水热法合成宝石

（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。
温差法高压釜
4、水热法宝石晶体生长所需的设备
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。
高压釜
（2）矿化剂
矿化剂：水热法生长晶体是采用的溶液。 通常可分为以下五类：
1) 碱金属及铵的卤化物，NaCl； 2) 碱金属的氢氧化物，NaOH； 3) 弱酸与碱金属形成的盐类，Na2CO3 4) 酸类（一般为无机酸），HCl。
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。
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。
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。
水热法生长晶体时所用电炉和高压釜的典型装置
（1）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
充填度为80%。合成彩色水晶时，一般采用矿化剂 K2CO3 ，或K2CO3与NaOH的混合液，有利于色素离子 进入晶体结构。尤其是在加入了色素离子铁时，不 采用Na2CO3，以避免在溶液中形成硅酸铁钠（锥辉 石晶体），影响铁进入晶体。
2、生长的工艺流程
（1）准备阶段 矿化剂溶液浓度、充填度、挡板开孔率、 温差计算，种晶的准备（切割、清洗、打孔、 悬挂）
开孔率大，生长速率减小；开孔率小，生长 速率增大。
小口径高压釜开孔率为10~12%，大口径高压 釜为5~7%。
4、生长区温度与温差
1）温度
当上下温度一定时，温度越高生长越快，但会
出现饱和溶液供应不足而影响晶体质量，因此要保
持一定的温度。
2）温差
影响溶液对流速度和饱和度的高低，温差越大，
生长速度越高，但会形成过多的包体，使透明度变
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。
等温法高压釜
（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。
二、影响宝石晶体生长的因素
1、溶液的过饱和度 2、矿化剂的性质与浓度 纯水的溶解度低，需要加适当的矿化剂得到Hale Waihona Puke Baidu
较大的溶解度。如合成水晶加氢氧化钠，刚 玉加氢氧化钾、氢氧化钠，祖母绿加氯化钠 等，浓度要合适。浓度太小生长慢，而太大 晶体可能不完全结晶而影响晶体生长。
3、对流挡板
开孔率大小影响上、下两区的温差变化，从 而影响晶体的生长速率。
速率差异很大。因此，籽晶要选择一定的方向。
8、培养料 只能一次加入，加入的量足以供应生长
需要。培养料要求质地均匀，无杂质。
三、水热法生长水晶、红宝石、祖母绿、 海蓝宝石晶体
（一）水热法合成水晶晶体 1.生长原料 原料：去皮的水晶碎块； 矿化剂：一般采用NaOH、Na2CO3、K2CO3或KCl，NaCl，
差，因此也要保持一定的温差。
5、压力和充填度 压力来言语高温条件下其内部通天的大
量气液混合物。
充填度=溶液体积/（反应腔总体积-固 体物体积）
在同一温度下，充填度越高，压力越大， 生长速度就越快。
6、杂质 主要表现在对晶体结晶几何外形和晶体的
颜色特征两方面。
7、种晶的取向 各向异性在各个方向都能生长，但生长
其中碱金属的卤化物及氢氧化物是最为有效且 广泛应用的矿化剂。矿化剂的化学性质和浓度影响 物质在其中的溶解度与生长速率。
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)。
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。
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。
（2）装釜阶段 （3）生长阶段 （4）开釜阶段
水热法合成水晶生长的工艺流程图
种晶
对合成不同颜色的石英要选用不同方向 的种晶片。合成紫晶时种晶通常平行于菱面 体面方向；合成黄水晶的种晶平行于底轴面。 种晶用铂金丝挂在高压釜中部。
温度
360℃左右，底部溶解区温度略高为 360-380℃，上部生长区略低，约为330350℃。
c、用此法生长晶体时，由于与自然界生长 晶体的条件很相似，因此生长出的宝石晶体与 天然宝石晶体最接近。
（2）缺点
a、需要材料比较特殊的高压釜和相应的 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。