宝石优化处理技术进展讲述

1、宝石优化处理技术进展 陈若曦 张翰蕾 杨晓宇 141132 盐浴法红宝石离子扩散 1 高频溅射法镀膜处理 2 离子注入技术 3 目录 part1 1 1 盐浴法 盐浴法离子扩散可能是一种比较理想的红宝石 优化处理方法。它可有效降低处理温度降低处理温度，增加增加 离子活性离子活性，样品表面扩散离子浓度恒定浓度恒定，可有 效缩短宝石处理时间。 热扩散处理 热扩散处理是一种热化学处理方法，目前主要用于刚玉宝 石的增色和减色处理增色和减色处理，刚玉宝石经离子扩散也可产生星光 效应宝石离子扩散处理需要在高温下长时间进行加热处理， 对设备要求较高，且能耗大，功效低。人们一直在寻找一 种降低能耗，缩短时间，

2、提高效率的处理方法。 1 1 淡红色微透明，经表面打磨半球面状、半椭球面 状天然红宝石颗粒，粒径在1.2左右。 （样品经50%盐酸溶液浸泡48小时，清除样品表 面和裂隙中的氧化铁等杂质。样品经流动清水冲洗2小时 后置于烘干箱中，1 05烘干5小时备用。） 实验样品 实验一 将样品置于助熔剂、三氧化二铝粉末、二氧 化钦粉末按照2： 2：1：5比例混合的试剂 中，用高温烧结炉加热至1600 。恒温 170个小时，缓慢降至室温。 实验设备 实验加热设备为KSL1700 X箱式高温炉。 炉膛最高温度为1750。 恒温精度达到士1。 加热容器为氧化铝陶瓷增锅。 实验二 将样品置于助熔剂、三氧化二铝粉末、

3、二氧化钛 粉末与盐类物质按照2： 2： 1： 5的比例混合的 试剂中，用高温烧结炉加热至1350,恒温120个 小时，缓慢降至室温。 1 1 微镜下观察，样品表面形成密集的三组定向排列 的金红石针状晶体。将红宝石样品整形，磨成弧 面形，并抛光后，样品表面出现微弱星光效应。 实验二 实验一 助熔剂表面出现透明玻璃状物质，加热温度 过高，显微镜下观察，可见样品浅表层有一 组平行排列，较细小且稀疏的针状晶体包裹 体，结晶不完全。 结论 通过比较，可以看出，与传统热扩散方法比较， 盐浴法热扩散实验，效果比较好，加热温度低， 加热时间短。 1 1 实验结果分析 本实验采用的盐类物质，其成分类似于大理岩型

4、红宝石矿床的 围岩成分，且盐类物质的熔点低于实验最高温度，因此盐类物质在 高温下处于熔融状态，粘度低、挥发性小、流动性良好、与助熔剂 无不良反应。 传统热扩散实验，红宝石样品扩散界面上，外部钛离子进入晶格 中，浓度减小，而内部钛离子浓度增加，一定时间后，内外部的钛 离子浓度达到动态平衡，不利于扩散的继续进行。而使用盐浴法， 由于外部钛离子在液态熔融环境中不断对流补充，外部钛离子浓度 始终大于样品表层内部的离子浓度，扩散作用持续进行，加快了扩 散速度，扩散层厚度也增加。钛离子更容易进入红宝石晶体中，与 氧离子结合形成密集的金红石针。 浴盐的高热传导能力，使热量在宝石内部快速传递，有利于宝石 受热

5、均匀。 在离子扩散剂中加入助熔剂，有利于降低热扩散处理的有效温度， 还可增强宝石表面活性，加强与钛离子的界面反应，加速扩散。 1 1 扫描电镜与能谱 的测试分析 利用Philips公司生产的XL-30 ESEM型扫描电镜，配备EDAX公司 生产的phoenix系列能谱仪，对盐浴法扩散处理样品进行了分析测 试。 样品表面出现大量针状晶体密集定向排列。并且能谱图所示， 针状物钛含量很高，确定为钛离子扩散形成的金红石针状晶体。 实验结果证明，采用盐浴法进行热扩散处理，钛离子的扩散效 果好，能够形成较理想的金红石针状晶体。 1 1 总结 与传统的热扩散法相比，采用盐浴法，以助熔 剂、三氧化二铝粉末、二

6、氧化钦粉末与盐类物质，按 照2: 2: 1: 5的比例混合作为试剂，在1350的温度 下恒温120小时，使红宝石在盐相物质的液相熔融 环境中，离子的扩散作用持续进行，扩散速度加 快，扩散层厚度增加，有利于金红石针的形成。 part2 2 2 高频溅射法镀膜 高频溅射镀膜的手段对宝石进行表面处理，这一方法在国内外行 业内几乎没有任何报道。 目的是为了增强宝石表面光泽，适当修复宝石表面损伤，以此使 宝石更具美观的价值。镀膜的靶材选取了二氧化错，而非市场上运 用的金属材料和有机膜。通过镀膜后使得宝石光泽均上升至金刚一 亚金属光泽，膜的牢度也远胜于其他表面处理方法，硬度可以达到7 一8 。而且由于膜层

7、厚度可控，不会在宝石表面产生彩虹效应和其 他变彩效果，从而影响宝石自身色彩。 镀膜材料均为高纯度靶材，纯度在99 .99 % 以上，膜层呈透明 状，不会引起宝石颜色的改变。此种镀膜手段在宝石外观性能的改 善方面较其他处理手段要先进完善，能大幅度提高宝石表面光泽， 在一定程度上修复宝石表面损伤。 2 2 原理 高频溅射镀膜是指用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒 子获得能量并逸出表面，沉积在基片上。样品装在接地的电极上， 靶材则装在对面的电极上。高频电源一端接地，一端通过匹配网 络和隔直流电容接到装有绝缘靶的电极上。接通高频电源后，高 频电压不断改变极性。等离子体中的电子和正离子在电压的正半

8、 周和负半周分别打到绝缘靶上。由于电子迁移率高于正离子，绝 缘靶表面带负电，在达到动态平衡时，靶处于负的偏置电位，从 而使正离子对靶的溅射持续进行。 实验设备为A N E LV 入922一95O2B 高频溅射仪 实验设备 镀膜过程 选取的镀膜部位为宝石的冠部台面。这样做更能展现出宝石 光泽的美感，同时掩盖表面的瑕疵。 样品放妥后，关闭阀门对溅射腔体抽真空，真空度至2.6 x 10一6帕时充入溅射气体，溅射气为为高纯度氛气，充气直至达 到5 x 10一2帕的工作压强。在压强稳定后方可进行镀膜，镀膜 时间一般为10一巧分钟(按膜层厚度需要而不同)，镀膜完成待腔 体完全冷却后，打开阀门取出样品。 2

9、 2 所有镀膜宝石样品在经过处理之后都具有更强的光泽感，宝石自 身颜色没有发生变化，但随着镀膜厚度的增加，其透明度会随之降低。 还发现通过利用常规的检测手段，如密度测量和折射率测量，难以对 镀膜宝石与天然宝石进行严格区分和鉴定。 镀膜宝石的密度与天然宝石相比改变不是很大，对有些种类样品 甚至没有改变。这是因为镀膜宝石只是在宝石表面镀上一层纳米量级 的膜层，其重量和体积比起样品自身可以忽略不计。 高频溅射镀膜法对宝石的折射率的改变不明显，因为宝石表面膜 层厚度在几个至几十纳米的范围，远远小于可见光波长的范围，因此 对宝石的折射属性不会有太大的影响。 分别对镀膜样品和其同类的天然宝石进行反射率的测

10、量， 各种天 然宝石反射率皆在4一10% 之间，属于天然的玻璃光泽，而镀膜后的 宝石在反射率上均有相当大的提升，其反射率可高达19一25 % ，属 于金刚一亚金属光泽。这么高的反射率值是天然宝石(除钻石) 所不具 有的，因此通过测量比对这一光学性质可以给鉴定镀膜宝石提供可靠 的依据。 实验结果 2 2 扫描电子显微镜(简称SE M ) 具有分辨能力高、图像立体感强，放 大倍数变化范围大等优势，很适合于地质学、宝石学等学科领域的应 用。 先用SEM 对紫水晶镀膜样品进行形貌观察，在放大100倍的情况 下，发现样品表面平整光滑且一些微小的裂隙也被填平，在放大 200000倍的情况下，隐约观察到有规

11、则鱼鳞片状结构，此片状结构中 每个颗粒单位大小约占直径20一30nm ，分析其为二氧化错膜层晶体 结构以及靶材分子在宝石表面的堆积情况，图中规则的结构排列说明 分子堆积均匀。 SEM & EDS测量 2 2 运用高频溅射法对一些中高档宝石进行镀膜，可以大幅提升其外在美 观性和耐久性。同时镀膜宝石也是目前宝石检测中的热点和难点问题， 因为镀膜并不会影响宝石自身物理属性，改变的只是宝石的表面特征， 镀膜前后的宝石在折射率和密度等属性方面均无大的差异。本文所采 用的检测手段(摩氏硬度法，反射率测量法和SE M & E D s) 为宝石鉴 定法中的首次尝试，因其具有定量和定性的检测结果，因此为镀膜宝

12、石的鉴定提供了更新、更有效的方法 总结 part3 3 3 原理 通过离子注入机把要求掺杂的离子加速成具有足够能量的载能束注 入固体材料的表面层。离子注入可以引起材料表层成分和结构的变 化，材料中原子环境和电子组态等微观状态的扰动，导致材料的各 种物理、化学或力学性能的变化，达到优化和增加材料性能的目的 L型高能 离子注入装置实验装置 3 3 Be 颜色较以前变得更深了，这说明 离子对样品 的颜色有较 明显影响，表现为对可见光产生普遍的 吸收。 表面光泽明显增强，甚至出现半金属光泽；表面 光洁度很好，较实验前几乎没有任何变化。 Ti 较注入前蓝色变鲜艳了，灰色调明 显减少，说明 离 子进入蓝宝石后， 其中的与 离子间的电荷 转移 增加了，这与蓝宝石颜色呈色机理相一 致 3 3 Cr 样品普遍表面光泽明显增强甚至出现半金 属光泽。 表面光洁度很好，较实验前几乎没有变化。 无色刚玉变成带有褐色调 Ti 表面光泽普遍增强，这对于宝石美观是有利的,样品的 表面光洁度很好，较实验前几乎没有任何变化； 无色刚玉变成褐色调，没有出现预计的红色调，可能 与注入强度低，没有深入晶格内部有关； 钻石经注入 元素后颜色显著变为深褐色，说明 处 理后样品中产生了成色色心。 3 3 1 宝石经过离子注入处理 后，表面光泽明显 增强， 表面光洁度很好，几乎 没有