焰熔法合成宝石课件.pptx

1、内容内容o一、焰熔法生长宝石工艺一、焰熔法生长宝石工艺o二、焰熔法生长刚玉类、金红石类、二、焰熔法生长刚玉类、金红石类、尖晶石类和钛酸锶类宝石尖晶石类和钛酸锶类宝石o三、焰熔法生长宝石的鉴别三、焰熔法生长宝石的鉴别一、焰熔法生长宝石工艺一、焰熔法生长宝石工艺o1 1、原理、原理 焰熔法是从熔体中生长单晶体的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氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在籽晶上固结逐渐生长形成晶体。却并在籽晶上固结逐渐生长形成晶体。2 2、合成装置与条件、过程、合成装置与条件、过程 焰熔法装置示意图

2、焰熔法装置示意图 装置a 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，放入料筒。经过充分拌匀，放入料筒。料筒（筛状底）：圆筒，用来装原料，底部有筛料筒（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、孔；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。周期性地自动释放。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。筛孔中释放出来。如果合成红宝石，则需要如果合成红宝石，则需要AlAl2 2O O3 3 和和 CrCr

3、2 2 O O3 3，三氧，三氧化二铝可由铝铵矾加热获得；致色剂为化二铝可由铝铵矾加热获得；致色剂为CrCr2 2 O O3 3 1-3%1-3%，b 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，O O2 2：H H2 21 1：3 3；氢氧燃烧温度为氢氧燃烧温度为25002500o oC C，AlAl2 2O O3 3粉末的熔点为粉末的熔点为20502050o oC C；冷却套：吹管

4、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冷却套及冷却套及循环水循环水保温套保温套氧气进口氧气进口氢气进口氢气进口c 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（梨晶）。水套下为一耐火籽晶棒上，逐渐长成一个晶棒（梨晶）。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，近上部砖围砌的保温炉，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

5、：保证熔滴有一个观察孔，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；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大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，旋转平台以均匀的速晶种的生长直径，称为扩肩；然后，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。度边旋转边下降，使晶体得以等径生长。梨晶：长出的晶体形态类似梨形，故称为梨晶。梨晶梨晶：长出的晶体形态类似梨形，故称为梨晶。梨晶大小通常为长大小通常为长23

6、cm23cm，直径，直径2.5-5cm2.5-5cm。生长速度：生长速度：1 1厘米厘米/小时，一般小时，一般6 6小时完成即可完成生小时完成即可完成生长。长。因为生长速度快，内应力很大，停止生长后，应该轻因为生长速度快，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以释放内应力，避免以后轻敲击，让它沿纵向裂开成两半以释放内应力，避免以后产生裂隙。产生裂隙。特点：方法特点：生长速度快、设备简单、产量大、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便于商业化。世界上每年用此法合成的宝石大于1010亿克拉。亿克拉。但用此方法合成的宝石晶体缺陷

7、多、容易识别。但用此方法合成的宝石晶体缺陷多、容易识别。二、焰熔法生长刚玉类晶体二、焰熔法生长刚玉类晶体o 1 1、合成刚玉原料的选择与提纯、合成刚玉原料的选择与提纯 原料：原料：AlAl2 2O O3 3粉末；粉末；纯度：纯度：99.999.9。2 2、彩色刚玉致色元素的选择、彩色刚玉致色元素的选择 合成红宝石：加入致色元素合成红宝石：加入致色元素 CrCr2 2 O O3 3 1-3%1-3%合成蓝宝石：加入致色元素合成蓝宝石：加入致色元素TiOTiO2 2和和FeOFeO，但，但TiTi和和FeFe的逸散作用，使合成蓝宝石常常有无色核的逸散作用，使合成蓝宝石常常有无色核心和蓝色表皮心和蓝

8、色表皮,颜色分布不均匀；颜色分布不均匀；粉红色和紫红色：加入致色元素粉红色和紫红色：加入致色元素CrCr、TiTi、FeFe；黄色：加入致色元素黄色：加入致色元素NiNi和和CrCr；变色刚玉：加入变色刚玉：加入V V和和CrCr；显紫红色到蓝紫色；显紫红色到蓝紫色的变色效应。的变色效应。各种合成刚玉的致色元素各种合成刚玉的致色元素 3 3、星光刚玉原料选择、星光刚玉原料选择 o 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.l0.l一一0.3%0.3%的的TiOTiO2 2，这样长成的梨晶，这样长成的梨晶中，中，TiOTiO2 2 呈固熔体分布于

9、刚玉晶格中，并呈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。必须在没有以金红石的针状矿物相析出。必须在13001300度恒温度恒温2424小时，让金红石针沿六方柱柱小时，让金红石针沿六方柱柱面方向出溶，才能产生星光效应。面方向出溶，才能产生星光效应。4 4、晶体生长、晶体生长5 5、退火处理、退火处理o 无色和彩色刚玉退火温度：无色和彩色刚玉退火温度：18001800o oC C，时间，时间2 2小时。小时。o 星光：首先是使星光：首先是使TiOTiO2 2在高温下发生扩散作用，在高温下发生扩散作用，均匀分布，然后降温使均匀分布，然后降温使TiOTiO2 2生产金红石矿物生产金红石

10、矿物在刚玉晶体的六方柱结构上以针状析出，从在刚玉晶体的六方柱结构上以针状析出，从而产生星光，其次是消除内应力。而产生星光，其次是消除内应力。o 退火温度：退火温度：14201420o oC C，时间，时间5 5小时。小时。三、焰熔法生长金红石类晶体三、焰熔法生长金红石类晶体o 天然的金红石常呈细小针状，以大晶体产出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，很少有宝石级的材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替代天然金料。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。在合成立方氧化红石，而是为了模仿钻石。在合成立方氧化锆出现后，合成金红

11、石很少生产了。锆出现后，合成金红石很少生产了。合成金红石的装置（马福炉）局部图合成金红石的装置（马福炉）局部图因为因为TiO2在燃烧时易脱在燃烧时易脱氧，所以需要充足的氧，氧，所以需要充足的氧，在合成金红石的装置上在合成金红石的装置上多加了一个氧管。多加了一个氧管。TiO2的熔点为的熔点为1840oC，粉，粉末熔化，再在支座的种末熔化，再在支座的种晶上结晶。晶上结晶。获得的梨晶为蓝黑色，这是因为高温下获得的梨晶为蓝黑色，这是因为高温下形成了形成了TiTi3 33+3+和相应的氧空位。通过在高温和相应的氧空位。通过在高温氧化环境中退火处理，退火温度为氧化环境中退火处理，退火温度为800-800-

12、10001000o oC C，即可去除蓝黑色，变为淡黄色到近，即可去除蓝黑色，变为淡黄色到近无色的透明晶体。如果在原料中掺入无色的透明晶体。如果在原料中掺入ScSc2 2O O3 3 ，则可直接获得近无色的晶体。这是因为掺入则可直接获得近无色的晶体。这是因为掺入的的ScSc2 2O O3 3在晶体中形成的氧空位会提高晶体中在晶体中形成的氧空位会提高晶体中的氧的扩散系数，使晶体在降温过程中就完的氧的扩散系数，使晶体在降温过程中就完成氧的扩散和退色。成氧的扩散和退色。合成金红石加入着色剂所呈现的颜色合成金红石加入着色剂所呈现的颜色加入的着色剂呈现的颜色加入的着色剂呈现的颜色Fe橄榄绿Cr橙色V暗红

13、色和黄色Ni黄橙色Mn黄色Co暗红色合成金红石的宝石学性质合成金红石的宝石学性质 化学成分：化学成分：TiO2TiO2；四方晶系四方晶系 光泽：金刚光泽；光泽：金刚光泽；透明度：透明；透明度：透明；颜色：无色者常带浅黄色调。还可有红、橙、黄、蓝色者。颜色：无色者常带浅黄色调。还可有红、橙、黄、蓝色者。硬度：硬度：6-6.56-6.5；相对密度：相对密度：4.254.25；折射率：折射率：2.616-2.9032.616-2.903；双折射率：双折射率：0.2870.287；光性：一轴晶正光性；光性：一轴晶正光性；色散：极强，色散：极强，0.28-0.300.28-0.30；光谱：紫区末端有强吸

14、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合成金红石具有极高的色散值使其泛出五颜六色的火彩。这种特征使之不易与其他五颜六色的火彩。这种特征使之不易与其他任何材料相混淆。此外，其极高的双折射率任何材料相混淆。此外，其极高的双折射率使其刻面棱重影异常清晰。仅此二特征就足使其刻面棱重影异常清晰。仅此二特征就足以确认它了。以确认它了。四、焰熔法生长尖晶石类和钛酸锶类宝石四、焰熔法生长尖晶石类和钛酸锶类宝石o 1 1、尖晶石、尖晶石 原料原料 红色：红色：

15、MgOMgO：AlAl2 2O O3 31 1：1 1，致色元素，致色元素CrCr2 2 O O3 3；其它颜色的用其它颜色的用1:11:1的比例难以合成，但红色尖晶石只有的比例难以合成，但红色尖晶石只有以以1 1：1 1的比例才能合成。由此合成的红色尖晶石性脆，所的比例才能合成。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获得的。当时人们还不了解蓝宝石的致色元素实验中偶然获得的。当时人们还不了解蓝宝石的致色元素是是TiTi和和FeFe，人们曾经尝试过加入致色元素，人们曾经尝试过加入致色元素V V、C

16、oCo、FeFe、MgMg等，等，当终于获得蓝色合成品时，人们以为是蓝宝石，结果是合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。成蓝色尖晶石。蓝色：蓝色：MgOMgO：Al2O 3Al2O 31 1：1.5-3.51.5-3.5，致色元素，致色元素CoCo；绿色：绿色：MgOMgO：Al2O3Al2O31 1：3 3 褐色：褐色：MgOMgO：Al2O 3 Al2O 3 1 1：5 5 粉红色：粉红色：MgOMgO：Al2O3Al2O31 1：1.5-3.5 1.5-3.5 致色元素致色元素CuCu；有月光效应的无色品种：有月光效应的无色品种：1 1：5 5，过多的氧化铝未

17、，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。成星光。烧结蓝色尖晶石：由钴致色，并加入金粉，用来仿烧结蓝色尖晶石：由钴致色，并加入金粉，用来仿青金岩。青金岩。2 2、钛酸锶钛酸锶 钛酸锶早在钛酸锶早在19551955年人们就利用焰熔法年人们就利用焰熔法生产出来，当时在自然界还没有发现天然的生产出来，当时在自然界还没有发现天然的对应物。尽管，对应物。尽管，19871987年在俄罗斯发现了其天年在俄罗斯发现了其天然对应物，矿物名为然对应物，矿物名为TausoniteTausonite，人们仍习，人们仍习惯把它归为人造宝石材料。最

18、初人们生产钛惯把它归为人造宝石材料。最初人们生产钛酸锶主要用于模仿钻石。但自从立方氧化锆酸锶主要用于模仿钻石。但自从立方氧化锆合成成功后，这种仿钻材料在宝石市场上很合成成功后，这种仿钻材料在宝石市场上很少见得到了。但它透红外线的能力强，仍有少见得到了。但它透红外线的能力强，仍有生产用作红外光学透镜等。生产用作红外光学透镜等。与合成金红石一样，其合成装置也必须与合成金红石一样，其合成装置也必须多加一根氧管，长出的晶体也是乌黑的，需多加一根氧管，长出的晶体也是乌黑的，需要在氧化条件下退火（温度要在氧化条件下退火（温度16001600度），才能度），才能变成近无色的透明晶体。变成近无色的透明晶体。所

19、采用的原料为：所采用的原料为：SrO SrO：TiOTiO2 2=1=1：1 1钛酸锶的宝石学性质钛酸锶的宝石学性质 化学成分：化学成分：SrTiOSrTiO3 3；等轴晶系等轴晶系 光泽：亚金刚金刚光泽；光泽：亚金刚金刚光泽；透明度：透明；透明度：透明；颜色：无色为主，偶见红、黄、蓝、褐色材料；颜色：无色为主，偶见红、黄、蓝、褐色材料；硬度：硬度：5.5-65.5-6；比重：比重：5.135.13；断口：贝壳状；断口：贝壳状；折射率：折射率：2.412.41，单折射；，单折射；色散：色散：0.190.19，极强；，极强；内含物：气泡；内含物：气泡；钛酸锶的鉴别钛酸锶的鉴别 钛酸锶作为仿钻材料

20、，极易识别。钛钛酸锶作为仿钻材料，极易识别。钛酸锶极强的火彩使它明显不同于钻石。尽管酸锶极强的火彩使它明显不同于钻石。尽管标准圆多面型的钛酸锶在线试验中不透光，标准圆多面型的钛酸锶在线试验中不透光，但它明显较低的硬度使之表面显示出明显的但它明显较低的硬度使之表面显示出明显的磨损痕迹、圆滑的刻面棱和不平整的小面。磨损痕迹、圆滑的刻面棱和不平整的小面。尽管反射仪上可获得与钻石相同的折射率，尽管反射仪上可获得与钻石相同的折射率，但热导仪检测时却无钻石反应。卡尺法或静但热导仪检测时却无钻石反应。卡尺法或静水称重都可测出未镶品的比重，从而确认它。水称重都可测出未镶品的比重，从而确认它。焰熔法合成宝石与天

21、然宝石的区焰熔法合成宝石与天然宝石的区别有哪些？别有哪些？参考答案参考答案o 1 1、结晶习性、结晶习性晶体形态晶体形态、正交偏光下的正交偏光下的观察观察o 2 2、包裹体包裹体（思考这里所说包裹体有哪（思考这里所说包裹体有哪些？）些？）o 3 3、吸收光谱吸收光谱o 4 4、发光性发光性o 5 5、对于已经加工的宝石可以从台面的多色对于已经加工的宝石可以从台面的多色性来辅助判断性来辅助判断五、焰熔法生长宝石晶体的鉴别五、焰熔法生长宝石晶体的鉴别o 1 1原始晶形原始晶形 焰熔法合成的宝石原始晶形都是梨形。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。而天然宝石的晶

22、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，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，来仿称天然原料销甚至经过滚筒磨成毛料，来仿称天然原料销售。售。2、包裹体o 生长纹生长纹o 粉末状固体或者气体包体粉末状固体或者气体包体o 色带色带焰熔法合成红、蓝宝石中的弧形生长纹焰熔法合成红、蓝宝石中的弧形生长纹25X25X15X20Xo 合成红、蓝宝石中常可见气泡和未熔粉末出合成红、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；可单独现，一般气泡小而圆，或似蝌蚪状；可单独或成群出现；或成群出现；o 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

23、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。焰熔法合成蓝宝石中的未熔粉末包体焰熔法合成蓝宝石中的未熔粉末包体焰熔法合成蓝宝石中的未熔粉末包体焰熔法合成蓝宝石中的未熔粉末包体焰熔法合成蓝宝石中的未熔粉末包体焰熔法合成蓝宝石中的未熔粉末包体焰熔法合成红蓝宝石中的气泡焰熔法合成红蓝宝石中的气泡焰熔法合成红蓝宝石中的气泡焰熔法合成红蓝宝石中的气泡3 3、色带、色带 o 红宝石中常常为细密的弧形生长纹，类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。天然色蓝宝石很少含有气泡，也难见色

24、带。天然红宝石和蓝宝石都显示直或角状或六方色带。红宝石和蓝宝石都显示直或角状或六方色带。合成尖晶石很少显示色带。合成尖晶石很少显示色带。4 4、吸收光谱、吸收光谱 合成红宝石同天然品。合成红宝石同天然品。o 合成蓝宝石的光谱见不到天然蓝宝石通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，或常可以见到的蓝区的吸收，或450nm450nm的吸收的吸收带十分模糊。带十分模糊。o 合成蓝色尖晶石显示典型的钴谱（分别合成蓝色尖晶石显示典型的钴谱（分别位于位于540540、580580、635nm635nm的三条吸收带的三条吸收带 ），天），天然蓝色尖晶石显示的是蓝区的吸收带，为铁然蓝色尖晶石

25、显示的是蓝区的吸收带，为铁谱。谱。5 5、荧光、荧光 o 合成蓝宝石有时显示蓝白色或绿白色荧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的光，天然的为惰性；合成蓝色尖晶石为强的红色荧光，而天然的也为惰性。合成红宝石红色荧光，而天然的也为惰性。合成红宝石通常比天然红宝石的红色荧光明显强。通常比天然红宝石的红色荧光明显强。6 6、红蓝宝石、红蓝宝石7 7、帕拉图法、帕拉图法 将刚玉浸于盛将刚玉浸于盛有二碘甲烷的有二碘甲烷的玻璃器皿中，玻璃器皿中，在显微镜下沿在显微镜下沿光轴方向，加光轴方向，加上正交偏光片上正交偏光片下，合成刚玉下，合成刚玉可以观察到两可以观察到两组夹角为

26、组夹角为120o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 8、焰熔法合成星光刚玉、焰熔法合成星光刚玉 合成星光刚玉 天然星光刚玉 内含物 大量气泡和未熔粉末；金红石针极其微小，难以辨认；弯曲色带明显 各种晶体包体、气液包体、指纹状包体；金红石针较粗，易识别；直角状或六方色带 星带外观特征 星光浮于表面，星线直、匀、细，连续性好；中心无宝光 星光发自内部深处；星线中间粗，两端细，可以不连续；中心有宝光 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 9 9、合成红、蓝宝石的加工质量、合成红、蓝宝石的加工质量 天然合成红、蓝宝石的加工天然合成红、蓝宝石的加工

27、质量通常较为精细，尤其是高质质量通常较为精细，尤其是高质量的宝石，其台面通常垂直光轴，量的宝石，其台面通常垂直光轴，以显示最好的颜色。而合成红、以显示最好的颜色。而合成红、蓝宝石加工质量通常较差，常见蓝宝石加工质量通常较差，常见火痕，更不会精确定向加工。加火痕，更不会精确定向加工。加上，合成梨晶通常因为应力作用上，合成梨晶通常因为应力作用会沿长轴方向裂开，其长轴方向会沿长轴方向裂开，其长轴方向与光轴方向夹角为与光轴方向夹角为6060度，为了充度，为了充分利用原料，其台面通常会平行分利用原料，其台面通常会平行长轴方向切磨。所以合成刚玉在长轴方向切磨。所以合成刚玉在台面通常都可见多色性，而天然台面

28、通常都可见多色性，而天然的则不然。的则不然。焰熔法合成刚玉的梨晶与切磨方向示意图焰熔法合成刚玉的梨晶与切磨方向示意图 1010、焰熔法合成尖晶石、焰熔法合成尖晶石 合成尖晶石 天然尖晶石 A 内含物 包体少，偶有气泡，形态狭长或异形；色带少见，仅见于红色尖晶石中 气液包体，常见晶体包体：尤其是八面体形，色带少见 B RI 1.727 Fixed 红色尖晶石例外，用于检测折射仪 1.714-1.718,高铬的红色尖晶石:1.74；镁锌尖晶石:1.715-1.80；锌尖晶石:1.80 C SG 3.63，红色尖晶石：3.60-3.66；仿青金岩的烧结蓝色尖晶石：3.52 3.60 D 光谱 蓝色者：Co 谱,540,580 和 635nm 处有吸收带；红色：红区只有一条荧光光谱线；浅黄绿色：445nm，422nm 线 蓝色者：Fe 谱，蓝区 458nm 有吸收带；红色者：红区 5 条管风琴状荧光谱线（交叉滤色镜下观察）E 荧光 及滤色镜 无色者：SW 下强蓝白色；蓝色者：SW：红色或蓝白色，滤色镜下变红；红色：红色荧光，滤色镜下变红 无色：惰性；蓝色：惰性，滤色镜下不变红；红色：红色荧光，滤色镜下变红 F正交偏光镜 斑纹状消；红色尖晶石例外 全消光 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的斑纹状消光合成尖晶石的斑纹状消光