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1、焰熔法合成宝石复习1、 原理:其原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化,熔滴在下落过程中冷却并在籽晶上固结逐渐生长形成晶体。2、 主要设备:A 供料系统 原料:成分因合成品的不同而变化。原料的粉末经过充分拌匀,放入料筒。 料筒(筛状底):圆筒,用来装原料,底部有筛孔;料筒中部贯通有一根震动装置使粉末少量、等量、周期性地自动释放。 震荡器:使料筒不断抖动,以便原料的粉末能从筛孔中释放出来。B 燃烧系统: 氧气管:从料筒一侧释放,与原料粉末一同下降; 氢气管:在火焰上方喷嘴处与氧气混合燃烧。 通过控制管内流量来控制氢氧比例,O2:H2=1:3; 冷却套:吹管至喷嘴处有一冷却水套,使氢气和氧气处于正常
2、供气状态,保证火焰以上的氧管不被熔化C 生长系统 落下的粉末经过氢氧火焰熔融,并落在旋转平台上的籽晶棒上,逐渐长成一个晶棒( 梨晶)。水套下为一耐火砖围砌的保温炉,保持燃烧温度及晶体生长温度,近上部有一个观察孔,可了解晶体生长情况。耐火砖:保证熔滴温度缓慢下降,以便结晶生长; 旋转平台:安置籽晶棒,边旋转、边下降;落下的熔滴与籽晶棒接触称为接晶;接晶后通过控制旋转平台扩大晶种的生长直径,称为扩肩;然后,旋转平台以均匀的速度边旋转边下降,使晶体得以等径生长。3、 主要工艺流程:a. 原料制备:要求纯净,颗粒均匀,高分散,具适当的堆积密度和流动性。掺杂剂要考虑到宝石的颜色,光学性能,宝石结构和物理
3、性质,生长过程中的烧失量。b. 下料,将原料粉末与掺杂剂按比例置于筛状容器,振动过筛,落入氧气流内。c. 熔料,内管中的氧气与外管中的氢气混合燃烧。d. 晶体生长:熔体下落到种晶的生长台上,旋转并下降 ,晶体生长成梨形圆棒。e. 处理晶体,关闭气体,晶体冷却,由于晶体生长时内聚了大量应力,当停止加热晶体,易从纵轴裂成两半。f.退火处理,将合成晶体装炉缓慢升温几小时,恒温保温,再慢慢降至室温以减少热应力4、 特点:a. 生长速度快、设备简单、产量大、便于商业化。b.不需坩埚,即节省坩埚材料,又避免坩埚污染。c.氢氧燃烧温度达2500OC,适合难溶氧化物。d.生产设置简单能生长出大的晶体。e.但用
4、此方法合成的宝石晶体缺陷多、容易识别。5、 合成品种及鉴别A合成刚玉原始晶形 焰熔法合成的宝石原始晶形都是梨形。而天然宝石的晶体形态为一定的几何多面体。包裹体:合成红、蓝宝石中常可见气泡和未熔粉末出现,一般气泡小而圆,或似蝌蚪状;可单独或成群出现;合成尖晶石中气泡和未熔粉末较少出现,偶尔出现的气泡多为异形。色带: 红宝石中常常为细密的弧形生长纹,类似唱片纹;蓝宝石中色带较粗而不连续;黄色蓝宝石很少含有气泡,也难见色带。天然红宝石和蓝宝石都显示直或角状或六方色带。合成尖晶石很少显示色带。吸收光谱:合成蓝宝石的光谱见不到天然蓝宝石通常可以见到的蓝区的吸收,或450nm的吸收带十分模糊。合成蓝色尖晶
5、石显示典型的钴谱(分别位于540、580、635nm的三条吸收带 ),天然蓝色尖晶石显示的是蓝区的吸收带,为铁谱。荧光合成蓝宝石有时显示蓝白色或绿白色荧光,天然的为惰性;合成蓝色尖晶石为强的红色荧光,而天然的也为惰性。合成红宝石通常比天然红宝石的红色荧光明显强。帕拉图法:将刚玉浸于盛有二碘甲烷的玻璃器皿中,在显微镜下沿光轴方向,加上正交偏光片下,合成刚玉可以观察到两组夹角为1200的结构线焰熔法合成星光刚玉:合成星光刚玉内含物,大量气泡和未熔粉末;金红石针极其微小,难以辨认;弯曲色带明显, 星带外观特征,星光浮于表面,星线直、匀、细,连续性好;中心无宝光合成红、蓝宝石的加工质量:天然合成红、蓝
6、宝石的加工质量通常较为精细,尤其是高质量的宝石,其台面通常垂直光轴,以显示最好的颜色。而合成红、蓝宝石加工质量通常较差,常见火痕,更不会精确定向加工。加上,合成梨晶通常因为应力作用会沿长轴方向裂开,其长轴方向与光轴方向夹角为60度,为了充分利用原料,其台面通常会平行长轴方向切磨(图2-6)。所以合成刚玉在台面通常都可见多色性,而天然的则不然B合成尖晶石: 内含物:包体少,偶有气泡,形态狭长或异形;色带少见,仅见于红色尖晶石中;天然尖晶石:气液包体常见晶体包体:尤其是八面体形色带少见 RI:1.727 Fixed红色尖晶石例外用于检测折射仪;天然尖晶石:1.714-1.718,高铬的红色尖晶石:
7、 1.74,镁锌尖晶石: 1.715-1.80,锌尖晶石: 1.80。 SG:3.63,红色尖晶石:3.60-3.66;仿青金岩的烧结蓝色尖晶石:3.52;天然尖晶石:3.60 光谱:蓝色者:Co谱,540, 580和 635nm处有吸收带;红色:红区只有一条荧光光谱线浅黄绿色:445nm,422nm线;天然尖晶石:蓝色者:Fe谱,蓝区458nm有吸收带;红色者:红区5条管风琴状荧光谱线(交叉滤色镜下观察) 荧光及滤色镜:无色者:SW下强蓝白色;蓝色者:SW:红色或蓝白色,滤色镜下变红红色:红色荧光,滤色镜下变红;天然尖晶石:无色:惰性蓝色:惰性,滤色镜下不变红,红色:红色荧光,滤色镜下变红。
8、 正交偏光镜:斑纹状消;天然尖晶石:全消光。C钛酸锶的鉴别内含物:气泡;12钛酸锶作为仿钻材料,极易识别。钛酸锶极强的火彩使它明显不同于钻石。尽管标准圆多面型的钛酸锶在线试验中不透光,但它明显较低的硬度使之表面显示出明显的磨损痕迹、圆滑的刻面棱和不平整的小面。尽管反射仪上可获得与钻石相同的折射率,但热导仪检测时却无钻石反应。卡尺法或静水称重都可测出未镶品的比重,从而确认它。D合成金红石:内含物:气泡、未熔粉末;14合成金红石具有极高的色散值使其泛出五颜六色的火彩。这种特征使之不易与其他任何材料相混淆。此外,其极高的双折射率使其刻面棱重影异常清晰。仅此二特征就足以确认它了。助溶剂法合成复习1、
9、原理:助熔剂法是将组成宝石的原料在高温下溶解于低熔点的助熔剂中,使之形成饱和溶液,然后通过缓慢降温或在恒定温度下蒸发熔剂等方法,使熔融液处于过饱和状态,从而使宝石晶体析出生长的方法。助熔剂通常为无机盐类,故也被称为盐熔法或熔剂法。 分类:A自发成核法 缓冷法:在高温使材料熔融于助溶剂中,缓慢降温冷却,使晶体从饱和熔体中自发成核并逐渐成长的方法。 反应法:助熔剂和原料熔融后,助溶剂与原料反应,反应后的晶体成分在熔融体中维持一定的过饱和度,生长晶体的方法。 蒸发法:是在恒温下,蒸发熔剂,使熔体过饱和,从而使晶体析出并长大的方法。B籽晶生长法: 籽晶旋转法:由于助熔剂熔融后粘度较大,采用籽晶旋转,搅
10、拌熔体,使晶体长大,且少含包裹体。(合成红宝石) 顶部籽晶旋转提拉法:这是法和晶体提拉法的结合。边旋转边提拉,晶体绕籽晶逐渐长大。 底部籽晶水冷法:水冷部位形成过饱和熔体抑制了熔体其它部位成核,保证籽晶的生长。 助溶剂的选择 对待生长晶体有极好的溶解性,随温度的变化,溶解度变化也较大 。 在宽的温度范围内,所生长的晶体是唯一的稳定相,助熔剂与晶体成分不能形成中间产物。 助熔剂具有较低的粘度和较高沸点。 挥发性小,毒性小,容易清除。 2、 特点 适用性强,几乎所有材料都有合适的助熔剂。 温度要求低,许多难熔化合物或熔点处易挥发和变价的化合物等均能生长。 包裹体类似天然宝石。 设备简单。(坩锅/加
11、热炉) 生长周期长,速度慢,晶体小,容易夹杂助熔剂阳离子,且有些助熔剂有腐蚀性和毒性,容易污染环境。 3、 合成工艺及设备A、Espig自发成核缓冷法生长祖母绿 1.主要设备:高温马弗炉和铂坩埚.据炉体温度,可采用硅碳棒发热体炉(1350)或硅钼棒发热体炉(1650)。炉子呈长方体或圆柱状。保温性好,铂坩埚出入方便。2.工艺流程1)铂坩埚装料(按比例) 烧结块经导管至坩埚底部,2)悬挂籽晶: 籽晶在挡板下,防止浮到表面.3)高温炉加热熔化原料: 加热材料在熔剂中,底部烧结块向上扩散,上部石英向下,相遇后发生化学反应,形成祖母绿溶液;4)晶体生长:组分绕籽晶长 3)生长结束倾倒残余溶液晶体回炉冷
12、却室温3.工艺条件1)原料为纯净的绿柱石粉或纯氧化物。2)助熔剂:多采 用LiM0207,且熔点低于祖母绿(1750)。 3)合成祖母绿的稳定温度为90011500C,时间320小时,严格控温,否则易形成金绿宝石120013000C)或硅铍石(110012000C)。4)严格供料:Si02 24周次,其它2天一次。5)坩埚顶、底部温度要高,中温要低,存在温差。6)晶体大小2-10毫米,产量小。一年最大2厘米 B吉尔森籽晶法祖母绿1.主要设备 铂坩埚中间竖向加铂栅栏,分为二区(高、低温区,产生冷、热对流)。二区温差小,以保持低的过饱和度,防止硅铍石和祖母绿的自发成核。2.生长过程1)优化种晶:先
13、选用无色绿柱石切片做籽晶,在二面上合成祖母绿再把合成 祖母绿做种晶。2)放置原料:热区放入绿柱石块原料,冷区挂种晶。3)加热坩埚,使热区原料熔融后,扩散到稍低温的冷区,形成过饱和的条件,在籽晶上生长晶体。3.工艺条件1)原料采用绿柱石块,助熔剂采用钼酸锂。2)两区对流可用机械来驱动。3)典型生长工艺:1mm月,7个月厚7mm14mm*20mm大的晶体可得18ct的刻面宝石。4) 由于使用籽晶,生长晶体体积大,质量好。C助熔剂法生长红宝石晶体1.主要设备1)铂坩锅、电炉(与Espig相似)。2)坩埚变速旋转器:使熔体处于搅动中充分熔融。3)籽晶杆转动,晶体遇冲刷,包裹体减少。2、生长过程放置原料和助熔剂于坩埚内。将坩埚放入装有旋转底座的电炉内加热。 在高于饱和温度20,旋转坩埚,使原料充分熔融,缓慢下降籽晶、降低温度,使溶液达到过饱和,晶体生长。停止加热、冷却、倒出熔剂。3、 工艺条件1)Na3AlF6和A1203的二元相图确定配比:1:0.13-0.2,1-3的Cr203为原料。2)坩埚装料1000g,大于饱和温度200C。 保持4-5h,使熔质充分熔化。3)生长温度980-1050,T=204)降温速度:05-1.0h