水热法合成矿物材料
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
我国现在制备纳米硅酸锆就是使用水热沉淀法。 具体方法是：采用250mL筒式高压釜，配有精密 的N过a温滤2S度、iO、干3溶压燥液力 后混测的合量粉后和末得控为到制前溶装驱胶置物或。。沉以水淀热Z，rO反经C应l水2用溶洗N液、a和F 作矿化剂，以去离子水为反应介质。影响因素由 主到次的顺序为：前驱物配比、反应温度、反应 时间、升温速率。使用前驱物
三、对流挡板高压釜中生长区合格溶解区中间装 有挡板，挡板上大有圆孔。挡板的作用是调整 生长系统里的质量交换，并增加生长区和溶解 区之间的温差。挡板上孔洞面积与挡板面积之 比，称为挡板开孔率。开孔率大小直接影响上、 下两区的温差变化，从而影响晶体的生长速率。 开孔率大，生长速率减小，反之生长速率则增 大。 不同口径的高压釜，其开孔率有所不同。 小口径的高压釜开孔率以10%~12%为好，大 口径高压釜开孔率5~7%为宜。
四、生长区温度与温差
温度是水热法晶体生长的关键因素之一。溶解 区内，温度影响着晶体原料的溶解度和溶液的 浓度，从而决定了有多少原料（溶质）可能到 达生长区。在生长区内，温度决定着晶体是否 能生长。只有温度达到一定数值，晶体才能生 长。而且生长区的温度还直接影响着晶体的生 长速度。当高压釜上、下温差一定时，生长区 的温度越高、晶体生长速度越大。但一般而言， 晶体的生长速度过大，在晶体的生长后期就会 因原料供不应求而出现裂隙。
完成温差法晶体生长的必要条件如下：
（1）在高温高压的某种矿化剂水溶液中，不仅 能够促使晶体原料具有一定值的溶解度，而且 能够形成所需的单一稳定相。
（2）有足够的溶解度温度系数，既在适当的温 差下能够形成足够的过饱和度而又不会产生过 饱和后的自发成核。
（3）具备适合晶体生长所需的一定切型和规格 的仔晶，并使原料的总表面积与仔晶总表面积 之比值达到足够大。
（二）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筒放置仔晶，两筒 之间保持一定的温度差。定时摆动A、B 两个圆筒以加速他们之间的对流，利用 两筒之间的温差和高压环境下生长出晶 体，此法也曾用与水晶的生长。
（三）温差法
温差法是目前使用最广泛的水热生长晶体的方 法，它是在立式高压釜内生产晶体，多用于合 成水晶、红宝石、祖母绿、海蓝宝石等。高压 釜内的对流挡板将釜腔分成上、下两部分，上 部分为生长区（约占釜体的2/3），仔晶挂在 生长区的培育架上，晶体在仔晶上逐步生长； 对流挡板的下部为培养料区，也称为溶解区， 溶解区内放入适量的高纯度原料和矿化剂。
（2）能够生长出叫完整的大晶 体，并且能够很好的控制材 料的成分。
（3）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为接近。
缺点：
（1）需要材料比较特殊的高压 釜和相应的安全防护措施；
（2）需要大小适当、切向合适 的优质仔晶；
（3）整个晶体的生长过程无法 观察；
③ 水热分解法
一些复杂化合物在一定的水热条件下能够分解出预 定的粉体。例如：天然钛铁矿的主要成分为：
w(TiO2)=53.61%，w(FeO)=0.87%， w(Fe2O3)=20.62%，w(MnO)=0.65%，在
10mol/L KOH溶液中，温度为500℃、压力 25~35MPa下，经过63h水热处理，天然钛铁矿可 以完全分解，产物是磁铁矿Fe3-xO4和K2OTiO2。检 测表明在此条件下得到的磁铁矿晶胞参数
二、矿化剂的性质和浓度
水热法生长的晶体材料在纯水中的溶解度很小，而且 随着温度的升高，溶解度的变化也不大。所以，生长 过程中必须在水溶液中加入一种或者几种物质，以增 加晶体生长所需的原料在水溶液中的溶解度。这类物 质就是我们所说的矿化剂。加入适当的矿化剂以后， 可以使供应晶体生长的原料有较大的溶解度和足够大 的溶解度温度系数，而且某些矿化剂还可与结晶物质 原料形成络合物，加快晶体成核速度。另外，矿化剂 的种类对晶体的质量和生长速度也有较大的影响。如 生长水晶时，选用NaOH 作为矿化剂时，自发晶芽少， 透明度好，但生长速度较低；采用混合溶液时，则可 以得到快速生长的优质水晶。对刚玉来说，在氢氧化 钾溶液中要比在氢氧化钠溶液中生长快。
(a=0.8467nm)大于符合化学计量比的纯磁铁矿的 晶胞参数(a=0.8396nm)，这是由于Ti4+在晶格中以
替位离子形式存在，形成Fe3-xO3Fe2TiO4固溶体。 在温度800℃、压力30MPa下，水热处理24h，则 可得到符合化学计量比的纯磁铁矿粉体。
④ 水热沉淀法
该法是在水热条件下进行沉淀反应制备粉体。如 采物用，Z经rO水C热l4反和应CO沉(N淀H后2)可2混制合得水立溶方液相为和反单应斜前相驱 ZrO2晶粒混合粉体。
利用超临界的水热合成装置，可连续地获得
Fe2O3､TiO2､ZrO2､BaO·6Fe2O3､Fe3O4､NiO､ CeO2等一系列纳米氧化物粉体。水热法比较适 合氧化物材料合成和少数对水不敏感的硫化物
的制备。国外采用气相氢氧焰水解法大批量生
产纳米二氧化钛粉体。在水热法的基础上，用
有机溶剂代替水，则可扩大水热法的应用，合
（4）溶液密度的温度系数要足够大，使得溶液 在适当的温差条件下具有引起晶体生长的溶液 对流和溶质传输作用。
二、水热法晶体生长所需的设备
水热法晶体生长所需 的设备主要有：
高压釜 电炉 热电偶 温度控制器 温度记录器
Байду номын сангаас 三、水热法生长晶体的优缺点
优点：
（1）能够生长存在相变（如ɑ石英等）和在接近熔点时蒸 汽压高的材料（ZnO）或要 分解的材料。
矿化剂溶液的浓度对晶体生长也会产生影响。 当矿化剂溶液浓度比较小时，矿化剂溶液的浓 度增加则生长速度相应增加，但当浓度超过一 定范围时，生长速度就不再增加反而下降。如 在生长水晶时，当选用的矿化剂NaOH溶液浓 度大于1.5mol/L 时由于适应在溶液中的溶解度 过大，可能会出现水玻璃相 （ 当N它a的O浓.Si度O2小.n于H21O.0)m，o从l/L而时影，响生晶长体速的度生急长剧；下 降，甚至使晶体出现针状裂纹，所以合适的矿 化剂浓度应当是：1.0~1.5mol/L。
二、水热法生长晶体
水热法晶体生长是在水溶液中生长晶体 的方法。这种方法属于从溶液中生长晶 体方法的范畴，主要用于在室温时溶解 度较低，但在高温高压下溶解度增高的 一些材料，例如SiO2（水晶），Al2O3 （红宝石和蓝宝石），Be3Al2Si6O18（祖 母绿及海蓝宝石）等。
水热法生长晶体的特点是在含水体系中生长， 由此可区别于其他宝石晶体生长的若干体系。 与自然界宝石晶体生长相比，水热法生长的宝 石晶体可看作是在实验室中模拟自然界热液成 矿过程所形成的。自℃ 然界热液成矿是在一定的 温度和压力下进行的，而且成矿溶液有一定的 浓度和pH值，所以实验室中进行水热生长也需 要在一定温度和压力下进行，并且有一定的溶 液浓度和pH值，如生长祖母绿是在600℃、 1.8×108Pa、pH=2.7的条件下进行的；水晶是 在340℃、1.5×108Pa、强碱性溶液中进行的。
（4）投料是一次性的，一次生 长晶体的大小受高压釜容器 大小的限制。
第二节、影响水热法晶体生长的因素
一、过饱和度
从溶液中生长晶体的关键是使溶液达到一定的过饱和 度。当溶液刚刚达到过饱和时，一般不会有晶体析出， 而只有过饱和度达到一定程度，晶体才会从溶液中慢 慢析出。纯净的、过饱和度很低的溶液虽然在热力学 上是不稳定的，却可较长时间地保持原有状态而不产 生结晶。与之相对应的是，当溶液中放置一块仔晶， 即使是在过饱和度很低的溶液中，也会有多余的溶质 从溶液中析出并沉淀到仔晶上。这是因为仔晶的存在， 降低了晶体形成的成核势能，使溶质在较低的条件下 结晶。
ZrCl4水溶液中加沉淀剂(氨水、尿素)得到 Zr(OH)4胶体为前驱物，在温度为300℃，压 力为100MPa的条件下，以KF或NaOH为矿化
剂进行水热反应制得粒度为20~40nm的单斜
相ZrO2晶体。以H2O、LiCl和KBr为矿化剂进行 水热反应制得粒度为20nm以下的单斜相和四
方体ZrO2混合晶体。
成其他一些非氧化物纳米粉体。对于CdS､In2S3 ､ZnS､SnS2､CoS2等纳米粉体都可用非水体系进 行溶剂热合成。该方法关键技术是合成温度和
合成压力参数的控制。
水热法的分类
① 水热氧化法
水热氧化法是采用金属单质为前驱物，经水热 反应，得到相应的金属氧化物粉体。典型的反 应可用下式表示：
水热法合成矿物
东北大学矿物材料与粉体技术研究中心
一、水热法制备矿物粉体
水热法又叫热液法，是在高温(100~374℃)高压下在水 溶液或蒸汽等流体中进行有关化学反应，发生粒子的成 核和生长，从而产生形貌及大小可控的氧化物、非氧化 物或金属超细颗粒的过程。反应物常常是金属盐、氧化 物、氢氧化物及金属粉末的水溶液。水热法为各种前驱 物的反应和结晶提供了一个在常压条件下无法得到的特 殊的物理、化学环境，颗粒的形成经历了一个溶解－结 晶过程，因此，这种方法可以获得通常条件下难以获得 的几纳米至几十纳米的颗粒，而且粒度分布窄，团聚程 度低，纯度高，晶格发育完整，有良好的烧结活性，在 制备过程中污染小，能量消耗少。水热法中选择合适的 原料配比尤为重要，对原料的纯度要求高。
mM+nH2O→MmOn+nH2
其中，M可为钛、铁、铬等金属。例如，以金
属锆粉为前驱物，以水或Ca､Mg的硝酸盐或氯
化物为反应介质，在一定的水热条件下(温度高
于450℃，压力100MPa)可制得ZrO2粉。
② 水热晶化法 水热晶化法可通过无定形前驱
物经水热反应制备结晶完好的晶粒。例如，以
高压釜内装入培养料、矿化剂溶液、仔晶架和仔晶片 后进行密封。通常高压釜觅封侯便可放入加热炉内， 对高压釜的下部进行加热，或放入温差电炉内，使高 压釜的上、下部分形成一定的温差。当高压釜的温度 超过100℃后，由于热膨胀和大量蒸汽的形成，釜内形 成气压。随着温度的不断上升，溶解区的溶质不断溶 解于矿化物溶剂中，并形成饱和溶液。由于高压釜下 部温度高于上部，就形成了釜内溶液的对流，溶解区 的高温饱和溶液被送到生长区。高压釜的上不温度低， 下部的饱和溶液上升到上不随即成为过饱和状态，溶 质在仔晶上不断析出，并使仔晶长大。析出溶质后的 溶液又回到下部高温溶解区成为不饱和溶液，在继续 溶解培养料过程中，再次形成饱和溶液，又在对流中 上升到生长区。如此往复，晶体不断长大，经过几十 天变可生长出几十千克的大水晶晶体。
水热法是在密闭反应器(高压釜)中以水溶 液作为反应体系，通过将水溶液加热至 临界温度(或接近临界温度)来进行材料制 备。它可将金属或其前驱体直接合成氧 化物，避免了一般液相合成需要经过煅 烧转化为氧化物这一步骤，从而极大地 降低乃至避免了硬团聚的的形成，制备 的粉体具有晶粒发育完整、粒度小、分 布均匀、分散性较好等优点。
m(Zr)∶m(Si)=1.2∶1.0，反应温度为335℃，升
温速率为1.6℃/min，反应时间为3h时，可得到 结晶完好、晶粒规整、分散性好、粒度在100nm 以下的ZrSiO4粉体。
⑤ 水热合成法
水热合成法可理解为以一元金属氧化物
或盐在水热条件下反应合成二元甚至多
元化合物。如选用TiO2粉体和 Ba(OH)2·8H2O粉体为前驱物，经水热反 应即可得到BaTiO3晶体，以Bi2O3和 GeO2粉体为前驱物，水热反应可制得 Bi4Ge3O12晶体。
水热法晶体生长分类
水热法宝石晶体生长按输运方式不同可分为三种类型： 等温法、摆动法和温差法。
（一）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，通常采用碳酸钠为 矿化剂，无定形硅为培养料，水晶片作为仔晶。当溶 液温度接近谁的临界温度时，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 时，晶体变开始在仔晶上生长。此法的缺点是无法生 长出晶型完整的大晶体。
三、对流挡板高压釜中生长区合格溶解区中间装 有挡板，挡板上大有圆孔。挡板的作用是调整 生长系统里的质量交换，并增加生长区和溶解 区之间的温差。挡板上孔洞面积与挡板面积之 比，称为挡板开孔率。开孔率大小直接影响上、 下两区的温差变化，从而影响晶体的生长速率。 开孔率大，生长速率减小，反之生长速率则增 大。 不同口径的高压釜，其开孔率有所不同。 小口径的高压釜开孔率以10%~12%为好，大 口径高压釜开孔率5~7%为宜。
四、生长区温度与温差
温度是水热法晶体生长的关键因素之一。溶解 区内，温度影响着晶体原料的溶解度和溶液的 浓度，从而决定了有多少原料（溶质）可能到 达生长区。在生长区内，温度决定着晶体是否 能生长。只有温度达到一定数值，晶体才能生 长。而且生长区的温度还直接影响着晶体的生 长速度。当高压釜上、下温差一定时，生长区 的温度越高、晶体生长速度越大。但一般而言， 晶体的生长速度过大，在晶体的生长后期就会 因原料供不应求而出现裂隙。
完成温差法晶体生长的必要条件如下：
（1）在高温高压的某种矿化剂水溶液中，不仅 能够促使晶体原料具有一定值的溶解度，而且 能够形成所需的单一稳定相。
（2）有足够的溶解度温度系数，既在适当的温 差下能够形成足够的过饱和度而又不会产生过 饱和后的自发成核。
（3）具备适合晶体生长所需的一定切型和规格 的仔晶，并使原料的总表面积与仔晶总表面积 之比值达到足够大。
（二）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筒放置仔晶，两筒 之间保持一定的温度差。定时摆动A、B 两个圆筒以加速他们之间的对流，利用 两筒之间的温差和高压环境下生长出晶 体，此法也曾用与水晶的生长。
（三）温差法
温差法是目前使用最广泛的水热生长晶体的方 法，它是在立式高压釜内生产晶体，多用于合 成水晶、红宝石、祖母绿、海蓝宝石等。高压 釜内的对流挡板将釜腔分成上、下两部分，上 部分为生长区（约占釜体的2/3），仔晶挂在 生长区的培育架上，晶体在仔晶上逐步生长； 对流挡板的下部为培养料区，也称为溶解区， 溶解区内放入适量的高纯度原料和矿化剂。
（2）能够生长出叫完整的大晶 体，并且能够很好的控制材 料的成分。
（3）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为接近。
缺点：
（1）需要材料比较特殊的高压 釜和相应的安全防护措施；
（2）需要大小适当、切向合适 的优质仔晶；
（3）整个晶体的生长过程无法 观察；
③ 水热分解法
一些复杂化合物在一定的水热条件下能够分解出预 定的粉体。例如：天然钛铁矿的主要成分为：
w(TiO2)=53.61%，w(FeO)=0.87%， w(Fe2O3)=20.62%，w(MnO)=0.65%，在
10mol/L KOH溶液中，温度为500℃、压力 25~35MPa下，经过63h水热处理，天然钛铁矿可 以完全分解，产物是磁铁矿Fe3-xO4和K2OTiO2。检 测表明在此条件下得到的磁铁矿晶胞参数
二、矿化剂的性质和浓度
水热法生长的晶体材料在纯水中的溶解度很小，而且 随着温度的升高，溶解度的变化也不大。所以，生长 过程中必须在水溶液中加入一种或者几种物质，以增 加晶体生长所需的原料在水溶液中的溶解度。这类物 质就是我们所说的矿化剂。加入适当的矿化剂以后， 可以使供应晶体生长的原料有较大的溶解度和足够大 的溶解度温度系数，而且某些矿化剂还可与结晶物质 原料形成络合物，加快晶体成核速度。另外，矿化剂 的种类对晶体的质量和生长速度也有较大的影响。如 生长水晶时，选用NaOH 作为矿化剂时，自发晶芽少， 透明度好，但生长速度较低；采用混合溶液时，则可 以得到快速生长的优质水晶。对刚玉来说，在氢氧化 钾溶液中要比在氢氧化钠溶液中生长快。
(a=0.8467nm)大于符合化学计量比的纯磁铁矿的 晶胞参数(a=0.8396nm)，这是由于Ti4+在晶格中以
替位离子形式存在，形成Fe3-xO3Fe2TiO4固溶体。 在温度800℃、压力30MPa下，水热处理24h，则 可得到符合化学计量比的纯磁铁矿粉体。
④ 水热沉淀法
该法是在水热条件下进行沉淀反应制备粉体。如 采物用，Z经rO水C热l4反和应CO沉(N淀H后2)可2混制合得水立溶方液相为和反单应斜前相驱 ZrO2晶粒混合粉体。
利用超临界的水热合成装置，可连续地获得
Fe2O3､TiO2､ZrO2､BaO·6Fe2O3､Fe3O4､NiO､ CeO2等一系列纳米氧化物粉体。水热法比较适 合氧化物材料合成和少数对水不敏感的硫化物
的制备。国外采用气相氢氧焰水解法大批量生
产纳米二氧化钛粉体。在水热法的基础上，用
有机溶剂代替水，则可扩大水热法的应用，合
（4）溶液密度的温度系数要足够大，使得溶液 在适当的温差条件下具有引起晶体生长的溶液 对流和溶质传输作用。
二、水热法晶体生长所需的设备
水热法晶体生长所需 的设备主要有：
高压釜 电炉 热电偶 温度控制器 温度记录器
Байду номын сангаас 三、水热法生长晶体的优缺点
优点：
（1）能够生长存在相变（如ɑ石英等）和在接近熔点时蒸 汽压高的材料（ZnO）或要 分解的材料。
矿化剂溶液的浓度对晶体生长也会产生影响。 当矿化剂溶液浓度比较小时，矿化剂溶液的浓 度增加则生长速度相应增加，但当浓度超过一 定范围时，生长速度就不再增加反而下降。如 在生长水晶时，当选用的矿化剂NaOH溶液浓 度大于1.5mol/L 时由于适应在溶液中的溶解度 过大，可能会出现水玻璃相 （ 当N它a的O浓.Si度O2小.n于H21O.0)m，o从l/L而时影，响生晶长体速的度生急长剧；下 降，甚至使晶体出现针状裂纹，所以合适的矿 化剂浓度应当是：1.0~1.5mol/L。
二、水热法生长晶体
水热法晶体生长是在水溶液中生长晶体 的方法。这种方法属于从溶液中生长晶 体方法的范畴，主要用于在室温时溶解 度较低，但在高温高压下溶解度增高的 一些材料，例如SiO2（水晶），Al2O3 （红宝石和蓝宝石），Be3Al2Si6O18（祖 母绿及海蓝宝石）等。
水热法生长晶体的特点是在含水体系中生长， 由此可区别于其他宝石晶体生长的若干体系。 与自然界宝石晶体生长相比，水热法生长的宝 石晶体可看作是在实验室中模拟自然界热液成 矿过程所形成的。自℃ 然界热液成矿是在一定的 温度和压力下进行的，而且成矿溶液有一定的 浓度和pH值，所以实验室中进行水热生长也需 要在一定温度和压力下进行，并且有一定的溶 液浓度和pH值，如生长祖母绿是在600℃、 1.8×108Pa、pH=2.7的条件下进行的；水晶是 在340℃、1.5×108Pa、强碱性溶液中进行的。
（4）投料是一次性的，一次生 长晶体的大小受高压釜容器 大小的限制。
第二节、影响水热法晶体生长的因素
一、过饱和度
从溶液中生长晶体的关键是使溶液达到一定的过饱和 度。当溶液刚刚达到过饱和时，一般不会有晶体析出， 而只有过饱和度达到一定程度，晶体才会从溶液中慢 慢析出。纯净的、过饱和度很低的溶液虽然在热力学 上是不稳定的，却可较长时间地保持原有状态而不产 生结晶。与之相对应的是，当溶液中放置一块仔晶， 即使是在过饱和度很低的溶液中，也会有多余的溶质 从溶液中析出并沉淀到仔晶上。这是因为仔晶的存在， 降低了晶体形成的成核势能，使溶质在较低的条件下 结晶。
ZrCl4水溶液中加沉淀剂(氨水、尿素)得到 Zr(OH)4胶体为前驱物，在温度为300℃，压 力为100MPa的条件下，以KF或NaOH为矿化
剂进行水热反应制得粒度为20~40nm的单斜
相ZrO2晶体。以H2O、LiCl和KBr为矿化剂进行 水热反应制得粒度为20nm以下的单斜相和四
方体ZrO2混合晶体。
成其他一些非氧化物纳米粉体。对于CdS､In2S3 ､ZnS､SnS2､CoS2等纳米粉体都可用非水体系进 行溶剂热合成。该方法关键技术是合成温度和
合成压力参数的控制。
水热法的分类
① 水热氧化法
水热氧化法是采用金属单质为前驱物，经水热 反应，得到相应的金属氧化物粉体。典型的反 应可用下式表示：
水热法合成矿物
东北大学矿物材料与粉体技术研究中心
一、水热法制备矿物粉体
水热法又叫热液法，是在高温(100~374℃)高压下在水 溶液或蒸汽等流体中进行有关化学反应，发生粒子的成 核和生长，从而产生形貌及大小可控的氧化物、非氧化 物或金属超细颗粒的过程。反应物常常是金属盐、氧化 物、氢氧化物及金属粉末的水溶液。水热法为各种前驱 物的反应和结晶提供了一个在常压条件下无法得到的特 殊的物理、化学环境，颗粒的形成经历了一个溶解－结 晶过程，因此，这种方法可以获得通常条件下难以获得 的几纳米至几十纳米的颗粒，而且粒度分布窄，团聚程 度低，纯度高，晶格发育完整，有良好的烧结活性，在 制备过程中污染小，能量消耗少。水热法中选择合适的 原料配比尤为重要，对原料的纯度要求高。
mM+nH2O→MmOn+nH2
其中，M可为钛、铁、铬等金属。例如，以金
属锆粉为前驱物，以水或Ca､Mg的硝酸盐或氯
化物为反应介质，在一定的水热条件下(温度高
于450℃，压力100MPa)可制得ZrO2粉。
② 水热晶化法 水热晶化法可通过无定形前驱
物经水热反应制备结晶完好的晶粒。例如，以
高压釜内装入培养料、矿化剂溶液、仔晶架和仔晶片 后进行密封。通常高压釜觅封侯便可放入加热炉内， 对高压釜的下部进行加热，或放入温差电炉内，使高 压釜的上、下部分形成一定的温差。当高压釜的温度 超过100℃后，由于热膨胀和大量蒸汽的形成，釜内形 成气压。随着温度的不断上升，溶解区的溶质不断溶 解于矿化物溶剂中，并形成饱和溶液。由于高压釜下 部温度高于上部，就形成了釜内溶液的对流，溶解区 的高温饱和溶液被送到生长区。高压釜的上不温度低， 下部的饱和溶液上升到上不随即成为过饱和状态，溶 质在仔晶上不断析出，并使仔晶长大。析出溶质后的 溶液又回到下部高温溶解区成为不饱和溶液，在继续 溶解培养料过程中，再次形成饱和溶液，又在对流中 上升到生长区。如此往复，晶体不断长大，经过几十 天变可生长出几十千克的大水晶晶体。
水热法是在密闭反应器(高压釜)中以水溶 液作为反应体系，通过将水溶液加热至 临界温度(或接近临界温度)来进行材料制 备。它可将金属或其前驱体直接合成氧 化物，避免了一般液相合成需要经过煅 烧转化为氧化物这一步骤，从而极大地 降低乃至避免了硬团聚的的形成，制备 的粉体具有晶粒发育完整、粒度小、分 布均匀、分散性较好等优点。
m(Zr)∶m(Si)=1.2∶1.0，反应温度为335℃，升
温速率为1.6℃/min，反应时间为3h时，可得到 结晶完好、晶粒规整、分散性好、粒度在100nm 以下的ZrSiO4粉体。
⑤ 水热合成法
水热合成法可理解为以一元金属氧化物
或盐在水热条件下反应合成二元甚至多
元化合物。如选用TiO2粉体和 Ba(OH)2·8H2O粉体为前驱物，经水热反 应即可得到BaTiO3晶体，以Bi2O3和 GeO2粉体为前驱物，水热反应可制得 Bi4Ge3O12晶体。
水热法晶体生长分类
水热法宝石晶体生长按输运方式不同可分为三种类型： 等温法、摆动法和温差法。
（一）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，通常采用碳酸钠为 矿化剂，无定形硅为培养料，水晶片作为仔晶。当溶 液温度接近谁的临界温度时，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 时，晶体变开始在仔晶上生长。此法的缺点是无法生 长出晶型完整的大晶体。