宝石学速成05_第五章_合成宝石及人造宝石.ppt

合成宝石和人造宝石,一、人工宝石的有关概念,人工宝石：完全或部分由人工生产或制造的、用于制作首饰及装饰品的材料。合成宝石：部分或完全由人工制造的、有天然对应物的晶质或非晶质材料，这些材料的物理性质、化学成分及晶体结构和与其相对应的天然宝石基本相同。人造宝石：由人工制造的、没有天然对应物的晶质和非晶质材料。,二、从熔体中结晶宝石,从熔体中结晶合成宝石的基本过程：包括：a）焰熔法b）晶体提拉法c）冷坩埚法,1.焰熔法(维尔纳叶法),（1）基本原理焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。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种晶上固结逐渐生长形成晶体。,维尔纳叶法合成装置,焰熔法合成装置：维尔纳叶炉供料系统燃烧系统生长系统下降系统,（2）合成工艺,（3）焰熔法合成宝石的品种,焰熔法合成宝石的品种主要有：合成红宝石、合成蓝宝石、合成星光红宝石、合成星光蓝宝石、合成尖晶石、合成金红石、人造钛酸锶等。,（3）焰熔法合成宝石的识别特征,a.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。,b.包裹体和色带合成红、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。,c.弧形生长纹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。合成尖晶石很少显示色带。,d.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。,e.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红色荧光，而天然的为惰性。合成红宝石通常比天然红宝石的红色荧光明显强。,f.异常双折射；合成尖晶石的斑纹状消光现象。,合成星光刚玉与天然星光刚玉的区别,焰熔法合成尖晶石与天然尖晶石的区别,2.晶体提拉法(丘克拉斯基法),（1）基本原理提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接种晶提拉熔体，在受控条件下，使种晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。用于合成蓝宝石、红宝石、钇铝榴石、钆镓榴石、变石和尖晶石等重要的宝石晶体。,（2）晶体提拉法工艺,加热系统坩埚和种晶夹传动系统气氛控制系统后热器,（3）提拉法合成宝石的识别特征,弧形生长纹提拉法生长的宝石晶体，由于提拉和旋转作用，会产生弯曲的弧形生长纹，但不如焰熔法明显。,提拉法合成红宝石的弯曲生长纹,气泡提拉法合成的晶体，都会含有气体包体，且气泡分布不均匀。提拉法常可见拉长的或哑铃状气泡。金属包体提拉法合成的宝石是在耐高温的铱、钨或钼金属坩埚中熔化原料的，所以可能含有金属包体。,未熔粉末：提拉法生长的宝石晶体原料在高温下加热熔化，偶尔可见未熔化的原料粉末。杂质包体：由于原料不纯或配比不当，可对熔体造成污染，形成晶体的杂质包体。,3.冷坩埚法,（1）基本原理冷坩埚法仅用于生长合成立方氧化锆晶体。由于立方氧化锆的熔点很高，没有适用的金属坩埚，而是采用原料本身作坩埚，使其内部熔化，外部冷却形成一层未熔壳，起到坩埚的作用。熔化的材料在熔体温度逐渐下时结晶。,（2）冷坩埚壳法工艺,1熔壳盖；2石英管；3通冷却水的铜管；4高频线圈（RF）；5熔体；6晶体；7未熔料；8通冷却水底座,冷坩埚法的冷却管和加热装置冷却水铜管及底座构成的“杯”,（3）冷坩埚法合成宝石的鉴别特征,生长特征：冷坩埚法采用自发结晶的生长方式，所以没有特别的生长结构。包裹体：含有未完全熔化的面包屑状的氧化锆粉末和因冷却速度过快而产生气体包体。,合成立方氧化锆中的气泡,合成立方氧化锆中的未熔粉末,三、从溶液中结晶宝石,由两种或两种以上的物质组成的均匀混合物称为溶液，溶液由溶剂和溶质组成。合成晶体所采用的溶液包括：低温溶液（如水溶液、有机溶液、凝胶溶液等）、高温溶液（即熔盐）。溶液中生长宝石晶体的方法：水热法和助熔剂法。从溶液中结晶合成宝石的基本过程：,原料,加热,溶解（迁移、反应）,过饱和,析出结晶,1.水热法,（1）基本原理水热法是利用高温高压的水溶液溶解矿物质，控制高压釜内溶液的温差产生对流和形成过饱和状态，使溶解在溶液中的矿物质在种晶上析出，生长成较大的晶体。这种方法常用来合成水晶、红宝石、祖母绿、蓝宝石等。,原料：氧化铬、氧化铝和氧化铍粉末的烧结块，水晶；矿化剂：国内采用HCl，充填度80%；种晶：种晶用铂金丝挂于高压釜中部，可用天然无色绿柱石或合成的祖母绿。温度：6000C；工作压力：1000X105Pa生长速度：每天0.5-0.8mm,（2）水热法工艺（合成祖母绿）,水热法合成祖母绿的基本过程,石英、氧化铬、氧化铝和氧化铍等在高温下溶解在含碱金属或铵的卤化物的水溶液中，电炉在高压釜的底部加热，溶解的原料在溶液中对流扩散，相遇并发生反应，形成祖母绿分子，当溶液中祖母绿分子浓度达到过饱和时，便在种晶上析出结晶成祖母绿晶体。,（3）水热法合成宝石的识别特征,a.特征包裹体：铂金片：来自坩埚的贵金属包体。硅铍石和钉状包体：热法合成绿柱石中常见钉状包裹体和硅铍石晶体包体。面包渣状包裹体：合成水晶中常见，是锥辉石的细小雏晶组成的；,b.生长纹理,锯齿状纹理：在合成祖母绿及合成红、蓝宝石中常常显示锯齿状纹理、波状纹理等；合成彩色石英的色带：合成彩色水晶的色带平行种晶片。合成紫晶的种晶片通常平行于菱面体面方向；合成黄水晶的种晶板平行于底轴面。,合成祖母绿中的锯齿状纹理,合成红宝石中的波状纹理,表面增生裂纹：以切磨好的天然浅色绿柱石为种晶生长一层薄的合成祖母绿。表面增生的祖母绿表面可见明显的龟裂纹；种晶片：水热法合成宝石都要使用种晶，所以宝石中常可见到残留的种晶片。,表面增生裂纹,种晶及多层结构,c.双晶合成紫晶稍有巴西双晶，在正交偏光下显示“牛眼干涉图”。天然的紫晶常有巴西双晶，可见“螺旋浆状干涉图”。d.吸收光谱合成红色绿柱石为钴（Co2+）谱与天然红色绿柱石明显不同，即530-590之间几个模糊到清晰的吸收带。而天然红色绿柱石是Mn致色，为450以下和540-580之间的宽的吸收。,e.红外光谱合成祖母绿水热法合成祖母绿含I型水偏多，而天然祖母绿则以II型水为主。,天然祖母绿,水热法合成祖母绿,合成水晶：天然水晶以3595和3484cm-1为特征吸收，而合成水晶则缺失这两个吸收带，而以3585cm-1为特征吸收。合成紫晶：合成紫晶具有3545cm-1吸收峰，而天然紫晶明显较弱。合成烟晶：与天然烟晶相比，合成烟晶缺失3595和3484cm-1的吸收。,2.助熔剂法,（1）基本原理和方法宝石原料在高温下溶解于较低熔点的助熔剂中，通过缓慢降温或在恒定温度下蒸发熔剂等方法，使熔融液过饱和，从而使宝石晶体析出生长。助熔剂通常为无机盐类，故也被称为盐熔法或熔剂法。助熔剂法根据晶体成核及生长的方式不同分为两大类：自发成核法和种晶生长法。,自发成核法在晶体材料全部熔融于助熔剂中之后，缓慢地降温冷却，使晶体从饱和熔体中自发成核并逐渐成长的方法。种晶生长法种晶生长法主要目的是克服自发成核时晶粒过多的缺点，使得晶体在种晶上结晶生长。,（2）助熔剂法祖母绿的生长工艺,助熔剂法合成祖母绿的公司有：美国的林德(Linde)、查塔姆(Chatham)、法国的吉尔森(Gilson)和日本的拉姆拉(Ramaura)。,埃斯皮克法,吉尔森法,（3）助熔剂法生长宝石的鉴别特征,助熔剂残余包体：助熔剂被包到晶体中，形成气-固两相包体。金属包体：坩埚被融蚀并包裹到晶体中，典型的是六方片状的铂金晶片。种晶：助熔剂法加种晶生长时，切磨好的宝石中有时可见种晶片残余。,合成红宝石中的助熔剂残余,助熔剂法合成蓝宝石中的铂金片,查塔姆合成红宝石中的种晶,助熔剂法合成红宝石中的六方色带,拉姆拉合成红宝石中特殊色带和纹理,三、合成钻石,1.高温高压种晶触媒法（1）合成钻石的原理根据钻石-石墨的相平衡图，在高温高压（相图中钻石稳定区的条件）下，石墨的碳原子会重新按钻石的结构排列，而形成钻石。,钻石-石墨相图,（2）合成工艺原料：钻石粉或石墨粉，钻石粉较好。石墨粉，当其原子之间的键破裂重组成钻石时，其体积会减小从而导致压力降低。籽晶：钻石碎片（天然或合成）触媒：铁（Fe）、镍（Ni）和铜（Cu）及其合金温度：1200压力：1.251010Pa。,（3）合成装置,带状压机球形压机（BARS）,反应舱内部结构（压带装置和分裂球装置中的反应舱相同）,（4）合成钻石的识别特征,a）结晶习性：合成钻石常常为立方体、八面体，及二者的聚形，而天然钻石最常见的形态是八面体、菱形十二面体及聚形。b）晶面纹理：合成钻石可显示树枝状、漏砂状或交切状纹理，接种面上粗糙不平。天然钻石表面有时可见三角凹痕。c）种晶：存在种晶和种晶幻影区。,天然钻石表面三角凹痕,合成钻石的纹理,d）包裹体：针状、片状、针点状的金属包裹体。e）吸收光谱：合成钻石无特征的415.5nm吸收线。大多数天然钻石显示415.5nm的特征吸收线。f）紫外荧光：合成钻石的长波紫外荧光弱于短波，而天然钻石的正好相反。近无色的合成钻石在短波下有明显的磷光。,金属熔剂残余包裹体,g）荧光分带图案：合成钻石在短波紫外线下有特征的分带现象，即在立方体与八面体生长方向荧光分布特征，称为“马尔他十字分带”现象，天然钻石显示年轮状荧光分布。h）阴极发光：与紫外下荧光分带特征相似。,合成钻石的荧光分带现象,2.CVD法合成钻石,（1）基本原理将和氢气导入反应腔，利用电热丝、微波、火焰、直流电弧等设备，使甲烷形成等离子体，并分解出碳原子碳原子在氢的催化作用下，结合形成钻石结构，并逐渐沉淀生长在预先制备好的“基座”上。生长基座可使用天然或高温高压合成的钻石切成平行100晶面的薄片。温度压力：8001000、0.1大气压。,（2）CVD合成装置,（3）CVD合成钻石的鉴别a.颜色为彩浅褐色至接近无色，可经高温高压方