04 第四章 宝石的合成及优化.ppt

1、第四章宝石的合成与优化，本章主要介绍了合成宝石中常见的一些合成方法和这些宝石的主要识别特征介绍了宝石优化处理的方法和鉴别特征，以及国家标准中关于宝石优化的一些规定。 第一节宝石的合成，一般来说，合成宝石最初始于十九世纪。 二十世纪初，凡尔纳叶成功实现了合成红宝石和合成蓝宝石的商业化生产。 现在，大多数天然宝石都可以用人工方法合成。 区分合成宝石和天然宝石是宝石界的重要而艰巨的任务。 为此，首先要了解宝石的合成方法、工艺和形成环境等，找出它们的鉴定方法和鉴定依据。 晶体的生长有从气体生长晶体、从液体生长晶体、从固体转换为晶体等各种方式。 宝石晶体通常采用从液体中生长晶体的方式。 其中，有1 )从

2、熔体生长宝石的方法2 )从熔体生长宝石的方法、合成宝石的主要方法(模拟结晶生长)，其特征是熔体的成分与宝石的成分相同，宝石生长的基本条件是原料加热熔融后，冷却到熔点以下的结晶。 具体方法有火焰熔接法、区域熔接法、冷坩埚法、提拉法。 1 )从熔体中生长宝石的方法，这种方法的特点是液体成分和宝石成分不同，宝石生长的基本条件是溶液达到过饱和后，从过饱和溶液中析出结晶。 具体方法有水热法、助熔法、2 )由溶液培育宝石的方法、火融法又称凡纳叶法，法国人凡纳叶于1905年发明，用于红宝石的合成，至今已有100多年的历史。 该方法的特点是设备简单、结晶生长速度快、成本低。 它是目前合成宝石最常用的方法，二是

3、合成方法之一的火焰熔接法，火焰熔接法的装置主要包括三个部分：原料系统：主要有汽缸、振子和原料。 原料是Al2O3和Cr2O3。 红宝石的主要成分是Al2O3，其中的Cr2O3是制作红宝石的红色。 燃烧系统：主要有氧气、氢气、火焰、耐火炼瓦、冷却套等。 火焰熔融法使用氢氧火焰作为热源。 两个相组合的管道分别加入氢气和氧气，用喷嘴混合燃烧，为了熔化原料，产生2500的高温。 生长系统：生长结晶(梨晶)、晶种、旋转杆等，装置和结晶生长过程(以红宝石为例)，圆筒中的原料通过振子从圆筒底部落下。 由于氢气和氧气的燃烧而产生的火焰发生熔融作用，产生的熔体落入旋转杆前端的晶种中冷却结晶。 随着旋转杆的下降，

4、结晶相继生长，生长形成梨晶。 梨晶在生长过程中，其顶部始终保持厚约20m的熔融层。 晶体生长速度一般为1cm/h。 晶体生长过程，火焰熔融法合成梨晶，1 )具有弯曲生长条纹。 这取决于火焰熔化法的特殊晶体生长方式。 2 )不是天然宝石中常见的气液两相包裹体，而是可能含有大量的气泡。 这是因为此时火焰熔接法的结晶在高温下生长。 其中与大量的氢和氧有关，但与水无关。 3 )晶体生长速度快，生产成本低。 火焰熔法合成宝石的特点、火焰熔法合成红宝石中的弯曲生长筋、宝石不同所使用的原料成分也不同，是常用的结晶生长方法。 可以在短时间内生长出高品质的大晶体。 但是，设备昂贵，生产成本高。 合成宝石中的许多

5、氧化物类的结晶，例如红宝石、蓝宝石、尖晶石、变石、YAG、GGG等可以用提拉法生长。 二、合成方法的二提法、提法的生长装置由坩埚、熔体(原料)、晶种和结晶提拉机构、高频加热器和温度控制系统、炉体和气氛控制系统等组成。 坩埚材料主要是耐高温耐腐蚀的铂、铱、钼等金属。在装置和结晶生长过程、结晶生长时，将必要的原料放入坩埚内，用高频线圈加热直至原料熔融。 将熔体表面的温度控制在结晶熔点，使种晶与熔体表面接触。 然后由拉杆慢慢提起。 晶种的端部发生结晶化作用，形成圆棒状的结晶。 装置和晶体的生长过程，提拉法生长的晶体质量好，宝石中的内容物少。 可能含有少量的气泡和弯曲成长肌。 提拉法是合成宝石的特征，

6、水热法是利用高温高压的水溶液在它们的大气条件下溶解或反应生成含有宝石分子的溶液，控制高压釜内溶液的温差产生对流，使溶液过饱和析出溶质生长结晶的方法。 该方法与天然宝石在热水成矿过程中形成的方式非常相似。 二、合成方法的三水热法，于1882年开始通过水热法进行晶体合成研究，最先成功的是合成水晶。 20世纪的上叶由于军工制品的需求，水热法合成水晶被大量投入生产。 水热法合成红宝石是1943年成功的。 1946年奥地利首先成功合成了水热法的始祖母绿1965年美国开始了水热法的始祖母绿合成的商业生产。 1988年中国有色金属工业总公司广西桂林宝石研究所通过水热法合成了优质的宝石级祖母绿。 九十年代俄罗

7、斯合成了蓝宝石、红绿柱石等其他颜色的绿柱石。 包括高压锅、加热器、温度控制设备及原料、溶液、籽晶等。 高压釜是特殊钢制成的圆柱形容器。 耐高温高压和耐腐蚀。 加热器一般用电阻线加热，根据温度场要求设定，上部冷，下部热。 在高压釜内生长晶体所需的原料、矿化剂溶液和种晶、装置和晶体的生长过程、水热法的水晶生长装置、原料：块石英溶液： Na2CO3或NaOH和KOH溶液温度： 340-360压力： 1000大气压周期： 40-60天、生长高压釜下部温度高，因此原料中的si 另一方面，高压釜上部的温度低，溶液处于过饱和状态。 SiO2析出，在晶种上阶段性地生长为晶体。 经过一个循环的生长，可以打开高压

8、釜，取出结晶。 生长原理(以水晶为例)，水热法生长条件与自然界宝石生长条件最接近。 因此，水热法合成的宝石很难与对应的天然宝石区别开来。 水水热法合成宝石中可能含有的包裹体是1 )气液二相包裹体。 这也是天然宝石常见的包裹。 2 )从高压釜内壁掉落的包装体，例如面包屑状包装体、铂片等。 这是区别于天然宝石的主要特征。 3 )种晶片、水热法合成宝石的特征、中国的水热法合成祖母绿、水热法合成宝石的识别特征、铂芯片：来自坩埚的贵金属包装体、合成祖母绿中的钉形包装体和铍石晶体包装体、水热法合成宝石的识别特征、焊剂法也称为高温熔液法，是将晶体成分在高温下溶解于低熔点的助剂，其后助焊剂法的优点是适用性强，

9、要求温度低，设备比较简单。 缺点是结晶生长速度慢，生长周期长，而且该焊剂有毒性和腐蚀性，容易污染环境。 二、合成方法的四通量法、通量法生长装置主要包括坩埚、加热器和温度控制设备以及宝石生长所需的原料、通量和晶种等。 原料： Al2O3 Cr2O3助熔剂： Na2AlF6生长温度： 980-1050生长过程：将助熔剂和原料混合放入坩埚中，均匀溶解。 然后保持温度980-1050、温度差20。 然后，炉温以0.5-1的速度降低，Al2O3成为过饱和，从熔体析出。随着温度的下降，结晶继续生长。 助焊剂法增长速度慢，全过程需要约1年左右完成。 以红宝石为例说明了助剂法宝石的生长过程，由于助剂法红宝石的

10、合成、助剂法结晶生长过程类似于自然界结晶从岩浆结晶的过程，所以生长的宝石的结晶特征接近天然宝石，难以区别。 助焊剂法合成宝石中包含的有助于鉴别的特征是可能含有助焊剂的残馀和从坩埚壁掉落的铂片等包裹体。 合成的宝石和特征，通过焊剂法合成红宝石中含有的白金芯片包装体，金刚石的合成方法1，合成金刚石的历史和现状，1953年瑞士使用压力球装置首次成功合成了40粒小金刚石，1955年美国通用电子工业级金刚石的合成技术得到了广泛应用，目前工业用钻头的近三分之二被合成金刚石所取代。 1970年美国通用电子公司合成了十几克拉的晶体，但宝石级金刚石合成的成本仍然很高，不能大量生产。 2000年可切割的合成金刚石

11、只有3500ct，仅占当时天然宝石级金刚石产量的0.01%。 二、高温高压晶种催化法合成金刚石，金刚石和石墨是碳两种同质多像的变体。 根据金刚石的相平衡图，常温常压下石墨为碳的稳定结晶形态，金刚石仅在高温高压下最稳定，在高温高压下(相图中金刚石稳定区域的条件)，石墨中的碳原子再次排列在金刚石的结构中，形成金刚石、金刚石用于合成工业的合成金刚石晶体呈立方体和八面体的集合形，合成金刚石立方体和八面体晶体(0.78ct和0.88ct )、宝石级合成金刚石的主要识别特征、金属焊剂残馀包裹体、晶体习性：合成金刚石晶体呈立方体和八面体的集合形。 包裹体：针状、片状、针点状的金属包裹体，大量的金属包裹体使合

12、成金刚石具有明显的磁性，使其导电。 吸收光谱：合成金刚石没有415nm的吸收线，作为合成金刚石的特征，合成金刚石由于包金属，被磁铁吸引。 第二节宝石的优化，第一，宝石的优化的意思宝石的优化处理，除了切割和研磨，是改善宝石外观(如颜色、透明度、光学效果等)和耐久性的一切方法。 优化处理还可以进一步分为优化和处理两种。 所谓最优化是指“传统的、广泛接受的方法”，如加热处理、漂白、无色油浸等。 处理是指染色处理、放射线处理、表面扩散处理等“非传统、尚未接受的最佳处理方法”。 第二节宝石的优化一、宝石的优化含义和目的、优化处理的目的是提高宝石的商业价值。 对一些缺陷多、质量不好的宝石进行人工优化处理，

13、如采用加热、染色、照射等方法，改善它们的颜色、透明度等，成为宝物，提高这些宝石的价值。 (1)优化处理方法表面的简单处理，这是一些最早的优化处理方法。 方法简单，易于识别。 有几种方法现在在适用。 主要种类有箔衬、色衬、涂层、涂层等。 箔衬和颜色衬，在宝石的亭部贴锡白金，或者涂颜色改善宝石的亮度和颜色。 涂层和涂层是在宝石表面涂(镀)有色膜，以改善宝石的颜色。 优化涂层、镀膜、箔衬、色衬、(1)处理方法表面的简单处理，易于识别表面处理的结果。 用放大镜仔细观察，可以找到各种处理的痕迹。 箔衬和色衬可以通过观察亭部的涂层来识别。 表面涂层容易剥落。翡翠绿色涂膜、(1)优化处理方法表面的简单处理、

14、表面镀膜的顶石、(2)优化处理方法表面扩散处理、表面扩散处理在较高温度下，使着色离子从宝石表面扩散到宝石晶格中使宝石发色。 由于着色离子在结晶中的扩散困难，所以扩散层仅限于宝石表面。 表面扩散现在常用于蓝宝石和红宝石。 例如：蓝宝石扩散处理、扩散元素： Fe Ti扩散条件：温度1800； 时间24h扩散层厚度：0.10.25mm，经扩散处理的蓝宝石，经扩散处理的蓝宝石中的扩散层，经扩散处理的蓝宝石的颜色鲜艳漂亮，十分稳定。 扩散处理宝石颜色分布不均匀，角处颜色深。 在浸液里轮廓分明。 因此，这块宝石比较容易识别。识别、扩散处理蓝宝石、扩散处理红宝石中的颜色分布不均匀，轮廓清晰；扩散处理红宝石(

15、中)、天然红宝石(右)和合成红宝石(左)的比较；扩散处理蓝宝石中的颜色分布不均匀，轮廓清晰；(3)最佳处理方法热处理宝石中根据宝石的不同，热处理的温度也不同，在低温下加热就能满足要求。 有些东西需要很高的温度。 另外，热处理中需要考虑的一个因素是加热时的氧化还原条件。蓝宝石热处理设备、土炉、坩埚、热处理实例及宝石改善机理，实例1 :蓝宝石换色，蓝宝石蓝色是其中二价铁与四价钛的共同作用所致。 4价钛和3价铁存在的情况下，宝石不是蓝色的。 如果能把其中的三价铁变成二价铁，宝石看起来就是蓝色的。 这种转变必须在高温且还原条件下进行。 Fe 3 Ti 4 Fe 2 Ti 4蓝色(还原条件)在还原气氛中

16、热处理后呈蓝色，实施例1 :蓝宝石变色，蓝宝石中单独存在二价铁时也不呈色，以三价铁存在时呈黄色。 因此，对于只存在2价铁的无色蓝宝石，通过在氧化条件下进行高温热处理而变化为黄色。 Fe 2 Fe 3黄色(氧化)，在氧化气氛中热处理后呈黄色，例如红宝石消光，提高透明度，红宝石中经常含有金红石包，降低红宝石的透明度。 通过热处理使金红石包裹体溶解于红宝石中，可以大幅度增加透明度。 宝石的热处理热是天然地质作用的重复和持续。 其效果一般是稳定的。 不改变宝石本来的化学成分和物理性质。 和未处理的宝石一样，可以在国际市场合法销售。 因此被广泛使用。 热处理宝石一般很难识别。 (4)优化处理方法的照相处

17、理，利用高能量射线和高能量粒子照射宝石，破坏正常的晶格结构，产生色心，使浅色或无色的宝石产生比较鲜艳的颜色。 照片处理是一般的最优化处理方法。 无色的金刚石可以变成蓝、绿、黄、红。 也可以将无色的蓝宝石变成黄色，将无色的黄玉变成蓝色，将黄色的水晶变成紫色。经过辐射处理的碧现、经过宽度照明处理的各种颜色的金刚石、经过处理前后的蓝宝石、经过宽度照明处理的宝石的颜色有时很稳定，几乎不能辨别。 颜色不稳定，照到太阳或加热时可能褪色。 有时其颜色分布变得不均匀。 经照片处理的宝石在产品初期含有微量放射性。 必须经过放射性衰变期后再销售。 国家制定了有关宝石放射性的标准。 (5)优化处理方法的染色处理，利用宝石中存在的空隙和裂缝，使染料浸透宝石，达到改善宝石颜色的目的。 染色是使用了数千年的最优化处理方法。 (5)优化处理方法的染色处理，染色处理用于多孔或裂缝玉石，如翡翠等。这些玉石的晶粒之间有微小的裂缝，染料容易进入。 染色处理中使用的染料可以是有机染料，也可以是无机染料。 前者因溶剂挥发而显色，后者因化学反应而沉淀。 无机染料的染色效果通常稳定，但有机染料的颜色鲜艳，但容易褪色。 染色处理的工艺、溶剂法：染料多为可溶性有机染料，溶剂蒸发后，彩色染料残留在宝