寶石優(yōu)化處理技術(shù)進(jìn)展

1、寶石優(yōu)化處理技術(shù)進(jìn)展陳若曦 張翰蕾 楊曉宇1411321 高頻濺射法鍍膜處理2 離子注入技術(shù)3目錄part1 鹽浴法鹽浴法離子擴(kuò)散可能是一種比較理想的紅寶石優(yōu)化處理方法。它可有效降低處理溫度降低處理溫度，增加增加離子活性離子活性，樣品表面擴(kuò)散離子濃度恒定濃度恒定，可有效縮短寶石處理時(shí)間。熱擴(kuò)散處理熱擴(kuò)散處理是一種熱化學(xué)處理方法，目前主要用于剛玉寶石的增色和減色處理增色和減色處理，剛玉寶石經(jīng)離子擴(kuò)散也可產(chǎn)生星光效應(yīng)寶石離子擴(kuò)散處理需要在高溫下長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行加熱處理，對(duì)設(shè)備要求較高，且能耗大，功效低。人們一直在尋找一種降低能耗，縮短時(shí)間，提高效率的處理方法。淡紅色微透明，經(jīng)表面打磨半球面狀、半橢球面狀

2、天然紅寶石顆粒，粒徑在1.2左右。 （樣品經(jīng)50%鹽酸溶液浸泡48小時(shí)，清除樣品表面和裂隙中的氧化鐵等雜質(zhì)。樣品經(jīng)流動(dòng)清水沖洗2小時(shí)后置于烘干箱中，1 05烘干5小時(shí)備用。）實(shí)驗(yàn)樣品實(shí)驗(yàn)一將樣品置于助熔劑、三氧化二鋁粉末、二氧化欽粉末按照2： 2：1：5比例混合的試劑中，用高溫?zé)Y(jié)爐加熱至1600 。恒溫170個(gè)小時(shí)，緩慢降至室溫。實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)加熱設(shè)備為KSL1700 X箱式高溫爐。爐膛最高溫度為1750。恒溫精度達(dá)到士1。加熱容器為氧化鋁陶瓷增鍋。實(shí)驗(yàn)二將樣品置于助熔劑、三氧化二鋁粉末、二氧化鈦粉末與鹽類物質(zhì)按照2： 2： 1： 5的比例混合的試劑中，用高溫?zé)Y(jié)爐加熱至1350,恒溫120個(gè)

3、小時(shí)，緩慢降至室溫。微鏡下觀察，樣品表面形成密集的三組定向排列的金紅石針狀晶體。將紅寶石樣品整形，磨成弧面形，并拋光后，樣品表面出現(xiàn)微弱星光效應(yīng)。 實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)一助熔劑表面出現(xiàn)透明玻璃狀物質(zhì)，加熱溫度過(guò)高，顯微鏡下觀察，可見(jiàn)樣品淺表層有一組平行排列，較細(xì)小且稀疏的針狀晶體包裹體，結(jié)晶不完全。 結(jié)論通過(guò)比較，可以看出，與傳統(tǒng)熱擴(kuò)散方法比較，鹽浴法熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，效果比較好，加熱溫度低，加熱時(shí)間短。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 本實(shí)驗(yàn)采用的鹽類物質(zhì)，其成分類似于大理巖型紅寶石礦床的圍巖成分，且鹽類物質(zhì)的熔點(diǎn)低于實(shí)驗(yàn)最高溫度，因此鹽類物質(zhì)在高溫下處于熔融狀態(tài)，粘度低、揮發(fā)性小、流動(dòng)性良好、與助熔劑無(wú)不良反應(yīng)。傳統(tǒng)熱擴(kuò)散實(shí)

4、驗(yàn)，紅寶石樣品擴(kuò)散界面上，外部鈦離子進(jìn)入晶格中，濃度減小，而內(nèi)部鈦離子濃度增加，一定時(shí)間后，內(nèi)外部的鈦離子濃度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，不利于擴(kuò)散的繼續(xù)進(jìn)行。而使用鹽浴法，由于外部鈦離子在液態(tài)熔融環(huán)境中不斷對(duì)流補(bǔ)充，外部鈦離子濃度始終大于樣品表層內(nèi)部的離子濃度，擴(kuò)散作用持續(xù)進(jìn)行，加快了擴(kuò)散速度，擴(kuò)散層厚度也增加。鈦離子更容易進(jìn)入紅寶石晶體中，與氧離子結(jié)合形成密集的金紅石針。浴鹽的高熱傳導(dǎo)能力，使熱量在寶石內(nèi)部快速傳遞，有利于寶石受熱均勻。在離子擴(kuò)散劑中加入助熔劑，有利于降低熱擴(kuò)散處理的有效溫度，還可增強(qiáng)寶石表面活性，加強(qiáng)與鈦離子的界面反應(yīng)，加速擴(kuò)散。掃描電鏡與能譜的測(cè)試分析 利用Philips公司生產(chǎn)的X

5、L-30 ESEM型掃描電鏡，配備EDAX公司生產(chǎn)的phoenix系列能譜儀，對(duì)鹽浴法擴(kuò)散處理樣品進(jìn)行了分析測(cè)試。 樣品表面出現(xiàn)大量針狀晶體密集定向排列。并且能譜圖所示，針狀物鈦含量很高，確定為鈦離子擴(kuò)散形成的金紅石針狀晶體。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用鹽浴法進(jìn)行熱擴(kuò)散處理，鈦離子的擴(kuò)散效果好，能夠形成較理想的金紅石針狀晶體?？偨Y(jié) 與傳統(tǒng)的熱擴(kuò)散法相比，采用鹽浴法，以助熔劑、三氧化二鋁粉末、二氧化欽粉末與鹽類物質(zhì)，按照2: 2: 1: 5的比例混合作為試劑，在1350的溫度下恒溫120小時(shí)，使紅寶石在鹽相物質(zhì)的液相熔融環(huán)境中，離子的擴(kuò)散作用持續(xù)進(jìn)行，擴(kuò)散速度加快，擴(kuò)散層厚度增加，有利于金紅石針的形成。

6、part2高頻濺射法鍍膜高頻濺射鍍膜的手段對(duì)寶石進(jìn)行表面處理，這一方法在國(guó)內(nèi)外行業(yè)內(nèi)幾乎沒(méi)有任何報(bào)道。目的是為了增強(qiáng)寶石表面光澤，適當(dāng)修復(fù)寶石表面損傷，以此使寶石更具美觀的價(jià)值。鍍膜的靶材選取了二氧化錯(cuò)，而非市場(chǎng)上運(yùn)用的金屬材料和有機(jī)膜。通過(guò)鍍膜后使得寶石光澤均上升至金剛一亞金屬光澤，膜的牢度也遠(yuǎn)勝于其他表面處理方法，硬度可以達(dá)到7一8 。而且由于膜層厚度可控，不會(huì)在寶石表面產(chǎn)生彩虹效應(yīng)和其他變彩效果，從而影響寶石自身色彩。鍍膜材料均為高純度靶材，純度在99 .99 % 以上，膜層呈透明狀，不會(huì)引起寶石顏色的改變。此種鍍膜手段在寶石外觀性能的改善方面較其他處理手段要先進(jìn)完善，能大幅度提高寶石表

7、面光澤，在一定程度上修復(fù)寶石表面損傷。原理高頻濺射鍍膜是指用高能粒子轟擊固體表面時(shí)能使固體表面的粒子獲得能量并逸出表面，沉積在基片上。樣品裝在接地的電極上，靶材則裝在對(duì)面的電極上。高頻電源一端接地，一端通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)和隔直流電容接到裝有絕緣靶的電極上。接通高頻電源后，高頻電壓不斷改變極性。等離子體中的電子和正離子在電壓的正半周和負(fù)半周分別打到絕緣靶上。由于電子遷移率高于正離子，絕緣靶表面帶負(fù)電，在達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，靶處于負(fù)的偏置電位，從而使正離子對(duì)靶的濺射持續(xù)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為A N E LV 入922一95O2B 高頻濺射儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備鍍膜過(guò)程選取的鍍膜部位為寶石的冠部臺(tái)面。這樣做更能展現(xiàn)出寶石光澤的

8、美感，同時(shí)掩蓋表面的瑕疵。樣品放妥后，關(guān)閉閥門對(duì)濺射腔體抽真空，真空度至2.6 x 10一6帕?xí)r充入濺射氣體，濺射氣為為高純度氛氣，充氣直至達(dá)到5 x 10一2帕的工作壓強(qiáng)。在壓強(qiáng)穩(wěn)定后方可進(jìn)行鍍膜，鍍膜時(shí)間一般為10一巧分鐘(按膜層厚度需要而不同)，鍍膜完成待腔體完全冷卻后，打開(kāi)閥門取出樣品。所有鍍膜寶石樣品在經(jīng)過(guò)處理之后都具有更強(qiáng)的光澤感，寶石自身顏色沒(méi)有發(fā)生變化，但隨著鍍膜厚度的增加，其透明度會(huì)隨之降低。還發(fā)現(xiàn)通過(guò)利用常規(guī)的檢測(cè)手段，如密度測(cè)量和折射率測(cè)量，難以對(duì)鍍膜寶石與天然寶石進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分和鑒定。鍍膜寶石的密度與天然寶石相比改變不是很大，對(duì)有些種類樣品甚至沒(méi)有改變。這是因?yàn)殄兡毷?/p>

9、是在寶石表面鍍上一層納米量級(jí)的膜層，其重量和體積比起樣品自身可以忽略不計(jì)。高頻濺射鍍膜法對(duì)寶石的折射率的改變不明顯，因?yàn)閷毷砻婺雍穸仍趲讉€(gè)至幾十納米的范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的范圍，因此對(duì)寶石的折射屬性不會(huì)有太大的影響。分別對(duì)鍍膜樣品和其同類的天然寶石進(jìn)行反射率的測(cè)量， 各種天然寶石反射率皆在4一10% 之間，屬于天然的玻璃光澤，而鍍膜后的寶石在反射率上均有相當(dāng)大的提升，其反射率可高達(dá)19一25 % ，屬于金剛一亞金屬光澤。這么高的反射率值是天然寶石(除鉆石) 所不具有的，因此通過(guò)測(cè)量比對(duì)這一光學(xué)性質(zhì)可以給鑒定鍍膜寶石提供可靠的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果掃描電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱SE M ) 具有分辨能力高

10、、圖像立體感強(qiáng)，放大倍數(shù)變化范圍大等優(yōu)勢(shì)，很適合于地質(zhì)學(xué)、寶石學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用。先用SEM 對(duì)紫水晶鍍膜樣品進(jìn)行形貌觀察，在放大100倍的情況下，發(fā)現(xiàn)樣品表面平整光滑且一些微小的裂隙也被填平，在放大200000倍的情況下，隱約觀察到有規(guī)則魚鱗片狀結(jié)構(gòu)，此片狀結(jié)構(gòu)中每個(gè)顆粒單位大小約占直徑20一30nm ，分析其為二氧化錯(cuò)膜層晶體結(jié)構(gòu)以及靶材分子在寶石表面的堆積情況，圖中規(guī)則的結(jié)構(gòu)排列說(shuō)明分子堆積均勻。SEM & EDS測(cè)量 運(yùn)用高頻濺射法對(duì)一些中高檔寶石進(jìn)行鍍膜，可以大幅提升其外在美觀性和耐久性。同時(shí)鍍膜寶石也是目前寶石檢測(cè)中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，因?yàn)殄兡げ⒉粫?huì)影響寶石自身物理屬性，改變

11、的只是寶石的表面特征，鍍膜前后的寶石在折射率和密度等屬性方面均無(wú)大的差異。本文所采用的檢測(cè)手段(摩氏硬度法，反射率測(cè)量法和SE M & E D s) 為寶石鑒定法中的首次嘗試，因其具有定量和定性的檢測(cè)結(jié)果，因此為鍍膜寶石的鑒定提供了更新、更有效的方法總結(jié)part3原理通過(guò)離子注入機(jī)把要求摻雜的離子加速成具有足夠能量的載能束注入固體材料的表面層。離子注入可以引起材料表層成分和結(jié)構(gòu)的變化，材料中原子環(huán)境和電子組態(tài)等微觀狀態(tài)的擾動(dòng)，導(dǎo)致材料的各種物理、化學(xué)或力學(xué)性能的變化，達(dá)到優(yōu)化和增加材料性能的目的 L型高能 離子注入裝置實(shí)驗(yàn)裝置顏色較以前變得更深了，這說(shuō)明 離子對(duì)樣品的顏色有較 明顯影響

12、，表現(xiàn)為對(duì)可見(jiàn)光產(chǎn)生普遍的吸收。表面光澤明顯增強(qiáng)，甚至出現(xiàn)半金屬光澤；表面 光潔度很好，較實(shí)驗(yàn)前幾乎沒(méi)有任何變化。 較注入前藍(lán)色變鮮艷了，灰色調(diào)明顯減少，說(shuō)明 離 子進(jìn)入藍(lán)寶石后，其中的與 離子間的電荷 轉(zhuǎn)移增加了，這與藍(lán)寶石顏色呈色機(jī)理相一 致樣品普遍表面光澤明顯增強(qiáng)甚至出現(xiàn)半金屬光澤。表面光潔度很好，較實(shí)驗(yàn)前幾乎沒(méi)有變化。無(wú)色剛玉變成帶有褐色調(diào)表面光澤普遍增強(qiáng)，這對(duì)于寶石美觀是有利的,樣品的表面光潔度很好，較實(shí)驗(yàn)前幾乎沒(méi)有任何變化；無(wú)色剛玉變成褐色調(diào)，沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)計(jì)的紅色調(diào)，可能與注入強(qiáng)度低，沒(méi)有深入晶格內(nèi)部有關(guān)；鉆石經(jīng)注入 元素后顏色顯著變?yōu)樯詈稚?，說(shuō)明 處理后樣品中產(chǎn)生了成色色心。1寶石經(jīng)過(guò)離子注入處理后，表面光澤明顯 增強(qiáng)，表面光潔度很好