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1、第 10卷 第 7期 1994年7月 物 理化学学报 从 1 . 10 , J u l . , N o . 7 A CT APllYS ICO _ C H IMIC AS IN ICA199 4 钠铝辉石由非晶态到晶态的转化研究 赵廷河崔硕景阎学伟 (中国科学院长春应用化学研究所 , 长春 13 0022) 摘要在3 . 0一5 . OGP a , 115 0一1 75 0, C , 1一480min条件范围内 , 合成T钠铝辉石 , 通过X RD 、 SEM及IR分析对比研究了人工翡翠和天然翡翠的微观精细结构 , 通过DAT分析测定了人工翡翠 与天然翡翠的熔点 , 淬火实验检验了人工翡翠的熔
2、点 . 通过退火及老化实验研究了翡翠的热稳定性 . 同 时还就人工翡翠和天然翡翠的硬度 、 密度 及折射率等其它物化性质进行了比较研究 . 根据上述研究总 结了合成优质钠铝辉石翡翠的最佳实验条件为压力 4 . OGP a , 温度 1 45 0 , 晶化时间 45mi n . 关钮词 : 辉石 , 宝石 , N a A ISi ZO6 1 引言 在宝石学上 , 钠铝辉石通常被称为翡翠 . 翡翠是自然界中稀有的高级宝石 , 它以质地 致密 、 色泽素稚 、 坚韧耐磨 、 细腻柔润列为玉 石之首 . 在矿物学中称之为硬玉 , 晶体结构 为单针晶系 , 是辉石族中非常稀少的钠铝辉石 , 其分子式为
3、N a I A i S ZO6 , 是典型的链状结 构硅酸盐 . 1 9世纪末 , 科学家就开始尝试钠铭辉石翡翠的人工合成 , 由于钠铝辉石 的特殊织构 , 通常情况下很难实现由柞晶或其它晶体向钠铝辉石晶体的转化 , 所以都未获得成功l l . 直 到本世纪中叶 , 钠铝辉石 才被人工合成 , 但所得到 的都只是一些微 晶粉末 【 2 . 到8 0 年代中 期 , 人们才通过高温高压合成方法 阁 或离子喷镀方法 4一“合成了宝石级钠铝辉石 翡翠 . 但是 , 因为离子喷镀方法合成翡翠成本昂贵而无法生产 , 而 以前的高温高压合成的翡翠尺 寸又太小 , 只有直径6 , 加工之后已所剩无几 . 我
4、们模拟钠 铝辉石翡翠的成矿原理 , 在 六面顶超高压设备上 , 继D e V r l e s 和lFi e sh c e r 之后 , 未用高温高压法合成了宝石级翡翠 v , s 其尺 寸可达直径1 2 , 厚 6 . 本文讨论了钠铭辉石翡革由非晶态到晶态的转化过 程 , 并对所合成的翡翠的物理及化学性质进行了研究 . 2 实验 2 . 1 非晶原料的制备 : 将N aZCO3 、 A 12O s 和510 2 按钠铝辉石分子 式 N a A ISiZO 6 称量 混匀 , 加 少量的 C rZO3 作为染色剂 , 在 13 50 一 1550高温 下焙烧2小时 , 淬火后 即得到具 有钠铝辉
5、石组成的 非晶玻璃 . 199 3 一0 2一0 1收到初稿 , 199 3 一0 5 一18 收到修改稿 . 联系人 : 赵 廷河 . 604 2 . 2 晶化实验 : 将 柞晶玻瑞按文献l 1 方 式组装 , 在六面顶超高压设备土 , 在 3 . 0一5 . OGP a , 1 150一17 50 , 1健8 0 晶化 , 然后淬火至室温 , 降压至环境压力 , 这样 , 翡翠就被合成 了 . . 23天然翡翠 : 购于珠宝店 , 透明 , 绿色 , 产地不详 . 2 . 4 晶胞参数的研究 : D /ma x 一 nBx 射线衍射仪 , Cu 靶K 。 射线 , 扫描速度为 1 / 2
6、0 2 0/而n , 单晶硅内标 . . 2 5 其它仅器分析 : 日立X 一 65 0 扫描电 子 显微镜 ; 岛津 D T 一 3 0 B 热分析仪 2 . 6 淬火实验 : 将 1450 , . 5 OGP a , 6 0分钟合成的翡翠 , 在不同的 温度下 , 恒温不同的 时间 , 然后 , 淬火至室温 , 用粉末 X 射线测试结构变化 . 2 . 7 退火实验 : 不同温度和不同时间合成的翡翠样品 , 放在电阻炉内 , 控制升温速率和降 温速率为每分钟 1 度 , 在空气气氛中 , 加 热到 50 0 , 恒温1 5 小时后退火至室温 . 2 . 8 老化实验 : 老化实验温度为5
7、0 , 相对湿度为3 0% , 光照强度 为 180 kh , 老化时 间为 3 0 天 , 相 当于自然条件下五年 . 图1翡翠的徽观结构 (1 20 0 x ) Fig . iTh e fr ae tu r esur f a e e so f s ynth e tie e lin o Py ro xene N a AISi 206 a . synt h etieelino P y r oxene N a A ISiZO 6: b . na t ura lelino p y r oxene N a A ISiZO 6 12田】1(兀 旧 自 刀日幻 a l em, 图2翡卑的红外吸收谱 Fi
8、g . 2Inf r ar e d a b sorp t io n s p ee t rao f elino py roxene N a AIS i 206 a . synthe tie elino py r oxene N a A ISiZO 6; b . na tu ra lelino py r oxene N a A ISiZO 6 表 1人工翡翠和天然翡翠的晶胞参数 介b l e 1u n it c el一para m e te r sof: yntheti。 an d na tu ralc lin o py r o x en ,坦旦鑫 坦 塑玉 a /人 /人 c /人 Sy n t
9、h etiee lin o Py r x o ene N a t ur alelino y P r x o ene 9 . 4 3 9 9 . 43 0 8 . 5 7 8 8 . 5 74 5 . 23 3 5 . 25 5 107 . 28 0 107 . 35 0 3 结果与讨论 .3 1 微观结构 3 . 1 . IX 一 射线粉末衍射分析 在 5 . OGP a , 1450 , 晶化时间为6 0分钟 , 合成了钠铝辉石翡翠 , 并与天然翡翠宝石 一起进行了X R D分析 , 计算了其晶胞参数 , 见表1 . 表 1表明 , 合成的翡翠宝石晶胞参数 与天然翡翠相 吻合 . WULI
10、H U A XU EX U E B AO 阴 。 她P入岁一C从f n 夕1 9斗 6 05 翔翎 尸 卜 p卜 口阅 压以 ) 1o o 1的 止lmn i 名l而n 图 3 留甲的理热分析曲线 Fig . 3 Di价 ren tialth er m alanalys i sofclino py ro xenes N a AlsiZo 6 H eat ing rate 10 /min . a . s y nt h et ie sa mPle:b . na t u r a l s a mPle . 3L 2 扫描电 子 显徽镜(S EM)分析 利用SEM 对人工翡翠(5 . OGP a, 14
11、50 , 6 0分钟合成)和 天然翡翠的断面进行了形 貌观察 , 见 图a 1和b 1 , 由SEM照片观察到 , 二者都是晶体内部晶杜呈毛毡状 , 晶拉面呈 编织状态 . 由图2 一 a 可 以看到人工翡琴的穿晶纤维的排列非常整齐 , 有序性极好可以和 天 然翡翠相比美 口工 on刁 巴 工 卫吕 刁巴工 . 国 日 国 10州) 至日J( 。 ) 图4 高沮淬火样品 的X 一 射线衍射图语 Fig . 4 X 一r ay p o wd er di价a e t ograp h ofthe sa m ple s qu ene h e d a thigh t e m P era tu r e S
12、 oak ingat high tempe rature f o r 30 11五n 习el( o ) 图5在9 0 0 下保沮24h淬火样品的X 一 射 线衍射图谱 Fig . S X 一r a yp o wd e r di价a e t o g raphof th esa mP le s soa ked at 9 0 0 f o r 24h The s ha r PPe sks on th eno n e rys - tal ba ek gr o u nd b elon gt o tho s eof ne Phelin e 3 。 2 红外吸收光谱 人工翡翠(5 . OGP a , 145
13、0 , 6 0分钟合成)样品的红外吸收谱(见图a 2) , 经与天然翡 翠的红外吸收谱(见 图 Zb ) 对照 , 结果二者柞常相似 , 这表明二者有着相 同的振动模式 , 说明本实脸室条件下 合成的翡翠与天然翡翠的结构是相似的 . 3 . 3 翡翠差热分析 606 万U LI H U A XU EX U E B A O 似 eta p h梦 s一 c h : 。 . ) 1 9洲 人工翡翠 与天然翡军的 D T A 曲线见图 3a 和图 3b , 二者的 D A T 曲线基本相 同 , 在 1040附近出现明 显的吸热 , 这与文献 s 1 报导的天然翡翠的熔点(10 0 0一10 60 )
14、相 一 致 , 可 见高温高压下合成的人工弱翠与天然翡翠有相 同 的热行为 . 3 . 4 翡翠的淬火研究 在不同的 温度和不同的时间下加热人工翡翠 , 淬火后进行 X RD 分析 (见 图 4和 图5) 在高温 下保温时间较短(约3 0 而n ) 时 , 在低于翡翠熔点时 , 其翡翠结构不发生明 显 变化 , 在高于翡翠熔点时 , 虽然时间较短 , 但翡翠全部转化成柞晶态玻璃 ; 保温时间足够长 (2 4 h) , 在熔点温度附近 , 翡翠转化成霞石 和钠长石 , 说明翡翠在常压下是一种亚稳态相 ZN a A ISiZO 6 * N a A ISIO 4 +N a AISi30 s Ci l
15、 nop yr o x ene Al bit e N e ph e i l ne 土述反应 中结构上的关键变化是翡翠中的六 配位的l A ”+ 转变成了钠 长石 和霞石中四 配位的lA “+ , 但这一变化需要很高的能量 , 故翡翠在常温 下是稳定的 淬火实验表明 , 人工翡翠的熔卢 、 与文献报导的 天然翡翠的熔点一致 , 翡翠的差 热分析 在 1040 附近的吸热表明在此温度下翡翠熔化淬火结果与差 热分析结果一致 . 1。二! 口 氏 O 、 七吕8留 , 日初 6a曰匕 1 0即阅和的印 夕i巍万翁一 理了.1。 图6晶化时间对翡翠硬度的影响 F ig . 6 H ar dn esso
16、f synthetie N a AISi 206e lin o p y roxene勺 s e rysta llizing time . 3 5 翡翠的退火研究 3 . 5 . 14 . SGP a , 1450 , 5一60u n n 合成 的翡翠样品退火后发现 , 翡翠样品有轻 微的颜 色变浅 . 当合成时间超过 3 0 分 钟 , 退火后样品 的表面光泽不变 , 表面 不析出 白色斑点 , 当合成时 间不足3 0分 钟 , 退火后样品表面有白色斑点生出 , 表 面原有的光泽也变暗 , 合成时间越短 , 这种变化越大 . 经粉末 XRD 分析 , 翡 翠的晶体结构没有明 显 变化 . 3 . 5 . 24 . SGP a , 120 0一1550 o C , 6 0 分 钟合成的翡翠样品 , 退火后颜 色轻微变 浅 , 当合成温度超过 14 50 , 样品表面 保持原有的光泽 , 也无 白色斑点析出 , 当合成温度低于1400 , 表面有白色斑点析出 ,
