1、合成寶石和人造寶石,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)和與其相對應(yīng)的天然寶石基本相同。 人造寶石：由人工制造的、沒有天然對應(yīng)物的晶質(zhì)和非晶質(zhì)材料。,二、從熔體中結(jié)晶寶石,從熔體中結(jié)晶合成寶石的基本過程： 包括： a）焰熔法 b）晶體提拉法 c）冷坩堝法,1.焰熔法(維爾納葉法 ),（1）基本原理 焰熔法是從熔體中生長單晶體的方法。其原料的粉末在通過高溫的氫氧火焰后熔化，熔滴在下落過程中冷卻并在種晶上固結(jié)逐漸生長形成晶體。,維爾納葉法

2、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別特征,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. 弧形生長紋 紅寶石中常常為細(xì)密的弧形生長紋，類似唱片紋

3、； 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)寶石的光譜見不到天然藍(lán)寶石通?？梢砸姷降乃{(lán)區(qū)的吸收，或450nm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540、580、635nm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的區(qū)別,焰熔法合成尖晶石與天然尖晶石

4、的區(qū)別,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 傳動系統(tǒng) 氣氛控制系統(tǒng) 后熱器,（3）提拉法合成寶石的識別特征,弧形生長紋 提拉法生長的寶石晶體，由于提拉和旋轉(zhuǎn)作用，會產(chǎn)生彎曲的弧形生長紋，但不如焰熔法明顯。,提拉法合成紅寶石的彎曲生長紋,氣泡 提拉法合成的晶體，都會含有氣體包體，且氣泡分布不均勻

5、。提拉法?？梢娎L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：提拉法生長的寶石晶體原料在高溫下加熱熔化，偶爾可見未熔化的原料粉末。 雜質(zhì)包體：由于原料不純或配比不當(dāng)，可對熔體造成污染，形成晶體的雜質(zhì)包體。,3.冷坩堝法,（1）基本原理 冷坩堝法僅用于生長合成立方氧化鋯晶體。由于立方氧化鋯的熔點(diǎn)很高，沒有適用的金屬坩堝，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（R

6、F）； 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, 生長特征： 冷坩堝法采用自發(fā)結(jié)晶的生長方式，所以沒有特別的生長結(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,三、從溶液中結(jié)晶寶石,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）。 溶液中生長寶石晶體的方法：水熱法和助熔劑法。 從溶液中結(jié)

7、晶合成寶石的基本過程： ,原料,加熱,溶解（遷移、反應(yīng)）,過飽和,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)生對流和形成過飽和狀態(tài)，使溶解在溶液中的礦物質(zhì)在種晶上析出，生長成較大的晶體。 這種方法常用來合成水晶、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，可用天然無色綠柱石或合成的祖母綠。 溫度：6000C；工作壓力：1000X105Pa生長速度：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程

8、,石英、氧化鉻、氧化鋁和氧化鈹?shù)仍诟邷叵?溶解在含堿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)到過飽 和時，便在種晶上析出結(jié)晶成祖母綠晶體 。,（3）水熱法合成寶石的識別特征,a. 特征包裹體： 鉑金片：來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，是錐輝石的細(xì)小雛晶組成的；,b. 生長紋理, 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

9、。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一層薄的合成祖母綠。表面增生的祖母綠表面可見明顯的龜裂紋； 種晶片：水熱法合成寶石都要使用種晶，所以寶石中常可見到殘留的種晶片。,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“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之間幾個模糊到清晰的吸收帶。而天然紅色綠柱石是Mn致色，為

10、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吸收帶，而以3585 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，通過緩慢降溫或在恒定溫度下蒸發(fā)熔劑等方法，使熔融液過飽和，從而使寶石晶體析出

11、生長。助熔劑通常為無機(jī)鹽類，故也被稱為鹽熔法或熔劑法。 助熔劑法根據(jù)晶體成核及生長的方式不同分為兩大類：自發(fā)成核法和種晶生長法。,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)成核并逐漸成長的方法。 種晶生長法 種晶生長法主要目的是克服自發(fā)成核時晶粒過多的缺點(diǎn)，使得晶體在種晶上結(jié)晶生長。,（2）助熔劑法祖母綠的生長工藝,助熔劑法合成祖母綠的公司有：美國的林德(Linde)、查塔姆(Chatham)、法國的吉爾森(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

12、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時，切磨好的寶石中有時可見種晶片殘余。,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，石墨的碳原子會重新按鉆石的結(jié)構(gòu)排列，而形成鉆石。,鉆石-石墨相圖,（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，其體積會減小從而導(dǎo)致

13、壓力降低。 籽晶：鉆石碎片（天然或合成） 觸媒：鐵（Fe）、鎳（Ni）和銅（Cu）及其合金 溫度：1200 壓力：1.25 1010Pa。,（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）合成鉆石的識別特征,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。天然鉆石表面有時可見三角凹痕。 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

14、。 e）吸收光譜：合成鉆石無特征的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：合成鉆石的長波紫外熒光弱于短波，而天然鉆石的正好相反。近無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征的分帶現(xiàn)象，即在立方體與八面體生長方向熒光分布特征，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.CVD法合成鉆石,（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)，并逐漸沉淀生長在預(yù)先制備好的“基座”上。 生長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、0.1大氣壓。,（2）CVD合成裝置,（3）CVD合成鉆石的鑒別 a. 顏色為彩淺褐色至接近無色，可經(jīng)高溫高壓方法改善；