晶体生长与合成宝石,,第一章 概论,人工合成宝石的概念,人工合成宝石（简称为人工宝石），根据“GB/T16552-2003珠宝玉石名称”的规定，人工宝石的定义是：完全或部分由人工生产或制造，用作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人工合成宝石的命名原则,1、合成宝石必须有“合成”二字在名称之首 2、人造宝石必须有“人造”二字在名称之首 3、禁止使用生产厂或制造商的名称直接定名，如“查塔姆(Chatham)祖母绿” ， “林德（Linde）祖母绿”等；,,4、禁止使用生产国名或地名参与定名，如“苏联钻”等； 5、禁止使用易混淆或含混不清的名词定名，如“红刚玉” 、 “合成品”等； 6、不允许用生产方法参与定名关于“仿宝石”一词的用法,国标：用于模仿天然珠宝玉石的颜色、外观和特殊光学效应的人工宝石以及用于模仿另外一种天然珠宝玉石的天然珠宝玉石可称为仿宝石仿宝石”一词不能单独作为珠宝玉石的名称使用某些人工宝石在不同场合下可有不同的名称: （1）当代替相应天然宝石时可被称为合成宝石，如人工合成的水晶代替天然水晶时称“合成水晶” 等； （2）当代替非相应天然宝石时则称为仿宝石(赝品)，如人工合成的水晶代替钻石时称“仿钻石” 。
仿宝石的材料可以是天然的，也可以是人工合成的如红色尖晶石代替红宝石时也称“仿红宝石” 人工晶体与人工宝石的关系,人工晶体人工宝石 条件:颜色漂亮、透明度好、硬度高、晶体大小符合宝石加工工艺条件等 人工宝石天然宝石的代用品 评价:尽可能与天然宝石接近，越逼真越好从熔体中生长晶体的方法主要有焰熔法、晶体提拉法、冷坩埚熔壳法、熔体导模法和区域熔炼法 从溶液中生长晶体的方法主要有助熔剂法和水热法 从气相中生长单晶体 ：化学气相沉淀 (CVD),第二章 晶体生长理论,白铅矿,1 晶体与非晶体,晶体：具格子构造 如水晶、石盐 固体 非晶体：非格子构造，冷却了的液体 如玻璃、琥珀等,,2 晶体的形成方式,自然界中物态：气态、液态、固态 结晶作用的基本方式： 液固结晶作用由液相物质结晶成晶体 气固结晶作用由气相物质直接结晶成晶体，即升华结晶作用 固固结晶作用由一种固相物质转变为另一种固相物质， 如同质多相转变、再结晶作用等,熔体的均一性成核,均一性成核（过冷成核） 过冷却、自发形成晶核的作用 晶核在熔体内各处的成核机率相同，需要克服相当大的表面能位垒，即需要相当大的过冷度才能成核。
熔体的非均一性成核,,,体系中存在某种不均匀性，能有效地降低表面能成核时的位垒，优先在具有不均匀性的地方形成晶核因此在过冷度很小时亦能局部成核 难熔的杂质 在熔体内 成核 熔体的局部组成不均匀 出现相界面 例如悬浮的杂质微粒、容器壁上凹凸不平等 引入晶核剂制作微晶玻璃便是根据此原理进行生产的,布拉维法则,法国结晶学家（1855）从晶体的几何概念角度，阐述实际晶面和空间格子构造中面网之间的关系： 实际晶体的晶面常常平行于网面结点密度最大的面网 晶体生长时网面结点密度与该面网在垂直方向的生长速度成反比 面网间距大的平行面网之间的引力小，而面网本身的结点密度大在晶体生长过程中这种面网平行向外推移就比较困难，即它的垂直生长速度小，最后可以被保留下来而形成实际晶面；反之则逐渐消失 各晶面的相对生长速度直接影响着晶体的形状,5 影响晶体生长的环境因素,温度 杂质 涡流 粘度 结晶速率 过饱和浓度,7 晶体的不完整性（缺陷）,,晶体生长的途径复杂而多样，并受环境因素影响较大 晶体的不完整性（缺陷）： 偏离晶体结构中质点周期性重复排列的性质与现象 对利用造成障碍 缺陷的存在影响 可利用性：导电性、颜色、发光性、强度 缺陷分类： 性质上分：化学缺陷和物理缺陷 范围上分：点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷,第三章 焰熔法生长宝石晶体与鉴别,本章要点,理解焰熔法生长宝石的工作原理 了解焰熔法生长宝石的工艺过程 掌握焰熔法生长宝石的鉴别,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、人造钛酸锶等焰熔法生长宝石的工艺过程,原料的提纯原料丰富、价格低廉、提纯方便 视宝石种类，提纯方法也不同 粉料的制备高纯度 化学反应完全 分散性和均匀性好 晶体构型利于晶体生长 晶体生长生长晶芽（或引种、接籽晶 ）、 扩大放 肩、等径生长为倒梨形（梨晶） 退火处理后期热处理，消除热应力,晶体生长过程中的工艺要求,供料系统：粉料须流动通畅，并均匀、稳定通过燃烧器中心，落入火焰中熔成小液珠， 气体燃烧器：主要设备，达2900燃烧器结构好坏影响火焰大小和温度分布，氢氧比决定火焰形状和温度变化 炉体：创造保温条件，使温度稳定，便于气体流动和不积粉若积粉，阻碍气体流动，产生涡流及局部温度变化，使晶体生长畸形 下降机构：适应晶体生长温度，保持晶体固液界面在一定的位置，使晶体处于稳定的温度场随意调整速度，均匀下降，无振动起始调节的理想位置，晶体顶部温度高于晶体熔点而低于晶体沸点，保证23mm厚的熔融层焰熔法生长宝石的优缺点,优点 无需坩埚 可生长高熔点（2800C）的宝石晶体 晶体生长速度较快，短时间生长大尺寸晶体 设备较简单，生产率高，适于工业化生产 生长过程可进行观察 缺点 温度梯度大，生长晶体质量欠佳 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，原料成本高 不能生长易于挥发和氧化的宝石材料,第二节 焰熔法生长刚玉类宝石,焰熔法生长刚玉类宝石晶体包括： 无色合成蓝宝石、各种彩色合成蓝宝石、合成红宝石及合成星光刚玉宝石,生长彩色合成蓝宝石和合成红宝石，粉料着色剂 生长合成星光刚玉宝石，粉料着色剂少量星化剂,第三节 焰熔法生长金红石类宝石,金红石化学式为TiO2 熔点：1840 密度：4.25左右 硬度：6 双折率：0.287 色散：0.330 金红石在钛酸锶和立方氧化锆研制以前，是受欢迎的钻石仿制品。
着色剂合成金红石颜色,Fe橄榄绿色 Mn黄色 Co暗红色 Cr橙色,合成尖晶石加着色剂所呈现颜色,焰熔法生长宝石的共同特征,无气液包裹体、 弧形生长纹、 面包渣状包裹体、 喷枪材料污染及杂质、 易裂开、 颜色呆板合成红宝石 气泡及白色和红色面包渣状包裹体 弧形生长纹 台面二色性 紫外荧光强（x下有磷光）,焰熔法与天然红宝石鉴别,1、原始晶形：合成的为梨形；天然红宝石为一定几何多面体； 2、天然红宝石气液包裹体丰富，呈圆、椭圆、针状等组成类似指纹状、羽状图案；合成红宝石中无气液包裹体，可见面包渣状包裹体及小而圆的气泡；,,3、天然红宝石生长纹平直或六边形；焰熔法合成红宝石中可见弧形生长纹及与之垂直的拉长形气泡； 4、合成红宝石在台面方向有二色性，天然刻面红宝石在腰围方向有二色性；,,5、焰熔法合成红宝石荧光（中强-强）强于天然红宝石； 6、焰熔法合成红宝石在X射线下有磷光现象，天然的则无焰熔法合成星光红蓝宝石鉴别,1、天然：星光发自晶体内部，柔和；星线宽窄不一，交点处加宽加亮； 合成：星光浮在表面、异常明亮、不柔和；星线连续且细直均匀，交点处无加宽加亮； 2、天然：内部可见棱角状包裹体，且颜色有分带现象； 合成：内部弯曲生长条纹，极细白色粉末及分散的金红石包裹体；,,3、长波：天然星光红宝石弱红色荧光； 合成星光红宝石呈很强的亮红色； 短波：天然星光红宝石弱红色；天然星光蓝宝石惰性； 合成星光红宝石极强亮红色；合成星光蓝宝石呈蓝白色。
合成金红石的鉴定：根据密度、硬度、吸收光谱 常见颜色：浅黄色，也可有蓝、蓝绿、橙色 光 泽：亚金刚光泽至亚金属光泽 摩氏硬度：67 密 度：4.24-4.26（+0.03，-0.03）g/cm3 光性特征：非均质体，一轴晶（+） 多 色 性：很弱，浅黄，无色 折 射 率：2.6162.903 双折射率：0.287 紫外荧光：无 吸收光谱：黄绿色在430nm以下全吸收 放大检查：强重影，一般洁净，偶见有气泡 特殊光学效应：色散强（0.330）人造钛酸锶：（三高一低） 即高折射率、高色散、高密度、低硬度 晶 系：等轴晶系 常见颜色：无色、绿色 光 泽：玻璃光泽至亚金刚光泽 摩氏硬度：56 密 度：5.13（0.02）g/cm3 光性特征：均质体 折 射 率：2.409 紫外荧光：一般无 吸收光谱：不特征 放大检查：气泡（少见），抛光差（硬度很低） 特殊光学效应：色散强（0.190）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？,第四章 水热法生长宝石晶体,（一）,水热法生长宝石晶体原理,原理：利用高温高压的水溶液，使在大气条件下不溶或难溶的物质溶解，或反应生成含有该物质（宝石分子）的溶液，通过控制高压釜内溶液的温差产生对流，使溶液过饱和而析出溶质生长晶体的方法。
适用于室温时溶解度较低，高温高压下溶解度增高的晶体材料1 水热法生长宝石晶体概述,,等温法：利用物质溶解度差异 水热法 温差法：高压釜上下产生温差 摆动法：利用两个筒之间的温差 水热法所需设备： 高压釜、炉子 测温元件（热电偶）、温度控制器 温度记录器等水热法生长宝石晶体的优缺点,水热法典型条件：温度300 700oC,压力5.01073.0108 Pa 优点 (1) 生长存在相变(如石英等) 的材料； (2) 能生长较完美的优质大晶体； (3)与天然宝石晶体最接近主要缺点 (1)需特殊材料的高压釜和安全防护措施； (2)需适当大小、切向合适的优质籽晶； (3)整个生长过程不能观察； (4)投料是一次性的，生长晶体的大小受高压釜容器的限制一、溶液过饱和度 二、矿化剂（溶剂）的性质和浓度 三、对流挡板 四、生长区温度与温差 五、压力和充填度 六、杂质 七、籽晶取向 八、培养料,2 影响宝石晶体生长的因素,水热法生长水晶的原理,石英在常温常压下是不溶于水的，但在高温高压下改变溶剂成分和性质可增加其溶解度 石英在NaOH溶液中的溶解反应式 SiO2(石英)+(2X4) NaOHNa(2X4)SiOX+(X2)H2O 式中X2。
在接近合成水晶的条件下，测得X值约在7/3与5/2间水热法生长水晶的工艺过程,培养体、溶液 籽晶：选择、定向切片，籽晶架 参数：体积、充填度、温度、系统检查,,培养体入釜、放籽晶架、加矿化剂、 测液面H、安密封塞、 高压釜入膛、盖保温罩、通电等,升温调节、控温和温差，停炉、打开保温罩、冷却降温、高压釜出膛,降至室温、开釜、取晶体、 倒余渣、清洗晶体和高压釜、检查,四个阶段 准备阶段 装釜阶段 生长阶段 开釜阶段,,水热法生长红宝石晶体鉴别,存在籽晶核、厚板状-板状 气液包裹体形状相似 云烟状裂隙，充填液体和气泡 红色荧光强 光谱特征不同,水热法生长祖母绿 基本原理,培养料分放在顶、底部，两处物质 被溶解、扩散，在中部相遇并发生反应，生成祖母绿的溶液，当祖母绿溶液达到过饱和时便会析出，在中部的种晶上生长水热法生长祖母绿鉴别 存在籽晶核 红外光谱 包裹体：多相填充腔体、扭曲羽状、纱状、絮状、钉状、针状 强红色荧光，滤色镜下强红色 黑色底衬下，强光照射会出现红色,天然 合成（水热法）,,水热法合成宝石的识别特征,1、特征Inc 铂金属片：来自坩。