水热法合成宝石

蓝宝石新材料生产工艺流程蓝宝石是一种非常珍贵的宝石，具有高硬度、高抗腐蚀性、高传热性和高光学透明性等特性。

由于其独特的物理和化学特性，蓝宝石被广泛用于光电子学、光学、电子、信息、通信和航空航天等领域。

然而，传统的蓝宝石生产工艺存在成本高、废料多、生产效率低等问题。

为了解决这些问题，研究人员不断探索新的蓝宝石生产工艺。

目前，一种新的蓝宝石生产工艺已经被广泛采用并得到了应用。

以下是该工艺流程的详细介绍。

1.原材料选择蓝宝石的原材料可以是天然蓝宝石，也可以是化学合成的蓝宝石。

其中，化学合成的蓝宝石成本更低，而且可以控制其物理和化学特性，因此被广泛采用。

2.蓝宝石生长化学合成蓝宝石的生长有两种方法，一种是熔融法，另一种是水热法。

（1）熔融法熔融法是将粉状或块状的蓝宝石原料加热到高温并保持液态，然后缓慢降温，使蓝宝石晶体生长。

在生长过程中需要控制温度、压力、冷却速度等多个参数，以确保晶体的质量。

（2）水热法水热法是将蓝宝石原料放入加有溶剂的高压容器中，在高温高压的条件下进行晶体生长。

在生长过程中需要控制温度、压力、溶剂浓度和生长时间等参数。

3.晶体切割和抛光晶体生长完成后，需要将晶体切割成所需的形状和尺寸，并进行抛光处理。

切割晶体的工艺需要控制切口的质量和位置，以确保后续加工的效果。

4.蓝宝石加工蓝宝石加工包括打孔、切割、切槽、钻孔等多个工艺，以制成所需的透镜、激光波导器件、光学器件、LED芯片等产品。

加工时需要控制工艺参数，以确保产品的质量和性能。

5.检验和测试蓝宝石制品生产完成后，需要进行检验和测试，以确保产品满足规定标准和要求。

检验和测试包括组装、测试和微观结构分析等多个环节。

总之，蓝宝石新材料生产工艺流程具有高效、低成本、高质量的特点，已经被广泛采用。

随着技术的不断进步和工艺的不断改进，蓝宝石新材料的应用领域将会有更广阔的前景。

宝石合成技术人工宝石的合成方法:1、焰熔法2、水热法3、助溶剂法4、熔体法5、冷坩埚熔壳法6、高温高压法7、化学沉淀法8、区域熔炼法焰熔法一、原理将合成宝石的原料(固态的粉末组分)按一定比例均匀混合在一起，用氢氧火焰把原料熔化，然后随着温度下降在熔体中进行晶体生长的方法。

二、设备1.供料系统：为圆柱形的筛状供料容器和料斗组成，震动器有规律地振动使粉末均匀下落到氧气流中。

2.气体燃烧系统：融化粉料的设备。

氧气、氢气通过燃烧器燃烧，温度可达2500℃。

3.结晶炉：马弗炉，主要起保温作用。

炉膛呈流线型，易于气体流动和不积粉。

4.下降系统：把籽晶固定于结晶杆上，并把结晶杆安装在支架上，结晶杆可缓慢下降并不断旋转，以保证晶体的生长尺寸。

三、一般工艺流程1、原料制备：要求纯净，颗粒均匀，高分散，具适当的堆积密度和流动性。

掺杂剂要考虑到宝石的颜色，光学性能，宝石结构和物理性质，生长过程中的烧失量。

2、下料，将原料粉末与掺杂剂按比例置于筛状容器，振动过筛，落入氧气流内。

3、熔料，内管中的氧气与外管中的氢气混合燃烧。

4、晶体生长：熔体下落到种晶的生长台上，旋转并下降，晶体生长成梨形圆棒。

5、处理晶体，关闭气体，晶体冷却，由于晶体生长时内聚了大量应力，当停止加热晶体，易从纵轴裂成两半。

6、退火处理，将合成晶体装炉缓慢升温几小时，恒温保温，再慢慢降至室温以减少热应力。

四、焰熔法晶体生长工艺特点1.此方法不需坩埚，即节省坩埚材料，又避免坩埚污染。

2.氢、氧燃烧温度高达2500度，适合难熔氧化物。

3.生长速度快、有利于大规模生产，成本低。

4.生产设置简单，能长出大的晶体。

5.若生长温度梯度大，内应力大，易裂开。

6.对粉料的纯度、粒度要求严格，并在合成过程中有30%的损失量，提高了原料成本。

7.易挥发或易氧化的材料不适宜此方法。

五、合成品种及其鉴定特征（一）合成刚玉1．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的几何多面体。

珠宝知识290：珠宝考研考证篇（九十五）：找到“水波纹”了吗？没错，这就是水热法合成红蓝宝石的鉴定特征展开全文珠宝知识290：珠宝考研考证篇（九十五）：水热法合成红蓝宝石的发展与鉴定历史简介【国际发展】1、利用水热法合成刚玉类宝石是从研究Al2O3+H2O体系开始的；2、1943年，劳本盖耶和韦茨首次获得成功，随后欧文和奥斯本进一步完善了这一工作；3、20世纪50年代，美国、日本、前苏联、中国、法国、澳大利亚等国家先后从事过水热法合成红宝石晶体的实验研究；4、1976年，苏联科学家改进了水热法合成红宝石技术，生产出的红宝石与天然品极为相似，同时获得了商业性的生产；5、20世纪90年代，俄罗斯人员通过大量的实验完成了水热法合成红宝石的工艺技术；其中1991年，俄罗斯小批量商业生产水热法合成红宝石；1993年，俄罗斯西伯利亚科学院与泰国The Pinky Trading Company合资在曼谷设立了泰洛斯（TAIRAS）宝石有限公司，该公司主要进行水热法合成红宝石的生产，产品逐渐出现在国际市场上，是目前全球最重要的水热法合成红宝石的生产厂商；1995年，新西伯利亚产出了不同颜色（黄色、橘黄色、蓝绿色和蓝色）的合成蓝宝石6、1998年，澳大利亚Biron公司利用水热法成功合成红宝石及其他品类的刚玉类宝石下图为俄罗斯晶体生长实验室生产的各种颜色的水热合成红宝石和蓝宝石。

中间的蓝绿色蓝宝石(9.2×7.0 mm)重2.65 ct。

【国内发展】我们国家对水热法合成刚玉类的研究起步相对较晚，直到上世纪九十年代才开始，主要的研究单位是广西桂林的宝石研究所，大致的发展过程如下：1、1992年，我国开始研究水热法生长刚玉类宝石；2、1995年，广西宝石研究所进行了水热法合成刚玉晶体的研究和开发；3、1998年，桂林水热法合成红宝石正式生产，采用人工合成无色蓝宝石作为种晶，最终合成的尺寸为15×50×17mm，重量为克拉的的厚板状红宝石晶体；同年七月，经广西区科技厅组织的专家鉴定，认为广西宝石研究所承担的项目“工艺先进、稳定性好、填补了国内水热法合成红宝石的空白，合成出的红宝石超过了国际同类产品质量，在合成红宝石的质量上达到了国际领先水平”4、2000年，推出桃红色和浅黄色系列的蓝宝石品种【设备装置与生长过程】下图为Tairus公司用于生产合成蓝宝石的装置示意图，高60厘米、直径8厘米；该装置共包括十个部分，分别为(1)盖子；(2)推动螺母；(3)高压蒸汽的身体；(4)密封环；(5)黄金内衬；(6)合成蓝宝石种晶；(7)挡板；(8)合成无色刚玉粉料；(9) Ni/Cr 氧化物容器；(10)粉末状含氧缓冲液。

合成宝石特征当代由于合成技术的发展，几乎所有天然宝石都可在实验室里合成，而且彼此的特征愈来愈接近，甚至达到难以分辨的程度。

一、合成金刚石（钻石）宝石级合成金刚石主要采用高温高压法（HTHP）的BARS压力机生产，目前首饰用合成钻石的主要生产国有俄罗斯、乌克兰、美国等。

HTHP合成钻石其主要物理、化学性质与天然钻石类似。

（一）晶种触媒法合成金刚石特征1．晶形一般为立方体{100}与八面体{111}的聚形。

“BARS”法合成的钻石晶形上可有轻微的歪曲树枝状花纹，波状附生像及残晶薄片，温度过低时晶面的边缘常有突出而中心凹陷，温度过高时，整个晶体变圆。

显微镜下可见生长纹理及不同生长区的颜色差异。

2．合成钻石晶体一般呈浅黄色、橘黄色、褐色。

低温生长者色较浅，高温生长者色较深。

颜色明显依赖于所采用的触媒合金。

若触媒为Fe－Al合金时，所生晶体为无色，含B（硼）元素其色为蓝，含Ni（镍）元素其色褐黄。

颜色分布不均匀，可见沿八面体晶棱平行排列的色带。

3．内含物主要是触媒金属，孤立或成群的出现于晶体表面或沿内部生长区间边界定向分布，呈浑圆状、拉长状、点状或似针状。

净度以P、SI为主。

HTHP 合成钻石生长纹发育，其特征因生长区而异。

八面体生长区的生长纹平直，并可有褐红色针状包体（仅在阴极发光下可见）；立方体生长区无生长纹，但可有黑十字包体；四角三八面生长区边缘发育有平直生长纹。

4．光性特征：常有很弱的异常双折射。

干涉色颜色变化不明显，不如天然钻石明显。

5．发光性：在紫外灯下、X射线和阴极射线下均呈规则的分区分带发光，不同生长区发出不同颜色的光，且具有规则的几何图形。

6．吸收光谱：Ⅰb型者一般明显吸收，有时因生长过程中的冷却作用会造成658nm处的吸收；Ⅰb＋Ⅰa型者在600－700nm处可见数条清晰的吸收线，而无天然钻石的415nm吸收线。

（见表2-5）（二）化学气相法合成金刚石薄膜（CVD合成钻石）1．物理性质：硬度、导热性、密度、弹性、透光性等物理性质接近或达到天然金刚石。

水热法合成宝石模拟自然界热液成矿作用过程，水热法生长晶体宝石是在含水体系中由液相（溶液）转变为晶相的方式进行的。

自然界热液成矿是在一定的温度和压力下进行的，而且成矿溶液具有一定的浓度和PH值（矿化剂溶液的性质因生长宝石晶体的不同而不同）。

实验证明，只有在高压釜中才能满足宝石晶体模拟自然界生长的条件。

所以，水热法有别于其它宝石晶体生长的体系。

该法适用于常温常压下溶解度低而在高温高压下溶解度高的材料。

1．生产工艺根据晶体生长的运输方式，可分为三种生产工艺：（1）等温法等温法主要是利用溶解度差异来生长晶体，所用原料为亚稳相的物质，籽晶为稳定相的物质。

在高压釜内上下无温差，是该法特色。

该法的缺点是，无法生长出晶形完整的大晶体。

（2）摆动法摆动法的装置由两个不同温度的圆筒组成。

一筒盛培养液，另一筒放置籽晶。

定时摆动两个圆筒，以加速二筒之间的对流。

利用两筒间的温度差在高压环境下生长出晶体。

（3）温差法温差法是在立式高压釜内生长晶体的一种方法，多用于生长合成水晶、合成红宝石、合成祖母绿、合成海蓝宝石等。

晶体生长条件如下：a．矿质在矿化剂溶液中应具有一定的溶解度，并能形成所需的单一稳定晶相；b．矿质在适当的温差下能形成过饱和度而又不自发成核；c．晶体生长需要一定切型和规格的籽晶，并使原料的总表面积与籽晶总表面积之比值达到足够大；d．溶液密度的温度系数要足够大，以利晶体生长的溶液对流和溶质传输；e．高压釜容器要有抗高温腐蚀性能。

2．基本装置水热法的基本装置主要有高压釜、加热器、温度控制器和温度记录器等（图2-2）。

3．具体实例：水热法合成水晶（1）水热法合成水晶的原理一般情况下石英是不溶于水的化合物，但由于水在过热状态下所具有的特性，使得石英在一些特殊条件下可以被溶解。

在合成水晶时，必须加入一定量的的溶解度。

矿化剂，以改变溶剂的原始成分与性质，才能增加SiO2（2）水热法合成水晶的工艺水热法合成水晶的工艺流程可以分为以下四个阶段。

水热法合成刚玉技术历史与发展摘要：水热法合成刚玉宝石技术历史悠久、商业化程度高，其原理是将原料在溶液中溶解，通过迁移或反应达到过饱和从而析出结晶。

本文在讨论水热法合成刚玉宝石的原理与方法的基础上，结合市场现状与学术界研究现状，对水热法合成刚玉宝石的发展提出一些猜想及建议。

关键词：水热法；发展历程；方法；鉴别长期以来，天然刚玉宝石受到了广大消费者的追求与喜爱，近年来，消费者对合成刚玉宝石的接受度与认可度也有所提高。

水热法合成刚玉宝石是在模拟天然刚玉宝石的水热成矿环境下进行的，由于其生长工艺较为复杂，成本相对较高，该技术也经过了较为漫长的发展期，到目前为止，水热法合成刚玉技术已经成为一种较为先进的刚玉宝石合成方法。

1 发展历程刚玉的合成历史相对其他宝石较为悠久，商业化程度也较高，刚玉宝石合成技术的发展也促进了其他宝石合成技术的发展。

1943年，劳本盖耶、韦茨首次通过水热法合成刚玉获得成功。

1976年，苏联科学家改进了水热法合成红宝石技术，使合成红宝石进入了商业化阶段。

1993年，泰罗斯宝石有限公司成立，主要进行水热法合成红宝石的生产。

20世纪90年代，俄罗斯的研究人员经过大量的实验，研究成功了水热法合成蓝宝石的工艺技术。

20世纪90年代，我国桂林矿产地质研究院开始展开了水热法合成刚玉晶体的研究，并于1999年成功生长红宝石晶体，之后又成功研究出了黄色蓝宝石、蓝色蓝宝石、无色蓝宝石等彩色蓝宝石的合成方法，产品质量处于国际先进水平。

20世纪末，我国合成红宝石的年产规模已达到了一百吨左右，主要用于钟表和珠宝行业。

进入21世纪后，合成刚玉宝石的发展达到了一个新的飞跃，对合成宝石技术的投入也逐年增长，促进了水热法合成刚玉宝石技术的发展。

2 原理水热法是将原本在大气条件下不溶或难溶的物质溶解于高温高压的水溶液中，通过控制温差产生对流以形成过饱和状态，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。

通过加入不同的致色离子，得到不同颜色的刚玉晶体。

温差水热法合成水晶的原理温差水热法（Hydrothermal synthesis）是制备单晶体材料的一种常见方法之一，该方法通过在高温高压的水热条件下使化学反应发生，从而合成出高质量、大尺寸的晶体。

其原理主要包括溶质溶解、核形成、生长、洗涤和干燥等过程。

温差水热法的原理如下：1. 溶质溶解：将原料溶解在水溶液中。

通常情况下，水溶液中的温度较高，使得晶体原料能够充分溶解。

2. 核形成：将溶液加热至较高温度，使得溶液中的溶质浓度超过饱和度。

过饱和度是指溶液中溶质的浓度超过溶解度，此时溶液呈现出不稳定的状态，会产生一个极小的晶核。

3. 生长：晶格能量较低的溶质会在晶核上发生吸附和附着，使得晶体逐渐生长。

晶体的生长速率取决于溶液中溶质的浓度和晶体生长界面的能量差异。

4. 洗涤：晶体在生长过程中会吸附一些溶液中的杂质，为了获得纯净的晶体，需要将晶体从溶液中取出并用纯净溶剂反复洗涤。

5. 干燥：洗涤后的晶体需要经过干燥过程，去除残余的溶剂，使得晶体完全干燥。

温差水热法的成功合成单晶体的关键在于控制好反应条件和晶体生长过程中的各个环节。

以下是一些影响温差水热法合成水晶的重要因素：温度：温差水热法通常在高温高压条件下进行，温度对晶体生长速率和生长方向有重要影响。

较高的温度有利于使晶体原料充分溶解以及快速生长晶体，但过高的温度会导致晶体溶解度过大，影响晶体纯度。

压力：压力是维持水在高温高压条件下保持液态的重要因素，也会影响晶体的生长速率。

高压条件下能够增加水的溶解度，有利于晶体的生长，但过高的压力可能会导致晶体的完整性受损。

溶液浓度和配比：溶液中晶体原料的浓度和配比对晶体生长速率和晶体质量有重要影响。

溶液中溶质浓度过低会导致晶体生长速率过慢或无法生长，而浓度过高则可能会导致过饱和度过高，使得晶体过多缺陷。

晶体生长环境：晶体生长过程中的平衡环境也会对晶体的生长速率和质量产生影响。

例如，搅拌晶体生长过程中的溶液有助于减小晶体尺寸分布和增加晶体的生长速率。

人工合成红宝石的配方一、原料选择。

1. 主要原料：氧化铝（Al₂O₃）- 氧化铝是红宝石的主要成分。

在自然界中，红宝石就是刚玉（主要为氧化铝）晶体中含有少量铬（Cr）元素而呈现红色。

对于人工合成，需要高纯度的氧化铝粉末。

一般纯度要求达到99.99%以上。

这是因为杂质过多会影响晶体的生长和颜色的纯正性。

2. 致色剂：铬（Cr）化合物。

- 通常选用铬酸铅（PbCrO₄）或氧化铬（Cr₂O₃）作为致色剂。

添加量一般在0.5% - 2%左右。

铬离子（Cr³⁺）取代晶体结构中的铝离子（Al³⁺），从而使合成的晶体呈现红色。

致色剂的用量需要精确控制，如果添加量过少，颜色会太淡，达不到红宝石应有的颜色深度；如果添加量过多，可能会导致晶体内部结构缺陷或颜色过深而不自然。

二、助熔剂法合成红宝石的配方及原理。

1. 配方。

- 助熔剂通常采用氧化铅（PbO） - 硼砂（Na₂B₄O₇）体系。

一般比例为PbO:Na₂B₄O₇ = 1:1到3:1之间。

再加入氧化铝和致色剂铬化合物。

例如，以100克原料总量计算，氧化铝粉末约80 - 90克，致色剂（如氧化铬）0.5 - 2克，助熔剂（氧化铅 - 硼砂混合）10 - 20克。

2. 原理。

- 助熔剂的作用是降低氧化铝的熔点。

氧化铝的熔点非常高（约2050°C），在加入助熔剂后，体系的熔点可以降低到1200 - 1300°C左右，这样就可以在相对较低的温度下进行晶体生长。

在这个过程中，原料在助熔剂的熔体中溶解，然后通过缓慢降温或其他方式，使溶质（氧化铝和铬离子等）以红宝石晶体的形式结晶出来。

三、焰熔法合成红宝石的配方及原理。

1. 配方。

- 原料主要是高纯度的氧化铝粉末和少量的铬酸铅（PbCrO₄）作为致色剂。

氧化铝粉末的纯度要求在99.9%以上。

致色剂的添加量约为1% - 1.5%。

2. 原理。

- 焰熔法是通过氢氧火焰来熔化原料。

氢氧火焰的温度可以达到2500 - 3000°C。