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宝石改善与人工合成焰熔法

宝石改善与人工合成焰熔法
宝石改善与人工合成焰熔法
3． 晶体生长的界面模型 A． 完整光滑界面生长模型
晶体生长过程应该是：先长一条行列，再长相邻的行列， 长满一层面网，然后开始长第二层面网，晶面(晶体上最外层 面网)是逐层向外平行推移的。这便是科塞尔—斯特兰斯基所 得出的晶体生长理论。
用这一理论可以很好地解释晶体的自限性，并论证晶体的 面角恒等定律。
2． 合成品种 3． 焰熔法合成宝石的鉴定
宝石改善与人工合成焰熔法
思考题
1. 试述焰熔法生长宝石的工作原理。 2. 焰熔法可以生长哪些宝石？ 3. 焰熔法生长的宝石晶体有哪些优缺点？ 4. 如何鉴别焰熔法生长的刚玉类宝石？ 5. 如何鉴别焰熔法生长的尖晶石及金红石晶体？ 6. 焰熔法生长宝石晶体的共同特征有哪些？
冷却套：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，保证火焰以上的氧管 不被熔化
宝石改善与人工合成焰熔法
• C． 生长系统 • 梨晶：长出的晶体形态类似梨形，故称为梨晶。梨
晶大小通常为长23cm，直径2.5-5cm。生长速度：1 厘米/小时，一般6小时完成即可完成生长。 • 旋转平台：安置籽晶棒，边旋转、边下降；落下 的熔滴与籽晶棒接触称为接晶；接晶后通过控制旋转 平台扩大晶种的生长直径，称为扩肩；然后，旋转平 台以均匀的速度边旋转边下降，使晶体得以等径生长。
前言
一、人造宝石材料的重要性 二、人造宝石材料的发展 三、基本概念
1． 合成宝石（A.原料：半人工材料；B.有天
然对应物；C.可以有小的差异）
2． 人造宝石（YAG：钇铝榴石，Y3Al5O12 ）
宝石改善与人工合成焰熔法
四、晶体生长基本理论： 1．成核
成核过程实际是一个相变过程。 相变：当某一体系在外界条件改变时，会发生状 态的改变，这种现象即相变。宝石合成的过程即生 长晶体，从液相变为固相，或固相变为固相、气相 变为固相；相变过程受温压条件、介质组分的控制。 影响成核的外因主要是过冷度和过饱和度，成核 的相变有滞后现象 。 在合成晶体过程中，为了获得理想的晶体，人为 提供的晶核称为种晶或籽晶。

【宝石学】宝石的合成方法

【宝石学】宝石的合成方法
直到1970年，GE公司首次研制出宝石级合成钻石（约1ct）。随后，日本 的住友电气公司（1985）、英国的戴比尔斯（1988，11.14ct；1990， 14.3ct）、俄罗斯（1993）等相继公布了他们合成的宝石级钻石。
经过几十年的努力，目前已能获得十几克拉大的晶体，但宝石级钻石合 成的成本仍很高，不能进行大批量的生产。2000年可切磨的合成钻石只有 3500ct，仅占当年天然宝石级钻石产量的0.01%。
占总重量百分比 0.15 0.1 2.0 0.13 0.1 0.1 0.3 0.3 0.15
0.09+0.15 1.1+1.1 0.15+1.0
0.08+0.08
晶体颜色 红色 黄色 紫色 淡黄色 粉红色 黄绿色
橄榄绿色 深紫色 淡绿色 攻瑰红色 淡蓝色 紫蓝色 棕色
四、助熔剂法
原理和方法
助熔剂法又称高温熔体溶液法，它是将晶体的 原成分在高温下溶解于低熔点助熔剂熔体中，形成 饱和的溶液（熔融液），然后缓慢冷却或恒温下蒸 发熔剂等方式，使晶体从过饱和熔融液中不断结晶 出来。与矿物晶体从岩浆中结晶的过程相似。
氧化锆粉末和稳定剂装在由冷却铜管组成的金 属杯内，在粉末中心放入引燃用的锆金属粉末 或锆金属棒。然后由高频线圈加热。
高频使锆金属熔化，熔化部分向外蔓延，引燃 周围的粉末。紧靠着杯壁的粉末在循环冷剂的 作用下保持固态，构成一层薄薄的外壳。
待坩埚内的物质达到完全熔融后，将坩埚从加 热区缓缓移开，坩埚内的物质开始冷却，结晶 从壳底开始，向上长出圆柱状的晶体，直到全 部结晶固化。
合成水晶的掺杂与颜色对照表
掺杂种类 Fe3＋ Fe2＋ Co2＋ Mn4＋ Al3＋
质量分数％ 0.1～0.7 0.1～0.6 0.1～0.4 0.2～0.5 0.1～0.2

焰熔法合成红宝石的工艺流程

焰熔法合成红宝石的工艺流程

焰熔法合成红宝石的工艺流程**Flame Fusion Synthesis of Ruby: A Detailed Process****1. Introduction**The art of creating gemstones, especially rubies, has fascinated mankind for centuries. One of the modern techniques employed in synthesizing rubies is the flame fusion method, also known as the Verneuil process. This process allows for the creation of high-quality rubies that closely resemble their natural counterparts. The Verneuil process involves heating a mixture of alumina powder and a small amount of chromium oxide to extremely high temperatures within a controlled flame environment. This reaction results in the formation of a ruby crystal, which is then cooled and shaped into the desired gemstone.**1. 引言**几个世纪以来，创造宝石，尤其是红宝石的艺术一直令人类着迷。

现代合成红宝石采用的方法之一是火焰熔融法，也称为维尔纽伊法。

这种方法可以制造出高质量的红宝石，其外观与天然红宝石非常相似。

维尔纽伊法涉及在一个受控的火焰环境中将氧化铝粉末和少量的铬氧化物加热到极高温度。

07-08 熔体法

07-08 熔体法

晶体提拉法生长工艺 晶体提拉法生长工艺
首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚 中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处 于过冷状态； 然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶接触熔 体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶 杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，在 不断提拉和旋转过程中，生长出圆柱状晶体。
晶体提拉法生长装置 晶体提拉法生长装置
1、加热系统： 、加热系统： 加热—常用有电阻（方法简单）和高频线圈加热两类。 保温—采用金属、耐高温材料等做成热屏蔽罩和隔热层。 控温—由传感器、控制器等精密仪器进行操作和控制。 2、坩埚及其附件：性质稳定、纯度高，熔点高，机械 、坩埚及其附件：性质稳定、纯度高，熔点高， 强度高。常用铂、铱、钼、石墨、SiO2或其它高熔点 强度高 氧化物。 3、传动系统：旋转和升降稳定 、传动系统：旋转和升降稳定，由籽晶杆、坩埚轴和 升降系统组成。 4、气氛控制系统：由真空装置和充气装置组成。生长 、气氛控制系统： 生长 气氛不同，如钇铝榴石等要在氩气气氛中生长。 气氛 5、后加热器：由高熔点氧化物、陶瓷或多层金属反射器 、后加热器： 制成。通常放在坩埚的上部，主要调节晶体和熔体之 调节晶体和熔体之 间的温度梯度，避免组分过冷现象引起晶体破裂。 间的温度梯度，避免组分过冷现象引起晶体破裂
第八章 区域熔炼法 生长宝石晶体与鉴别
区域熔炼法是上世纪50年代初期发展起来 区域熔炼法是上世纪50年代初期发展起来 50 的一项合成技术， 的一项合成技术，此技术主要为半导体工业 提供高纯度的晶体。 提供高纯度的晶体。目前该技术主要用于工 业用人工结晶材料的提纯和转化， 业用人工结晶材料的提纯和转化，较少用于 合成宝石。 合成宝石。
合成变石猫眼生长工艺
原料：按化学配比称取高纯度的Al2O3、BeO原料和致色元 原料 素Cr2O3 、V2O5，将粉料压成块状； 在1300℃下灼烧10小时，得到多晶质金绿宝石块料。 加热：将制成的原料装入钼坩埚，用射频加热到1900℃以 加热 上至熔化。 提拉速度：每小时为15-20mm。 提拉速度 在坩埚内垂直地安放钼制的毛细管模具。熔体在毛细管作 用下涌升到模具顶端，并扩展布满端面形成熔体薄层。将坩 埚上方的变石籽晶接触模具顶端熔体膜，待籽晶浸渍表面回 熔后，逐渐提拉上引。晶体生长是在氩气体中进行的，保持 生长所需要的惰性气体和压强环境。 晶体生长停止后，4小时内将炉温降至500℃，然后缓慢冷 却至室温。即得到模具顶部截面形状的变石猫眼宝石晶体。

焰熔法合成宝石

焰熔法合成宝石

合成刚玉 合成红宝石 合成蓝宝石 合成黄色蓝宝石 合成紫色蓝宝石 合成变色蓝宝石 合成星光红宝石 合成星光蓝宝石
原料 Al2O3 ，另加致色元素如下 Cr2 O3， 1-3% Fe，Ti；0.3-0.5% Ni，Cr Cr Fe，Ti Cr2 O3，V2O5，3-4% TiO2 0.1-0.3%，Cr2 O3 1-3% FeO+TiO2：0.3-0.5%；TiO2 ： 0.1-0.3%
合成金红石加入着色剂所呈现的颜色
加入的着色剂 呈现的颜色 加入的着色剂 呈现的颜色
优点 ①氢氧焰产生的温度高，可以合成高熔点的晶体； ②生长速度快，短时间内可以得到较大尺寸的晶体； ③生产设备简单，生产量大，适合工厂规模化生产。 缺点 ①火焰温度变化梯度较大，容易影响晶体质量； ②原料纯度及粒度要求严格。
二、焰熔法生长刚玉类晶体
品种有无色、彩色、星光等品种，主要化学 成分为Al2O3，不同品种，配料添加剂不同， 工艺流程基本相同。
孔；料筒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。
筛孔挡板
震荡器：使料筒不断抖动，以便原料的粉末能从
筛孔中释 和 Cr2 O3，三氧 化二铝可由铝铵矾加热获得；致色剂为Cr2 O3 1-3%，
维尔那叶炉结构图
b、燃烧系统
氧气管：从料筒一侧释放，与原料粉末一同下氧降气进；口 氢气管：在火焰上方喷嘴处与氧气混合燃烧。 通过控制管内流量来控制氢氧比例，O2：H2＝1：3； 氢氧燃烧温度为2500oC，Al2O3粉末的熔点为氢2气05进0o口C； 冷却套：吹管至喷嘴处有一冷却水套，使氢气冷却和套氧及气 处于正常供气状态，保证火焰以上的氧管不被熔化循环水
内容
一、焰熔法生长宝石工艺 二、焰熔法生长刚玉类、金红石类、

合成宝石方法之焰熔法

合成宝石方法之焰熔法
轰动一时的“日内瓦红宝石”。后来于1902年弗
雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）
改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因
此，这种方法又被称为 维尔纳叶法。
1． 基本原理

焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。其原料
的粉末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籽晶上固结逐渐生长形成
面有合宜的温度逐层生长。
焰熔法的特点

边转动边晶出的人工宝石具有如同唱片纹
的弧线生长纹或色带，以及珠形、蝌蚪状 气泡等特征；

不用坩埚。
焰熔法的发展史
最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔
（E. Feil）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰
熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时
选种子宝石
检验
成品进库
焰熔法合成蓝宝石
焰熔法合成红宝石
焰熔法合 成的星光 石
合成星光刚玉与天然星光刚玉的区别
合成星光刚玉 天然星光刚玉 内含 大量气泡和未熔粉末； 各种晶体包体、气液包体、 物 金红石针极其微小，难 指纹状包体；金红石针较 以辨认；弯曲色带明显 粗，易识别；直角状或六 方色带 星光发自内部深处； 星带 星光浮于表面，星线直、 外观 匀、细，连续性好；中 星线中间粗，两端细，可 特征 心无宝光 以不连续；中心有宝光
定)，氧气流量100 l/hr。

其工艺参数主要包括:
①氢氧比例，也就是气氛。


②生长速率就是设定好的下降速率。
③敲击速率就是下粉的速率，速率越高，下 粉越快。

④籽晶生长中籽晶的取向。
4．人造钛酸锶


焰熔法合成宝石技术（二）

中国宝玉石177期页2023年4月Apr. 2023CHINA GEMS & JADES焰熔法合成宝石技术（二）摘要：本文通过沈才卿组织的三次参观焰熔法合成宝石工厂的实际设备，以及与厂长孙广年先生座谈及参观答疑等，拍摄了大量焰熔法合成宝石车间的实物：包括氢气和氧气管道通入车间的方法，控制氢气和氧气量的方法，料斗的样机及敲击料斗下料的方法，籽晶插入的方法，晶体的退火方法，轴向劈开的晶体，非正常生长的晶体等等。

还有合成四方形的尖晶石晶体，红宝石和蓝宝石晶体，星光红宝石和星光蓝宝石晶体，金红石晶体，钛酸锶晶体等等。

介绍了这些晶体的合成方法，工艺要求及优缺点等，还介绍了50年前我国用焰熔法合成一米长激光红宝石长杆晶的生长工艺等。

68-76沈才卿1，陆太进2，沈湄3，刘结文41. 核工业北京地质研究院2. 国家珠宝玉石首饰检验集团有限公司①3. 台湾宝石学协会荣誉理事长②4. 原中恒誉资产评估公司第一作者介绍: 沈才卿，1942年出生于江苏无锡，1965年毕业于中国科学技术大学，核工业北京地质研究院高级工程师，中宝协人工宝石专业委员会常务副主任委员兼秘书长。

从事成矿模拟实验基础理论研究，宝玉石的人工合成与优化处理教育与研究。

①注: 陆太进原单位中宝协珠宝研究所于2022年3月23日改制挂牌，原来是自然资源部所属事业单位改制为自然资源部所属全资国企单位，单位名称改为“国家珠宝玉石首饰检验集团有限公司”。

②注: 沈湄在2022年6月台湾宝石学协会的改选中被推选为荣誉理事长。

台湾宝石学协会成立于2015年，沈湄于2016年至2022年连续当了二届理事长，不能再连任了。

由于贡献良好经大会同意，推选为终身的荣誉理事长。

目前在2011年沈湄自己创办的台湾宝石学院暨鉴定所工作。

焰熔法合成刚玉类宝石包括合成无色蓝宝石、各种彩色蓝宝石、不同红色的红宝石及合成星光红宝石和星光蓝宝石等宝石晶体，其工作原理及工艺过程同前所述。

课件：焰熔法

重结晶时用H2SO4调节pH值，当pH＞3.5时，可去K＋。因为 K2O是引起刚玉宝石内部产生散射颗粒和宝石裂开的主要原因 之一。
然后降低pH值再溶解后重结晶，去杂质Fe、Ti和其它Cu2＋ 、Mn4＋、Ga3＋、Cr3＋、Mg2＋、Na＋、SiO2等，经三次重结 晶后残余量约为10－7～10－6g/L，不影响刚玉宝石的晶体生长。
2. 原料的制备与提纯
（1）铝铵矾的制备：以硫酸铝：硫酸铵=2.5：1的比例均匀 混合，然后按料水比为l：1.5配比，加热至沸，完全溶解后， 缓缓冷却析晶即成铝铵矾，其反应为：
A12（SO4）3 ＋（NH4）2SO4 ＋ H2O → （NH4）2A12（SO4）3·24H2O
（2）铝铵矾的提纯：将合成的铝铵矾在蒸馏水中溶解-重结 晶3～5次，可得99.9%以上纯度的原料。
• 缺点
– 温度梯度大，生长晶体质量欠佳（光电材料不能用） – 不易控温，内应力大，位错密度高，须退火处理 – 对粉料纯度和粒度要求高，原料成本提高 – 不能生长易于挥发和氧化的宝石材料
焰熔法生长宝石的品种
• 焰熔法合成宝石的品种主要有：刚玉、尖晶石、金红 石、钛酸锶等多种品种。合成的刚玉族宝石有多种的 颜色，致色剂和天然的可以不同：
焰熔法生长宝石的工作原理
焰熔法（又称“维尔纳叶法”）是使原料
粉末在氢氧焰中，边投入边熔融进而结晶生
成宝石晶体的方法。
目前合成宝石的主要方法之一，可生产： 合成红、蓝宝石、合成星光红蓝宝石、合成 尖晶石、合成金红石、人造钛酸锶等。世界 上每年用此法合成的宝石大于10亿克拉。
氢氧火焰燃烧快，温度高。
粉料熔融时间短，晶体生长界面 附近的热辐射很强。造成结晶界面 的纵向温度梯度变化非常大，产生 大的热应力，使宝石梨晶沿劈裂面 开裂，产生晶体缺陷。为消除热应 力带来的晶体缺陷，要对梨晶进行 高温退火处理。

【宝石学】宝石的合成方法

气氛控制由两部分组成：一部分是炉体具有水冷 的不锈钢外。
提拉、转动机：一组精密机械装置。
提拉法生产晶体设备
钇铝榴石YAG
3、优缺点
优点： ⑴在生长过程中可以方便地观察晶体的生长状况； (2)晶体生长的完整性好，生长时间短，尺寸大，
应力小； (3)定向杆晶和“缩颈”工艺，保证了晶体位错密
度明显降低，提高了晶体的光学均匀性。
缺点：对于那些化学活性较强或熔点极高的材料， 很难找到不污染熔体的坩埚，这就限制了提拉法使 用的范围。
三、冷坩埚法生长CZ
CZ以其高硬度、高折射率、高色散、“火彩”好、耐酸碱的 特点，备受人们喜爱，畅销世界，成为目前产量最大的人工宝 石。冷坩埚法也因此而名声大噪。
冷坩埚法的晶体生长装置采用“引燃”技 术，将金属的锆片放在“坩埚”内的氧化锆材 料中，高频电磁场加热时，金属锆片升温熔融 为一个高温小熔池，形成大于1200℃的高温区， 氧化锆在1200℃以上时便有良好的导电性能， 在高频电磁场下导电和熔融，并不断扩大熔融 区，直至氧化锆粉料除熔壳外全部熔融。
3.生产过程
焰熔法合成晶体生产过程中
燃烧温度 2050-2150℃
生产过程结束
3、焰熔法生长晶体的优缺点 优点：
(1)采用无坩埚生长晶体，既节省坩埚材料又避免 了坩埚对晶体的污染。
(2)燃烧温度可达2500℃以上，对难熔氧化物晶体 生长十分有利。
(3)成本低、生长速度快，利于大规模生产。 (4)生产设备装置较简单，可生长出大尺寸的晶体。 例如，刚玉梨晶可达直径10～30mm，长500～1000mm 。 缺点：
二、晶体提拉法
提拉法又称丘克拉斯基法，是J.Czochralski在 1917年发明的。
大多数氧化物类晶体如蓝宝石、红宝石、钇铝榴 石（YAG，Y3Al5O12）、钆镓榴石（GGG， Gd3Ga5O12）、变石、尖晶石等都能用提拉法生长晶 体。

焰熔法合成蓝宝石过程

焰熔法合成蓝宝石过程
《焰熔法合成蓝宝石过程》
一、焰熔法
蓝宝石是一种由氧化铝构成的单斜晶系矿物，它含有紫罗兰,蓝色,绿色,浅黄色等多种色泽，对人的视觉有着很强的吸引力，所以受到越来越多消费者的青睐,变得极具市场价值。

因为自然界的蓝宝石矿石价格太高,无法满足市场需求，而且大量挖掘蓝宝石矿又损坏环境,所
以科学家发明了人造蓝宝石的制作技术，其中一种就是焰熔法。

焰熔法是最常见的合成蓝宝石技术，它是空气中由氧、氩和氢三元气体混合而成的热带火，通过原料熔融把要合成的目标物质、熔化剂以及助剂一起加热，使其在高温的情况下
迅速熔融，最后形成固体，即人造蓝宝石。

二、材料选择与熔炼
合成蓝宝石的原料有很多种，最常见的就是碲酸钾、硅酸钙和铝矾,其中碲酸钾和硅酸钙
作为蓝宝石的原料，铝矾作为熔化剂，扮演着调节熔融温度的作用。

通常情况下，根据蓝
宝石的颜色和发色的不同，我们可以选择不同比例的原料，来调整其颜色。

然后，将碲酸钾、硅酸钙和铝矾等材料放入金属容器中，加入空气和氩气的混合气体，在1700~1800℃的温度下放入热带火中加热熔炼，使所有原料完全分解混合，完成材料合成。

三、合成蓝宝石
在完成上述熔炼步骤之后，就可以进行熔体催化过程。

穿过固液界面之后，熔体将受到
催化剂的作用而发生化学变化，最终就会形成蓝宝石的晶体结构，同时受到固液表面的辐
射效果催化，蓝宝石的晶体结构就形成了。

最后，当晶体晶体结构完全形成后，再将其加热，使晶体晶体结构完全稳固，而且内部组织会经过重新组织，形成紧凑的晶界，使人造蓝宝石完成结晶，这样合成蓝宝石就完成了。

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