合成和人造寶石教程

1、一、人工寶石的有關(guān)概念 人工寶石：完全或部分由人工生產(chǎn)或制造的、用于制作首飾及裝飾品的材料。 合成寶石：部分或完全由人工制造的、有天然對(duì)應(yīng)物的晶質(zhì)或非晶質(zhì)材料，這些材料的物理性質(zhì)、化學(xué)成分及晶體結(jié)構(gòu)和與其相對(duì)應(yīng)的天然寶石基本相同。 人造寶石：由人工制造的、沒(méi)有天然對(duì)應(yīng)物的晶質(zhì)和非晶質(zhì)材料。 從熔體中結(jié)晶合成寶石的基本過(guò)程： 包括： a a）焰熔法 b b）晶體提拉法 c c）冷坩堝法粉末原料加熱熔化冷卻超過(guò)臨界過(guò)冷度結(jié)晶1.1.焰熔法( (維爾納葉法 ) )（1）基本原理 焰熔法是從熔體中生長(zhǎng)單晶體的方法。其原料的粉末在通過(guò)高溫的氫氧火焰后熔化，熔滴在下落過(guò)程中冷卻并在種晶上固結(jié)逐漸生長(zhǎng)形成晶

2、體。維爾納葉法合成裝置 焰熔法合成裝置：維爾納葉爐 供料系統(tǒng) 燃燒系統(tǒng) 生長(zhǎng)系統(tǒng) 下降系統(tǒng)（2）合成工藝（3）焰熔法合成寶石的品種 焰熔法合成寶石的品種主要有： 合成紅寶石、合成藍(lán)寶石、合成星光紅寶石、合成星光藍(lán)寶石、合成尖晶石、合成金紅石、人造鈦酸鍶等。（3）焰熔法合成寶石的識(shí)別特征 a. a.原始晶形 焰熔法合成的寶石原始晶形都是梨形。而天然寶石的晶體形態(tài)為一定的幾何多面體。 b.包裹體和色帶 合成紅、藍(lán)寶石中常可見(jiàn)氣泡和未熔粉末出現(xiàn)，一般氣泡小而圓，或似蝌蚪狀；可單獨(dú)或成群出現(xiàn)； 合成尖晶石中氣泡和未熔粉末較少出現(xiàn)，偶爾出現(xiàn)的氣泡多為異形。c. 弧形生長(zhǎng)紋 紅寶石中常常為細(xì)密的弧形生長(zhǎng)紋

3、，類似唱片紋； 藍(lán)寶石中色帶較粗而不連續(xù)； 黃色藍(lán)寶石很少含有氣泡，也難見(jiàn)色帶。 合成尖晶石很少顯示色帶。d. 吸收光譜 合成藍(lán)寶石的光譜見(jiàn)不到天然藍(lán)寶石通?？梢砸?jiàn)到的藍(lán)區(qū)的吸收，或450nm450nm的吸收帶十分模糊。 合成藍(lán)色尖晶石顯示典型的鈷譜（分別位于540540、580580、635nm635nm的三條吸收帶 ），天然藍(lán)色尖晶石顯示的是藍(lán)區(qū)的吸收帶，為鐵譜。e. 熒光 合成藍(lán)寶石有時(shí)顯示藍(lán)白色或綠白色熒光，天然的為惰性； 合成藍(lán)色尖晶石為強(qiáng)紅色熒光，而天然的為惰性。 合成紅寶石通常比天然紅寶石的紅色熒光明顯強(qiáng)。f. 異常雙折射；合成尖晶石的斑紋狀消光現(xiàn)象。 合成星光剛玉與天然星光剛玉

4、的區(qū)別 合成星光剛玉 天然星光剛玉 內(nèi)含物 大量氣泡和未熔粉末；金紅石針極其微小，難以辨認(rèn)；彎曲色帶明顯 各種晶體包體、氣液包體、指紋狀包體；金紅石針較粗，易識(shí)別；直角狀或六方色帶 星帶外觀特征 星光浮于表面，星線直、勻、細(xì)，連續(xù)性好；中心無(wú)寶光星光發(fā)自內(nèi)部深處；星線中間粗，兩端細(xì)，可不連續(xù)；中心有寶光 焰熔法合成尖晶石與天然尖晶石的區(qū)別 合成尖晶石合成尖晶石天然尖晶石天然尖晶石A 內(nèi)含物內(nèi)含物 包體少，偶有氣泡，形態(tài)狹長(zhǎng)或異形；包體少，偶有氣泡，形態(tài)狹長(zhǎng)或異形；色帶少見(jiàn)，僅見(jiàn)于紅色尖晶石中色帶少見(jiàn)，僅見(jiàn)于紅色尖晶石中 氣液包體常見(jiàn)晶體包體：尤其是八面體形氣液包體常見(jiàn)晶體包體：尤其是八面體形色

5、帶少見(jiàn)色帶少見(jiàn)B 折射率折射率 1.727 ，紅色尖晶石，紅色尖晶石1.725 1.714-1.718, 高鉻的紅色尖晶石高鉻的紅色尖晶石: 1.74 鎂鋅尖晶石鎂鋅尖晶石: 1.715-1.80 鋅尖晶石鋅尖晶石: 1.80 C 相對(duì)密度相對(duì)密度3.63，紅色尖晶石：，紅色尖晶石：3.60-3.66；仿青金；仿青金巖的燒結(jié)藍(lán)色尖晶石：巖的燒結(jié)藍(lán)色尖晶石：3.523.60D 光譜光譜 藍(lán)色者：藍(lán)色者：Co譜譜,540, 580和和 635nm處有處有吸收帶；吸收帶；紅色：紅區(qū)只有一條熒光光譜線紅色：紅區(qū)只有一條熒光光譜線淺黃綠色：淺黃綠色：445nm，422nm線線 藍(lán)色者：藍(lán)色者：Fe譜，藍(lán)

6、區(qū)譜，藍(lán)區(qū)458nm有吸收帶；有吸收帶；紅色者：紅區(qū)紅色者：紅區(qū)5條條管風(fēng)琴狀熒光譜線（交管風(fēng)琴狀熒光譜線（交叉濾色鏡下觀察）叉濾色鏡下觀察） E 熒光熒光 無(wú)色者：無(wú)色者：SW下強(qiáng)藍(lán)白色；下強(qiáng)藍(lán)白色；藍(lán)色者：藍(lán)色者：SW：紅色或藍(lán)白色：紅色或藍(lán)白色紅色：紅色熒光紅色：紅色熒光 無(wú)色：惰性無(wú)色：惰性藍(lán)色：惰性藍(lán)色：惰性紅色：紅色熒光紅色：紅色熒光 F正交偏光鏡正交偏光鏡 斑紋狀消，紅色尖晶石例外斑紋狀消，紅色尖晶石例外 全消光全消光 2.晶體提拉法 ( (丘克拉斯基法 ) )（1）基本原理 提拉法是將構(gòu)成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接種晶提拉熔體，在受控條件下，使種晶和熔體的交界面

7、上不斷進(jìn)行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長(zhǎng)出單晶體。 用于合成藍(lán)寶石、紅寶石、釔鋁榴石、釓鎵榴石、變石和尖晶石等重要的寶石晶體。（2）晶體提拉法工藝加熱系統(tǒng)坩堝和種晶夾傳動(dòng)系統(tǒng)氣氛控制系統(tǒng)后熱器（3）提拉法合成寶石的識(shí)別特征 弧形生長(zhǎng)紋 提拉法生長(zhǎng)的寶石晶體，由于提拉和旋轉(zhuǎn)作用，會(huì)產(chǎn)生彎曲的弧形生長(zhǎng)紋，但不如焰熔法明顯。 提拉法合成紅寶石的彎曲生長(zhǎng)紋 氣泡 提拉法合成的晶體，都會(huì)含有氣體包體，且氣泡分布不均勻。提拉法常可見(jiàn)拉長(zhǎng)的或啞鈴狀氣泡。 金屬包體 提拉法合成的寶石是在耐高溫的銥、鎢或鉬金屬坩堝中熔化原料的，所以可能含有金屬包體。未熔粉末：提拉法生長(zhǎng)的寶石晶體原料在高溫下加熱熔化

8、，偶爾可見(jiàn)未熔化的原料粉末。雜質(zhì)包體：由于原料不純或配比不當(dāng)，可對(duì)熔體造成污染，形成晶體的雜質(zhì)包體。 3.3.冷坩堝法 （1 1）基本原理 冷坩堝法僅用于生長(zhǎng)合成立方氧化鋯晶體。由于立方氧化鋯的熔點(diǎn)很高，沒(méi)有適用的金屬坩堝，而是采用原料本身作坩堝，使其內(nèi)部熔化，外部冷卻形成一層未熔殼，起到坩堝的作用。熔化的材料在熔體溫度逐漸下時(shí)結(jié)晶。 （2）冷坩堝殼法工藝 1 熔殼蓋； 2 石英管； 3 通冷卻水的銅管； 4 高頻線圈（RF）； 5 熔體； 6 晶體； 7 未熔料； 8 通冷卻水底座 冷坩堝法的冷卻管和加熱裝置 冷卻水銅管及底座構(gòu)成的“杯”（3）冷坩堝法合成寶石的鑒別特征 生長(zhǎng)特征： 冷坩堝法

9、采用自發(fā)結(jié)晶的生長(zhǎng)方式，所以沒(méi)有特別的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。包裹體： 含有未完全熔化的面包屑狀的氧化鋯粉末和因冷卻速度過(guò)快而產(chǎn)生氣體包體。合成立方氧化鋯中的氣泡合成立方氧化鋯中的未熔粉末 由兩種或兩種以上的物質(zhì)組成的均勻混合物稱為溶液，溶液由溶劑和溶質(zhì)組成。合成晶體所采用的溶液包括：低溫溶液（如水溶液、有機(jī)溶液、凝膠溶液等）、高溫溶液（即熔鹽）。 溶液中生長(zhǎng)寶石晶體的方法：水熱法和助熔劑法。 從溶液中結(jié)晶合成寶石的基本過(guò)程： 原料加熱溶解（遷移、反應(yīng)）過(guò)飽和析出結(jié)晶1.水熱法（1）基本原理 水熱法是利用高溫高壓的水溶液溶解礦物質(zhì)，控制高壓釜內(nèi)溶液的溫差產(chǎn)生對(duì)流和形成過(guò)飽和狀態(tài)，使溶解在溶液中的礦物質(zhì)在種晶

10、上析出，生長(zhǎng)成較大的晶體。 這種方法常用來(lái)合成水晶、紅寶石、祖母綠、藍(lán)寶石等。原料：氧化鉻、氧化鋁和氧化鈹粉末的燒結(jié)塊，水晶；礦化劑：國(guó)內(nèi)采用HCl，充填度80%；種晶：種晶用鉑金絲掛于高壓釜中部，可用天然無(wú)色綠柱石或合成的祖母綠。溫度：6000C；工作壓力：1000X105Pa生長(zhǎng)速度：每天0.5-0.8mm （2）水熱法工藝（合成祖母綠） 水熱法合成祖母綠的基本過(guò)程石英、氧化鉻、氧化鋁和氧化鈹?shù)仍诟邷叵氯芙庠诤瑝A金屬或銨的鹵化物的水溶液中，電爐在高壓釜的底部加熱，溶解的原料在溶液中對(duì)流擴(kuò)散，相遇并發(fā)生反應(yīng)，形成祖母綠分子，當(dāng)溶液中祖母綠分子濃度達(dá)到過(guò)飽和時(shí)，便在種晶上析出結(jié)晶成祖母綠晶體

11、。（3）水熱法合成寶石的識(shí)別特征a. 特征包裹體：鉑金片：來(lái)自坩堝的貴金屬包體。硅鈹石和釘狀包體：熱法合成綠柱石中常見(jiàn)釘狀包裹體和硅鈹石晶體包體。面包渣狀包裹體：合成水晶中常見(jiàn)，是錐輝石的細(xì)小雛晶組成的；b. 生長(zhǎng)紋理 鋸齒狀紋理：在合成祖母綠及合成紅、藍(lán)寶石中常常顯示鋸齒狀紋理、波狀紋理等； 合成彩色石英的色帶： 合成彩色水晶的色帶平行種晶片。合成紫晶的種晶片通常平行于菱面體面方向；合成黃水晶的種晶板平行于底軸面。合成祖母綠中的鋸齒狀紋理合成紅寶石中的波狀紋理表面增生裂紋： 以切磨好的天然淺色綠柱石為種晶生長(zhǎng)一層薄的合成祖母綠。表面增生的祖母綠表面可見(jiàn)明顯的龜裂紋；種晶片：水熱法合成寶石都要

12、使用種晶，所以寶石中常可見(jiàn)到殘留的種晶片。表面增生裂紋種晶及多層結(jié)構(gòu) c. 雙晶 合成紫晶稍有巴西雙晶，在正交偏光下顯示“牛眼干涉圖” 。天然的紫晶常有巴西雙晶，可見(jiàn)“螺旋漿狀干涉圖”。 d. 吸收光譜 合成紅色綠柱石為鈷（Co2+）譜與天然紅色綠柱石明顯不同，即530-590之間幾個(gè)模糊到清晰的吸收帶。而天然紅色綠柱石是Mn致色，為450以下和540-580之間的寬的吸收。 e. 紅外光譜合成祖母綠 水熱法合成祖母綠含 I 型水偏多，而天然祖母綠則以II 型水為主。天然祖母綠 水熱法合成祖母綠合成水晶：天然水晶以3595 和3484 cm-1為特征吸收，而合成水晶則缺失這兩個(gè)吸收帶，而以35

13、85 cm-1為特征吸收。合成紫晶：合成紫晶具有3545 cm-1吸收峰，而天然紫晶明顯較弱。合成煙晶：與天然煙晶相比，合成煙晶缺失3595 和3484 cm-1的吸收。 2.助熔劑法 （1）基本原理和方法 寶石原料在高溫下溶解于較低熔點(diǎn)的助熔劑中，通過(guò)緩慢降溫或在恒定溫度下蒸發(fā)熔劑等方法，使熔融液過(guò)飽和，從而使寶石晶體析出生長(zhǎng)。助熔劑通常為無(wú)機(jī)鹽類，故也被稱為鹽熔法或熔劑法。 助熔劑法根據(jù)晶體成核及生長(zhǎng)的方式不同分為兩大類：自發(fā)成核法和種晶生長(zhǎng)法。 自發(fā)成核法 在晶體材料全部熔融于助熔劑中之后，緩慢地降溫冷卻，使晶體從飽和熔體中自發(fā)成核并逐漸成長(zhǎng)的方法。種晶生長(zhǎng)法 種晶生長(zhǎng)法主要目的是克服自

14、發(fā)成核時(shí)晶粒過(guò)多的缺點(diǎn)，使得晶體在種晶上結(jié)晶生長(zhǎng)。 （2）助熔劑法祖母綠的生長(zhǎng)工藝 助熔劑法合成祖母綠的公司有：美國(guó)的林德(Linde)、查塔姆(Chatham)、法國(guó)的吉爾森(Gilson)和日本的拉姆拉(Ramaura)。埃斯皮克法吉爾森法（3）助熔劑法生長(zhǎng)寶石的鑒別特征助熔劑殘余包體：助熔劑被包到晶體中，形成氣-固兩相包體。金屬包體：坩堝被融蝕并包裹到晶體中，典型的是六方片狀的鉑金晶片。 種晶：助熔劑法加種晶生長(zhǎng)時(shí)，切磨好的寶石中有時(shí)可見(jiàn)種晶片殘余。合成紅寶石中的助熔劑殘余助熔劑法合成藍(lán)寶石中的鉑金片 查塔姆合成紅寶石中的種晶 助熔劑法合成紅寶石中的六方色帶 拉姆拉合成紅寶石中特殊色帶和

15、紋理 三、合成鉆石 1.高溫高壓種晶觸媒法（1）合成鉆石的原理 根據(jù)鉆石-石墨的相平衡圖，在高溫高壓（相圖中鉆石穩(wěn)定區(qū)的條件）下，石墨的碳原子會(huì)重新按鉆石的結(jié)構(gòu)排列，而形成鉆石。 鉆石-石墨相圖（2 2）合成工藝原料：鉆石粉或石墨粉，鉆石粉較好。石墨粉，當(dāng)其原子之間的鍵破裂重組成鉆石時(shí)，其體積會(huì)減小從而導(dǎo)致壓力降低。籽晶：鉆石碎片（天然或合成）觸媒：鐵（FeFe）、鎳（NiNi）和銅（CuCu）及其合金溫度：1200 1200 壓力：1.251.25 10 101010PaPa。（3）合成裝置 帶狀壓機(jī) 球形壓機(jī)（BARS） 反應(yīng)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)（壓帶裝置和分裂球裝置中的反應(yīng)艙相同）（4）合成鉆石的

16、識(shí)別特征 a）結(jié)晶習(xí)性：合成鉆石常常為立方體、八面體，及二者的聚形，而天然鉆石最常見(jiàn)的形態(tài)是八面體、菱形十二面體及聚形。b）晶面紋理：合成鉆石可顯示樹(shù)枝狀、漏砂狀或交切狀紋理，接種面上粗糙不平。天然鉆石表面有時(shí)可見(jiàn)三角凹痕。c）種晶：存在種晶和種晶幻影區(qū)。天然鉆石表面三角凹痕合成鉆石的紋理d）包裹體：針狀、片狀、針點(diǎn)狀的金屬包裹體。e）吸收光譜：合成鉆石無(wú)特征的415.5nm吸收線。大多數(shù)天然鉆石顯示415.5nm的特征吸收線。f）紫外熒光：合成鉆石的長(zhǎng)波紫外熒光弱于短波，而天然鉆石的正好相反。近無(wú)色的合成鉆石在短波下有明顯的磷光。金屬熔劑殘余包裹體g）熒光分帶圖案：合成鉆石在短波紫外線下有特

17、征的分帶現(xiàn)象，即在立方體與八面體生長(zhǎng)方向熒光分布特征，稱為“馬爾他十字分帶”現(xiàn)象，天然鉆石顯示年輪狀熒光分布。h）陰極發(fā)光：與紫外下熒光分帶特征相似。合成鉆石的熒光分帶現(xiàn)象2.CVD2.CVD法合成鉆石（1 1）基本原理 將和氫氣導(dǎo)入反應(yīng)腔，利用電熱絲、微波、火焰、直流電弧等設(shè)備，使甲烷形成等離子體，并分解出碳原子 碳原子在氫的催化作用下，結(jié)合形成鉆石結(jié)構(gòu)，并逐漸沉淀生長(zhǎng)在預(yù)先制備好的“基座”上。 生長(zhǎng)基座可使用天然或高溫高壓合成的鉆石切成平行100晶面的薄片。 溫度壓力：8001000、0.10.1大氣壓。（2）CVD合成裝置（3 3）CVDCVD合成鉆石的鑒別a. a. 顏色為彩淺褐色至接

18、近無(wú)色，可經(jīng)高溫高壓方法改善；b.b.針尖狀包體：內(nèi)部含大量白色及黃色的針尖，較大的針尖似“面包屑”；c. 異常消光: 較弱，在正交偏光鏡下出現(xiàn)不規(guī)則的黑白直紋，而垂直于這些條紋的是一些較不明顯的紋帶。d. 橙色的發(fā)光：紫外、陰極射線等激發(fā)出強(qiáng)烈的橙色熒光。課程小結(jié)1.熔體結(jié)晶的晶體生長(zhǎng)方法： 焰熔法、提拉法、冷坩堝法。2.溶液結(jié)晶的晶體生長(zhǎng)方法： 水熱發(fā)、助熔劑法。3.合成鉆石： 高溫高壓法、化學(xué)氣相沉淀法。4.合成寶石的主要鑒定特征。5.合成寶石、人造寶石的概念。 從熔體中結(jié)晶合成寶石的基本過(guò)程： 包括： a a）焰熔法 b b）晶體提拉法 c c）冷坩堝法粉末原料加熱熔化冷卻超過(guò)臨界過(guò)冷

19、度結(jié)晶c. 弧形生長(zhǎng)紋 紅寶石中常常為細(xì)密的弧形生長(zhǎng)紋，類似唱片紋； 藍(lán)寶石中色帶較粗而不連續(xù)； 黃色藍(lán)寶石很少含有氣泡，也難見(jiàn)色帶。 合成尖晶石很少顯示色帶。c. 弧形生長(zhǎng)紋 紅寶石中常常為細(xì)密的弧形生長(zhǎng)紋，類似唱片紋； 藍(lán)寶石中色帶較粗而不連續(xù)； 黃色藍(lán)寶石很少含有氣泡，也難見(jiàn)色帶。 合成尖晶石很少顯示色帶。 焰熔法合成尖晶石與天然尖晶石的區(qū)別 合成尖晶石合成尖晶石天然尖晶石天然尖晶石A 內(nèi)含物內(nèi)含物 包體少，偶有氣泡，形態(tài)狹長(zhǎng)或異形；包體少，偶有氣泡，形態(tài)狹長(zhǎng)或異形；色帶少見(jiàn)，僅見(jiàn)于紅色尖晶石中色帶少見(jiàn)，僅見(jiàn)于紅色尖晶石中 氣液包體常見(jiàn)晶體包體：尤其是八面體形氣液包體常見(jiàn)晶體包體：尤其是八面體形色帶少見(jiàn)色帶少見(jiàn)B 折射率折射率 1.727 ，紅色尖晶石，紅色尖晶石1.725 1.714-1.718, 高鉻的紅色尖晶石高鉻的紅色尖晶石: 1.74 鎂鋅尖晶石鎂鋅尖晶石: