宝石合成与优化

宝石合成与优化

第一部分 宝石的人工合成

一、人工合成宝石的发展历史

二、人工合成宝石的概念、分类及定名

三、人工合成宝石的价值和价格

四、人工合成宝石的方法

一、人工合成宝石的发展历史

人工合成宝石经历了一个从简单到复杂、由低级到高级的发展过程。

早在5000多年前，古埃及人就开始用上釉陶瓷来模拟、仿制绿松石或其他不透明宝石。随着社会生产力的发展，人们便开始用更为先进的方法制造装饰晶和合成宝石。在我国古代西汉和战国的墓葬和遗址中，出土了大量各种形状的高铅钡玻璃珠和不同纹饰的玻璃璧。16世纪埃及人开始用玻璃来模仿祖母绿、碧玉、青金石和绿松石；1656年法国人用空心玻璃充填蜡和重晶石以仿珍珠；1758年又制作出铅玻璃用于仿钻石等。这段时期内，人们用玻璃仿制宝石的品种多，但工艺相对简单，因此只是人工合成宝石工艺的起步阶段。

人工合成宝石的蓬勃兴起要追溯到18世纪中下叶和19世纪。1837年，法国化学家马克·高丁。他使用含有重铬酸钾的明矾和硫酸钾饱和溶液进行反应，将残留物熔融得到氧化铝结晶体，开始了正式以化学方法合成宝石的历史；1877年，法国的E．弗雷米和费尔又用焰熔法将Al2O3。熔于PbO中，在20天内长出小片状红宝石晶体；1885年，在红色Al2O3粉末中加入少量重铬酸钾，用氢氧火焰熔化生长出合成红宝石，这种合成红宝石被称为“再造红宝石”或称“日内瓦红宝石”；1902年，法国化学家维尔纳叶在弗雷米等人的基础之上改进了焰熔技术，以r－Al2O3为原料，用氢氧焰熔化，成功合成出了数克拉的合成红宝石，这是人工合成宝石史上具有重大意义的一个发明，它使商业化生产人工合成宝石成为可能，是人工合成宝石史上的一个分水岭。

 我国对于人工合成宝石的研究起步较晚，始于20世纪50年代。从20世纪50年代末研究焰熔法生长合成刚玉类宝石和水热法生长合成水晶技术开始，到60年代和70年代研制成功合成金刚石、人造钇铝榴石(YAG)、人造钆镓榴石(GGG)和合成变色猫眼石等宝石晶体，继而在80年代和90年代研制冷坩埚熔壳法生长合成立方氧化锆晶体、水热法生长合成祖母绿和合成红宝石晶体以及制作玻璃猫眼、金星玻璃系列品种等方面获得成功，而在2l世纪之初又成功研发了人造夜光宝石等新型的人工宝石品种。到目前为止，全国已有400·多家单位在进行人工宝石的研究和生产，主要分布在北京、天津、上海、江苏、福建、吉林、河南、江西、辽宁、广东、广西、浙江、陕西、安徽、四川等地区，生产技术不断更新，产品种类繁多，极大地丰富了我国的宝石市场，且价廉物美，深受广大消费者的喜爱。

二、人工合成宝石的概念、分类及定名

GB/T16552－1996珠宝玉石名称中人工宝石的定义：完全或部分由人工生产或制造，用做首饰及装饰品的材料统称为人工宝石。

人工宝石包括合成宝石、人造宝石、拼合宝石和再造宝石

定名原则——不参与定名因素

三、人工合成宝石的价值和价格 1、人工宝石的价值

众所周知，作为宝石应具备“美丽”、“耐久”、“稀少”三要素，并因此具有装饰、保值、货币、药用、收藏和鉴赏等多方面的价值。人工合成宝石与天然宝石相比更侧重于“美丽”的特征和具有装饰的价值。就美丽和装饰而言，人工合成宝石可以与天然宝石相媲美，有时甚至超过了天然宝石。但在其他几方面，人工合成宝石则显得稍有逊色。这是因为人工合成宝石可以在短时期内从实验室或工厂里被大量生产出来，而不像天然宝石那样往往经历了数百万年以上的时间才能形成，并且产量极其有限。然而就人工宝石与天然宝石的总量来比较，人工合成宝石仍不失“稀少”的特性，目前许多著名的人工合成宝石，由于其年代久远，随着时间的推移，其价值在不断提高，有些甚至可以达到收藏的水平。

2、人工宝石的价格

 价格通常是指商品价值的货币表现。人工合成宝石商品价格的含义也不例外。人工合成宝石及其制做的首饰作为一种商品，同天然宝石及其制做的 首饰一样，在确定其价格时有它的评估要素，例如质量的优劣、质量或粒径 块度的大小、款式或艺术造型的好坏、加工工艺及技术水平的高低等常作为 确定价格的主要或重要因素。同时，人工合成宝石的价格还因社会制度、时代风尚、民族传统、人民喜好等因素的不同而出现差别。此外，国际上政治、经济、金融形势、各类商人的自身素质及心理因素等，也都会影响甚至严重影响人工合成宝石商品的市场价格。

从20世纪50年代至今，国际市场的人工合成宝石价格总的来说是呈上扬的趋势，但各种人工合成宝石的价格相差很大或极为悬殊，主要表现为以下三种情况：

(1)不同品种的人工合成宝石价格相差悬殊；

(2)同一品种但质量级别不同的人工合成宝石价格相差很大；

(3)同一品种同一质量级别的人工合成宝石，由于人为或社会因素的影响，其价格也可以不同。

除上述因素外，人工合成宝石的价格在很大程度上还取决于它生产过程的技术难度和生产能力。

四、人工合成宝石的方法

1、焰熔法

焰熔法是使原料粉末在氢氧焰中，边投入边熔融而结晶生成宝石晶体的方法。由于此法是法国的A．维尔纳叶(A．Verneuil)在1902年发明的，所以又称“维尔纳叶法”。这是目前合成宝石的主要方法之一。现今的合成红宝石、合成蓝宝石、合成彩色尖晶石、合成金红石、合成星光红宝石、合成星光蓝宝石及人造钛酸锶等宝石大多用此法制得。

2、水热法

水热法也称热液法，是在密封的高压容器内，从水溶液中生长出晶体的方法，在一定程度上再现了地下热液矿床矿物结晶的过程。用此法合成的宝石有合成水晶、合成祖母绿、合成红宝石、合成蓝宝石、合成海蓝宝石等。

3、助熔剂法

助熔剂法是在常压高温下，借助助熔剂的作用在较低温度下加速原料的熔融，从熔融体中生长出宝石晶体的方法。此法在一定程度上模拟了自然界的岩浆分异结晶成矿过程。通常某些文献中所提及的“卡善(Kas—han)”合成红宝石、“查塔姆”合成祖母绿以及市场上出现的某些人造钇铝榴石、人造钆镓榴石、合成金绿宝石、合成蓝宝石、合成尖晶石等均可用此法生产。

4、晶体提拉法

晶体提拉法也称丘克拉斯基(Czochralski)法，是一种直接熔化宝石原料，然后利用种晶从熔体中提拉出宝石晶体的方法。适用于合成红宝石、合成蓝宝石、合成星光红宝石、合成星光蓝宝石、合成变石、人造钇铝榴石(YAG)、人造钆镓榴石(GGG)等宝石晶体的生长。

5、熔体导模法

熔体导模法也称斯切帕诺夫(CTerlaHOBA．B．)法，是提拉法的改善，是利用模具和籽晶(种晶)从熔体中提拉出宝石晶体的方法。主要用于生长合成红宝石、无色合成蓝宝石、合成金绿猫眼宝石等。

6、区域熔炼法

区域熔炼法也称浮区法，是将原料逐区熔融并重结晶而生长出宝石晶体的方法。用此法可生长出合成刚玉类宝石、合成变石和人造钇铝榴石等。

7、冷坩埚熔壳法

冷坩埚熔壳法简称熔壳法，主要用于生产合成立方氧化锆(CZ)晶体。其原理与熔体法相近，但具体方法及工艺过程较为复杂。

 8、高温超高压法

高温超高压法是在高温超高压条件下，模拟变质成矿过程合成宝石的方 法。常用于合成金刚石、合成翡翠等。

9、化学沉淀法

化学沉淀法是一种经化学反应和沉淀(或沉积)，进而加热加压合成非单 晶质宝石的方法，如合成欧泊、合成绿松石等。另外，用于生产合成金刚石 薄膜的化学气相沉淀(CVD)法以及合成碳硅石单晶生长技术，也属于此类。

 10、其他方法

主要是指利用玻璃、陶瓷、塑料或其他材料制作的人造宝石(如玻璃仿 猫眼宝石、玻璃仿绿松石、玻璃仿欧泊、塑料仿琥珀、玻璃或塑料仿珍珠、 人造夜光宝石等)和拼合宝石(蓝宝石拼合石、红宝石拼合石、欧泊拼合石 和石榴石拼合石等)以及再造宝石(再造琥珀、再造绿松石等)的方法。

某些宝石晶体目前只能 用某种方法进行生长，其他方法不能代替。例如，合成红宝石晶体可以采用 焰熔法或助熔剂法，也可以采用丘克拉斯基法；而合成立方氧化锆(CZ) 晶体只能采用冷坩埚熔壳法；合成钻石也只能用高温超高压法；合成水晶只 能用水热法等。

第一章 水热法生长宝石晶体与鉴别

一、水热法生长宝石晶体概述

二、影响宝石晶体生长的因素

三、水热法生长水晶、红宝石、

祖母绿、海蓝宝石晶体

四、水热法生长宝石晶体的鉴别

一、水热法生长宝石晶体概述

1、定义 水热法也称热液法，是在密封的高压容器内，从水溶液中生长出晶体的方法，在一定程度上再现了地下热液矿床矿物结晶的过程。

2、原理

是利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的物质溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制高压釜内溶液的温差使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体的方法。

3、水热法宝石晶体生长的分类

（1）等温法

等温法主要利用物质的溶解度差异来生产晶体。所用原料为亚稳定相物质，籽晶为稳定相物质。高压釜内上、下无温差，是这一方法的特色。此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A、B两个圆筒组成，其中A筒放置培养液，B筒放置籽晶，两筒间保持一定的温度差。定时地摆动A、B两个圆筒以加速它们之间的对流，利用两筒之间的温差在高压环境下生长出晶体，此法也曾用于水晶的生长。

（3）温差法

温差法是在立式高压釜内生产晶体，高压釜内部的对流挡板将釜腔分成上、下两部分，籽晶挂在生长区的培育架上，晶体在籽晶上逐步生长；对流挡板的下部为培养料区(也称溶解区)，溶解区内放人适量的高纯度原料和矿化剂。加热，使高压釜的上、下部分形成一定的温差。

4、水热法宝石晶体生长所需的设备

水热法宝石晶体生长所需的基本设备有：高压釜、炉子、热电偶、温度控制器和温度记录器。

高压釜

 高压釜为可承高温高压的钢制釜体。一般可承受1100oC的温度和109Pa的压力，具有可靠的密封系统和防爆装置。由于内部要装酸、碱性的强腐蚀性溶液，当温度和压力较高时，在高压釜内要装有耐腐蚀的贵金属内衬，如铂金或黄金内衬，以防与釜体材料发生反应。也可利用在晶体生长过程中釜壁上自然形成的保护层来防止进一步的腐蚀和污染。

5、水热法生长宝石晶体的优缺点

（1）优点

a、能够生长存在相变(如a石英等)和在接近熔点时蒸汽压高的材料 (如ZnO)或要分解的材料(如V02)。

b、能够生长出较完美的优质大晶体，并且能够很好地控制材料的成分。

c、用此法生长晶体时，由于与自然界生长晶体的条件很相似，因此生长出的宝石晶体与天然宝石晶体最接近。

（2）缺点

a、需要材料比较特殊的高压釜和相应的安全防护措施。

b、需要大小适当、切向合适的优质籽晶。