焰熔法合成宝石

焰熔法合成宝石

利用氢氧火焰产生的高温，将用于合成宝石的原料粉末在频振料筒内下落过程中加热熔化，熔融的熔体，落在支架上的晶杆顶端的籽晶上，随着散热作用缓慢下降而冷凝结晶成梨状晶体（图2-1）。该法生长晶体过程是模拟岩浆成矿作用中的液相（熔体）转变成晶相方式实现的。

1、工艺流程

焰熔法生长宝石晶体的过程，主要有原料的提纯，粉料的制备，晶体生长和退火处理四个步骤。

（1）原料提纯

要求原料是来源丰富，价格低廉，提纯方法简便有效。

（2）粉料的制备

要求粉料纯度高，化学反应完全，体积容量小，晶体构型要有利于晶体生长。

（3）晶体生长

晶体生长的过程可分接籽晶，扩大放肩，等径生长三个阶段。

在整个晶体生长过程中，要求供料系统给料均匀，保证粉料全部熔化成微小液珠；要求气体燃烧器温度达2900℃，并构成三层火焰的形状和温度的有序变化；要求结晶炉给生长的晶体创造良好保温条件，并便于气体流动和不积粉；要求下降机构保证起始位置能使晶体顶部温度高于晶体熔点而低于晶体沸点，并保证有2-3mm厚的熔融层。

（4）退火处理

把合成晶体装入高温炉后缓慢升温至预定温度，然后进行长时间的恒温与缓慢退火，以释放合成宝石晶体热应力，防止晶体因受热而开裂。

2．生产设备

（1）给料系统

要求粉料下落流畅、均匀，经过燃烧器时能熔化成微小液珠。

（2）氢氧燃烧器

要求气体结构良好，供气氢氧比例适当，火焰呈三层状，温度稳定在2900℃，应能尽量减少粉料缺失。

（3）结晶炉

要求炉体保温稳定，炉膛呈流线型，不积粉，不使气体产生涡流，温度梯度小。

（4）下降机构

应适应晶体生长温度，保证晶体的固液界面稳定，下降匀速平稳，与结晶速度相同。并保证籽晶顶部有2-3mm熔融层。

3．具体实例：焰熔法合成刚玉类宝石

（1）原料的选择

目前，国内外焰熔法合成刚玉类宝石都采用硫酸铝铵（又名铝铵矾）作为

制备γ-AI2O3粉料的首选原料，其优点如下：

a．铝铵矾原料丰富，价格低廉，提纯方法简单有效；

b．铝铵矾焙烧产物松散流动性好；

c．铝铵矾溶解度大，可采用简单的结晶法进行提纯，而且在重结晶过程中，它的排杂效果很好，只需3~4次重结晶，铝铵矾的纯度就能达到99.9%~99.99%。

（2）原料的制备和提纯

a．铝铵矾的制备

以硫酸铝：硫酸铵=2.5：1的配比进行配料并混合均匀，然后按料水比为1：1.5配比，加热至沸腾，完全溶解后，缓缓冷却析晶即成铝铵矾。

b．铝铵矾的提纯

将合成的铝铵矾在蒸馏水或去离子水中溶解，然后反复重结晶3~5次，即

可得99.9%以上纯度的原料。

（3）彩色合成刚玉类宝石粉料的制备

彩色合成刚玉类宝石粉料的成分是γ-AI2O3和少量着色剂。着色剂多为过渡元素的氧化物或稀土元素的氧化物，其作用是使致色离子进入晶格，使晶体对可见光产生有选择的吸收，从而使晶体着色。

彩色合成刚玉类宝石粉料是通过在原料铝铵矾中添加着色剂，再经脱水焙

烧而获得的。具体方法是，将着色剂配制成一定浓度的溶液并按要求加入铝铵矾中。铝铵矾受热溶解后，着色剂也就均匀分布在铝铵钒溶液中。再将混有着色剂的铝铵矾置于脱水炉中进行脱水及在焙烧炉中进行焙烧，这样，着色剂就均匀地分布在粉料中了。

在合成刚玉类宝石中，加入着色剂的种类和含量不同，使宝石产生的颜色

也不同。

（4）合成刚玉类宝石晶体生长

所有刚玉类的宝石晶体进行焰熔法生长时的工艺条件及操作步骤基本相似。

首先将籽晶安放在耐火黏土棒的顶端，以便控制晶体的结晶方位，优选方

位是60度。

开炉后，供料系统、燃烧器及下降机构开始工作。刚玉的熔点约2050℃，氢氧焰的工作温度为2900℃，其中生长无色合成蓝宝石的H2：O2=（2.0~2.5）：1；生长合成红宝石的H2：O2=（2.8~3.0）：1；生长合成蓝宝石的H2：O2=（3.6~4）：1。调节晶棒的位置，使晶体顶部的温度高于熔点2050℃而低于沸点2150℃，从而保证有2~3mm的熔融层。经过籽晶的扩大放肩，再进行等径生长到预定尺寸。最后，晶体停止生长，应以原状放在炉内冷却。此时的冷却条件对晶体质量也有相当大的影响，若采用急冷，晶体内外温度差较大，会引起内应力增加，使晶体表面脆性增大，容易开裂。

在彩色合成刚玉类晶体生长时，由于着色剂的加入，会使粉料的熔点降低，因此晶体生长温度也会降低，并且某些着色离子在刚玉中的分配系数小于1，所以由这些离子致色的晶体生长后会产生颜色不均匀或晶体易裂的缺陷。

刚玉类宝石生长的晶体质量不一，通常为150~750ct大小的梨晶，直径达17~19mm。目前最大能生产直径达32mm的晶体。

（5）合成刚玉类宝石的退火处理

退火处理的主要条件为温度和时间。焰熔法生长出的刚玉类宝石晶体由于温度梯度大造成内应力大，必须经退火处理。通常一根50mm的梨晶，顶部熔融层温度为2050℃，而底部可能只有100℃，因而结晶过程中使得晶体中的内应力可达80~100Mpa。若不退火消除内应力，则在加工和使用过程中非常容易破裂。用于珠宝首饰的焰熔法合成刚玉宝石晶体一般不退火，但都是从内应力最大的生长轴裂开，并以裂开面作为台面进行切磨加工。

具体实例：无色合成蓝宝石

将由焙烧铝铵矾制得的高纯度Y-Al2O3粉料经给料系统均匀地通过燃烧炉（H2：O2＝2.0－2.5），在2900℃高温下熔融，滴落在具熔融层的优质籽晶顶部，随下降机构下降，经籽晶放肩扩大，冷凝结晶，当进行等径生长到预定尺寸后关炉，让晶体在炉内冷却。

为消除晶体内应力，尚需退火处理，退火温度在1800℃左右，时间2h左右。一般用于珠宝首饰的蓝宝石不经退火处理，但作为台面的劈开面应从内应力最大的生长轴方向劈开。

4．焰熔法优缺点

焰熔法生长晶体与其它方法相比，有如下特点：

（1）不需要坩埚，可避免坩埚的污染。

（2）温度高，可用来生产熔点较高的宝石晶体。

（3）晶体生长速度快，产量大。

（4）设备简单，劳动生产率高。

（5）火焰温度梯度大，晶体质量欠佳。

（6）温度不易控制，晶体易产生较大的内应力，故须退火处理。

（7）对粉料的纯度、粒度要求严格，损耗大、原料的成本高。

对易挥发和易氧化的材料，通常不能用该法来合成宝石。