宝石学速成合成宝石及人造宝石实用教案

1、一、人工(rngng)宝石的有关概念 人工宝石：完全或部分由人工生产或制造的、用于制作首饰(shu shi)及装饰品的材料。 合成宝石：部分或完全由人工制造的、有天然对应物的晶质或非晶质材料，这些材料的物理性质、化学成分及晶体结构和与其相对应的天然宝石基本相同。 人造宝石：由人工制造的、没有天然对应物的晶质和非晶质材料。第1页/共50页第一页，共51页。 从熔体(rn t)中结晶合成宝石的基本过程： 包括： a）焰熔法 b）晶体提拉法 c）冷坩埚法粉末原料加热熔化冷却超过临界过冷度结晶第2页/共50页第二页，共51页。1.1.焰熔法( (维尔纳叶法 ) )（1）基本原理 焰熔法是从熔体中生长单

2、晶体的方法。其原料的粉末(fnm)在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种晶上固结逐渐生长形成晶体。第3页/共50页第三页，共51页。维尔纳叶法合成(hchng)装置 焰熔法合成(hchng)装置：维尔纳叶炉 供料系统 燃烧系统 生长系统 下降系统（2）合成(hchng)工艺第4页/共50页第四页，共51页。（3）焰熔法合成(hchng)宝石的品种 焰熔法合成宝石的品种主要焰熔法合成宝石的品种主要(zhyo)(zhyo)有：有： 合成红宝石、合成蓝宝石、合成星光红宝石、合成合成红宝石、合成蓝宝石、合成星光红宝石、合成星光蓝宝石、合成尖晶石、合成金红石、人造钛酸星光蓝宝石、合成尖晶

3、石、合成金红石、人造钛酸锶等。锶等。第5页/共50页第五页，共51页。（3）焰熔法合成宝石(bosh)的识别特征 a. a.原始晶形 焰熔法合成的宝石原始晶形都是梨形。而天然宝石的晶体形态为一定(ydng)(ydng)的几何多面体。 第6页/共50页第六页，共51页。b.包裹体和色带合成红、蓝宝石中常可见气泡和未熔粉末出现(chxin)，一般气泡小而圆，或似蝌蚪状；可单独或成群出现(chxin)；合成尖晶石中气泡和未熔粉末较少出现(chxin)，偶尔出现(chxin)的气泡多为异形。第7页/共50页第七页，共51页。c. 弧形生长纹红宝石中常常为细密(xm)的弧形生长纹，类似唱片纹；蓝宝石中色

4、带较粗而不连续；黄色蓝宝石很少含有气泡，也难见色带。合成尖晶石很少显示色带。第8页/共50页第八页，共51页。d. 吸收光谱(x shu un p) 合成蓝宝石的光谱见不到天然蓝宝石通常可以见到的蓝区的吸收，或450nm450nm的吸收带十分模糊(m hu)(m hu)。 合成蓝色尖晶石显示典型的钴谱（分别位于540540、580580、635nm635nm的三条吸收带 ），天然蓝色尖晶石显示的是蓝区的吸收带，为铁谱。第9页/共50页第九页，共51页。e. 荧光(ynggung) 合成蓝宝石有时显示蓝白色或绿白色荧光(ynggung)(ynggung)，天然的为惰性； 合成蓝色尖晶石为强红色荧

5、光(ynggung)(ynggung)，而天然的为惰性。 合成红宝石通常比天然红宝石的红色荧光(ynggung)(ynggung)明显强。第10页/共50页第十页，共51页。f. 异常双折射；合成尖晶石的斑纹(bnwn)状消光现象。 第11页/共50页第十一页，共51页。合成星光刚玉与天然(tinrn)星光刚玉的区别 合成星光刚玉 天然星光刚玉 内含物 大量气泡和未熔粉末；金红石针极其微小，难以辨认；弯曲色带明显 各种晶体包体、气液包体、指纹状包体；金红石针较粗，易识别；直角状或六方色带 星带外观特征 星光浮于表面，星线直、匀、细，连续性好；中心无宝光星光发自内部深处；星线中间粗，两端细，可不

6、连续；中心有宝光第12页/共50页第十二页，共51页。 焰熔法合成尖晶石与天然(tinrn)尖晶石的区别 合成尖晶石合成尖晶石天然尖晶石天然尖晶石A 内含物内含物 包体少，偶有气泡，形态狭长或异形；包体少，偶有气泡，形态狭长或异形；色带少见，仅见于红色尖晶石中色带少见，仅见于红色尖晶石中 气液包体常见晶体包体：尤其是八面体形气液包体常见晶体包体：尤其是八面体形色带少见色带少见B 折射率折射率 1.727 ，红色尖晶石，红色尖晶石1.725 1.714-1.718, 高铬的红色尖晶石高铬的红色尖晶石: 1.74 镁锌尖晶石镁锌尖晶石: 1.715-1.80 锌尖晶石锌尖晶石: 1.80 C 相对

7、密度相对密度3.63，红色尖晶石：，红色尖晶石：3.60-3.66；仿青金；仿青金岩的烧结蓝色尖晶石：岩的烧结蓝色尖晶石：3.523.60D 光谱光谱 蓝色者：蓝色者：Co谱谱,540, 580和和 635nm处有处有吸收带；吸收带；红色：红区只有一条荧光光谱线红色：红区只有一条荧光光谱线浅黄绿色：浅黄绿色：445nm，422nm线线 蓝色者：蓝色者：Fe谱，蓝区谱，蓝区458nm有吸收带；有吸收带；红色者：红区红色者：红区5条条管风琴状荧光谱线（交管风琴状荧光谱线（交叉滤色镜下观察）叉滤色镜下观察） E 荧光荧光 无色者：无色者：SW下强蓝白色；下强蓝白色；蓝色者：蓝色者：SW：红色或蓝白色

8、：红色或蓝白色红色：红色荧光红色：红色荧光 无色：惰性无色：惰性蓝色：惰性蓝色：惰性红色：红色荧光红色：红色荧光 F正交偏光镜正交偏光镜 斑纹状消，红色尖晶石例外斑纹状消，红色尖晶石例外 全消光全消光 第13页/共50页第十三页，共51页。2.晶体(jngt)提拉法 (丘克拉斯基法 )（1）基本原理 提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接种晶提拉熔体，在受控条件下，使种晶和熔体的交界面上不断进行(jnxng)原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。 用于合成蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等重要的宝石晶体。第14页/共50页第十四页，共51页。（2

9、）晶体(jngt)提拉法工艺加热系统(xtng)坩埚和种晶夹传动系统(xtng)气氛控制系统(xtng)后热器第15页/共50页第十五页，共51页。（3）提拉法合成宝石(bosh)的识别特征 弧形生长纹 提拉法生长的宝石(bosh)(bosh)晶体，由于提拉和旋转作用，会产生弯曲的弧形生长纹，但不如焰熔法明显。 提拉法合成红宝石的弯曲(wnq)生长纹 第16页/共50页第十六页，共51页。 气泡 提拉法合成的晶体，都会含有气体包体，且气泡分布不均匀。提拉法常可见(kjin)拉长的或哑铃状气泡。 金属包体 提拉法合成的宝石是在耐高温的铱、钨或钼金属坩埚中熔化原料的，所以可能含有金属包体。第17页

10、/共50页第十七页，共51页。未熔粉末：提拉法生长的宝石晶体原料(yunlio)在高温下加热熔化，偶尔可见未熔化的原料(yunlio)粉末。杂质包体：由于原料(yunlio)不纯或配比不当，可对熔体造成污染，形成晶体的杂质包体。第18页/共50页第十八页，共51页。 3. 3.冷坩埚(gngu)(gngu)法 （1 1）基本原理 冷坩埚法仅用于生长合成立方氧化锆晶体。由于立方氧化锆的熔点很高，没有适用的金属坩埚，而是采用原料本身作坩埚，使其内部熔化，外部冷却(lngqu)(lngqu)形成一层未熔壳，起到坩埚的作用。熔化的材料在熔体温度逐渐下时结晶。 第19页/共50页第十九页，共51页。（2

11、）冷坩埚(gngu)壳法工艺 1 熔壳盖； 2 石英管； 3 通冷却水的铜管； 4 高频线圈（RF）； 5 熔体(rn t)； 6 晶体； 7 未熔料； 8 通冷却水底座 第20页/共50页第二十页，共51页。冷坩埚法的冷却管和加热装置 冷却水铜管及底座(dzu)构成的“杯”第21页/共50页第二十一页，共51页。（3）冷坩埚法合成宝石(bosh)的鉴别特征 生长特征： 冷坩埚法采用自发结晶的生长方式，所以没有特别的生长结构。包裹体： 含有未完全熔化的面包屑状的氧化锆粉末(fnm)和因冷却速度过快而产生气体包体。合成立方(lfng)氧化锆中的气泡合成立方氧化锆中的未熔粉末第22页/共50页第二

12、十二页，共51页。 由两种或两种以上的物质组成的均匀混合物称为溶液，溶液由溶剂和溶质组成。合成晶体所采用的溶液包括：低温溶液（如水溶液、有机溶液、凝胶溶液等）、高温(gown)溶液（即熔盐）。 溶液中生长宝石晶体的方法：水热法和助熔剂法。 从溶液中结晶合成宝石的基本过程： 原料(yunlio)加热溶解（迁移、反应）过饱和析出结晶第23页/共50页第二十三页，共51页。1.水热法（1）基本原理 水热法是利用高温高压的水溶液溶解矿物质，控制高压釜内溶液的温差产生对流(duli)和形成过饱和状态，使溶解在溶液中的矿物质在种晶上析出，生长成较大的晶体。 这种方法常用来合成水晶、红宝石、祖母绿、蓝宝石等

13、。第24页/共50页第二十四页，共51页。原料：氧化铬、氧化铝和氧化铍粉末的烧结块，水晶；矿化剂：国内采用HCl，充填度80%；种晶：种晶用铂金丝挂于高压(goy)釜中部，可用天然无色绿柱石或合成的祖母绿。温度：6000C；工作压力：1000X105Pa生长速度：每天 （2）水热法工艺(gngy)（合成祖母绿）第25页/共50页第二十五页，共51页。 水热法合成祖母绿的基本(jbn)过程石英、氧化铬、氧化铝和氧化铍等在高温下溶解在含碱金属或铵的卤化物的水溶液中，电炉在高压釜的底部加热，溶解的原料在溶液中对流扩散，相遇并发生反应，形成祖母绿分子，当溶液中祖母绿分子浓度达到过饱和时，便在种晶上析出

14、结晶(jijng)成祖母绿晶体 。第26页/共50页第二十六页，共51页。（3）水热法合成宝石(bosh)的识别特征a. 特征包裹体：铂金片：来自坩埚的贵金属包体。硅铍石和钉状包体：热法合成绿柱石中常见钉状包裹体和硅铍石晶体包体。面包渣状包裹体：合成水晶(shujng)中常见，是锥辉石的细小雏晶组成的；第27页/共50页第二十七页，共51页。b. 生长(shngzhng)纹理 锯齿状纹理：在合成祖母绿及合成红、蓝宝石中常常(chngchng)显示锯齿状纹理、波状纹理等； 合成彩色石英的色带： 合成彩色水晶的色带平行种晶片。合成紫晶的种晶片通常平行于菱面体面方向；合成黄水晶的种晶板平行于底轴面。

15、合成(hchng)祖母绿中的锯齿状纹理合成红宝石中的波状纹理第28页/共50页第二十八页，共51页。表面(biomin)增生裂纹： 以切磨好的天然浅色绿柱石为种晶生长一层薄的合成祖母绿。表面(biomin)增生的祖母绿表面(biomin)可见明显的龟裂纹；种晶片：水热法合成宝石都要使用种晶，所以宝石中常可见到残留的种晶片。表面(biomin)增生裂纹种晶及多层结构(jigu)第29页/共50页第二十九页，共51页。 c. 双晶 合成紫晶稍有巴西双晶，在正交偏光下显示“牛眼干涉图” 。天然的紫晶常有巴西双晶，可见“螺旋浆状干涉图”。 d. 吸收光谱(x shu un p) 合成红色绿柱石为钴（C

16、o2+）谱与天然红色绿柱石明显不同，即530-590之间几个模糊到清晰的吸收带。而天然红色绿柱石是Mn致色，为450以下和540-580之间的宽的吸收。第30页/共50页第三十页，共51页。 e. 红外光谱(gungp)合成祖母绿 水热法合成祖母绿含 I 型水偏多，而天然祖母绿则以II 型水为主。天然(tinrn)祖母绿 水热法合成(hchng)祖母绿第31页/共50页第三十一页，共51页。合成水晶：天然水晶以3595 和3484 cm-1为特征吸收(xshu)，而合成水晶则缺失这两个吸收(xshu)带，而以3585 cm-1为特征吸收(xshu)。合成紫晶：合成紫晶具有3545 cm-1吸收

17、(xshu)峰，而天然紫晶明显较弱。合成烟晶：与天然烟晶相比，合成烟晶缺失3595 和3484 cm-1的吸收(xshu)。第32页/共50页第三十二页，共51页。 2.助熔剂(rngj)法 （1）基本原理和方法 宝石(bosh)原料在高温下溶解于较低熔点的助熔剂中，通过缓慢降温或在恒定温度下蒸发熔剂等方法，使熔融液过饱和，从而使宝石(bosh)晶体析出生长。助熔剂通常为无机盐类，故也被称为盐熔法或熔剂法。 助熔剂法根据晶体成核及生长的方式不同分为两大类：自发成核法和种晶生长法。 第33页/共50页第三十三页，共51页。自发成核法 在晶体材料全部(qunb)熔融于助熔剂中之后，缓慢地降温冷却，

18、使晶体从饱和熔体中自发成核并逐渐成长的方法。种晶生长法 种晶生长法主要目的是克服自发成核时晶粒过多的缺点，使得晶体在种晶上结晶生长。 第34页/共50页第三十四页，共51页。（2）助熔剂法祖母绿的生长(shngzhng)工艺 助熔剂法合成祖母绿的公司有：美国的林德(Linde)、查塔姆(Chatham)、法国(f u)的吉尔森(Gilson)和日本的拉姆拉(Ramaura)。埃斯皮克法吉尔森法第35页/共50页第三十五页，共51页。（3）助熔剂(rngj)法生长宝石的鉴别特征助熔剂残余包体：助熔剂被包到晶体中，形成气- -固两相包体。金属包体：坩埚被融蚀并包裹到晶体中，典型(dinxng)(d

19、inxng)的是六方片状的铂金晶片。 种晶：助熔剂法加种晶生长时，切磨好的宝石中有时可见种晶片残余。合成(hchng)(hchng)红宝石中的助熔剂残余第36页/共50页第三十六页，共51页。助熔剂(rngj)法合成蓝宝石中的铂金片 查塔姆合成(hchng)红宝石中的种晶 助熔剂(rngj)法合成红宝石中的六方色带 拉姆拉合成红宝石中特殊色带和纹理 第37页/共50页第三十七页，共51页。 三、合成(hchng)钻石 1.高温高压种晶触媒法（1）合成钻石的原理 根据钻石-石墨(shm)的相平衡图，在高温高压（相图中钻石稳定区的条件）下，石墨(shm)的碳原子会重新按钻石的结构排列，而形成钻石。

20、 钻石-石墨(shm)相图第38页/共50页第三十八页，共51页。（2 2）合成工艺原料：钻石粉或石墨粉，钻石粉较好。石墨粉，当其原子之间的键破裂重组成钻石时，其体积会减小从而导致压力降低。籽晶：钻石碎片（天然(tinrn)(tinrn)或合成）触媒：铁（FeFe）、镍（NiNi）和铜（CuCu）及其合金温度：1200 1200 压力： 1010Pa 1010Pa。第39页/共50页第三十九页，共51页。（3）合成(hchng)装置 带状压机 球形压机（BARS） 第40页/共50页第四十页，共51页。反应(fnyng)舱内部结构（压带装置和分裂球装置中的反应(fnyng)舱相同）第41页/共

21、50页第四十一页，共51页。（4）合成(hchng)钻石的识别特征 a）结晶习性：合成钻石常常为立方体、八面体，及二者的聚形，而天然钻石最常见的形态是八面体、菱形十二面体及聚形。b）晶面纹理：合成钻石可显示树枝状、漏砂状或交切状纹理，接种面上粗糙不平。天然钻石表面有时可见三角(snjio)凹痕。c）种晶：存在种晶和种晶幻影区。天然钻石表面(biomin)三角凹痕合成钻石的纹理第42页/共50页第四十二页，共51页。d）包裹体：针状、片状、针点状的金属包裹体。e）吸收光谱：合成钻石无特征的吸收线。大多数天然钻石显示(xinsh)的特征吸收线。f）紫外荧光：合成钻石的长波紫外荧光弱于短波，而天然钻

22、石的正好相反。近无色的合成钻石在短波下有明显的磷光。金属熔剂残余(cny)包裹体第43页/共50页第四十三页，共51页。g）荧光分带图案：合成钻石在短波紫外线下有特征的分带现象，即在立方体与八面体生长(shngzhng)方向荧光分布特征，称为“马尔他十字分带”现象，天然钻石显示年轮状荧光分布。h）阴极发光：与紫外下荧光分带特征相似。合成钻石(zunsh)的荧光分带现象第44页/共50页第四十四页，共51页。法合成(hchng)(hchng)钻石（1 1）基本原理将和氢气导入反应腔，利用电热丝、微波、火焰、直流电弧等设备，使甲烷形成等离子体，并分解出碳原子碳原子在氢的催化作用下，结合形成钻石结构，并逐渐沉淀生长在预先制备好的“基座”上。生长基座可使用天然或高温高压合成的钻石切成平行100100晶面的薄片。温度(wnd)(wnd)压力：80080010001000、大气压。第45页/共50页第四十五页，共51页。（2）CVD合成(hchng)装置第46页/共50页第四十六页，共51页。（3 3）CVDCVD合成钻石的