宝石改善与人工合成__高温高压法

1、1. 高温超高压法合成宝石的概念是什么？高温超高压法合成宝石的概念是什么？2. 合成金刚石的方法有哪些？合成金刚石的方法有哪些？3. 晶种触媒法合成宝石级金刚石的原理？晶种触媒法合成宝石级金刚石的原理？4. 热丝热丝CVD法合成金刚石薄膜存在哪些缺陷？法合成金刚石薄膜存在哪些缺陷？ 5. 高温超高压法合成翡翠的依据是什么？高温超高压法合成翡翠的依据是什么？6. 合成翡翠分哪两步？合成翡翠分哪两步？7. 如何鉴别合成翡翠和合成钻石如何鉴别合成翡翠和合成钻石? 高温超高压法高温超高压法合成宝石是指利用高温超高利用高温超高压设备，使粉末样品在高温超高压条件下，压设备，使粉末样品在高温超高压条件下，产

2、生相变、熔融进而结晶生长合成宝石的方产生相变、熔融进而结晶生长合成宝石的方法。法。 高温高压条件下形成的宝石矿物有金刚石、翡翠等高温超高压：指温度500 压力1.0109Pa条件的获得：静压法静压法（油压机）， 动力法（爆炸法或核爆炸）。 碳的同质多像变体钻石和石墨由相图可知： 常温常压常温常压下石墨是碳的稳定结晶形式，而钻石处亚稳定态。破坏钻石的C-C键键需要很高能量，因此，钻石在常温常压下不会自动转变为石墨。 高温高压高温高压下钻石是稳定的，而石墨中的碳原子会重新排列形成钻石。人工生长金刚石的方法人工生长金刚石的方法 自19551955年美国通用电气公司年美国通用电气公司最先报导人工生长金

3、刚石获成功后，南非南非De BeersDe Beers公司公司、日本住友电气公司日本住友电气公司、前苏联科学院西伯利亚分院前苏联科学院西伯利亚分院以及等的探索和实验，总结和发明了数十种人工制造金刚石的方法，成功的方法中主要有三大类：1、静压法静压法：静压触媒法静压触媒法；静压直接转变法；晶种触媒法晶种触媒法。2、动力法：爆炸法；液中放电法；直接转变六方金刚石法3、亚稳定区域内生长法：气相沉淀法（气相沉淀法（CVD）；液相外延生长法；气液固相外延生长法；常压高温合成法。以石墨、金刚石粉或石墨-金刚石粉的混合物为碳源，在一定温度梯度下，将熔化于触媒金属（铁镍）中的碳输送到高压反应腔金刚石晶种上，碳

4、从六方结构的石墨转变为立方结构金刚石，并以晶层形式沉积于晶种上，从而进行金刚石单晶体的生长。无触媒的条件： 转变条件：1.261010Pa和2700，制造生产设 备相当难；石墨向金刚石转变的接触面小，转化率低。有触媒的条件：使转变温度和压力降低，如镍等。 转变条件： 4.01091.01010pa和1200左右； 熔融的触媒增大与石墨的接触面，出现大面积转变周期表第八族许多元素均可用作触媒，如镍（3d84S2 ）缺d电子，能吸引石墨层中相对应的2S22P2电子，使其集中到垂直方向而成键，故促使石墨层扭曲变成金刚石结构。 从化学动力学角度，高温超高压条件下石墨向金刚石的转化过程可分为三个阶段：（

5、1）熔触金属和石墨互相渗透、扩散和溶解金属和石墨互相渗透、扩散和溶解，形成了类似石墨结构的富碳扩散层富碳扩散层；（2）石墨逐渐向熔融金属内扩散向熔融金属内扩散，由于过渡金属的d电子与碳原子的p电子间的相互作用相互作用，使碳原子从SP2型转变为SP3杂化型状态，进而形成金刚石结晶基元结晶基元。金属溶液起媒介作媒介作用用，把金刚石结晶基元输送至生长晶面附近；（3）聚集在生长晶面附近的金刚石结晶基元在晶面上叠合叠合，进入晶格进入晶格位，使金刚石晶体生长晶体生长。 金属触媒在合成金刚石时起着溶剂溶剂和催化剂催化剂的作用。它既能溶解碳又能激发石墨向金刚石转变，起到了催化作用。是静态超高压设备的核心部分核

6、心部分， 宝石合成的场所合成的场所 1、腔体中部（热区）放置纯度达到光谱纯的石墨碳源，用镍铁（1：1）合金为触媒，金刚石晶种安放在下端冷区，使100（接种面）面对着金属触媒。 2、温压条件：最高达5.5109Pa左右，1900-1400。 3、原料区石墨溶解于触媒中，开始向金刚石转变。 4、在温度梯度（3050）下，热区中的碳向晶种方向扩散，部分碳便沉积在晶体上，从而使晶体长大。 上海硅酸盐研究所1985年采用晶种触媒法生长的合成金刚石大单晶可达0.2ct，直边长3.2mm。 合成用反应腔结构采用石墨为碳源，籽晶固定在NaCl晶床内，100面为接种面。在籽晶和碳源之间放置厚3mm，直径6mm的

7、溶剂Ni-Fe合金金属柱。 将反应腔放入单向加载四对斜滑面式立方体高温超高压装置中，然后置于1000吨压机内，长时间获得稳定压力。 控制腔内温度，反应腔高温区约1450 ，温度差3050，实际温度随加热功率和散热条件而变，实验用压力控制在6.0109Pa左右，生长时间为2252小时。碳源碳源NaCl晶床晶床Ni-Fe合金合金 合成金刚石是通过触媒的作用，在高温超高压条件下由石墨转变而成，反应后产物除金刚石金刚石外，还有石墨、石墨、金属金属（或合金合金）及其化合物，还混有传压介质叶蜡石叶蜡石。它们紧密交混，把金刚石严实包裹。要获得纯净的金刚石，须清除杂质，即分离处理。 金刚石金刚石稳定性高，不与

8、酸、碱、强氧化剂反应，不电解；石墨石墨化学稳定性较金刚石弱，易被强氧化剂氧化；金属或合金金属或合金易与酸反应，易电解；叶蜡石叶蜡石能与碱反应。根据这些特点进行分离。 除金属（或合金）除金属（或合金）Ni22e Ni2（阴极反应） Ni2e Ni2（阳极反应）（1 1）硝酸浸泡法）硝酸浸泡法 将合成的混合体砸碎，浸泡在30%的稀硝酸溶液中。几天后金属或合金就自然被腐蚀掉。例如触媒中的金属镍与硝酸反应，生成硝酸盐而进入溶液：Ni2HNO3Ni（NO3）2H2（2 2）王水处理法王水处理法 王水是按盐酸：硝酸=3：1的体积比配置成。将合成后的混合体与王水一起装在烧杯或耐酸容器中加热，在较短时间内，可

9、把包裹金刚石的金属或合金全部溶解掉，成为盐类沉淀，其反应如下3Ni2HNO36HCI3NiC122NO+4H2O FeHNO33HC1FeC13NO2H2O（3 3）电解法电解法 电解条件为NiSO4等溶液，反应使阳极处的Ni经电解溶液跑到阴极，使金属或合金不断地从合成物的混合体中徐徐解离出来。反应原理为：消除石墨的方法很多（各种物理的和化学的），常用有：（1 1）硝酸一硫酸法）硝酸一硫酸法 将混和物置于一定配比的硝酸和硫酸溶液中加热，利用非金刚石碳在280温度下能与硫酸、硝酸反应，生成二氧化碳气体和易溶于水的物质的性质，达到分离非金刚石碳、提纯金刚石的目的。其反应式为： C2H2SO4=2S

10、O22H2OCO2 O2SO3 3C4HNO3=4NO2H2O3CO2 O2NO2（2 2）磁选法磁选法 清除金属（或合金）后的物料，除金刚石外剩下是石墨和少量叶蜡石。经烘干、研碎后进行筛分，把筛分好的不同粒度的金刚石置于一般选矿用的磁选机上，将金刚石和石墨分离开，选别效率可达95%以上。 金属和石墨被清除后，剩下仅有金刚石和叶蜡石，目前最常用的除叶蜡石方法是碱除法。 叶蜡石是一种组成为Al2（Si4O10）（OH）2的层状硅酸盐，氢氧化钠与叶蜡石加热后反应生成硅酸钠和偏铝酸钠可溶于水。其反应过程： Al2O34SiO2H2O10NaOH2NaAlO24Na2SiO36H2O加热到65020，

11、保持一定时间后，碱便不断地与叶蜡石反应，使之逐渐被溶蚀。翡翠成份的非晶质体制备翡翠成份的非晶质体制备（1）原理与设备）原理与设备 翡翠的矿物分子式为NaAlSi2O6，其中Na2O含量为15.34%，Al2O3为25.21%，SiO2为59.45%。要满足配比条件，选用硅酸钠和硅酸铝为原料，其反应式如下： Na2SiO3Al2（SiO3）3=2NaAlSi2O6 理想配方的玻璃料是无色的。要着色须加着色剂。 制造设备设备主要有：马弗炉、坩埚及配套的控温系统等。马弗炉的发热体可为硅碳棒或硅相棒，坩埚的材料需耐1200。 工艺流程工艺流程 称量，搅拌均匀； 装埚，加盖；加热到1100，恒温4小时； 断电降温；冷却后开盖，取出非晶态玻璃料。 （2）晶质翡翠的转化）晶质翡翠的转化 转化是在六面砧合成金刚石的压机上进行，转化前先转化是在六面砧合成金刚石的压机上进行，转化前先预压成型，工艺过程：预压成型，工艺过程： 将带色的翡翠玻璃料粉碎到150目以上； 将料置于压力为5.9107Pa嵌样机上加热加压预