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。

（4）退火处理：晶体置于温度分布均匀的高温炉中，缓慢升温（5-10h）至退火温度，退火温度一般控制在晶体熔点的60%以上；恒温，通过分子热运动，消除原有弹性形变，使生长过程的热应力得以释放；再缓慢冷却至室温。

4. 焰熔法生长宝石的特点：

（1）可见气相包体（气泡）

（2）圆弧形生长纹及垂直长弧形纹的拉长气泡

（3）未熔粉料呈面包渣（碎屑）状包裹体

（4）晶体内应力大，易开裂

（5）晶体大，颜色均匀、鲜艳

5. 焰熔法生长宝石着色剂：多为过渡元素氧化物或稀土元素氧化物。原料中添加着色剂，再经脱水焙烧获得相应粉料。

焰熔法生长刚玉宝石星化剂： TiO2

原料+着色剂+星化剂（ TiO2 0.1—0.3%）脱水焙烧，得到相应粉料。

6. 焰熔法生长金红石( TiO2)：氢氧焰中 H2：O2 = 1.8 — 2.0 ：1，高温下缺氧，在还原条件下生长， Ti4+→ Ti3+，晶格中形成大量氧空位，晶体黑色不透明，需氧化条件退火处理。

第二章熔体法—提拉法

提拉法又称丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年发明的从熔体中提拉生长高质量单晶的方法。这种方法能够生长无色蓝宝石、红宝石、YAG、GGG、变石和尖晶石等重要的宝石晶体。

1. 提拉法原理：调整炉内温度场，将待生长晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，使熔体上部温度略高于熔点；然后让籽晶接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，降低温度至熔点；提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，在不断提拉和旋转过程中，生长出圆柱状晶体。

2. 熔体导模法：主要有斯切帕诺夫法， EFG法

20世纪60年代，提拉法进一步发展为一种更为先进的定型晶体生长方法—熔体导模法。它是控制晶体形状的提拉法，即直接从熔体中拉制出具有各种截面形状晶体的生长技术。免除了工业生产中对晶体的繁重的机械加工，节约了原料，降低生产成本。

掺质使晶体具有特殊性能或改变晶体的某种性能。

平衡分凝系数K0：固液两相处于平衡时，固体中的溶质(掺质)浓度C s与熔体中的溶质浓度C l之比。

第二章熔体法—冷坩埚熔壳法

1 冷坩埚法原理：直接用原料本身作坩埚，使其内部熔化，外部则装有冷却装置，从而使表层未熔化，形成一层未熔壳，起到坩埚的作用。内部已熔化的晶体材料，依靠坩埚下降脱离加热区，熔体温度逐渐下降并结晶、长大。

冷坩埚法是一种从熔体中生长晶体的技术，仅用于生长立方氧化锆晶体。

2 冷坩埚法工艺：

（1）将粉料ZrO2与稳定剂Y2O3按摩尔比9：1的比例混合均匀，装入紫铜管围成的杯状“冷坩埚”中，在中心投入4-6g锆片或锆粉用于“引燃”。

（2）接通电源，进行高频加热。起燃1-2分钟，原料开始熔化。先产生小熔池，然后由小熔池逐渐扩大熔区。在此过程中，锆金属与氧反应生成氧化锆。同时，紫铜管中通入冷水冷却，使外层粉料未熔，形成"冷坩埚熔壳"。

（3）冷坩埚内原料完全熔融后，将熔体稳定30-60分钟。然后坩埚以每小时5-15mm的速度逐渐下降，“坩埚”底部温度先降低，所以在熔体底部开始自发形成多核结晶中心，晶核互相兼并，向上生长。只有少数几个晶体得以发育成较大的晶块。

“引燃”作用锆金属片4~6g，锆金属熔点1900℃，ZrO2在1200 ℃以上导电

稳定剂：Y2O3 ，含量10%

第二章熔体法—区熔法

区域熔炼法：1952年，此技术主要为半导体工业提供高纯度的晶体。之后，人们利用这一技术将数百种有机、无机结晶材料提纯或转化成了单晶，较少用于合成宝石。

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