焰熔法合成宝石

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。

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。

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。

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。

合成宝石学复习提纲一、填空第二章熔体法—焰熔法（维尔纳叶法）1. 焰熔法基本原理：利用氢氧的高温，使疏松的粉料通过氢氧焰撒下、熔融，落在冷却的结晶杆上，结晶成单晶。

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。

2. 焰熔法生长宝石工艺：1)原料的制备与提纯2)粉料制备：高纯度，高分散性，均一性3)晶体生长：引晶，放肩，等径生长4)退火处理3. 维尔纳叶法生长刚玉晶体（1）原料的制备与提纯：●AI2(SO4)3 :(NH4)2SO4 = 2.5 : 1；●加1.5倍水，加热溶解，缓慢冷却结晶，得到铝铵矾晶体。

AI2(SO4)3 + (NH4)2SO4 + H2O —— (NH4)2AI2(SO4)4-24 H2O●PH>3.5，重结晶，可去除钾离子； PH<3.5，重结晶，可去除铁、钛、铜、锰、镁等离子。

●去离子水重结晶3~5次，铝铵矾纯度达99.9%以上。

（2）粉料制备：●铝铵矾脱水：(NH4)2AI2(SO4)4-24 H2O——— (NH4)2AI2(SO4)4 - H2O + 23 H2O ↑ (200 ℃) (NH4)2AI2(SO4)4 - H2O——— (NH4)2AI2(SO4)4 +H2O ↑(250~350 ℃) 脱水炉温 < 300℃，脱水率 < 60%，可以保证粉料较好的分散性和流动性。

●无水硫酸铝铵分解：(NH4)2AI2(SO4)4 ——AI2(SO4)3 + NH3 ↑ + SO3 ↑ + H2O ↑ (450~550℃)●硫酸铝分解：AI2(SO4)3 ——γ-Al2O3 + SO3 ↑ (650~850℃)（3）晶体生长：包括引晶、放肩、等径生长三个步骤。

第二节刚玉(红宝石、蓝宝石)刚玉矿物的宝石品种有红宝石、蓝宝石，它们是世界上公认的两大珍贵彩色宝石品种。

红宝石的英文为“Ruby”，在圣经中红宝石是所有宝石中最珍贵的。

红宝石炽热的红色使人们总把它和热情、爱情联系在一起，被誉为“爱情之石”，象征着热情似火，爱情的美好、永恒和坚贞。

红宝石是七月的生辰石。

蓝宝石的英文名称是“Sapphire'’，古波斯人相信是蓝宝石反射的光彩使天空呈现蔚蓝色，它被看作是忠诚和德高望重的象征。

蓝宝石是九月的生辰石。

一、刚玉宝石的基本性质(一) 矿物名称刚玉(Corundum)，在矿物学上属刚玉族。

(二) 化学成分刚玉的化学成分为铝的氧化物(Al2O3)，可含有微量的杂质元素Fe、Ti、Cr、Mn、V等。

杂质元素可以等价离子或异价离子形式代替晶格中的Al3+，也可以机械混入物形式存在于晶体中。

(三) 晶系及结晶习性刚玉属三方晶系，晶格中O2-作六方最紧密堆积，堆积层垂直于3次轴，Al3+广充填了由O2-形成的八面体空隙数的2／3，[Alo6]八面体以棱连接成层，并沿z轴方向呈三次螺旋对称(见图3-1-114)。

刚玉属复三方偏三角面体晶类，晶体常呈桶状、柱状，少数呈板状或叶片状(见图3—1—115)。

重要单形有六方柱a{1120}，六方双锥z{2241}、n{2243}、w{14·14·28·3}，菱面体r{1011}，平行双面c{0001}。

在{1011}晶面上，具有平行{1011}和{2243}交棱的花纹。

刚玉中的双晶有两种：一是在晶体生长过程中形成的生长双晶；二是在机械作用下面网滑动形成的机械双晶。

刚玉的生长双晶只在特定的产地可见，例如斯里兰卡和克什米尔，而绝大多数刚玉宝石的双晶是由于面网滑动、晶格变形造成的简单接触双晶或聚片双晶。

刚玉宝石的聚片双晶通常平行{1011}，少数情况下平行{0001}(见图3-1-116)。

刚玉的单晶形态与形成条件有关。

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。