寶石改善與人工合成_助熔劑法PPT課件VIP

1、助熔劑法生長寶石晶體與鑒別助熔劑法生長寶石晶體與鑒別l掌握助熔劑法生長寶石晶體的掌握助熔劑法生長寶石晶體的基本原理基本原理l了解助熔劑法生長寶石晶體的各種方法及了解助熔劑法生長寶石晶體的各種方法及工藝過程工藝過程l熟悉助熔劑法生長寶石晶體的優(yōu)缺點熟悉助熔劑法生長寶石晶體的優(yōu)缺點l鑒別助熔劑法生長的祖母綠和紅寶石晶體鑒別助熔劑法生長的祖母綠和紅寶石晶體復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題1. 助熔劑法生長寶石晶體的概念？助熔劑法生長寶石晶體的概念？2. 助熔劑法生長寶石晶體的基本原理？助熔劑法生長寶石晶體的基本原理？3. 合成祖母綠和合成紅寶石晶體可用哪幾種助熔合成祖母綠和合成紅寶石晶體可用哪幾種助熔劑法進行生

2、長？劑法進行生長？4. 助熔劑法生長寶石晶體有何優(yōu)缺點。助熔劑法生長寶石晶體有何優(yōu)缺點。5. 助熔劑法生長的寶石晶體有哪些特征？助熔劑法生長的寶石晶體有哪些特征？6. 如何鑒別助熔劑法合成的祖母綠和紅寶石？如何鑒別助熔劑法合成的祖母綠和紅寶石？助熔劑法生長寶石的基本原理助熔劑法生長寶石的基本原理 助熔劑法助熔劑法: : 將組成寶石的原料在高溫下溶解于低熔點的將組成寶石的原料在高溫下溶解于低熔點的助熔劑中，使之形成飽和熔融液，然后通過緩慢降溫或在助熔劑中，使之形成飽和熔融液，然后通過緩慢降溫或在恒定溫度下蒸發(fā)熔劑等方法，使熔融液處于過飽和狀態(tài)，恒定溫度下蒸發(fā)熔劑等方法，使熔融液處于過飽和狀態(tài)，從

3、而使寶石晶體析出生長的方法。從而使寶石晶體析出生長的方法。 此法在一定程度上模擬了自然界的巖漿分異結(jié)巖漿分異結(jié)晶成礦過程晶成礦過程。 “ K a s h a nK a s h a n ” 合 成 紅 寶 石 、 合 成 藍 寶 石 、合 成 紅 寶 石 、 合 成 藍 寶 石 、“ChathamChatham”合成祖母綠合成祖母綠、YAGYAG、GGGGGG、合成金綠寶合成金綠寶石、合成尖晶石石、合成尖晶石等?；颈驹砝碇蹌┓ǖ姆诸愔蹌┓ǖ姆诸?根據(jù)晶體成核及晶體生長的方式分為兩大類：根據(jù)晶體成核及晶體生長的方式分為兩大類： 自發(fā)成核法自發(fā)成核法籽晶生長法籽晶生長法l自發(fā)成核法：自發(fā)

4、成核法：根據(jù)獲得過飽和度的方法緩冷法緩冷法蒸發(fā)法蒸發(fā)法l籽晶生長法：籽晶生長法：根據(jù)生長工藝生長工藝籽晶旋轉(zhuǎn)法籽晶旋轉(zhuǎn)法頂部籽晶旋轉(zhuǎn)提拉法頂部籽晶旋轉(zhuǎn)提拉法底部籽晶水冷法底部籽晶水冷法自發(fā)成核法自發(fā)成核法籽晶生長法籽晶生長法籽籽晶晶旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)提提拉拉法法助熔劑法生長寶石的關(guān)鍵因素助熔劑法生長寶石的關(guān)鍵因素助熔劑的選擇助熔劑的選擇 助熔劑助熔劑性質(zhì)：性質(zhì)：1 1溶解能力強；溶解能力強； 2 2低熔點、高沸點；低熔點、高沸點； 3 3粘滯性小；粘滯性?。?4 4揮發(fā)性、毒性和腐蝕性?。粨]發(fā)性、毒性和腐蝕性小； 5 5易與晶體分離；易與晶體分離； 6 6不易污染晶體不易污染晶體。l實際中因難于同時滿足

5、上述條件，多采用復(fù)合助熔劑復(fù)合助熔劑。l目前使用最廣泛的助熔劑是目前使用最廣泛的助熔劑是鉛、鉍極性化合物類，如鉛、鉍極性化合物類，如PbO、PbF2、PbCl2、PbO-PbF2、 Bi2O3、BiF3、Bi2O3B2O3等。等。硼化合物類如硼化合物類如B2O3、NaBO2、Na2B4O7、KBO2、BaB2O4等等助熔劑法生長寶石的優(yōu)缺點助熔劑法生長寶石的優(yōu)缺點l優(yōu)點優(yōu)點l適用性強；適用性強；l生長溫度低；生長溫度低；l可生長有揮發(fā)組份并在熔點附近會發(fā)生分解的晶體；可生長有揮發(fā)組份并在熔點附近會發(fā)生分解的晶體； l可在相變溫度以下生長晶體；可在相變溫度以下生長晶體；l比焰熔法生長出的晶體質(zhì)量

6、好；比焰熔法生長出的晶體質(zhì)量好；l熱量輸送對晶體生長的影響可以忽略；熱量輸送對晶體生長的影響可以忽略；l設(shè)備簡單設(shè)備簡單。l缺點缺點l生長速度慢，生長周期長；生長速度慢，生長周期長；l晶體尺寸較?。痪w尺寸較?。籰容易夾雜助熔劑陽離子；容易夾雜助熔劑陽離子；l許多助熔劑具有不同程度的毒性，其揮發(fā)物還常腐蝕許多助熔劑具有不同程度的毒性，其揮發(fā)物還常腐蝕或污染爐體?；蛭廴緺t體。助熔劑法生長寶石的實例助熔劑法生長寶石的實例祖母綠祖母綠注意兩種生長工藝的差異注意兩種生長工藝的差異紅寶石紅寶石YAG埃斯皮克埃斯皮克(Espig)緩冷法生長祖母綠晶體緩冷法生長祖母綠晶體 1888年和1900年，使用自發(fā)成

7、核法自發(fā)成核法中的緩冷法生長出祖母綠晶體的技術(shù)。 1924-1942年，德國人埃斯皮克(H. Espig)等進行深入研究，并對助熔劑緩冷法做了改進，生長出長達2cm的祖母綠祖母綠晶體。 主要設(shè)備主要設(shè)備 高溫馬弗爐高溫馬弗爐和鉑坩堝鉑坩堝。 合成祖母綠晶體常采用1650的硅鉬棒電爐。爐子一般呈長方體或圓柱體，要求爐的保溫性能好，良好的控溫系統(tǒng)。 首先首先在鉑坩堝中放入晶體原料和助熔劑，將坩堝放入高溫電阻爐中加熱，待原料和助熔劑開始熔化后，在略高于熔點的溫度下恒溫一段時間，使所有原料完全熔化。 然后然后以0.2-0.5/h緩慢降溫，形成過飽和溶液。電爐頂部溫度稍高于底部，晶體便以約每秒6.010

8、-6cm生長。 生長結(jié)束生長結(jié)束，倒出熔融液，所得晶體與坩堝一起重新放回爐中，隨爐溫一起降至室溫。 出爐出爐，將晶體與坩堝一起放在能溶解助熔劑的溶液中，溶去剩余的助熔劑，即得到生長晶體。生長過程生長過程工藝條件工藝條件 原料：原料：純凈的綠柱石粉純凈的綠柱石粉 純氧化物：純氧化物：BeO、SiO2、Al2O3及微量及微量Cr2O3 。 助熔劑：助熔劑：常用氧化釩、硼砂、鉬酸鹽、鋰鉬酸鹽、鎢酸鹽及碳酸鹽等。目前多采用鋰鉬酸鹽和五氧化二釩混合助熔劑鋰鉬酸鹽和五氧化二釩混合助熔劑。工藝流程：工藝流程： a. 用鉑柵隔開坩堝，放置補充料的鉑金屬管。 b. 按比例投料（氧化物、助熔劑和著色劑）。 c.

9、原料入坩鍋，加SiO2玻璃、浮于熔劑表面，其它反應(yīng)物通過導(dǎo)管加到坩堝底部，將坩堝置于高溫爐中。 d. 升溫至I400，恒溫數(shù)小時，再緩慢降溫至1000保溫。 e. 補充料，底部2天一次，頂部2-4周一次。 f. 溫度至800時，坩堝上下組份擴散、反應(yīng)形成祖母綠分子 g. 當(dāng)溶液濃度達到過飽和時，便在祖母綠晶種上生長。 h. 生長結(jié)束后，將助熔劑倒出，坩堝加熱硝酸進行溶解處理50小時，待溫度緩慢降至室溫后，即得到干凈的祖母綠單晶。生長速度約0.33mm/月月。12個月內(nèi)可長出2cm的晶體。 b. 在祖母綠晶體生長過程中必須按時供應(yīng)按時供應(yīng)生長所需的原料，使原料始終均勻地分布在熔體中。 工藝要點工

10、藝要點:a. 嚴(yán)格控制原料的熔化溫度熔化溫度和降溫速降溫速度度，以便祖母綠單晶穩(wěn)定生長，并抑制金綠寶石和硅鈹石晶核的大量形成。 c. 坩堝頂部和底部要保持較高的溫度，中部溫度較低，存在一定的溫差防止其它晶核的大量出現(xiàn)。 吉爾森籽晶法生長祖母綠晶體吉爾森籽晶法生長祖母綠晶體 法國陶瓷學(xué)家吉爾森（PGilson）采用籽晶法生長祖母綠晶體，能生長出1420mm的單晶體，曾琢磨出 l8ct大刻面的祖母綠寶石，于1964年開始商業(yè)性生產(chǎn)。裝置裝置 鉑坩堝中央加豎鉑柵欄網(wǎng)，分隔為兩個區(qū)，一個為熔化區(qū)，另一個為生長區(qū)。 升溫至原料熔融，熱區(qū)熔融后祖母綠分子擴散到溫度稍低的冷區(qū)。當(dāng)祖母綠熔融液濃度過飽和時，祖

11、母綠便在籽晶上結(jié)晶生長。熱區(qū)和冷區(qū)的溫差很小，保持低的過飽和度以阻止硅鈹石和祖母綠的自發(fā)成核作用。 添加原料，一次可生長多粒祖母綠晶體。 熱區(qū)熱區(qū)：添加原料、助熔劑和致色劑； 冷區(qū)冷區(qū)：吊掛籽晶，視坩堝大小排列祖母綠籽晶片。生長工藝生長工藝助熔劑助熔劑：鉬酸鋰；生長速度大約為1mm/月月，晶體個大質(zhì)勻個大質(zhì)勻。自發(fā)成核緩冷法生長紅寶石自發(fā)成核緩冷法生長紅寶石 助熔劑法合成紅寶石是采用自發(fā)成核緩冷法生長的，在生長過程中采用坩堝變速旋轉(zhuǎn)技變速旋轉(zhuǎn)技術(shù)術(shù)。使熔體不斷處于攪拌中：1、對晶面可產(chǎn)生沖刷效果，沖刷效果，從而使包體大大減少從而使包體大大減少，2、使?jié)舛确植季鶆?、減少濃度分布均勻、減少局部過冷

12、形成的小晶核局部過冷形成的小晶核，抑制局部地段其它相的析出。生長工藝生長工藝： 原料原料：Al2O3和少量的Cr2O3； 助熔劑助熔劑：PbO-B2O3或PbF2-PbO 。 鉑坩堝置于裝有旋轉(zhuǎn)支持底座的電爐內(nèi)加熱。 加熱加熱：加熱至1300，旋轉(zhuǎn)坩堝，使坩堝內(nèi)助熔劑和原料完全熔融。 生長生長：停止加熱，以2/h的速度緩慢冷卻至915，約需8天。晶體緩慢生長。 晶體生長結(jié)束生長結(jié)束，倒出助熔劑。用稀硝酸將殘存的助熔劑溶解，即可獲得干凈的紅寶石晶體。此法長成的紅寶石晶體成本高，難以大量生產(chǎn)。此法長成的紅寶石晶體成本高，難以大量生產(chǎn)。助熔劑法生長釔鋁榴石晶體助熔劑法生長釔鋁榴石晶體（YAG） 底部

13、籽晶水冷法生長的晶體幾乎沒有熱應(yīng)力，質(zhì)量較高。底部籽晶水冷法生長的晶體幾乎沒有熱應(yīng)力，質(zhì)量較高。 原料：原料：Y2O3和Al2O3，加入少量Nd2O3作穩(wěn)定劑； 助熔劑：助熔劑：采用PbO-PbF2-B203，將原料及助熔劑混合后放入鉑坩堝內(nèi)，置于爐中加熱。 加熱：加熱：升溫至1300時恒溫25小時，將原料熔化； 生長：生長：以3/h的速度降至1260，此時，底部加水冷卻，將籽晶浸入坩堝底部中心水冷區(qū)。再按20/h的速度降至1240，然后以0.3-2/h的速度降至950，至生長結(jié)束釔鋁榴石工藝有：底部籽晶水冷法底部籽晶水冷法、緩冷法緩冷法。生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝助熔劑法生長寶石的共同特征助熔劑法生長

14、寶石的共同特征l包裹體特征包裹體特征l固相包裹體固相包裹體（結(jié)晶相包裹體、助熔劑包裹體、未熔化熔質(zhì)包裹體和坩堝金屬材料的包裹體）；l氣相包裹體氣相包裹體，由助熔劑的揮發(fā)性造成；l有時氣相和固相包裹體會同時存在，還可構(gòu)成有時氣相和固相包裹體會同時存在，還可構(gòu)成氣氣- -固二相包裹體固二相包裹體。l生長條紋生長條紋l平直的生長條紋平直的生長條紋，由很細的包裹體或成分變化、人為的溫度波動和對流等引起；l替代性雜質(zhì)及成分不均勻性：替代性雜質(zhì)及成分不均勻性：助熔劑陽離子助熔劑陽離子人造釔鋁榴石的鑒定人造釔鋁榴石的鑒定化學(xué)成分：Y3Al5O12。結(jié)晶狀態(tài)：晶質(zhì)體。晶 系：等軸晶系等軸晶系。常見顏色：無色、

15、綠色（可具變色）、 藍色、粉紅色、紅、橙、黃、紫紅色。光 澤：玻璃光澤至亞金剛光澤。解 理：無。摩氏硬度：8。密 度：4.50g/cm34.60g/cm3。光性特征：均質(zhì)體。多 色 性：無。折 射 率：1.833（0.010）。雙折射率：無。 紫外熒光紫外熒光：無至中等橙色（長波），無至紅橙色（短波）； 粉紅色、藍色：無； 黃綠色：強黃色，可具磷光； 綠色：強，紅色（長波），弱紅色（短波）。吸收光譜吸收光譜：淺粉色及淺藍色：600nm700nm多條吸收線。放大檢查放大檢查：潔凈，偶見氣泡。特殊光學(xué)效應(yīng)特殊光學(xué)效應(yīng)：變色效應(yīng)。人造釓鎵榴石（人造釓鎵榴石（GGG）的鑒定的鑒定化學(xué)成分：Gd3Ga5

16、O12。結(jié)晶狀態(tài)：晶質(zhì)體。晶 系：等軸晶系。常見顏色：通常無色至淺褐或黃色。光 澤：玻璃光澤至亞金剛光澤。解 理：無。摩氏硬度：67。密 度：7.05（0.04,0.10）g/cm3。光性特征：均質(zhì)體。多 色 性、雙折射率：無。折 射 率：1.970（0.060）。紫外熒光：短波：中至強，粉橙色。吸收光譜：不特征。放大檢查：可有氣泡，三角形板狀金屬包體，氣液包體。特殊光學(xué)效應(yīng)：色散強色散強（0.045）。 助熔劑法生長紅寶石晶體的鑒別助熔劑法生長紅寶石晶體的鑒別l氣相包裹體氣相包裹體 l助熔劑包裹體助熔劑包裹體l鉑金屬包裹體鉑金屬包裹體l籽晶法籽晶法l成分分析成分分析 l短波紫外光下短波紫外光

17、下 助熔劑包裹體助熔劑包裹體助熔劑法生長祖母綠晶體的鑒別助熔劑法生長祖母綠晶體的鑒別l紅外光譜鑒定：紅外光譜鑒定：不存在任何水的吸收峰不存在任何水的吸收峰l包裹體特征包裹體特征l天然籽晶片痕跡天然籽晶片痕跡l成分分析成分分析冷坩堝熔殼法生長寶石晶體與鑒別冷坩堝熔殼法生長寶石晶體與鑒別l理解冷坩堝熔殼法生長寶石晶體的理解冷坩堝熔殼法生長寶石晶體的基本原理基本原理l了解冷坩堝熔殼法生長立方氧化鋯晶體工藝過程了解冷坩堝熔殼法生長立方氧化鋯晶體工藝過程l掌握立方氧化鋯人造寶石晶體的掌握立方氧化鋯人造寶石晶體的鑒別鑒別復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題1. 為什么生長立方氧化鋯晶體的方法稱為為什么生長立方氧化鋯晶體的

18、方法稱為冷坩鍋熔殼法？冷坩鍋熔殼法？2. 立方氧化鋯寶石晶體有哪些特征？立方氧化鋯寶石晶體有哪些特征？3. 簡要說明立方氧化鋯與鉆石的鑒別？簡要說明立方氧化鋯與鉆石的鑒別？ 冷坩堝熔殼法生長寶石的基本原理冷坩堝熔殼法生長寶石的基本原理冷坩堝熔殼法沒有專門的坩堝，直接用擬生長冷坩堝熔殼法沒有專門的坩堝，直接用擬生長的晶體材料本身作的晶體材料本身作“坩堝坩堝”，使其內(nèi)部熔化，外部，使其內(nèi)部熔化，外部設(shè)有冷卻裝置而使表層不熔，設(shè)有冷卻裝置而使表層不熔，形成一層未熔殼，形成一層未熔殼，起到坩堝的作用。內(nèi)部已熔化的晶體材料，依靠起到坩堝的作用。內(nèi)部已熔化的晶體材料，依靠坩堝下降過冷卻使其結(jié)晶生長。坩堝下降過冷卻使其結(jié)晶生長。冷坩堝熔殼法在合成寶石方面主要用于冷坩堝熔殼法在合成寶石方面主要用于生長