第三章 水热法生长宝石晶体与鉴别

第三章水热法生长宝石晶体与鉴别

☐一、水热法生长宝石晶体概述

☐二、影响宝石晶体生长的因素

☐三、水热法生长水晶、红宝石、

祖母绿、海蓝宝石晶体

☐四、水热法生长宝石晶体的鉴别

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。

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。

（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）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。

4、水热法宝石晶体生长所需的设备

☐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。

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。

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。

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。

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

☐矿化剂：增加生长晶体所需的原料在水溶液中的溶解度。

☐3、对流挡板

☐挡板的作用是调节生长系统里的质量交换，并增大生长区和溶解区之间的温差。

☐4、生长区温度与温差

☐5、压力和充填度

☐6、杂质

☐7、种晶的取向

☐8、培养体

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、原理

矿化剂（NaOH、Na2CO3）

反应方程式

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

2、水热法生长水晶的工艺流程

☐（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）

☐（2）装釜阶段

☐（3）生长阶段

☐（4）开釜阶段

3、水热法合成水晶的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,）☐(2)高压釜（43CrNi2MoV钢材）

☐(3)矿化剂（NaCO3，NaOH，NaCO3+NaOH）

填加剂（LiF、LiNO3、Li2CO3）

充填度——80%-86%

☐(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)生长速率（//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)

4、彩色水晶的生长

彩色水晶的得到可以分两个步骤：

☐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

颜色添加剂及随后的处理

☐蓝色加钴，然后在还原环境加热

☐褐色加铁

☐深褐色加铝，然后辐照

☐绿色加铁，然后在还原环境中加热

☐紫色加铁，然后辐照

☐黄色加铁

☐黄-绿色g射线辐照，然后加热

5、水热法合成的水晶的主要晶体缺陷

☐（1）双晶

根据外观特征分为凹陷型双晶、多面体双晶、鼓包双晶和花絮状双晶四种。

☐（2）包裹体

主要有固体包裹体和气－液两相包裹体。

☐（3）位错和腐蚀隧道

位错多位刃位错和混合位错。除了这些线位错外，还有层位错。

腐蚀隧道是作为籽晶的石英晶片经过腐蚀形成的，一般成管状。

☐（4）生长条纹

石英晶体各向异性导致不同方向上生长速率不同产生位移而形成。

（二）水热法合成刚玉类晶体

☐1、水热法合成刚玉类晶体的原理

在合成无色刚玉的基础上，添加着色剂Cr2O3而实现

化学反应式：

Al2O3+H2O→Al2O22+

Al2O22++H2O →AlO2-

种晶刚玉晶面上是吸附了OH-离子的原子团，AlO2-取代OH-就位在种晶上，不平衡的O2-又被OH-取代，重新恢复到活化状态，使晶体不断生长。

Al－OH-+AlO 2 - →Al－O－Al－O+OH-

2、水热法合成红宝石的工艺参数

☐（1）温度、压力T>470oC，P：7.5x107Pa

☐（2）高压釜GH33高温合金钢来制造，用银或箔金作内衬。

☐（3）矿化剂NaHCO3＋KHCO3混合液效果较好，或者选用Na2CO3+KHCO3.

适当提高矿化剂浓度可以提高生长率。

☐（4）种晶沿Z轴成不同角度的方向切成圆棒或条片状。

☐（5）挡板釜内径2.22mm，挡板孔0.64mm，对生长影响不明显。

☐6）着色剂