宝石的人工合成方法.doc

宝石的人工合成方法随着社会的进步和科学技术的发展，宝石人工合成的方法和手段也在不断增多和更新，有的宝石还可以用几种方法进行合成。目前，主要的宝石人工合成方法有以下几种：1/ 焰熔法这个方法是1902年由法国的维尔纳叶发明的，所以也称“维尔纳叶法”。它主要用于合成熔点很高的宝石，如合成红宝石、蓝宝石、各种颜色的尖晶石、金红石、星光红宝石、星光蓝宝石及人造钛酸锶等，也是目前合成宝石的主要方法之一。此法合成宝石的原理是利用氢气与氧气燃烧的温度可以高达2900的特点，在火焰的上方放宝石原料的粉末，火焰的下方放生长晶体的晶种，宝石粉末通过氢氧火焰时被熔化成熔融液掉落在下面的宝石晶种上，晶体即可不断往上生长。为了保证晶体能够不断往上生长，宝石晶种要安放在一个可以下降的装置上，并且要使下降装置的下降速度与晶体生长速度相同。其次，还要使生长的宝石晶体下降入一个保温良好的容器里，否则宝石晶体在空气中会因急剧冷却而产生内应力，对宝石晶体产生破坏作用，轻则形成裂纹，重则使宝石破裂。2/ 水热法这是模拟自然界热液成矿条件创造的一种宝石合成方法。主要用于合成祖母绿、各色水晶、红宝石及海蓝宝石等。由于自然界热液成矿是在地下一定的深度形成的，深度越大压力越大、温度越高，因此，天然宝石是在一定的温度和压力下形成的，并且成矿溶液必须具有相当的浓度和一定的酸碱度（PH值），为此人们设计了一种可以密封的高压容器，叫高压釜。宝石生长的原理是：把配好的溶液、宝石生长原料和宝石晶种等都密封在高压釜中，将密封的高压釜放在温差电炉内加热，当温度超过100时，水溶液就会沸腾，产生水蒸气，但水蒸气被密封在高压釜中出不去，所以产生气压，温度越高，压力越大。一般宝石晶种挂在高压釜的中上部、宝石原料在高压釜的底部，温差电炉的温度底部高于上部，所以，当加热到宝石原料溶解并形成饱和溶液后，温度差使溶液产生对流，由高温流向低温。此时，高温区的饱和溶液流到低温区时处于过饱和状态，溶液中的过饱和部份就会在宝石晶种上结晶，使宝石晶体不断长大。低温区经过结晶后的相对饱和溶液被对流到高温区时变成不饱和溶液，经过高温区的宝石原料补充又达到饱和状态，被再次对流到低温区成过饱和溶液，过饱和部份在宝石晶体上结晶，如此循环往复，就可得到我们所需的宝石晶体。3/ 助熔剂法此法在一定程度上模拟了自然界的岩浆分异结晶成矿过程。用此法合成的宝石主要有合成红宝石、合成祖母绿、合成蓝宝石、合成尖晶石、合成金绿宝石及人造钇铝榴石、人造钆镓榴石等。宝石生长的原理是：在高熔点的宝石原料中加入一定量的低熔点助熔剂，使宝石原料在较低的温度下被熔融和结晶，例如红宝石的原料三氧化铝的熔点是2050，加入助熔剂后可以在1350熔融，这就可以为宝石合成的仪器设备和工艺条件提供方便。用此法合成宝石时若不加宝石晶种，将在很长时间内加热得到大量的小颗粒宝石晶体；若利用宝石晶种，则可以利用温差电炉法或晶种提拉法等工艺得到较大的宝石晶体。要注意的是：为了不使宝石与助熔剂一起结晶出来，采用降温结晶生长宝石晶体工艺时，在到达低共熔点温度前就应将所有熔融液倒掉，再将已生长的宝石放回高温炉内冷却到室温。最后要把宝石晶体外边沾的助熔剂溶解掉才能使用。4/ 冷坩埚熔壳法目前，此法仅生长合成立方氧化锆一种宝石。据研究，纯氧化锆晶体常温下是单斜相结构，随着温度的升高会发生相变，分别为四方相、六方相和立方相。形成立方相的温度为2300，并且在相变过程中会发生体积变化，使晶体发生破裂，因此在自然界没有立方氧化锆晶体，仅在别的矿物中以包裹体的形式出现。要获得立方氧化锆，首先要解决盛放2300高温熔融液的容器，其次要解决加热设备和晶体不发生破裂的问题。人们采用高频电炉加热和添加稳定剂氧化钇的方法可解决后二个问题，但高温容器找不到合适的坩埚,人们采用冷坩埚熔壳技术解决。所谓冷坩埚熔壳技术是指：在一个可通水冷却的底座上焊上可通水冷却用的紫铜管，紫铜管排列成圆杯状“冷坩埚”，在外层固定的石英管上套装高频线圈，在杯状“冷坩埚”内放二氧化锆原料、引燃金属锆及稳定剂等。接通电源，进行高频加热，同时通入冷却水。二氧化锆粉末在1200以下为电的绝缘体，1200以上是电的导体，而高频加热只对导电体有效，为此，必须在二氧化锆粉末中加入金属锆“引燃”。因为金属锆是导电体，锆的熔点是1900，高频可以使金属锆熔化，紧挨熔化金属锆的二氧化锆粉末超过1200后变成导电体而被高频加热，产生2300以上的高温，这样可引起其它二氧化锆粉末的熔化。在二氧化锆原料被熔化的时候，冷却水带走表层的热量，形成一个不熔的壳层，壳内是熔融的二氧化锆原料，壳层相当于一个坩埚，形成冷坩埚熔壳。当二氧化锆原料完全熔化后，慢慢降温就可得到立方氧化锆晶体。这也是“冷坩埚熔壳法”生长立方氧化锆晶体的基本原理。/ 高温超高压法在宝石的人工合成中，高温超高压法用来合成金刚石和翡翠。这里所说的高温指500以上，所说的超高压指10000大气压以上（约10 9Pa 以上）,一定程度上模拟了地质上变质成矿条件下的宝石合成。金刚石的人工合成早期采用静压直接转变法，需要在125000大气压和2700温度下才能使石墨变成金刚石；后来采用静压触媒法，可以在6万大气压和1360下获得大颗粒金刚石；采用静压晶种触媒法可以得到宝石级金刚石，目前，最大的合成金刚石重量达14.2克拉。高温超高压法合成翡翠于八十年代突破，得到了与天然硬玉矿物基本参数一样的合成品，但“水头”、颜色等达不到宝石的要求，所以一直没有面市。其合成条件为万大气压和1300。合成设备的超高压是利用“千斤顶”液压原理，采用二面顶、四面顶或六面顶等压机获得，最大可达3600吨压力；温度采用石墨通电的方法获得，最高可达1900。其原理是在高温超高压下使矿物发生相变，形成金刚石或翡翠结构。除此之外，高温超高压法合成金刚石还可以采用爆炸法，把高纯石墨与炸药密封在容器中，埋在地下引爆，产生的高温高压也可以得到金刚石，但由于作用时间短，形成的金刚石颗粒很小。 熔体法熔体法生长宝石的本义是泛指从熔融液中结晶生长出宝石晶体的方法，但为了与焰熔法、助熔剂法及冷坩埚熔壳法相区分，这里单指利用坩埚直接从相应组成的熔体中结晶出相同成份宝石晶体的方法。此法是目前制备各种大型单晶和特定形状单晶的最常用的一种方法，它具有生长速度快、纯度高、晶体完整性好等优点，激光晶体基本上都用这个方法生长。熔体法生长宝石首先要解决耐高温坩埚问题，常用熔点超过2000的铱、钼、氧化锆、石墨（保护气体下）、氧化镁等材料制作坩埚，用高频电炉加热法提供高温。熔体法生长宝石晶体的基本原理是：将构成宝石晶体相应组成的原料放在坩埚中加热熔化，然后在受控条件下，通过降温使熔体出现过冷却，从而使熔体逐渐凝固并生长出宝石晶体的方法。具体方法主要有晶体提拉法、熔体导模法、熔体底部冷却法、坩埚下降法和晶体的泡生法等，但用于宝石晶体生长的主要方法是前二种。晶体提拉法是一种利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法，它能在较短的时间内生长出大而无位错的高质量宝石单晶，许多有实用价值的重要宝石晶体，如无色蓝宝石、红宝石、钇铝榴石（YAG）、钆镓榴石（GGG）、变石和尖晶石等都可用此法生长；熔体导模法是在晶体提拉法的基础上往坩埚中