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1、珠宝知珠宝知识培培训之人工合成宝石之人工合成宝石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。狭狭义义的的人人造造宝宝石石：具具有有独独特特的的化化学学成成分分、原原子子结结构构和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：钇钇铝铝榴榴石石，Y Y3 3AlAl5 5O O1212 ；无无天天然然对对应应物物，广广义义的人造宝石：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；2022/11/202(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世世纪纪中中期期和和19世世纪纪人人工工开开始始合合成成宝宝石石.由由于于矿矿物物学学研研究究的的发发展展以以及及化化学学分分析析方方法法取取得得的的进进展展，使使人人们们逐逐渐渐掌掌握握了了宝宝石石的的化化学学成成分分及及性性质质，加加上上化化学学工工业业的的发发展展以以及及对对结结晶晶过过程程的的认认识识，人人工工合合成成宝宝石才变为现实。石才变为现实。1892年年出出现现了了闻闻名名的的“日日内内瓦瓦红红宝宝石石”，这这是是用用氢氢氧氧火火焰焰使使品品质质差差的的红红宝宝石石粉粉末末及及添添加加的的致致色色剂剂铬铬熔熔融融，再再重重结结晶晶
3、形形成成优优质质红红宝宝石石的方法。随后，这种方法经改进并得以商业化。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年年助助熔熔剂剂法法合合成成祖祖母母绿绿成成功功。合合成成尖尖晶晶石石、蓝蓝宝宝石石、金金红红石、钛酸锶等逐渐面市。石、钛酸锶等逐渐面市。1953年年合合成成工工业业级级钻钻石石、1960年年水水热热法法合合成成祖祖母母绿绿及及1970年年宝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。五五十十年年代代末末，我我国国为为了了发发展展我我国国的的精精密密仪仪器器仪仪表表工工业业，从从原原苏苏联联
4、引引进进了了焰焰熔熔法法合合成成刚刚玉玉的的设设备备和和技技术术，六六十十年年代代投投产产后后，主主要要用用于于手手表表轴轴承承材材料料的的生生产产。后后来来发发展展到到有有20多多家家焰焰熔熔法法合合成成宝宝石石的的工工厂，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。2022/11/203我我国国进进行行水水热热法法生生长长水水晶晶的的研研究究工工作作，始始于于1958年年。目目前前几几乎乎全全国国各各省省都都建建立立了了合合成成水水晶晶厂厂。我我国国的的彩彩色色石石英英从从1992年年开开始始生生产产，现在市场上能见到的各
5、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。七七十十年年代代，由由于于工工业业和和军军事事的的需需要要，尤尤其其是是激激光光研研究究的的需需要要，我我国国先先后后用用提提拉拉法法生生产产了了人人造造钇钇铝铝榴榴石石（YAG）和和钆钆镓镓榴榴石石（GGG）晶晶体体，它它们们曾曾一一度度被被用用于于仿仿钻钻石石。1982年年，我我国国开开始始研研究究合合成成立立方方氧氧化化锆锆的的生生产产技技术术，1983年年投投产产。由由于于合合成成立立方方氧氧化化锆锆的的折折射射率率高高、硬硬度度高高、产产量量大大、成成本本低低，很很快快取取代代了了其其它它仿仿钻钻石石的的晶晶体体材材料料
6、。广广西西宝宝石石研研究究所所1993年年成成功功生生产产水水热热法法合合成成祖祖母母绿绿，现现已已能能生生产产水水热热法合成其它颜色的绿柱石及红、蓝宝石。法合成其它颜色的绿柱石及红、蓝宝石。合合成成工工业业用用钻钻石石在在我我国国是是l963年年投投产产的的，至至八八十十年年代代末末，我我国国已已有有300余余家家合合成成工工业业用用钻钻石石的的厂厂家家。但但宝宝石石级级合合成成钻钻石石的的生生产产还还在在探探索索之之中中。l995年年，我我国国采采用用化化学学气气相相沉沉积积法法生生长长出出了了多多晶晶金金刚刚石石薄薄膜，已在首饰方面应用。膜，已在首饰方面应用。2022/11/204二、合
7、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，现有的晶体生长模型还不能体生长理论还
8、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。2022/11/2051 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。化化学学成成分分相相同同的的物物质质，在在不不同同的的温温压压条条件件下下，可可以以呈呈不不同同的的结结构构（同同质质多多象象）、或或不不同同的的状状态态如如固固相相、液液相相和气相。和气相。相相变变：当当某某
9、一一体体系系在在外外界界条条件件改改变变时时，会会发发生生状状态态的的改改变变，这这种种现现象象即即相相变变。宝宝石石合合成成的的过过程程即即生生长长晶晶体体，从从液液相相变变为为固固相相，或或固固相相变变为为固固相相、气气相相变变为为固固相相；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。2022/11/206石石墨墨的的相相图图是是一一元元
10、相相图图，如如图图所所示示。这这个个相相图图表表明明，在在很很大大的的压压力力和和温温度度范范围围内内存存在在碳碳的的固固态态相相变变。它它是是根根据据热热力力学学原原理理，结结合合多多次次实实验验和和外外推推等等做做出出的的。石石墨墨在在温温度度 1400-16000C和和4.5-6109Kb的的压压力力下下会会转转变变为为钻钻石石，该该图图是是合合成成钻钻石石的的依据。依据。石墨石墨-钻石的相图钻石的相图 2022/11/207在在合合成成晶晶体体过过程程中中，为为了了获获得得理理想想的的晶晶体体，人人为为提提供供的晶核称为的晶核称为种晶或籽晶种晶或籽晶。种种晶晶一一般般都都是是从从已已有
11、有的的大大晶晶体体上上切切取取的的。种种晶晶上上的的缺缺陷陷，如如位位错错、开开裂裂、晶晶格格畸畸变变等等在在一一定定的的范范围围内内会会“遗遗传传”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。根根据据晶晶体体生生长长习习性性和和应应用用的的要要求求，种种晶晶可可采采用用粒粒状状、棒棒状状、片片状状等等不不同同的的形形态态。种种晶晶的的光光性性方方位位对对合合成成晶晶体体的的形形态态、生生长长速速度度等等有有很很大大的的影影响响。所所以以种种晶晶的的选选择择非非常常重重要。要。2022/11/2082.晶体生长界面稳定性：晶体生长界面稳定性：晶晶核核出出现现
12、后后，过过冷冷或或过过饱饱和和，驱驱使使质质点点按按一一定定的的晶晶体体结结构构在在晶晶核核上上排排列列生生长长。温温度度梯梯度度和和浓浓度度梯梯度度直直接接影影响响界界面的稳定性，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。晶晶体体生生长长过过程程中中，介介质质的的温温度度、浓浓度度会会影影响响晶晶体体与与介介质质的的界界面面的的宏宏观观形形状状，如如是是凸凸起起、凹凹陷陷或或平平坦坦光光滑滑。界界面面为为平平坦坦光光滑滑状状态态，则则界界面面稳稳定定性性；如如果果生生长长条条件件的的干干扰扰，界面会产生凹凸不平，即形成不稳定界面。界面会产生凹凸不平，
13、即形成不稳定界面。2022/11/2093晶体生长的界面模型晶体生长的界面模型晶晶体体生生长长最最重重要要的的过过程程是是一一个个界界面面过过程程，涉涉及及生生长长基基元元如如何何从从母母液液相相传传输输到到生生长长界界面面以以及及如如何何在在界界面面上上定定位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 此此模模型型又又称称为为成成核核生生长长理理论论模模型型，或或科科塞塞尔尔-斯斯特特兰兰斯斯基基（Kossel-Stranski）理理论论模模型型。该该模模型型是是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尔首先提出，后经斯特兰斯基加以发
14、展。2022/11/2010在在晶晶核核形形成成以以后后，结结晶晶物物质质的的质质点点继继续续向向晶晶核核上上粘粘附附，晶晶体体则则得得以以生生长长。质质点点粘粘附附就就是是按按晶晶体体格格子子构构造造规规律律排排列列在在晶晶体体上上。质质点点向向晶晶核核上上粘粘附附时时，在在晶晶体体不不同同部部位位的的晶晶体体格格子子构构造造对对质质点点的的引引力力是是不不同同的的。也也就就是是说说，质质点点粘粘附附在在晶晶体体不不同同部部位位所所释释放放出出的的能能量量是是不不一一样样的的。由由于于晶晶体体总总是是趋趋向向于于具具有有最最小小的的内内能能，所所以以，质质点点在在粘粘附附时时，首首先先粘粘附
15、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）：2022/11/2011质质点点粘粘附附在在晶晶体体表表面面三三面面凹凹角角的的1处处，此此时时质质点点受受三三个个最最近近质质点点的的吸吸引引，若若质质点点粘粘附附在在晶晶体体表表面面两两面面凹凹角角的的2处处，则则受受到到两两个个最最近近质质点点的的吸吸引引，此此处处质质点点所所受受到到的的吸吸引引力力不不如如1处处大大，若若质质点点
16、在在一一层层面面网网之之上上的的一一般般位位置置3处处，所所受受到到的的吸吸引引力力最最小小。由由此此可可见见，质质点点粘粘附附在在晶晶体体的的不不同同部部位位，所所受受到到的的引引力力或或所所释释放放出出的的能能量量是是不不同同的的。而而且且，它它首首先先会会粘粘附附在在三三面面凹凹角角1处处，其其次次于于两两面面凹凹角角2处处，最最后后才才是是粘粘附在一层新的面网上附在一层新的面网上(即即3处处)。由由此此得得出出晶晶体体生生长长过过程程应应该该是是：先先长长一一条条行行列列，再再长长相相邻邻的的行行列列，长长满满一一层层面面网网，然然后后开开始始长长第第二二层层面面网网，晶晶面面(晶晶体
17、体上上最最外外层层面面网网)是是逐逐层层向向外外平平行行推推移移的的。这这便便是是科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。2022/11/2012B.非完整光滑界面生长模型非完整光滑界面生长模型此此模模型型又又称称为为螺螺旋旋生生长长理理论论模模型型，或或BCF理理论论模模型型。该该模模型型于于1949年年由由弗弗朗朗克克首首先先提提出出，后后由由弗弗朗朗克克等等人人（Buston、Cabresa、Frank）进进一一步步发发展展并并提提出出一一系系列列与与此此相相关关的的动动力力学学规规律律，总总称称BCF理理论论模模型型。该该理理论论模模型型认认为为
18、，晶晶面面上上存存在在的的螺螺旋旋位位错错露露头头点点可可以以作作为为晶晶体体生生长长的的台台阶阶源源（下下图图），促促进进光光滑滑界界面面的的生生长长。这这种种台台阶阶源源永永不不消消失失，因因此此不不需需要要形形成成二二维维核核。这这一一理理论论成成功功的的解解释释了了晶晶体体在在很很低低的的饱饱和和度度下下仍仍能能生生长长，而而且且生生长长出出光光滑滑的的晶晶体体界界面面的现象。的现象。2022/11/2013螺螺旋旋错错位位形形成成的的台台阶阶源源，围围绕绕螺螺旋旋位位错错线线形形成成螺螺旋旋状状阶阶梯梯层层层层上上升升，按按1、2、3、4、5（见见左左下下图图）的的顺顺序序，依依次次
19、生生长长，1高高于于2，2高高于于3，最最后后形形成成一一螺螺旋旋线线的的锥锥形形。由由于于螺螺旋旋位位错错的的存存在在，晶晶体体生生长长速速率率大大大大加加快快。在在许许多多实实际际晶晶体体表表面面，利利用用电电子子显显微微镜镜或或干干涉涉显显微微镜镜很很容容易易观观察察到到晶晶面面中中间间有有螺螺旋旋位位错错露露头头点点的的生生长长丘丘（图图右右下下图图）。这这一一理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）螺旋位错生长示意图螺旋位错生长示意图2022/11/20144人
20、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：粉粉末末原原料料加加热热熔熔化化冷冷却却超超过过临临界界过过冷冷度度结晶，结晶，从从熔熔体体中中生生长长晶晶体体的的方方法法是是最最早早的的研研究究方方法法，也也是是广广泛泛应应用用的的合合成成方方法法。从从熔熔体体中中生生长长单单晶晶体体的的最最大大优优点点是是生生长长速速率率大大多多快快于于在在溶溶液液中中的的生生长长速速率率。二二者者速速率率的的差差异异在在10-1000倍。倍。从从熔熔体体中中生生长长晶晶体体的的方方法法主主要要有有焰焰熔熔法法、提提拉拉法法、冷冷坩埚法和区域熔炼法。坩埚法和区域熔炼法。2022/1
21、1/20152从液体中生长单晶体：从液体中生长单晶体：原原料料加加热热溶溶解解（迁迁移移、反反应应）过过饱饱和和析析出出结晶结晶由由两两种种或或两两种种以以上上的的物物质质组组成成的的均均匀匀混混合合物物称称为为溶溶液液，溶溶液液由由溶溶剂剂和和溶溶质质组组成成。合合成成晶晶体体所所采采用用的的溶溶液液包包括括：低低温温溶溶液液（如如水水溶溶液液、有有机机溶溶液液、凝凝胶胶溶溶液液等等）、高高温温溶溶液液（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。2022/11/20163从气相中生长单晶体的方法从气相中生长
22、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。单单组组分分气气相相生生长长要要求求气气相相具具备备足足够够高高的的蒸蒸气气压压，利利用用在在高高温温区区汽汽化化升升华华、在在低低温温区区凝凝结结生生长长的的原原理理进进行行生生长长。但但这这种种方方法法应应用用不不广广，所所生生长长的的晶晶体体大大多多为为针针状状、片片状状的单晶体。的单晶体。多多组组分分气气相相生生长长一一般般多多用用于于外外延延薄薄膜膜生生长长，外外延延生生长长是是一一种种晶晶体体浮浮生生在在另另一一种种晶晶体体上上。主主要要用用于于电电子子仪仪器器、磁性记忆装置和集
23、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。合合成成金金刚刚石石薄薄膜膜的的化化学学气气相相沉沉淀淀(CVD)法法以以及及合合成成碳碳化硅单晶生产技术，就属于此类。化硅单晶生产技术，就属于此类。2022/11/2017二、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 最最早早是是1885年年由由弗弗雷雷米米（E.Fremy）、弗弗尔尔（E.Feil）和和乌乌泽泽（Wyse）一一起起，利利用用氢氢氧氧火火焰焰熔熔化化天天然然的的红红宝宝石石粉粉末末与与重重铬铬酸酸钾钾而而制制成成了了当当时时轰轰动动一一时时的的“日日内内瓦瓦红红
24、宝宝石石”。后后来来于于1902年年弗弗雷雷米米的的助助手手法法国国的的化化学学家家维维尔尔纳纳叶叶（Verneuil）改改进进并并发发展展这这一一技技术术使使之之能能进进行行商商业业化化生生产产。因因此此，这种方法又被称为这种方法又被称为维尔纳叶法。维尔纳叶法。2022/11/2018（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）基本原理）基本原理
25、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。2022/11/2019A供料系统供料系统原原料料：成成分分因因合合成成品品的的不不同同而而变变化化。原原料料的的粉粉末末经经过过充分拌匀，放
26、入料筒。充分拌匀，放入料筒。料料筒筒（筛筛状状底底）：圆圆筒筒，用用来来装装原原料料，底底部部有有筛筛孔孔；料料筒筒中中部部贯贯通通有有一一根根震震动动装装置置使使粉粉末末少少量量、等等量量、周周期期性性地自动释放。地自动释放。震震荡荡器器：使使料料筒筒不不断断抖抖动动，以以便便原原料料的的粉粉末末能能从从筛筛孔孔中释放出来。中释放出来。如如果果合合成成红红宝宝石石，则则需需要要Al2O3和和Cr2O3，三三氧氧化化二二铝铝可由铝铵矾加热获得；致色剂为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：从料筒一侧释放，与原料粉末
27、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；冷冷却却套套：吹吹管管至至喷喷嘴嘴处处有有一一冷冷却却水水套套，使使氢氢气气和和氧氧气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落下下的的粉粉末末经经过过氢氢氧氧火火焰焰熔熔融融，并并落落在在旋旋转转平平台台上上的的籽籽晶晶棒棒上上，逐逐渐渐长长成成一一个个晶晶棒棒（
28、梨梨晶晶）。水水套套下下为为一一耐耐火火砖砖围围砌砌的的保保温温炉炉，保保持持燃燃烧烧温温度度及及晶晶体体生生长长温温度度，近近上上部部有有一一个个观观察察孔孔，可可了了解解晶晶体体生生长长情情况况。耐耐火火砖砖：保保证证熔熔滴温度缓慢下降，以便结晶生长；滴温度缓慢下降，以便结晶生长；旋旋转转平平台台：安安置置籽籽晶晶棒棒，边边旋旋转转、边边下下降降；落落下下的的熔熔滴滴与与籽籽晶晶棒棒接接触触称称为为接接晶晶；接接晶晶后后通通过过控控制制旋旋转转平平台台扩扩大大晶晶种种的的生生长长直直径径，称称为为扩扩肩肩；然然后后，旋旋转转平平台台以以均均匀匀的的速速度边旋转边下降，使晶体得以等径生长。度
29、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 2022/11/2020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，应该轻轻敲击，让它沿纵向裂开成两半以释放内应力
30、，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。2022/11/2021 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
31、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%2022/11/2022（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2022/11/20231）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
32、色元素TiO2和和FeO，但，但Ti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
33、的TiO2，这样长成的梨晶中，这样长成的梨晶中，TiO2呈固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。必须在析出。必须在l300度恒温度恒温24小时，让金红石针沿六方柱小时，让金红石针沿六方柱柱面方向出溶，才能产生星光效应。柱面方向出溶，才能产生星光效应。2022/11/2024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
34、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%2022/11/2025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，
35、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。2022/11/2026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 2022/11/2027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
36、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2022/11/2028吸收光谱：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、470nm470
37、nm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 2022/11/2029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 2022/11/2030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
38、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2022/11/2031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物内含物大量气泡和未熔粉末；大量气泡和未熔粉末；金金红红石石针针极极其其微微小小，难难以以辨辨认；认；弯曲色带明显弯曲色带明显各各种种晶晶体体包包体体、气气液液包包体体、指纹状包体；指纹状包体；金
39、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星带带外外观特征观特征星星光光浮浮于于表表面面，星星线线直直、匀匀、细，连续性好；中心无宝光细，连续性好；中心无宝光星星光光发发自自内内部部深深处处；星星线线中中间间粗粗，两两端端细细，可可以以不不连连续续；中心有宝光中心有宝光焰熔法合成星光刚玉：焰熔法合成星光刚玉：2022/11/2032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、
40、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
41、022/11/20332）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
42、蓝宝石的致色元素是然获得的。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、Co、Fe、Mg等，当终于获等，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。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
43、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。2022/11/2034合成尖晶石合成尖晶石Al2O3的成分比天然尖晶石要高得多，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。2022/11/20
44、35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。2022/11/2036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是），天然蓝色尖晶石显示的是蓝区的吸收带，为铁谱。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
45、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 2022/11/2037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。2022/11/2038焰熔法合成尖晶石：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包体体少少，偶偶有有气气泡泡，形形态态狭狭长长或或异异形形；色色带带少少见见，仅仅见见于于
46、红红色色尖尖晶晶石石中中气液包体气液包体常常见见晶晶体体包包体体：尤尤其其是是八八面面体体形；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光谱光谱蓝蓝色色者者：Co谱谱,540,580和和635nm处处有有吸吸收带；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
47、色：浅黄绿色：445nm，422nm线线蓝蓝色色者者：Fe谱谱，蓝蓝区区458nm有有吸吸收收带；带；红红色色者者：红红区区5条条管管风风琴琴状状荧荧光光谱谱线（交叉滤色镜下观察）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；蓝蓝色色者者：SW：红红色色或或蓝蓝白白色色，滤滤色色镜镜下变红下变红红色：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
48、外全消光全消光2022/11/2039天然尖晶石的斑纹状消光天然尖晶石的斑纹状消光2022/11/20403）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
49、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800-10000C，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
50、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2022/11/2041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：