长高熔 点宝石晶体 • B:一般为无机盐类
可生长红蓝宝石、祖母绿、YAG、GGG、金绿宝 石、尖晶石
助熔剂法分类
缓冷法：缓慢冷却降温自发成核 (无色蓝宝石 \红宝石 \YAG) 自发成核法 反应法：助熔剂与原料反应 (钡铁氧 ) 蒸发法：恒温下蒸发熔剂，所得晶体质量不好 (CeO2)
籽晶旋转法：搅拌，生长快， inc 少 籽晶生长法 顶部籽晶旋转提拉： 底部籽晶水冷法 (YAG) 坩埚底部：熔融饱和液 坩埚顶部：过饱和溶液
• 克服自发成核晶粒过多的缺点
ห้องสมุดไป่ตู้
缓冷法
籽晶旋转法
顶部籽晶旋转提拉装置
底部籽晶水冷法
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。
宝石合成方法及原理汇总
宝石合成方法及原理汇总宝石合成是指将多个不同的宝石或宝石碎片组合在一起，形成全新的宝石。
它是一门复杂的工艺和技术，需要经过多道工序和特定的化学反应，才能得到理想的合成宝石。
以下是宝石合成的一般方法和原理的汇总。
一、熔化法熔化法是最古老、最简单的宝石合成方法之一、它的原理是将原材料的宝石或宝石碎片放入高温炉中，加热至宝石熔化的温度，然后冷却凝固形成新的宝石。
这种方法适用于一些非常容易熔化的宝石，如玻璃、石英等，但对于一些高熔点的宝石如金刚石则不适用。
二、化学合成法化学合成法是重要的宝石合成方法之一、它的原理是利用化学反应的原理，将原材料中的元素按特定比例混合，并在高温高压的条件下进行反应。
这样可以使原材料中的元素重新排列组合，形成新的宝石。
化学合成法可以用于合成高质量的宝石，如人造蓝宝石、人造红宝石等。
三、气相沉积法气相沉积法是一种通过化学气相沉积技术合成宝石的方法。
它的原理是将气体中的宝石原子或分子通过化学反应转化成晶体，最终沉积在基底上形成宝石。
这种方法适用于一些高温下不稳定的宝石材料，如碳化硅、氧化铝等。
四、溶液法溶液法是一种通过将溶解液中的宝石元素沉积在基底上形成宝石的方法。
它的原理是将宝石原料的粉末与溶液混合，然后通过控制温度、浓度等条件，使溶液中的宝石元素结晶沉积在基底上形成宝石。
溶液法适用于一些颜色饱和度较低的宝石合成，如钻石、蓝宝石等。
五、高压高温法高压高温法是一种通过在高温高压条件下合成宝石的方法。
它的原理是将宝石原料放入高温高压装置中，利用高温高压条件使原料重新组合并形成新的宝石。
这种方法适用于一些高温高压稳定的宝石原料，如金刚石、红宝石等。
六、合成流体包裹体法合成流体包裹体法是一种通过在流体包裹体中合成宝石的方法。
它的原理是将宝石原料和溶剂放入高压装置中，在高温高压条件下形成流体包裹体，然后通过控制温度、压力等条件使宝石晶体沉积在包裹体中。
最后，将包裹体中的宝石晶体取出，即可得到合成宝石。
宝石合成方法及原理汇总综述
宝石合成方法及原理汇总综述宝石是自然界中所形成的罕见、坚硬且美丽的矿物结晶。
在人类历史上，宝石一直被视为珍贵的物品，不仅用于装饰，还被赋予了多种神秘和象征意义。
不过，人们对宝石的欣赏和需求常常超过了其供给能力，这就促使着人们发展出宝石合成技术，通过人为的手段来制造宝石。
物理合成方法物理合成方法是通过模拟自然界形成宝石的过程来合成宝石。
以下是一些常见的物理合成方法：1.补充合成：在地壳中存在着大量的宝石的主要成分，因此在一些地质特殊的地区，岩浆中的宝石成分可以通过熔化岩石再结晶的方式来合成宝石。
2.熔融合成：该方法通常使用静电和氧气刺激来加热材料，并通过高温高压下的结晶来合成宝石。
这种方法可以合成较大的单晶宝石，在实验室条件下可以达到很高的质量。
3.溶液合成：在特定温度和压力条件下，将含有宝石元素的溶液加热，并让其冷却结晶，从而合成宝石。
这种方法通常用于合成较小的宝石，如红宝石和蓝宝石。
化学合成方法化学合成方法是通过在实验室中使用化学反应来合成宝石。
以下是一些常见的化学合成方法：1.溶剂热合成：该方法使用一种溶剂来溶解宝石的主要元素，并在高温高压下反应形成宝石。
这种方法通常用于合成较小和较简单的宝石。
2.水热合成：在特定温度和压力条件下，将宝石原料与水混合，并加热反应以合成宝石。
这种方法可以合成较大和复杂的宝石。
3.气相合成：使用化学反应来产生宝石元素的气体，并让其在高温高压下沉积成宝石。
这种方法通常用于合成较小和较纯的宝石。
无论是物理合成方法还是化学合成方法，宝石合成的原理在于模拟自然界中形成宝石的过程。
它们都需要模拟高温高压条件下的结晶过程，使宝石原料中的元素重新排列并形成宝石结构。
值得注意的是，尽管合成宝石的技术已经非常成熟并广泛应用，但合成宝石与自然形成的宝石之间仍存在一些微小的差别。
自然形成的宝石经历了几百万年的漫长过程，因此具有更高的纯度和完美的结晶。
合成宝石则是在实验室控制下合成的，虽然质量也很高，但通常会有一些微小的差异。
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。
人工合成宝石方法
人工合成宝石方法1、焰熔法使原料粉末在氢氧焰中，边投入边熔融而结晶生成宝石晶体的方法。
由于此法是法国的维尔纳叶在1902年发明的，所以又称“维尔纳叶法”。
这是目前合成宝石的主要方法之一。
现今的合成红宝石、蓝宝石、彩色尖晶石、金红石、星光红蓝宝石及人造钛酸锶等宝石大多用此法制得。
2、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物结晶的过程。
用此法合成的宝石有水晶、祖母绿、红宝石、海蓝宝石等。
3、助熔剂法这是在常压高温下，借助助熔剂的作用在较低温度下加速原料的熔融，从熔融体中生长出宝石晶体的方法。
此法在一定程度上模拟了自然界的岩浆分异结晶成矿过程。
通常所说的“卡善（KASHAN）”合成红宝石、“查截姆（CHATHAM）”合成祖母绿以及人造钇铝榴石（YAG）、人造钆镓榴石（GGG）、合成蓝宝石、合成金绿宝石、合成尖晶石等均可用此方法制成。
4、熔体法直接熔化宝石原料，然后逐渐降低温度，从而生长出宝石晶体的方法。
根据实际工艺过程的不同又可进一步分为以下两种方法：（1）提拉法：也称丘克拉斯法，适用于红宝石、蓝宝石、星光红宝石、星光蓝宝石、变石、钇铝榴石、钆镓榴石等宝石晶体的生长。
（2）导模法：也称斯切帕诺夫法，是提拉法的变种。
用于生长合成红宝石、金绿猫眼等。
5、区域熔炼法（也称浮区法）将原料逐区熔融并重结晶而生长出宝石晶体的方法。
用此法可生长出合成刚玉类宝石、合成变石和人造钇铝榴石晶体等。
6、冷坩埚熔壳法简称熔壳法，主要用于生产合成立方氧化锆（CZ）晶体。
其原理与熔体法相近，但具体方法及工艺过程较复杂。
7、高温超高压法是在高温超高压条件下，模拟变质成矿过程合成宝石的方法。
常用于合成金刚石、翡翠等。
8、化学沉淀法是一种经化学反应和沉淀，进而加热加压合成非单晶质宝石的方法，如合成欧泊、合成绿松石等。
另外，用于生产合成金刚石薄膜的化学气相沉淀（CVD）法以及最新资料报道的合成碳化硅单晶生产技术，也暂且归属于此类。
合成钻石的方法及原理
合成钻石的方法及原理
合成钻石的方法有两种：高温高压法和化学气相沉积法。
1. 高温高压法：这种方法是通过在高温（约1500-2000摄氏度）和高压（约5-6兆帕）的条件下，模拟地球内部的地质环境来制造钻石。
该过程使用金属容器内的碳源，如石墨，使石墨在高温高压下固态反应，转变为钻石。
基本原理是在这种环境下，碳原子会以晶格排列的方式结合起来形成钻石的结构。
2. 化学气相沉积法：这是一种更常见的合成钻石的方法，其中钻石是通过在特殊的气氛下，使用化学气相淀积技术将气体中的碳沉积在衬底上制成的。
通常，还需要一种含有碳源化合物（如甲烷）的气体混合物，以在高温下解离产生游离碳原子，然后这些碳原子在衬底上沉积形成钻石。
这两种方法都能制造出高质量的人造钻石，但高温高压法通常用于制造大型和高质量的钻石，而化学气相沉积法则适用于制造小型和低成本的钻石。
无论哪种方法，合成钻石的基本原理都是通过控制碳原子的排列来构建钻石的晶体结构。
【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。
各种合成方法对比
（3）传动系统：为了获得稳定的旋转和升降，传动系统由籽晶杆、坩埚轴和升降系统组成。
C.工艺条件
原料：合成祖母绿所使用的原料是纯净的绿柱石粉或形成祖母绿单晶所需的纯氧化物，成份为BeO、SiO2、AL2O3及微量的Cr2O3。
助熔剂：常用的有氧化钒、硼砂、钼酸盐、锂钼酸盐和钨酸盐及碳酸盐等。目前多采用锂钼酸盐和五氧化二钒混合助熔剂。
2、合成装置
水热法合成宝石采用的主要装置为高压釜，在高压釜内悬挂种晶，并充填矿化剂。
把原料先烧结或压制成棒状，然后用两个卡盘将两端固定好。将烧结棒垂直地置入保温管内，旋转并下降烧结棒(或移动加热器)。烧结棒经过加热区，使材料局部熔化。熔融区仅靠熔体表面张力支撑。当烧结棒缓慢离开加热区时，熔体逐渐缓慢冷却并发生重结晶，形成单晶体。
在浮区熔炼法装置中，将高频线圈绕在垂直安装的材料棒上。感应加热在熔区中可提供自动的电磁搅拌，揽拌的程度取决于所用的频率、线圈的实际配置和熔区的长度，还可通过检测热损耗值或材料导电率的变化来实现熔区直径的自动控制。移动原料烧结棒（或移动加热器），使烧结棒自上而下逐步被加热熔化。熔区内的温度大于原料熔化温度，熔区以外温度则小于原料熔化温度。旋转烧结棒，热源逐渐从烧结棒一端移至一端，直至整个烧结棒变成宝石单晶。重复该过程，可使晶体进一步得到精炼和提纯。
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。
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宝石合成原理与方法（汇总）第一章绪论要点人造宝石材料的重要性人造宝石材料的发展基本概念晶体生长基本理论一、人造宝石材料的重要性随着科学技术的发展，人民生活水平不断提高，人类对宝石的需求也逐渐增加。
然而天然宝石材料的资源毕竟是有限的，而人工宝石材料能够大批量生产，且价格低廉，故人工宝石材料在市场上占有较大的份额。
随着科学技术的发展，人工宝石材料的品种日益繁多,合成宝石的特性也越来越接近天然品种。
宝石学家不断面临鉴别新的人造宝石材料的挑战。
某些人工的晶体材料也用于工业产品及设备的制造及生产中。
例如，人造钇铝榴石被广泛用于激光工业，合成水晶是用作控制和稳定无线电频率的振荡片和有线电话多路通讯滤波元件及雷达、声纳发射元件等最理想的材料。
二、人造宝石材料的发展人工制造宝石的历史可追溯到1500年埃及人用玻璃模仿祖母绿、青金石和绿松石等。
人工合成宝石始于18世纪中期和19世纪，由于矿物学研究的发展以及化学分析方法取得的进展，使人们逐渐掌握了宝石的化学成分及性质，加上化学工业的发展以及对结晶过程的认识，人工合成宝石才变为现实。
1892年出现了闻名的“日内瓦红宝石”，这是用氢氧火焰使品质差的红宝石粉末及添加的致色剂铬熔融，再重结晶形成优质红宝石的方法。
随后，这种方法经改进并得以商业化。
1890年，助熔剂法合成红宝石获得成功；1900年助熔剂法合成祖母绿成功。
从此，宝石合成业飞速地发展起来。
合成尖晶石、蓝宝石、金红石、钛酸锶等逐渐面市。
1953年合成工业级钻石、1960年水热法合成祖母绿及1970年宝石级合成钻石也相继获得成功。
我国的人工宝石材料的生产起步较晚。
五十年代末，为了发展我国的精密仪器仪表工业，从原苏联引进了焰熔法合成刚玉的设备和技术，六十年代投产后，主要用于手表轴承材料的生产。
后来发展到有20多家焰熔法合成宝石的工厂，能生长出各种品种的刚玉宝石、尖晶石、金红石和钛酸锶等。
我国进行水热法生长水晶的研究工作，始于1958年。
目前几乎全国各省都建立了合成水晶厂。
我国的彩色石英从1992年开始生产，现在市场上能见到的各种颜色品种的合成石英。
七十年代，由于工业和军事的需要，尤其是激光研究的需要，我国先后用提拉法生产了人造钇铝榴石（YAG）和钆镓榴石（GGG）晶体，它们曾一度被用于仿钻石。
1982年，我国开始研究合成立方氧化锆的生产技术，1983年投产。
由于合成立方氧化锆的折射率高、硬度高、产量大、成本低，很快取代了其它仿钻石的晶体材料。
广西宝石研究所1993年成功生产水热法合成祖母绿，现已能生产水热法合成其它颜色的绿柱石及红、蓝宝石。
合成工业用钻石在我国是l963年投产的，至八十年代末，我国已有300余家合成工业用钻石的厂家。
但宝石级合成钻石的生产还在探索之中。
l995年，我国采用化学气相沉积法生长出了多晶金刚石薄膜，已在首饰方面应用。
所以我国的人工宝石制造工业，虽然起步较晚，但发展迅猛。
我们与发达国家的差异正在逐渐缩小。
三、基本概念1．合成宝石：指人工或半人工的无机合成材料，其化学成分、原子结构、物理性质与其天然对应无机宝石基本相同。
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、原子结构和物理性质的人工宝石材料；如YAG：钇铝榴石，Y3Al5O12；无天然对应物，广义的人造宝石：人工生产的宝石，包括合成宝石；四、晶体生长基本理论：晶体生长最早是一门工艺，由于热力学、统计物理学及其它学科在晶体生长中的应用，使晶体生长理论逐步发展完善起来。
晶体生长的发生最初是从溶液或熔体中形成固相的小晶芽，即成核。
晶核形成后，就形成了晶体--介质的界面，晶体生长最重要的过程就是界面过程。
科学家们提出了许多生长机制或模型，结合热力学和动力学探讨了这一过程。
尽管晶体生长理论已有一百多年的发展历程，但晶体生长理论还并不完善，现有的晶体生长模型还不能完全用于指导晶体生长实践，为了提高晶体质量还有许多实际问题尚待解决。
1．成核成核过程实际是一个相变过程。
相是一个体系中均匀一致的部分，它与另外的其它部分有明显的分界线。
图1-1 石墨-钻石的相图化学成分相同的物质，在不同的温压条件下，可以呈不同的结构（同质多象）、或不同的状态如固相、液相和气相。
相变：当某一体系在外界条件改变时，会发生状态的改变，这种现象即相变。
宝石合成的过程即生长晶体，从液相变为固相，或固相变为固相、气相变为固相；相变过程受温压条件、介质组分的控制。
相图：根据相变理论公式（克拉帕珑方程），即反映压力、温度和组分的关系，作出的表示相变、温度、压力、组分关系的图解。
石墨的相图是一元相图，如图1-1所示。
这个相图表明，在很大的压力和温度范围内存在碳的固态相变。
它是根据热力学原理，结合多次实验和外推等做出的。
石墨在温度1400-16000C 和4.5-6X109Kb的压力下会转变为钻石，该图是合成钻石的依据。
影响成核的外因主要是过冷度和过饱和度，成核的相变有滞后现象，即当温度降至相变点T0时,或当浓度刚达到饱和时，并不能看到成核相变，成核总需要一定程度的过冷或过饱和。
在理想均匀环境下，任何地方成核几率均匀，但实际条件常常不是理想均匀的。
在空间各点成核的概率不同，即非均匀成核。
一般在界面上，如外来质点（尘土颗粒表面）、容器壁以及原有晶体表面上容易形成晶核。
在自然界，如雨雪，冰雹的形成，在合成晶体过程中的单晶生长都是非均匀成核。
在合成晶体过程中，为了获得理想的晶体，人为提供的晶核称为种晶或籽晶。
种晶一般都是从已有的大晶体上切取的。
种晶上的缺陷，如位错、开裂、晶格畸变等在一定的范围内会“遗传”给新生长的晶体。
在选择种晶时要避开缺陷。
根据晶体生长习性和应用的要求，种晶可采用粒状、棒状、片状等不同的形态。
种晶的光性方位对合成晶体的形态、生长速度等有很大的影响。
所以种晶的选择非常重要。
2.晶体生长界面稳定性：晶核出现后，过冷或过饱和，驱使质点按一定的晶体结构在晶核上排列生长。
温度梯度和浓度梯度直接影响界面的稳定性，从而影响晶面的生长速度、晶体的形态。
晶体生长过程中，介质的温度、浓度会影响晶体与介质的界面的宏观形状，如是凸起、凹陷或平坦光滑。
界面为平坦光滑状态，则界面稳定性；如果生长条件的干扰，界面会产生凹凸不平，即形成不稳定界面。
影响界面稳定性的因素主要有熔体温度梯度、溶质浓度梯度、生长速率等。
A、熔体温度梯度：生长界面处的温度分布，有三种情况：温度梯度为正，这是熔体为过热熔体；温度梯度为负，即dT/dx<0，熔体为过冷熔体；温度梯度为零，即dT/dx=0。
温度梯度大于0，熔体过热，远离界面温度高，突起处（温度高）生长慢，凹入处（温度低）生长快；最终使晶体界面达到光滑；从而导致界面稳定和平衡的状态。
温度梯度小于或等于0，熔体过冷，远离界面温度低，突起处（温度低）生长更快；不利于晶体界面光滑；所以导致界面不稳定。
在熔体中结晶的合成方法，如提拉法，要使熔体温度略高于熔点，而应该避免过冷或等于熔点的状况；合成过程中温度有波动，或局部不均匀，则出现突起与凹入的界面，在晶体生长中应该尽量避免。
B、溶质浓度梯度：当晶体生长体系为多组分体系，或生长体系中含有杂质元素时，晶体生长会发生分凝效应，即某元素在晶体与溶液中的浓度不等。
随着晶面生长前移，界面前沿该元素的浓度将提高，形成了界面前沿液体中的浓度梯度。
该元素浓度的提高会改变凝固点温度，一般都会使凝固点下降。
这时，界面前沿液体中有两个温度分布，在界面前沿有一个区域，实际温度小于液相温度，造成界面前沿出现过冷现象，这种由成分分布变化而引起的过冷现象叫组分过冷。
组分过冷现象也会使界面变成不稳定的粗糙界面。
但如果正温度梯度非常大，则不会产生组分过冷现象。
在溶液中生长时，溶质在界面附近汇集，在高浓度处有用质点作为溶质不断结晶。
C、生长速率梯度：晶体生长时，生长界面向液体或熔体推进，生长越慢界面越稳定。
生长速率梯度与晶体生长动力学参数有关，也与温度梯度、浓度梯度有关。
总之，为了获得稳定的生长界面，应该适当加大温度梯度，采用较慢的生长速率，并在各个方向保持较小的溶质浓度梯度。
3．晶体生长的界面模型晶体生长最重要的过程是一个界面过程，涉及生长基元如何从母液相传输到生长界面以及如何在界面上定位成为晶体的一部分。
几十年来，人们提出了许多不同的生长机制或模型来探讨这一过程。
前面关于成核和界面稳定性是从热力学的宏观方面讨论晶体生长的过程，下面主要从界面微观结构的动力学方面来探讨晶体生长过程。
A．完整光滑界面生长模型图1-2 成核生长理论模型此模型又称为成核生长理论模型，或科塞尔-斯特兰斯基（Kossel-Stranski）理论模型。
该模型是1927年，由科塞尔首先提出，后经斯特兰斯基加以发展。
在晶核形成以后，结晶物质的质点继续向晶核上粘附，晶体则得以生长。
质点粘附就是按晶体格子构造规律排列在晶体上。
质点向晶核上粘附时，在晶体不同部位的晶体格子构造对质点的引力是不同的。
也就是说，质点粘附在晶体不同部位所释放出的能量是不一样的。
由于晶体总是趋向于具有最小的内能，所以，质点在粘附时，首先粘附在引力最大、可释放能量最大的部位，使之最稳定。
在理想的条件下，结晶物质的质点向晶体上粘附有三种不同的部位（图1-2）：质点粘附在晶体表面三面凹角的1处，此时质点受三个最近质点的吸引，若质点粘附在晶体表面两面凹角的2处，则受到两个最近质点的吸引，此处质点所受到的吸引力不如1处大，若质点在一层面网之上的一般位置3处，所受到的吸引力最小。
由此可见，质点粘附在晶体的不同部位，所受到的引力或所释放出的能量是不同的。
而且，它首先会粘附在三面凹角1处，其次于两面凹角2处，最后才是粘附在一层新的面网上(即3处)。
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。
用这一理论可以很好地解释晶体的自限性，并论证晶体的面角恒等定律。
但是这一理论是对处于绝对理想条件下进行的结晶作用而言的，实际情况要复杂得多。
例如，向正在生长着的晶体上粘附的常常不是一个简单的质点，而是线晶、面晶甚至晶芽。