水热法合成宝石 PPT

5. 影响宝石晶体生长的因素
溶液的过饱和度 矿化剂的性质与浓度 对流 挡板 生长区温度与温差 压力和充填度 杂质 种晶的取向 营养料
6. 水热法合成宝石晶体
6.1 水热法合成水晶晶体 6.2 水热法合成刚玉类晶体 6.3 水热法合成祖母绿晶体 6.4 水热法合成海蓝宝石晶体
6.1 水热法合成水晶晶体
原理
溶解过程： SiO2+NaOH——Na2Si3O7+H2O
SiO2+NaOH——Na2Si2O5+H2O 结晶过程：
Na2Si3O7+H2O——2Na++2OH-+Si3O6 Na2Si2O5+H2O——2Na++2OH-+Si2O4
工作条件和工艺参数
(1) 温度和压力（Tg=330-3500C，Td=360-3800C， Δ≤500C ，P=1.1-1.6*108Pa,）
紫色
加铁，然后辐照
百度文库 黄-绿色
g射线辐照，然后加热
矿化剂指的是水热法生长晶体时采用的溶剂， 通常可分为以下五类：
1) 碱金属及铵的卤化物 2) 碱金属的氢氧化物 3) 弱酸与碱金属形成的盐类 4) 强酸 5) 酸类（一般为无机酸）
3.水热法宝石晶体生长的分类
3.1 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。此法曾用于生长水晶，通常用碳酸钠溶 液为矿化剂，无定形硅作为培养料，水晶片作籽 晶。当溶液温度接近水的临界温度时，处于不稳 定状态的无定形硅发生溶解，进而当高压釜内 SiO2浓度达到过饱和度时，晶体便开始在籽晶上 生长。此法的缺点是无法生长出晶形完整的大晶
等温法高压釜
3.2 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。
3.3 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。当高压釜温度超过100℃后， 由于热膨胀和大量蒸汽的形成，釜内形成气压。
3.3 温差法
随着温度不断上升，气压急骤增大，溶解 区的溶质不断溶解于矿化物溶剂中，并形成饱和溶 液。由于温差，就形成了釜内溶液的对流，溶解区 中的高温饱和溶液被输送到生长区。高压釜上部的 温度低，下部的饱和溶液升到上部随即成为过饱和 状态，溶质就在籽晶上不断地析出，并使籽晶长大。
温差法高压釜
4. 水热法生长宝石晶体的 优缺点
1. 基本原理
水热法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。
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。
(2) 高压釜（43CrNi2MoV） (3) 矿化剂（NaCO3，NaOH，NaCO3 + NaOH）
填加剂（LiF、LiNO3、Li2CO3）; 充填度（80%86%）
工作条件和工艺参数
(4) 种晶（⊥Z轴，//Y轴，X+50，VO.A=700，YZ) (5) 培养料 （熔炼石英，粒度2cm左右，质地均匀） (6) 生长速度（//Z轴 ≈ 0.6-1.2mm/day，受种晶取向、
充填度、温差、结晶温度、溶液浓度、种晶面积等 因素影响).
水热法合成水晶生长的工艺流程图
彩色水晶的合成方式：
1、生产含有致色剂离子的无色水晶 2、对无色水晶进行辐照或热处理
彩色水晶的合成方式：
颜色
添加剂及随后的处理方式
蓝色
加钴，然后在还原环境加热
深褐色
加铝，然后辐照
绿色 热
加铁，然后在还原环境中加
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
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 釜容 器大小的 限制。
由于内部要装酸、碱性的强腐蚀性溶液，当温度和 压力较高时，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，以防矿化剂与釜体材料发 生反应。
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。如合成水晶时，由于溶 液中的SiO2与Na2O和釜体中的铁能反应生成一种在 该体系内稳定的化合物，即硅酸铁钠（锥辉石 NaFeSi2O6 acmite）附着于容器内壁，从而起到保护 层的作用。
2.合成装置
主要装置：
高压釜 加热器 控温设备 原料、溶剂、 籽晶等
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继续保持安静
高压釜为可承高温高压的钢制釜体。 水热法采用的高压釜一般可承受1100℃的温度和
109Pa的压力，具有可靠的密封系统和防爆装置。 高压釜的直径与高度比有一定的要求，对内径为 100-120mm的高压釜来说，内径与高度比以1：16 为宜。 高度太小或太大都不便控制温度的分布。
水热法合成宝石 PPT
➢ 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。
水热法合成的红宝石的晶体
➢ 祖母绿的水热法合成 是由澳大利亚的 Johann Lechleitner在 1960年研究成功的。
➢ 原苏联新西伯 利亚合成出了 海蓝宝石。随 后红色绿柱石 等其它颜色绿 柱石及合成刚 玉也纷纷面市。