1、珠宝知识培训之人工合成宝石珠宝知识培训之人工合成宝石2 2人造宝石人造宝石 指人工生产的非天然形成的无机材料。指人工生产的非天然形成的无机材料。 狭义的人造宝石：具有独特的化学成分、原子结构和狭义的人造宝石：具有独特的化学成分、原子结构和物理性质的人工宝石材料；物理性质的人工宝石材料； 如如YAGYAG：钇铝榴石，：钇铝榴石，Y Y3 3AlAl5 5O O1212 ；无天然对应物，广义；无天然对应物，广义的人造宝石：人工生产的宝石，包括合成宝石；的人造宝石：人工生产的宝石，包括合成宝石； (二二)人工制造宝石的历史人工制造宝石的历史1500年埃及人开始用玻璃模仿祖母绿、青金石和绿松石等。年埃
2、及人开始用玻璃模仿祖母绿、青金石和绿松石等。18世纪中期和世纪中期和19世纪人工开始合成宝石世纪人工开始合成宝石.由于矿物学研究的发展由于矿物学研究的发展以及化学分析方法取得的进展，使人们逐渐掌握了宝石的化学成分以及化学分析方法取得的进展，使人们逐渐掌握了宝石的化学成分及性质，加上化学工业的发展以及对结晶过程的认识，人工合成宝及性质，加上化学工业的发展以及对结晶过程的认识，人工合成宝石才变为现实。石才变为现实。1892年出现了闻名的年出现了闻名的“日内瓦红宝石日内瓦红宝石”，这是用氢氧火焰使品，这是用氢氧火焰使品质差的红宝石粉末及添加的致色剂铬熔融，再重结晶形成优质红宝质差的红宝石粉末及添加的
3、致色剂铬熔融，再重结晶形成优质红宝石的方法。随后，这种方法经改进并得以商业化。石的方法。随后，这种方法经改进并得以商业化。1890年，年，助熔剂法合成红宝石获得成功；助熔剂法合成红宝石获得成功；1900年助熔剂法合成祖母绿成功。合成尖晶石、蓝宝石、金红年助熔剂法合成祖母绿成功。合成尖晶石、蓝宝石、金红石、钛酸锶等逐渐面市。石、钛酸锶等逐渐面市。1953年合成工业级钻石、年合成工业级钻石、1960年水热法合成祖母绿及年水热法合成祖母绿及1970年宝年宝石级合成钻石也相继获得成功。石级合成钻石也相继获得成功。五十年代末，我国为了发展我国的精密仪器仪表工业，从原苏五十年代末，我国为了发展我国的精密仪
4、器仪表工业，从原苏联引进了焰熔法合成刚玉的设备和技术，六十年代投产后，主要用联引进了焰熔法合成刚玉的设备和技术，六十年代投产后，主要用于手表轴承材料的生产。后来发展到有于手表轴承材料的生产。后来发展到有20多家焰熔法合成宝石的工多家焰熔法合成宝石的工厂，能生长出各种品种的刚玉宝石、尖晶石、金红石和钛酸锶等。厂，能生长出各种品种的刚玉宝石、尖晶石、金红石和钛酸锶等。我国进行水热法生长水晶的研究工作，始于我国进行水热法生长水晶的研究工作，始于1958年。目前几乎年。目前几乎全国各省都建立了合成水晶厂。我国的彩色石英从全国各省都建立了合成水晶厂。我国的彩色石英从1992年开始生产，年开始生产，现在市
5、场上能见到的各种颜色品种的合成石英。现在市场上能见到的各种颜色品种的合成石英。七十年代，由于工业和军事的需要，尤其是激光研究的需要，七十年代，由于工业和军事的需要，尤其是激光研究的需要，我国先后用提拉法生产了人造钇铝榴石（我国先后用提拉法生产了人造钇铝榴石（YAG）和钆镓榴石）和钆镓榴石（GGG）晶体，它们曾一度被用于仿钻石。）晶体，它们曾一度被用于仿钻石。1982年，我国开始研年，我国开始研究合成立方氧化锆的生产技术，究合成立方氧化锆的生产技术，1983年投产。由于合成立方氧化锆年投产。由于合成立方氧化锆的折射率高、硬度高、产量大、成本低，很快取代了其它仿钻石的的折射率高、硬度高、产量大、成
6、本低，很快取代了其它仿钻石的晶体材料。广西宝石研究所晶体材料。广西宝石研究所1993年成功生产水热法合成祖母绿，现年成功生产水热法合成祖母绿，现已能生产水热法合成其它颜色的绿柱石及红、蓝宝石。已能生产水热法合成其它颜色的绿柱石及红、蓝宝石。合成工业用钻石在我国是合成工业用钻石在我国是l963年投产的，至八十年代末，我国年投产的，至八十年代末，我国已有已有300余家合成工业用钻石的厂家。但宝石级合成钻石的生产还余家合成工业用钻石的厂家。但宝石级合成钻石的生产还在探索之中。在探索之中。l995年，我国采用年，我国采用化学气相沉积法生长出了多晶金刚化学气相沉积法生长出了多晶金刚石薄膜，已在首饰方面应
7、用。石薄膜，已在首饰方面应用。二、合成宝石的二、合成宝石的晶体生长基本理论晶体生长基本理论 晶体生长的发生最初是从溶液或熔体中形成固相的晶体生长的发生最初是从溶液或熔体中形成固相的小晶芽，即成核。晶核形成后，就形成了晶体小晶芽，即成核。晶核形成后，就形成了晶体-介质介质的界面，晶体生长最重要的过程就是界面过程。科学的界面，晶体生长最重要的过程就是界面过程。科学家们提出了许多生长机制或模型，结合热力学和动力家们提出了许多生长机制或模型，结合热力学和动力学探讨了这一过程。学探讨了这一过程。 尽管晶体生长理论已有一百多年的发展历程，但晶尽管晶体生长理论已有一百多年的发展历程，但晶体生长理论还并不完善
8、，现有的晶体生长模型还不能体生长理论还并不完善，现有的晶体生长模型还不能完全用于指导晶体生长实践，为了提高晶体质量还有完全用于指导晶体生长实践，为了提高晶体质量还有许多实际问题尚待解决。许多实际问题尚待解决。 1 1成核成核成核过程实际是一个相变过程。相是一个体系中均成核过程实际是一个相变过程。相是一个体系中均匀一致的部分，它与另外的其它部分有明显的分界线。匀一致的部分，它与另外的其它部分有明显的分界线。化学成分相同的物质，在不同的温压条件下，可以呈化学成分相同的物质，在不同的温压条件下，可以呈不同的结构（同质多象）、或不同的状态如固相、液相不同的结构（同质多象）、或不同的状态如固相、液相和气
9、相。和气相。相变：相变：当某一体系在外界条件改变时，会发生状态当某一体系在外界条件改变时，会发生状态的改变，这种现象即相变。宝石合成的过程即生长晶体，的改变，这种现象即相变。宝石合成的过程即生长晶体，从液相变为固相，或固相变为固相、气相变为固相；相从液相变为固相，或固相变为固相、气相变为固相；相变过程受温压条件、介质组分的控制。变过程受温压条件、介质组分的控制。相图：相图：根据相变理论公式（克拉帕珑方程），即反根据相变理论公式（克拉帕珑方程），即反映压力、温度和组分的关系，作出的表示相变、温度、映压力、温度和组分的关系，作出的表示相变、温度、压力、组分关系的图解。压力、组分关系的图解。石墨的相
10、图是一元石墨的相图是一元相图，如图所示。相图，如图所示。这个相图表明，在这个相图表明，在很大的压力和温度很大的压力和温度范围内存在碳的固范围内存在碳的固态相变。它是根据态相变。它是根据热力学原理，结合热力学原理，结合多次实验和外推等多次实验和外推等做出的。石墨在温做出的。石墨在温度度1400-16000C和和4.5-6109Kb的压的压力下会转变为钻石，力下会转变为钻石，该图是合成钻石的该图是合成钻石的依据。依据。石墨石墨- -钻石的相图钻石的相图 在合成晶体过程中，为了获得理想的晶体，人为提供在合成晶体过程中，为了获得理想的晶体，人为提供的晶核称为的晶核称为种晶或籽晶种晶或籽晶。种晶一般都是
11、从已有的大晶体上切取的。种晶上的缺种晶一般都是从已有的大晶体上切取的。种晶上的缺陷，如位错、开裂、晶格畸变等在一定的范围内会陷，如位错、开裂、晶格畸变等在一定的范围内会“遗传遗传”给新生长的晶体。在选择种晶时要避开缺陷。给新生长的晶体。在选择种晶时要避开缺陷。根据晶体生长习性和应用的要求，种晶可采用根据晶体生长习性和应用的要求，种晶可采用粒状、粒状、棒状、片状棒状、片状等不同的形态。种晶的光性方位对合成晶体的等不同的形态。种晶的光性方位对合成晶体的形态、生长速度等有很大的影响。所以种晶的选择非常重形态、生长速度等有很大的影响。所以种晶的选择非常重要。要。2.晶体生长界面稳定性：晶体生长界面稳定
12、性：晶核出现后，过冷或过饱和，驱使质点按一定的晶体晶核出现后，过冷或过饱和，驱使质点按一定的晶体结构在晶核上排列生长。温度梯度和浓度梯度直接影响界结构在晶核上排列生长。温度梯度和浓度梯度直接影响界面的稳定性，从而影响晶面的生长速度、晶体的形态。面的稳定性，从而影响晶面的生长速度、晶体的形态。晶体生长过程中，介质的温度、浓度会影响晶体与介晶体生长过程中，介质的温度、浓度会影响晶体与介质的界面的宏观形状，如是凸起、凹陷或平坦光滑。界面质的界面的宏观形状，如是凸起、凹陷或平坦光滑。界面为平坦光滑状态，则界面稳定性；如果生长条件的干扰，为平坦光滑状态，则界面稳定性；如果生长条件的干扰，界面会产生凹凸不
13、平，即形成不稳定界面。界面会产生凹凸不平，即形成不稳定界面。3晶体生长的界面模型晶体生长的界面模型晶体生长最重要的过程是一个界面过程，涉及生长晶体生长最重要的过程是一个界面过程，涉及生长基元如何从母液相传输到生长界面以及如何在界面上定位基元如何从母液相传输到生长界面以及如何在界面上定位成为晶体的一部分。成为晶体的一部分。A完整光滑界面生长模型完整光滑界面生长模型 此模型又称为成核生长理论模型，或科塞尔此模型又称为成核生长理论模型，或科塞尔-斯特斯特兰斯基（兰斯基（Kossel-Stranski）理论模型。该模型是）理论模型。该模型是1927年，年，由科塞尔首先提出，后经斯特兰斯基加以发展由科塞
14、尔首先提出，后经斯特兰斯基加以发展。在晶核形成以后，结晶物质的质点继续向晶核上粘附，在晶核形成以后，结晶物质的质点继续向晶核上粘附，晶体则得以生长。质点粘附就是按晶体格子构造规律排列晶体则得以生长。质点粘附就是按晶体格子构造规律排列在晶体上。质点向晶核上粘附时，在晶体不同部位的晶体在晶体上。质点向晶核上粘附时，在晶体不同部位的晶体格子构造对质点的引力是不同的。也就是说，质点粘附在格子构造对质点的引力是不同的。也就是说，质点粘附在晶体不同部位所释放出的能量是不一样的。由于晶体总是晶体不同部位所释放出的能量是不一样的。由于晶体总是趋向于具有最小的内能，所以，质点在粘附时，首先粘附趋向于具有最小的内
15、能，所以，质点在粘附时，首先粘附在引力最大、可释放能量最大的部位，使之最稳定。在引力最大、可释放能量最大的部位，使之最稳定。成核生长理论模型成核生长理论模型 在理想的条件下，在理想的条件下，结晶物质的质点向结晶物质的质点向晶体上粘附有三种晶体上粘附有三种不同的部位（图）：不同的部位（图）：质点粘附在晶体表面三面凹角的质点粘附在晶体表面三面凹角的1处处，此时质点受三个，此时质点受三个最近质点的吸引，若质点粘附在晶体表面两面凹角的最近质点的吸引，若质点粘附在晶体表面两面凹角的2处处，则受到两个最近质点的吸引，此处质点所受到的吸引力不则受到两个最近质点的吸引，此处质点所受到的吸引力不如如1处大，若质
16、点在一层面网之上的一般位置处大，若质点在一层面网之上的一般位置3处处，所受到，所受到的吸引力最小。由此可见，质点粘附在晶体的不同部位，的吸引力最小。由此可见，质点粘附在晶体的不同部位，所受到的引力或所释放出的能量是不同的。而且，它首先所受到的引力或所释放出的能量是不同的。而且，它首先会粘附在三面凹角会粘附在三面凹角1处，其次于两面凹角处，其次于两面凹角2处处，最后才是粘，最后才是粘附在一层新的面网上附在一层新的面网上(即即3处处)。由此得出晶体生长过程应该是：先长一条行列，再长由此得出晶体生长过程应该是：先长一条行列，再长相邻的行列，长满一层面网，然后开始长第二层面网，晶相邻的行列，长满一层面
17、网，然后开始长第二层面网，晶面面(晶体上最外层面网晶体上最外层面网)是逐层向外平行推移的。这便是科是逐层向外平行推移的。这便是科塞尔一斯特兰斯基所得出的晶体生长理论。塞尔一斯特兰斯基所得出的晶体生长理论。B.非完整光滑界面生长模型非完整光滑界面生长模型此模型又称为螺旋生长理论模型，或此模型又称为螺旋生长理论模型，或BCF理论模型。该理论模型。该模型于模型于1949年由弗朗克首先提出，后由弗朗克等人年由弗朗克首先提出，后由弗朗克等人（Buston、Cabresa、Frank）进一步发展并提出一系列与）进一步发展并提出一系列与此相关的动力学规律，总称此相关的动力学规律，总称BCF理论模型。该理论模
18、型认理论模型。该理论模型认为，晶面上存在的螺旋位错露头点可以作为晶体生长的台为，晶面上存在的螺旋位错露头点可以作为晶体生长的台阶源（下图），促进光滑界面的生长。这种台阶源永不消阶源（下图），促进光滑界面的生长。这种台阶源永不消失，因此不需要形成二维核。这一理论成功的解释了晶体失，因此不需要形成二维核。这一理论成功的解释了晶体在很低的饱和度下仍能生长，而且生长出光滑的晶体界面在很低的饱和度下仍能生长，而且生长出光滑的晶体界面的现象。的现象。螺旋错位形成的台阶源，围绕螺旋位错线形成螺旋状阶螺旋错位形成的台阶源，围绕螺旋位错线形成螺旋状阶梯层层上升，按梯层层上升，按1、2、3、4、5（见左下图）的顺
19、序，依（见左下图）的顺序，依次生长，次生长，1高于高于2，2高于高于3，最后形成一螺旋线的锥形。由，最后形成一螺旋线的锥形。由于螺旋位错的存在，晶体生长速率大大加快。在许多实际于螺旋位错的存在，晶体生长速率大大加快。在许多实际晶体表面，利用电子显微镜或干涉显微镜很容易观察到晶晶体表面，利用电子显微镜或干涉显微镜很容易观察到晶面中间有螺旋位错露头点的生长丘（图右下图）。这一理面中间有螺旋位错露头点的生长丘（图右下图）。这一理论可以解释许多实际晶体的生长。论可以解释许多实际晶体的生长。 绿柱石表面由于螺旋位错造绿柱石表面由于螺旋位错造成的生长丘（干涉显微镜下）成的生长丘（干涉显微镜下）螺旋位错生长
20、示意图螺旋位错生长示意图4人工晶体生长方法人工晶体生长方法1从熔体中生长单晶体：从熔体中生长单晶体：粉末原料粉末原料加热加热熔化熔化冷却冷却超过临界过冷度超过临界过冷度结晶，结晶，从熔体中生长晶体的方法是最早的研究方法，也是广从熔体中生长晶体的方法是最早的研究方法，也是广泛应用的合成方法。从熔体中生长单晶体的最大优点是生泛应用的合成方法。从熔体中生长单晶体的最大优点是生长速率大多快于在溶液中的生长速率。二者速率的差异在长速率大多快于在溶液中的生长速率。二者速率的差异在10-1000倍。倍。从熔体中生长晶体的方法主要有焰熔法、提拉法、冷从熔体中生长晶体的方法主要有焰熔法、提拉法、冷坩埚法和区域熔
21、炼法。坩埚法和区域熔炼法。2从液体中生长单晶体：从液体中生长单晶体： 原料原料加热加热溶解（迁移、反应）溶解（迁移、反应）过饱和过饱和析出析出结晶结晶由两种或两种以上的物质组成的均匀混合物称为溶液，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）、高温溶液温溶液（如水溶液、有机溶液、凝胶溶液等）、高温溶液（即熔盐）与热液等。（即熔盐）与热液等。从溶液中生长晶体的方法主要有助熔剂法和水热法从溶液中生长晶体的方法主要有助熔剂法和水热法。3从气相中生长单晶体的方
22、法从气相中生长单晶体的方法气相生长可分为单组分体系和多组分体系生长两种。气相生长可分为单组分体系和多组分体系生长两种。单组分气相生长单组分气相生长要求气相具备足够高的蒸气压，利用要求气相具备足够高的蒸气压，利用在高温区汽化升华、在低温区凝结生长的原理进行生长。在高温区汽化升华、在低温区凝结生长的原理进行生长。但这种方法应用不广，所生长的晶体大多为针状、片状但这种方法应用不广，所生长的晶体大多为针状、片状的单晶体。的单晶体。多组分气相生长多组分气相生长一般多用于外延薄膜生长，外延生长一般多用于外延薄膜生长，外延生长是一种晶体浮生在另一种晶体上。主要用于电子仪器、是一种晶体浮生在另一种晶体上。主要
23、用于电子仪器、磁性记忆装置和集成光学等方面的工作元件的生产上。磁性记忆装置和集成光学等方面的工作元件的生产上。合成金刚石薄膜的化学气相沉淀合成金刚石薄膜的化学气相沉淀(CVD)法以及合成法以及合成碳化硅单晶生产技术，就属于此类。碳化硅单晶生产技术，就属于此类。二、合成宝石的合成方法二、合成宝石的合成方法( (一一) ) 焰熔法合成方法焰熔法合成方法 最早是最早是1885年由弗雷米（年由弗雷米（E.Fremy）、弗尔）、弗尔（E.Feil）和乌泽（）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时
24、的轰动一时的“日内瓦红宝石日内瓦红宝石”。后来于。后来于1902年弗年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因此，这种方法又被称为此，这种方法又被称为维尔纳叶法。维尔纳叶法。（一）从熔体中结晶（一）从熔体中结晶将适当组分的固体粉末熔化后再结晶的方法将适当组分的固体粉末熔化后再结晶的方法,进一进一步分为四种步分为四种, 即维尔纳叶法、丘克拉斯基法、冷坩埚即维尔纳叶法、丘克拉斯基法、冷坩埚法和区域熔炼法。法和区域熔炼法。1.维尔纳叶法或称焰熔法维尔纳叶法或称焰熔法（1）基
25、本原理）基本原理将适当组分的细粉末落入烈焰之中熔化将适当组分的细粉末落入烈焰之中熔化,然后固化形然后固化形成单晶。成单晶。（2）生产过程）生产过程加料加料点燃点燃熔化熔化烧结锥烧结锥单晶单晶冷却。冷却。焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在组成，合成过程是在维尔纳叶炉维尔纳叶炉中进行的。中进行的。合成不同颜色的红宝石和蓝宝石取决于添加不同的致合成不同颜色的红宝石和蓝宝石取决于添加不同的致色元素。色元素。A供料系统供料系统原料：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
26、筒。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（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。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。中释放出来。如果合成红宝石，则需要如果合成红宝石，则需要Al2O3和和Cr2O3，三氧化二，三氧化二铝可由铝铵矾加热获得；致色剂为铝可由铝铵矾加热获得；致色剂为Cr2O31-3%，B燃烧系统燃烧系统氧气管：从料筒一侧释放，与原料粉末一同下降；氧气管：从料筒
27、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。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，通过控制管内流量来控制氢氧比例，O2:H2=1:3；氢氧燃烧温度为氢氧燃烧温度为25000C，Al2O3粉末的熔点为粉末的熔点为20500C；冷却套：吹管至喷嘴处有一冷却水套，使氢气和氧气冷却套：吹管至喷嘴处有一冷却水套，使氢气和氧气处于正常供气状态，保证火焰以上的氧管不被熔化处于正常供气状态，保证火焰以上的氧管不被熔化C生长系统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
28、（籽晶棒上，逐渐长成一个晶棒（梨晶梨晶）。水套下为一耐）。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；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，旋转平台以均匀大晶种的生长直径，称为扩肩；然后，
29、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。的速度边旋转边下降，使晶体得以等径生长。（3 3）维尔纳叶法合成装置）维尔纳叶法合成装置 维尔纳叶法合成装置维尔纳叶法合成装置 维尔纳叶维尔纳叶法法合成宝合成宝石梨晶石梨晶梨晶：长出的晶体形态类似梨形，故称为梨晶。梨晶大小通常为长梨晶：长出的晶体形态类似梨形，故称为梨晶。梨晶大小通常为长23cm，直径，直径2.5-5cm。生长速度：生长速度：1厘米厘米/小时，一般小时，一般6小时完成即可完成生长。小时完成即可完成生长。因为生长速度快，内应力很大，停止生长后，应该轻轻敲击，让它沿纵向裂开成两半因为生长速度快，内应力很大，停止生长后，应该轻轻敲
30、击，让它沿纵向裂开成两半以释放内应力，避免以后产生裂隙。以释放内应力，避免以后产生裂隙。特点：方法特点：生长速度快、设备简单、产量大、便于商业化。世界上每年用此法特点：方法特点：生长速度快、设备简单、产量大、便于商业化。世界上每年用此法合成的宝石大于合成的宝石大于10亿克拉。但用此方法合成的宝石晶体缺陷多、容易识别。亿克拉。但用此方法合成的宝石晶体缺陷多、容易识别。 各种合成刚玉的致色元素各种合成刚玉的致色元素 合成刚玉合成刚玉原料原料Al2O3，另加致色元素如下，另加致色元素如下合成红宝石合成红宝石Cr2O3，1-3%合成蓝宝石合成蓝宝石Fe，Ti；0.3-0.5%合成黄色蓝宝石合成黄色蓝宝
31、石Ni，Cr合成紫色蓝宝石合成紫色蓝宝石CrFe，Ti合成变色蓝宝石合成变色蓝宝石Cr2O3，V2O5，3-4%合成星光红宝石合成星光红宝石TiO20.1-0.3%，Cr2O31-3%合成星光蓝宝石合成星光蓝宝石FeO+TiO2：0.3-0.5%；TiO2：0.1-0.3%（4）合成宝石的品种）合成宝石的品种1）合成刚玉）合成刚玉2）合成尖晶石）合成尖晶石3）金红石）金红石4）钛酸锶）钛酸锶1）合成刚玉）合成刚玉合成刚玉的宝石学性质合成刚玉的宝石学性质合成红宝石合成红宝石：加入致色元素：加入致色元素Cr2O31-3%合成蓝宝石合成蓝宝石：加入致色元素：加入致色元素TiO2和和FeO，但，但Ti
32、和和Fe的的逸散作用，使合成蓝宝石常常有无色核心和蓝色表皮逸散作用，使合成蓝宝石常常有无色核心和蓝色表皮,颜颜色分布不均匀；色分布不均匀；粉红色和紫红色粉红色和紫红色：加入致色元素：加入致色元素Cr、Ti、Fe；黄色黄色：加入致色元素：加入致色元素Ni和和Cr；变色刚玉变色刚玉：加入：加入V和和Cr；显紫红色到蓝紫色的变色效应。；显紫红色到蓝紫色的变色效应。除祖母绿外，任何颜色的刚玉都可以合成。除祖母绿外，任何颜色的刚玉都可以合成。星光刚玉星光刚玉：如需要合成星光刚玉，则需要在上述原料中：如需要合成星光刚玉，则需要在上述原料中再添加再添加0.l一一0.3%的的TiO2，这样长成的梨晶中，这样长
33、成的梨晶中，TiO2呈呈固熔体分布于刚玉晶格中，并没有以金红石的针状矿物固熔体分布于刚玉晶格中，并没有以金红石的针状矿物相析出。必须在相析出。必须在l300度恒温度恒温24小时，让金红石针沿六方小时，让金红石针沿六方柱柱面方向出溶，才能产生星光效应。柱柱面方向出溶，才能产生星光效应。各种合成刚玉的致色元素各种合成刚玉的致色元素 合成刚玉合成刚玉原料原料Al2O3，另加致色元素如下，另加致色元素如下合成红宝石合成红宝石Cr2O3，1-3%合成蓝宝石合成蓝宝石Fe，Ti；0.3-0.5%合成黄色蓝宝石合成黄色蓝宝石Ni，Cr合成紫色蓝宝石合成紫色蓝宝石CrFe，Ti合成变色蓝宝石合成变色蓝宝石Cr
34、2O3，V2O5，3-4%合成星光红宝石合成星光红宝石TiO20.1-0.3%，Cr2O31-3%合成星光蓝宝石合成星光蓝宝石FeO+TiO2：0.3-0.5%；TiO2：0.1-0.3%合成刚玉鉴定特征合成刚玉鉴定特征 原始晶形：原始晶形：焰熔法合成的宝石原始晶形都是梨形。而天然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。市场上也出现过将宝石的晶体形态为一定的几何多面体。市场上也出现过将焰熔法合成的梨晶破碎，甚至经过滚筒磨成毛料，来仿称焰熔法合成的梨晶破碎，甚至经过滚筒磨成毛料，来仿称天然原料销售。天然原料销售。包裹体：包裹体：合成红、蓝宝石中常可见气泡和未熔粉
35、末出现，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。一般气泡小而圆，或似蝌蚪状；可单独或成群出。焰熔法合成红宝石中的气泡及弯曲生长纹焰熔法合成红宝石中的气泡及弯曲生长纹 色带：色带：红宝石中常常为细密的弧形生长纹，类似唱片纹；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，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。色带。维尔纳叶法合成蓝宝石中的弯曲色带维尔纳叶法合成蓝宝石中的弯曲色带吸收光谱：吸
36、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，或蓝区的吸收，或450nm的吸收带十分模糊。的吸收带十分模糊。荧光：荧光：合成蓝宝石有时显示蓝白色或绿白色荧光，天合成蓝宝石有时显示蓝白色或绿白色荧光，天然的为惰性。合成红宝石通常比天然红宝石的红色荧光明然的为惰性。合成红宝石通常比天然红宝石的红色荧光明显强。显强。蓝宝石蓝宝石: :蓝区蓝区450450、460460、470nm470nm有有3 3条吸收窄带条吸收窄带 (Fe)(Fe)光栅式分光镜观察光栅式分光镜观察 帕拉图法：帕拉图法：将刚玉浸于盛有二碘甲烷的玻璃器皿中，在显将刚玉
37、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察到两组夹角为1200的结构线。的结构线。合成刚玉帕拉图法结构线合成刚玉帕拉图法结构线 在合成红宝石原料中，在合成红宝石原料中，加上加上0.1%-0.3%的二氧化的二氧化钛。颜色呈浅紫红色或钛。颜色呈浅紫红色或粉红色，硬度粉红色，硬度9，半透明。，半透明。有有6道放射状星光，在星道放射状星光，在星线交汇处无加宽加亮的线交汇处无加宽加亮的现象；而天然星光红宝现象；而天然星光红宝石在星线交汇处形成一石在星线交汇处形成一个集中的亮点。个集中的亮点。焰熔法
38、合成星光刚玉：焰熔法合成星光刚玉：合成星光蓝宝石合成星光蓝宝石合成星光刚玉与天然星光刚玉的区别合成星光刚玉与天然星光刚玉的区别 合成星光刚玉合成星光刚玉天然星光刚玉天然星光刚玉内含内含物物大量气泡和未熔粉末；大量气泡和未熔粉末；金红石针极其微小，难以辨金红石针极其微小，难以辨认；认；弯曲色带明显弯曲色带明显各种晶体包体、气液包体、各种晶体包体、气液包体、指纹状包体；指纹状包体；金红石针较粗，易识别；金红石针较粗，易识别；直角状或六方色带直角状或六方色带星带星带外观外观特征特征星光浮于表面，星线直、匀、星光浮于表面，星线直、匀、细，连续性好；中心无宝光细，连续性好；中心无宝光星光发自内部深处；星
39、线星光发自内部深处；星线中间粗，两端细，可以不中间粗，两端细，可以不连续；中心有宝光连续；中心有宝光焰熔法合成星光刚玉：焰熔法合成星光刚玉：天然合成红、蓝宝石的加工质量通天然合成红、蓝宝石的加工质量通常较为精细，尤其是高质量的宝石，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，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其长轴方向
40、与光轴方向夹角为60度，度，为了充分利用原料，其台面通常会为了充分利用原料，其台面通常会平行长轴方向切磨（右图）。所以平行长轴方向切磨（右图）。所以合成刚玉在台面通常都可见多色性，合成刚玉在台面通常都可见多色性，而天然的则不然。而天然的则不然。合成红、蓝宝石的加工质量：合成红、蓝宝石的加工质量： 焰熔法合成刚玉的梨晶焰熔法合成刚玉的梨晶与切磨方向示意图与切磨方向示意图 2）合成尖晶石）合成尖晶石市场上所见到的合成尖晶石几乎全是由焰熔法生产，但也市场上所见到的合成尖晶石几乎全是由焰熔法生产，但也可用可用助熔剂法助熔剂法生产。生产。原料：原料：红色：红色：MgO：Al2O3=1：1，致色元素，致色
41、元素Cr2O3；其它颜色的用其它颜色的用1:1的比例难以合成，但红色尖晶石只有以的比例难以合成，但红色尖晶石只有以1：1的比例才能合成。由此合成的红色尖晶石性脆，所以市场上的比例才能合成。由此合成的红色尖晶石性脆，所以市场上少见。蓝色尖晶石的合成是人们在合成蓝宝石的实验中偶然少见。蓝色尖晶石的合成是人们在合成蓝宝石的实验中偶然获得的。当时人们还不了解蓝宝石的致色元素是获得的。当时人们还不了解蓝宝石的致色元素是Ti和和Fe，人，人们曾经尝试过加入致色元素们曾经尝试过加入致色元素V、Co、Fe、Mg等，当终于获得等，当终于获得蓝色合成品时，人们以为是蓝宝石，结果是合成蓝色尖晶石。蓝色合成品时，人们
42、以为是蓝宝石，结果是合成蓝色尖晶石。蓝色：蓝色：MgO：Al2O=1：1.5-3.5，致色元素，致色元素Co；绿色：绿色：MgO：Al2O=1：3褐色：褐色：MgO：Al2O=1：5粉红色：粉红色：MgO：Al2O=1：1.5-3.5致色元素致色元素Cu；有月光效应的无色品种：有月光效应的无色品种：1：5，过多的氧化铝未熔形成无，过多的氧化铝未熔形成无数细小针状包体导致月光效应，有时甚至形成星光。数细小针状包体导致月光效应，有时甚至形成星光。烧结蓝色尖晶石：由钴致色，并加入金粉，用来仿青金岩。烧结蓝色尖晶石：由钴致色，并加入金粉，用来仿青金岩。合成尖晶石合成尖晶石Al2O3的成分比天然尖晶石要
43、高得多，颜色浓艳均一，的成分比天然尖晶石要高得多，颜色浓艳均一，加入不同得色素离子可呈现各种颜色，如加入铬或锰呈加入不同得色素离子可呈现各种颜色，如加入铬或锰呈红色，加入钴呈蓝色等，由于合成尖晶石颜色浓艳呆板，红色，加入钴呈蓝色等，由于合成尖晶石颜色浓艳呆板，故很容易与天然宝石区分。故很容易与天然宝石区分。合成尖晶石的鉴定特征合成尖晶石的鉴定特征包裹体：包裹体：合成尖晶石中气泡和未熔粉末较少出现，偶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。尔出现的气泡多为异形。色带：色带：合成尖晶石很少显示色带。合成尖晶石很少显示色带。吸收光谱：吸收光谱：合成蓝色尖晶石显示典型的钴谱（合成蓝
44、色尖晶石显示典型的钴谱（分别位于分别位于540、580、635nm的三条吸收带的三条吸收带），天然蓝色尖晶石显示的），天然蓝色尖晶石显示的是蓝区的吸收带，为铁谱。是蓝区的吸收带，为铁谱。合成蓝色尖晶石合成蓝色尖晶石: :绿、黄和橙黄区有三条强的吸收带，绿区吸绿、黄和橙黄区有三条强的吸收带，绿区吸收带最窄收带最窄(Co)(Co)蓝宝石蓝宝石: :蓝区蓝区450450、460460、470nm470nm有有3 3条吸收窄带条吸收窄带 (Fe)(Fe)光栅式分光镜观察光栅式分光镜观察 荧光：荧光：合成蓝色尖晶石为强的红色荧光，而天然的也为合成蓝色尖晶石为强的红色荧光，而天然的也为惰性。惰性。焰熔法合
45、成尖晶石：焰熔法合成尖晶石：焰熔法合成尖晶石与天然尖晶石的区别焰熔法合成尖晶石与天然尖晶石的区别合成尖晶石合成尖晶石天然尖晶石天然尖晶石内含物内含物包体少，偶有气泡，形态狭长或异包体少，偶有气泡，形态狭长或异形；色带少见，仅见于红色尖晶石形；色带少见，仅见于红色尖晶石中中气液包体气液包体常见晶体包体：尤其是八面体常见晶体包体：尤其是八面体形；色带少见形；色带少见RI1.727Fixed红色尖晶石例外红色尖晶石例外用于检测折射仪用于检测折射仪1.714-1.718,高铬的红色尖晶石高铬的红色尖晶石:1.74镁锌尖晶石镁锌尖晶石:1.715-1.80锌尖晶石锌尖晶石:1.80SG3.63，红色尖晶
46、石：红色尖晶石：3.60-3.66；仿青金岩的烧结蓝色尖晶石：仿青金岩的烧结蓝色尖晶石：3.523.60光谱光谱蓝色者：蓝色者：Co谱谱,540,580和和635nm处有吸处有吸收带；收带；红色：红区只有一条荧光光谱线红色：红区只有一条荧光光谱线浅黄绿色：浅黄绿色：445nm，422nm线线蓝色者：蓝色者：Fe谱，蓝区谱，蓝区458nm有吸收有吸收带；带；红色者：红区红色者：红区5条条管风琴状荧光管风琴状荧光谱线（交叉滤色镜下观察）谱线（交叉滤色镜下观察）荧光荧光及滤色镜及滤色镜无色者：无色者：SW下强蓝白色；下强蓝白色；蓝色者：蓝色者：SW：红色或蓝白色，滤色镜：红色或蓝白色，滤色镜下变红下
47、变红红色：红色荧光，滤色镜下变红红色：红色荧光，滤色镜下变红无色：惰性无色：惰性蓝色：惰性，滤色镜下不变红蓝色：惰性，滤色镜下不变红红色：红色荧光，滤色镜下变红红色：红色荧光，滤色镜下变红正交偏光镜正交偏光镜斑纹状消（图斑纹状消（图7）,红色尖晶石例外红色尖晶石例外全消光全消光天然尖晶石的斑纹状消光天然尖晶石的斑纹状消光3）合成金红石）合成金红石天然的金红石常呈细小针状，以大晶天然的金红石常呈细小针状，以大晶体产出的多为褐红色而且多裂，很少有宝体产出的多为褐红色而且多裂，很少有宝石级的材料。合成金红石的目的不是为了石级的材料。合成金红石的目的不是为了替代天然金红石，而是为了模仿钻石。在替代天然
48、金红石，而是为了模仿钻石。在合成立方氧化锆出现后，合成金红石很少合成立方氧化锆出现后，合成金红石很少生产了。生产了。因为因为TiO2在燃烧时易脱氧，所以需要在燃烧时易脱氧，所以需要充足的氧，在合成刚玉的装置上多加了一充足的氧，在合成刚玉的装置上多加了一个氧管（见图）。个氧管（见图）。TiO2的熔点为的熔点为18400C，粉末熔化，再在支座的种晶上结晶。粉末熔化，再在支座的种晶上结晶。获得的梨晶为蓝黑色，这是因为高温获得的梨晶为蓝黑色，这是因为高温下形成了下形成了Ti33+和相应的氧空位。通过在和相应的氧空位。通过在高温氧化环境中退火处理，退火温度为高温氧化环境中退火处理，退火温度为800-10
49、000C，即可去除蓝黑色，变为淡黄，即可去除蓝黑色，变为淡黄色到近无色的透明晶体。如果在原料中掺色到近无色的透明晶体。如果在原料中掺入入Sc2O3，则可直接获得近无色的晶体。，则可直接获得近无色的晶体。这是因为掺入的这是因为掺入的Sc2O3在晶体中形成的氧在晶体中形成的氧空位会提高晶体中的氧的扩散系数，使晶空位会提高晶体中的氧的扩散系数，使晶体在降温过程中就完成氧的扩散和退色。体在降温过程中就完成氧的扩散和退色。合成金红石的装置（马福炉）合成金红石的装置（马福炉）局部图局部图合成金红石宝石学性质合成金红石宝石学性质化学成分：化学成分：TiO2；四方晶系四方晶系光泽：金刚光泽；光泽：金刚光泽；透
50、明度：透明；透明度：透明；颜色：无色者常带浅黄色调。还可有红、橙、黄、蓝颜色：无色者常带浅黄色调。还可有红、橙、黄、蓝色者。色者。硬度：硬度：6-6.5；相对密度：相对密度：4.25；折射率：折射率：2.616-2.903；双折射率：双折射率：0.287；光性：一轴晶正光性；光性：一轴晶正光性；色散：极强，色散：极强，0.28-0.30；光谱：紫区末端有强吸收带，使其光谱看似被截短了；光谱：紫区末端有强吸收带，使其光谱看似被截短了；内含物：气泡、未熔粉末；内含物：气泡、未熔粉末；合成金红石的鉴别：合成金红石的鉴别：合成金红石具有极高的色散值使其泛出五颜六色的火合成金红石具有极高的色散值使其泛出
