助熔剂法合成宝石

助熔剂法合成宝石助熔剂法，顾名思义，它是在高温下，矿质借助助熔剂的作用在较低温度下熔融，从熔融体中生长出宝石晶体的方法。

助熔剂法晶体生长过程，类似于岩浆结晶分异过程中矿物的形成，与水热法生长晶体相类似，只不过助熔剂代替了水溶剂。

因此，助熔剂法也可称为高温熔体溶液法、熔剂法或熔盐法。

该法在晶体合成中占有重要地位，早在十九世纪中叶曾有人用此法合成金红石，但由于焰熔法兴起而被忽视，直到近些年来才得以大量应用。

1．助熔剂法分类根据晶体成核及晶体生长方式，助熔剂法可分为两大类：（1）自发成核法该法生长晶体过程的第一步，就是形成晶核。

成核是一个相变过程，即在母液相中形成固相小晶芽。

这一相变过程中体系自由能的变化为：△G=△Gu+△Gs。

公式中：△Gu 为新相形成时体系自由能的变化，且△Gu﹤0；△Gs为新相形成时新相与旧相界的表面能，且△Gs﹥0。

这就是说，晶核的形成，一方面由于体系从液相转变为内能更小的晶相而使体系自由能下降，另一方面又由于增加了液-固界面而使体系自由能升高。

实验表明，影响成核的外因主要是过冷却与过饱和度。

成核的相变有滞后现象，就是说，当温度降至相变点时，或当浓度刚达到饱和度时，并不能看到成核相变。

成核总需要一定的过冷或过饱和。

另外成核可分为均匀成核与非均匀成核两种。

均匀成核是在体系内任何部位成核率是相等的，非均匀成核则是在体系的某些部位的成何率高于另一些部位。

均匀成核是在非常理想的情况下才能发生，实际成核过程都是非均匀成核，即在体系里总是存在杂质、热流不均、容器壁不平等不均匀的情况，这些不均匀性有效地降低了成核时的表面能位垒，核就先在这些部位形成。

所以人工合成宝石总是人为地制造不均匀性，使成核容易发生，如放入籽晶、成核剂等。

该法按照获取过饱和溶液的方式不同，又可分为缓冷法、反应法和蒸发法三种，其中以缓冷法设备简单而被广泛使用（图2-3）。

a．缓冷法是晶体材料全部熔于助熔剂之后，在高温炉中缓慢降温冷却，使晶体自发成核并逐渐成长的方法。

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。

助熔剂法又称高温熔体法，将原料成分在高温下熔解于低熔点助熔剂熔体中，形成饱和溶液,然后通过缓慢地降温或在恒定温度下蒸发熔剂等方法，形成过饱和溶液而析出晶体。

似自然界矿物晶体从岩浆中结晶的过程。

一、助熔剂法的原理:顾名思义，一定有助熔剂.助熔剂条件：熔化后能溶解待生长的晶体材料且不易挥发。

常用助熔剂：PbF2、Pb02、Bi203、B203、BaO—Bi203等极性化合物。

另外还有一些复杂的化合物,如钨酸盐、钼酸盐等。

助熔剂法生长晶体的原理：1)A熔点为TA，B熔点为TB，E为共结点。

2)将A、B组分混合，混合比例X。

当温度为TX时，混合组分X融成溶液。

随着温度的下降，X组分至Q 点，相当于TQ时，结晶析出A。

3)温度进一步降低，熔融的成份沿共结线TA-Q-E下滑。

A在X混合溶液中的成分不断增加，溶液处于过饱和状态,不断析出A组分，并长大成晶体。

从图可知：由于A组分中加入低熔点的B组分后，A组分的熔点和结晶点由TA 下降到TQ，这样就可以在较低的温度下生长出高熔点的宝石晶体。

因为B组分起到了降低熔点的作用，故称为助熔剂。

二、助熔剂法的分类1.自发成核法（1）缓冷法：在高温使材料熔融于助溶剂中，缓慢降温冷却，使晶体从饱和熔体中自发成核并逐渐成长的方法。

(2）反应法：助熔剂和原料熔融后，助溶剂与原料反应，反应后的晶体成分在熔融体中维持一定的过饱和度，生长晶体的方法.（3）蒸发法:是在恒温下，蒸发熔剂，使熔体过饱和,从而使晶体析出并长大的方法。

①籽晶旋转法:由于助熔剂熔融后粘度较大，采用籽晶旋转，搅拌熔体，使晶体长大，且少含包裹体.(合成红宝石)②顶部籽晶旋转提拉法：这是①法和晶体提拉法的结合。

边旋转边提拉，晶体绕籽晶逐渐长大。

③底部籽晶水冷法：水冷部位形成过饱和熔体抑制了熔体其它部位成核，保证籽晶的生长.1。

对待生长晶体有极好的溶解性,随温度的变化,溶解度变化也较大。

2.在宽的温度范围内，所生长的晶体是唯一的稳定相，助熔剂与晶体成分不能形成中间产物。

专业术语1.合成宝石（synthetic stone）用人为方法全部或部分地进行加工后得到的材料，其物理性质、化学成分以及晶体结构与相应的天然宝石基本相似。

例如，合成红宝石具有与天然红宝石基本相似的物理性质、化学成分及晶体结构。

2.焰熔法（flame fusion technique）该法是于19世纪由E.弗雷米发明，19世纪末由其助手维尔纳叶推向市场，故又称维尔纳叶法。

该方法是原料的粉末在通过氢氧火焰时熔融落在籽晶棒上然后再结晶的过程，此过程是在维尔纳叶炉中进行的。

可以生产各种品种的刚玉、尖晶石、金红石、钛酸锶、白钨矿等宝石晶体。

此法生长晶体的速度快，获得的晶体常含有气泡和弯曲生长纹。

3.维尔纳叶法（Verneuil technique）见焰熔法。

4.维尔纳叶炉（Verneuil furnace）由维尔纳叶发明的，故得名。

上部给料区为一料筒，内装合成粉末及添料，筒底为一筛状平底，中部贯通有一根震动装置使粉末少量、等量、周期性地自动释放，通过向下变尖的吹管下落。

氧气通过同一吹管喷出与外吹管携带的氢气在喷嘴处混合燃烧。

吹管至喷嘴处有一冷却水套，使氢气和氧气处于正常供气状态。

落下的粉末经过氢氧火焰熔融，并落在旋转平台上的籽晶棒上，逐渐长成一个晶棒（梨晶）。

水套下为一耐火砖围砌的保温炉，保持燃烧温度及晶体生长温度，近上部有一个观察孔，可了解晶体生长情况。

5.梨晶（boule）又称“晶棒”。

由焰熔法和提拉法生长的晶体。

梨晶是从种晶棒一端开始生长，经过接种、扩肩，然后等径生长而成，并结束于一向上微凸的弧形平台。

梨晶的横断面多为圆形或椭圆形，一般无平坦的晶面，但合成尖晶石的横断面则为近方形，局部可发育一些较平坦的晶面。

梨晶的生长层为微向上凸的弧面，垂直梨晶的延伸方向。

合成刚玉的光轴方向与梨晶的延伸方向有一定的夹角。

一般在取下梨晶时，它会沿纵轴自动裂开或为了释放应力故意将其沿纵轴劈为两半。

梨晶一般长10至30cm，直径为几个厘米。

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。

助熔剂法又称高温熔体法，将原料成分在高温下熔解于低熔点助熔剂熔体中，形成饱和溶液，然后通过缓慢地降温或在恒定温度下蒸发熔剂等方法，形成过饱和溶液而析出晶体。

似自然界矿物晶体从岩浆中结晶的过程。

一、助熔剂法的原理：顾名思义，一定有助熔剂。

助熔剂条件：熔化后能溶解待生长的晶体材料且不易挥发。

常用助熔剂：PbF2、Pb02、Bi203、B203、BaO-Bi203等极性化合物。

另外还有一些复杂的化合物，如钨酸盐、钼酸盐等。

助熔剂法生长晶体的原理：1)A熔点为TA，B熔点为TB，E为共结点。

2)将A、B组分混合，混合比例X。

当温度为TX时，混合组分X融成溶液。

随着温度的下降，X组分至Q 点，相当于TQ时，结晶析出A。

3)温度进一步降低，熔融的成份沿共结线TA-Q-E下滑。

A在X混合溶液中的成分不断增加，溶液处于过饱和状态，不断析出A组分，并长大成晶体。

从图可知：由于A组分中加入低熔点的B组分后，A组分的熔点和结晶点由TA 下降到TQ，这样就可以在较低的温度下生长出高熔点的宝石晶体。

因为B组分起到了降低熔点的作用，故称为助熔剂。

二、助熔剂法的分类1.自发成核法（1）缓冷法：在高温使材料熔融于助溶剂中，缓慢降温冷却，使晶体从饱和熔体中自发成核并逐渐成长的方法。

（2）反应法：助熔剂和原料熔融后，助溶剂与原料反应，反应后的晶体成分在熔融体中维持一定的过饱和度，生长晶体的方法。

（3）蒸发法：是在恒温下，蒸发熔剂，使熔体过饱和，从而使晶体析出并长大的方法。

①籽晶旋转法：由于助熔剂熔融后粘度较大，采用籽晶旋转，搅拌熔体，使晶体长大，且少含包裹体。

（合成红宝石）②顶部籽晶旋转提拉法：这是①法和晶体提拉法的结合。

边旋转边提拉，晶体绕籽晶逐渐长大。

③底部籽晶水冷法：水冷部位形成过饱和熔体抑制了熔体其它部位成核，保证籽晶的生长。

1.对待生长晶体有极好的溶解性，随温度的变化，溶解度变化也较大。

2.在宽的温度范围内，所生长的晶体是唯一的稳定相，助熔剂与晶体成分不能形成中间产物。

宝石的四种制作
人造宝石的四种制作方法
时间：2012-09-15 来源：好乐美饰
人造宝石已经历了近百年的研究和发展。

目前，工艺日趋完善，产品十分精美，尤其是合成的宝石，已经达到了与天然宝石真假难分的境地。

为了准确地鉴别人造宝石，掌握因生产环境的局限性，而出现的与天然宝石不同的微小差别，就必须了解人造宝石的制造方法。

目前常见的人造宝石制造方法有以下4种：
（1）焰熔法：将合成宝石化学组成所需要的固态粉末原料混合在一起，在氢氧高温火焰下熔融，溶液随着温度的降低，而结晶成为合成宝石晶体。

具体方法如维纽耳氏法。

（2）熔融法：将合成宝石化学组成所需要的固态物质放在高温下熔融，溶液随着温度的降低，结晶成为合成宝石晶体。

具体方法如提拉法。

（3）水热生长法：将合成宝石化学组成所需要的固态原料，置于高温高压条件下溶解于水中，随后在较冷的部位，以晶种为核心，结晶成为合成宝石晶体，具体方法如高压釜法。

（4）助溶剂熔化生长法：将合唱宝石原料，在高压高温条件下借助熔剂熔解，随后随着温度降低，以晶种为核心，结晶成合成宝石晶体。

当今，绝大多数高贵宝石都有与其相似的人造宝石或仿制品，常见的人造宝石有：祖母绿、金刚石、红宝石、蓝宝石、变石、水晶、蛋白石、碧玺、绿松石等。