宝石合成与优化处理.docx

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宝石合成与优化处理

教学目标

1.掌握宝石合成与优化处理的基本概念、分类及定名规则；

2.了解国内外宝石合成与优化的现状及发展趋势；

3.了解晶体生长的理论

4.掌握常见宝石的合成与优化方法以及合成与优化宝石的鉴定特征

课程安排：

第一章概论；人造宝石材料的重要性 ，人造宝石材料的发展，基本概念

第二章宝石（晶体）生长理论基础概论；常见宝石的合成方法焰熔法及焰熔法合成宝石的鉴定

第三章常见宝石的合成方法提拉法及其合成宝石的鉴定

第四章常见宝石的合成方法冷坩埚法及其合成宝石的鉴定

第五章常见宝石的合成方法助熔剂法及其合成宝石的鉴定

课程安排：

第六章常见宝石的合成方法水热法及其合成宝石的鉴定

第七章高温高压合成钻石和其它方法合成的宝石材料

第八章宝石优化处理总论：

优化处理的概念；宝石优化处理方法发展史；宝石优化处理对珠宝行业的影响，优化处理的命名

第九章宝石优化处理的主要类型和特征

第十章宝石优化处理各论

教材及参考书

教　材：

自编≪宝石合成与改善≫

参考书：

1.沈才卿、吴国忠≪人造宝石学≫

2.吴瑞华≪天然宝石的改善及鉴定方法≫

3.何雪梅、沈才卿≪宝石人工合成技术≫

考试方式

本课程采取完成读书报告和闭卷考试的形式来考核评定学生的期终成绩，并结合平时作业成绩给出学生的总成绩，其中期终成绩占70%，平时作业成绩占30%。

第一章概论

1.人工合成宝石的概念

2.人工合成宝石的分类及定名原则

3.人工合成宝石的发展史

4.宝石合成与优化的特点和意义

1.人工宝石artificialproducts

的概念:

（1）合成宝石：

A定义:

指部分或完全由人工制造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对应的天然宝石基本相同。

如合成红宝石。

（1）合成宝石：

B定名规则：

必须在其所对应天然珠宝玉石名称前加“合成”二字，如：

“合成红宝石”、“合成祖母绿”等。

a）禁止使用生产厂、制造商的名称直接定名，如：

“查塔姆（Chatham）祖母绿”、“林德（Linde）祖母绿”等。

b）禁止使用易混淆或含混不清的名词定名，如：

“鲁宾石”、“红刚玉”、“合成品”等。

A定义:

指由人工制造的晶质或非晶质材料，然而这些材料没有天然对应物，如人造釔铝榴石（YAG，83年美国生产“美国钻”），人造钛酸锶。

B定名规则：

必须在材料名称前加“人造”二字，如：

“人造钇铝榴石”，“玻璃”、“塑料”除外。

a）禁止使用生产厂、制造商的名称直接定名。

b）禁止使用易混淆或含混不清的名词定名，如：

“奥地利钻石”等。

c）不允许用生产方法参与定名。

如:

焰熔法红宝石

A定义:

指两种或两种以上材料经人工方法拼合在一起，在外形上给人以整体琢磨印象的宝石，称为拼合宝石。

B定名规则：

a）逐层写出组成材料名称，在组成材料名称之后加“拼合石”三字，如：

“蓝宝石、合成蓝宝石拼合石”；或以顶层材料名称加“拼合石”三字，如“蓝宝石拼合石”。

b）由同种材料组成的拼合石，在组成材料名称之后加“拼合石”三字，如：

“锆石拼合石”。

C）对于分别用天然珍珠、珍珠、欧泊或合成欧泊为主要材料组成的拼合石，分别用拼合天然珍珠、拼合珍珠、拼合欧泊或拼合合成欧泊的名称即可，不必逐层写出材料名称。

（4）再造宝石

A定义:

    将一些天然宝石的碎块、碎屑经人工熔结后制成。

常见的有再造琥珀、再造绿松石。

B定名规则：

在所组成天然珠宝玉石名称前加“再造”二字，如：

“再造琥珀”、“再造绿松石”。

3.人工合成宝石的发展史

　　宝石合成的历史大致分成如下几个阶段：

　　18世纪中叶以前：

萌芽阶段。

虽然人工晶体生长的尝试始于几千年前，但因技术手段落后，直到1500年，人们除了欲以玻璃来代替宝石之外，未见有其它的材料。

这一时期人们在宝石合成方面工作的进展是相当缓慢的，直到18世纪中叶，法国科学家发现金刚石与石墨成份一样这一现象，才真正拉开合成宝石的序幕，成为宝石合成历史的一个转折点。

人工合成宝石的发展史

　　20世纪初以前：

实验摸索阶段。

20世纪初以前，人们尽管已经实现了真正意义上的宝石人工生长，但仅限于在一个更高层次上的实验尝试。

由于产品的综合经济指标尚达不到要求，所以它们未对珠宝业的发展发挥出真正的促进作用，换言之它们尚未对天然珠宝市场形成真正的冲击。

例如，人们在19世纪中叶用助熔剂－熔融法已经较成功地合成了金红石和祖母绿，但因晶体很小、成本很高而无商业意义。

人工合成宝石的发展史

　　20世纪40年代以前：

发展阶段。

在本阶段的40年间，以法国科学家维尔纳叶（VerneuiLA.）成功地运用焰熔法合成刚玉类宝石（1902年）为代表，人们真正开展了人工宝石的生产，使人工生长的宝石真正突破了天然宝石一统天下的局面。

但是，应该说由于研究的深度和实践的经验尚不足，这项工作发展的速度仍很缓慢。

这段时间真正进入市场的合成宝石只有红宝石、蓝宝石和尖晶石三种。

人工合成宝石的发展史

　　20世纪40年代以后：

成熟与腾飞阶段。

从这一时期开始，合成宝石的研究与应用才真正踏上发展的轨道，并且经过50-60年代期间科学家努力所获得的一系列成功实验，进入70年代，随着国际宝石业的迅猛发展和科学技术的进步，合成宝石的研究和应用也取得了长足的进展，新的合成宝石品种以每年1-2种的速度投放市场，并获得了巨大的经济效益。

人工合成宝石的发展史

　　1955年美国通用电气公司成功地合成了第一颗钻石，虽然当时仍停留在实验室阶段，但其成功的经验已为后人的工作找到了有益的突破口；

　　60年代后期，市场上几十年仅三种合成宝石的状况明显改观，增加了合成祖母绿、水晶、钛酸锶、钇铝榴石等新品种；

人工合成宝石的发展史

　　现在，实际用量和产量较大的合成宝石品种有水晶、祖母绿、立方氧化锆、红宝石、金刚石（工业用）等，另外如蓝宝石、尖晶石、金红石、YAG、GGG、变石等人工生长晶体和青金岩、绿松石（怀疑可能不是原来的成份）、珊瑚、欧泊（日本合成成功）、翡翠等人工生长集合体，都具备了一定的商业价值。

人工合成宝石的发展史

⏹　随着实践经验的积累和技术水平的提高，人工生长宝石的品种会越来越多、质量将进一步提高、成本会逐渐下降，人工宝石将对天然宝石市场产生越来越大的冲击力。

⏹　　在宝石级人工晶体材料生长工作取得进展的同时，在人工晶体生长这个学科领域中，对许多不作为宝石使用（或称未达到宝石级者）的人工晶体（集合体）的生长工作成果更为显著，如防核辐射的蓝石棉等。

人工合成宝石的发展史

人工合成宝石的发展史

人工合成宝石的发展史

人工合成宝石的发展史

人工合成宝石的发展史

人工合成宝石的发展史

人工合成宝石的发展史

　　我国人工合成宝石的研究起步较晚，从五十年代开始。

由于工业和军事方面的需要，在1958年开始用焰熔法合成宝石研究，60年代生产出红刚玉宝石，主要用于手表工业上作轴承。

高峰时，我国曾有20多家工厂用焰熔法生长宝石，经过优胜劣汰的竞争，到1992年还剩下12个生产厂家，分别隶属于轻工、机械和军工三个系统，年产量徘徊在50—70吨之间。

人工合成宝石的发展史

　　绝大部分厂家采用电解水的方法获得焰熔法所需的氢气和氧气。

目前我国焰熔法能生长出不同颜色的刚玉宝石、星光刚玉宝石，尖晶石、金红石、钛酸锶等宝石晶体。

在1958年，我国开始水晶合成的研究工作，60年代中期，合成水晶的研究进入中试阶段。

人工合成宝石的发展史

　　由于合成水晶性能优良，电子工业和光学仪器工业需求量很大，现在珠宝行业又对彩色水晶需求量很大，因此我国十几个省都建有水晶合成厂，仅1992年在北京召开的“92’中国水晶博览会”，参展的晶体材料厂就有33个，可见生产量是很大的。

据报道，1993年我国水晶产量为1200吨。

水热法合成彩色水晶的品种已有茶色、紫色、绿色、蓝色、黄色、红色、黑色等七种。

人工合成宝石的发展史

　　1961年起，我国开始自行设计和制造合成金刚石用的高压设备，1963年研制成功人造金刚石，现在全国已有300多厂家，对宝石加工业，石材开采业，道路施工行业起了很大的作用。

1982年，我国开始研究人造立方氧化锆的生产技术，1983年投产。

到1992年，我国能生长立方氧化锆的厂家有40多个，拥有约50台的生长设备，年生产能力在70吨左右，可切磨出1000—1500万粒宝石。

人工合成宝石的发展史

　　由于立方氧化锆晶体可生产出各种颜色，折射率又高，是仿钻石的最好材料，因此大大丰富了珠宝首饰市场。

1987年，水热法合成祖母绿在广西宝石研究所开始研究，1989年底完成研究工作，1990年6月在北京通过专家鉴定，1993年8月正式投产，年产量约7000克拉。

人工合成宝石的发展史

　　工业和军事的需要，尤其是激光研究的需要，我国还先后投产了自然界无此晶体的YAG（钇铝榴石）和GGG（钆镓榴石）等激光基质材料，现在掺杂后又提供仿祖母绿等宝石行业用的晶体。

七十年代发明的熔体导模法在天津硅酸盐研究所被充分利用，王崇鲁研究员级高级工程师先后用导模法生长出了宝石行业用的白宝石、红宝石、红宝石猫眼、变石猫眼等。

人工合成宝石的发展史

　　工业生产和军事工业的需要，科学技术发展的需要，提出了对晶体材料的要求；晶体材料的研制促进了晶体生长方法的完善，一批相应的设备被研制出来，促进了提拉法、导模法、焰熔法、助熔剂法、水热法等生长炉投入使用，使我国具备了生长各种合成宝石的工艺手段。

随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，对珠宝首饰的需求增加，对合成宝石的需求日益迫切，合成宝石工业也随之发展起来。

4.学科的特点

1.本学科是一门既古老又年轻的学科。

　　人类欲以玻璃代替宝石据史料记载始于几千年前，远古人类的历史考证中亦发现有经改色的玛瑙饰品，说明他们在潜意识里已接受了一些宝石品种经过形成之后的二次处理会变得更美观的现实；同时，宝石合成与优化技术亦始终屹立于每一相对应历史时期的高科技研究领域，使用各种尖端的高科技手段，代表了本时期科学技术的最高水平，因而它将具备巨大的研究与发展潜力。

学科的特点

2.本学科是一门在专业理论指导之下，侧重于对各种人为过程控制条件研究的学科。

　　其中的原因有两方面：

其一，随着技术水平的提高、工作的深入，理论研究的结果需作不断的调整，由于本学科理论研究的深度尚较浅，因而在这方面显得犹为重要；其二，各种人为过程和对象的不完全相同性的必然结果，要想直接根据理论指导，完全参照原来的某一过程实现新的目标并不现实，这已日益成为主要原因。

学科的特点

　　宝石合成与优化的研究决不会因为一次试验的成功而停止，而将随着科学的进步和技术的更新，继续向着提高质量、改良过程、降低成本、扩大品种、提高适应性等的方向发展，并将始终地站在不同历史时期科技发展的最前端。

　　对于宝石合成与优化学科研究的理论基础虽然也很重要，但真正有价值的成果很大程度上来自于其实验过程，发表的各种研究成果必须结合自身的实践经验提出，才有说服力。

学科研究的意义

　　1.满足迅猛发展的珠宝首饰业对珠宝原料的迫切需求。

为了扩大珠宝原料数量，人们可以：

①加强天然宝石资源的寻找和开发新的天然宝石品种；②人工生长宝石；③人工改善宝石。

　　寻找天然宝石将面临“资源的不可再生性所致宝石资源越来越少的问题，同时由于宝石成矿的特殊条件加大找矿的难度和随机性（如大多数仅以一般的造岩矿物出现）”这个难题。

学科研究的意义

　　为了真正发挥人工和改善宝石对市场的促进作用，我们需要注意：

　　①正确地评价合成与优化宝石。

消除消费者对人工或改善宝石即是假货的错误认识。

　　②有效地开展合成与优化珠宝首饰的促销活动。

加强其首饰新品种和新款式的开发（如与服装、家具相配套的品种等），发挥其潜在的市场竞争优势。

学科研究的意义

　　2.为珠宝的商贸鉴定提供更为具体的依据。

　　随着现代高科技的发展，可带来各种高品质的人工生长与改善宝石，鉴别的难度越来越大。

　　但是，对于人工生长与改善的宝石来说，有些特征是由其工艺过程决定的、固有的，如果我们熟悉其工艺过程，就可以有针对性地去鉴别，从而发现它们与天然产出者的微小差别。

学科研究的意义

　　合成宝石还具有重要的工业意义。

如水晶具有压电性、不含N的金刚石具有良好半导体性能、红宝石用于红外制导中红外窗口、YAG晶体具有较好放大性能、蓝石棉可作为核防护剂等。

这些材料，自然界产出者的数量和质量远远满足不了工业的需求，人们无法（质量满足不了）也不愿（高额利润）纯粹通过自然产物的使用去达到目的，何况有相当一部分工业上需要的材料，在自然界并没有产出，如YAG等。

本章课后思考题

1.人工合成宝石的概念是什么？

2.人工合成宝石分哪几类？

3.如何对人工合成宝石进行命名？

晶体生长基本概念

⏹成核：

晶体生长最初从溶液或熔体中形成固相的小晶芽，成核过程实际是一个相变过程。

⏹籽晶：

又称“种晶”。

是人工合成晶体时，为了获得理想的晶体，人为提供的晶核。

⏹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。

晶体生长理论基础

　宝石的生长属于材料科学中的一个问题――人工晶体的生长。

晶体生长是一种古老的艺术，由于后来热力学、化学动力学、统计物理学等的应用，对解决晶体生长中的问题起了重要作用，使晶体生长的研究有了坚实的理论基础，使之由一门单纯的实验学科，成为一个自成一体的科学体系，并在欧洲率先建立起来。

晶体生长理论基础

　　晶体生长的基本问题是溶解平衡或熔融平衡。

溶液如果过饱和就不平衡，溶质就会结晶析出。

各种理论研究都是围绕着控制这个平衡而展开的。

当这些相关理论间的关系未建立起来之前，人们难以把握控制这些平衡的实质，因此对它的研究就只能停留在简单的实践经验积累层次上，无法从理论的高度对之作更深入、系统的研究。

晶体生长理论基础

　　晶体生长实际是一种相变过程（有时这种相变是通过化学反应实现的），这种相变可以是固→固相间（如方解石→纹石）、溶液（熔体）→晶体、气体→晶体。

　　晶体生长有两种不同方式：

其一，由生长系统先自发生成骸晶（雏晶），形成晶核，继而在此基础上继续生长；其二，由人工向生长系统中放进种晶，使生长系统在此基础上继续生长。

晶体生长理论基础

　　在这两种方法中，后一种方法的人为控制比较容易，人们往往可以根据自己的需要或生长的规律有针对性地放进种晶，如常见选择种晶的方位等；而对于前一种方法，我们虽然可以控制晶核生长的一些条件，如温度、压力及其变化速度、梯度、溶液（熔体）浓度等，但晶核生长的随机性还是很大的。

晶体生长理论基础

　　无论用哪一种方法，我们都可以将晶体生长的过程大致分成两个阶段：

　　①成核阶段。

成核主要受热力学条件控制，这一过程应该考虑的问题（或称可供人们做工作去调整成核过程的方向）有三个：

　　A．相变驱动力问题。

驱动力的大小可用自由能变化来衡量，成核过程能进行的条件是相变作用后系统的自由能降低，即△G＜0，即能成核。

晶体生长理论基础

　　B．核化速率问题。

即成核的快慢问题。

核化率受过饱和度影响：

过饱和度大则成核多，但晶体小；过饱和度小则晶核少，但晶体大。

成核过快使生长点增加，但每一生长点可获物质供应不足，所以生长不了大晶体；但是成核过慢则形成不了晶体生长所需足够的生长点。

因此，在每一次具体的成核过程中，都需要计算好过饱和度。

晶体生长理论基础

　　C．非均匀成核问题。

从理论上讲，成核应该是均匀的，即体系各处成核的几率相同，实际上并非如此。

由于杂质及表面（体系表面）因素影响，成核往往是不均匀的。

知道这一点，就可以使我们在具体的工作中，根据系统的实际，选择好合适的结晶部位。

　　②生长阶段。

晶体的生长与动力学因素有关，要解决的问题是晶体长得怎么样（即生长环境对晶体生长形态的影响）和长得多快两方面。

晶体生长理论基础

　　影响晶体生长的因素是系统的过饱和度、酸碱度、环境相的成份以及杂质等。

晶体生长理论基础

⏹在环境相方面。

若生长环境相是气体或溶液，称为稀薄环境相，从中长成的晶体透明而且具有一定的几何多面体外形，因而适合作宝石；生长环境相是熔体者，称为浓厚环境相，相对地对晶体的生长是不利的，这也是工艺未改良之前，熔融法宝石合成未能真正促进宝石业发展的重要原因之一。

晶体生长理论基础

　　在过饱和度方面。

过饱和度越高，晶体生长速度就会越快，但这时要维持晶体各个面的均匀生长就很难，结果会造成晶体缺陷、继而破坏整个晶体，而且杂质还容易渗透到晶体中去。

　　系统的酸碱度主要是通过改变系统中某些粒子的平衡（如Fe2+、Fe3+在系统中的配比就可以通过酸碱度来调整）间接地影响晶体的生长状况。

杂质的存在主要是会改变晶面的生长。

合成宝石的研究思路

三大研究思路:

从熔体中结晶、从溶液中结晶、固相生长

1.从熔体中结晶：

从熔体中生长晶体的方法是最早研究出的合成宝石的方法，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长速率快，大于在溶液中的生长速率，二者速率的差异在10-1000倍。

从熔体中生长晶体的方法主要有焰熔法、提拉法和冷坩埚法。

   从熔体中结晶合成宝石的基本过程是：

粉末原料→加热→熔化→冷却→超过临界过冷度→结晶。

2.从溶液中结晶

由两种或两种以上的物质组成的均匀混合物称为溶液，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）。

从溶液中生长宝石晶体的方法主要有水热法和助熔剂法。

    从溶液中结晶合成宝石的基本过程是：

原料→加热→溶解（迁移、反应）→过饱和→析出结晶

3.固相生长：

高温高压法合成钻石

其它方法:

化学沉淀法合成欧泊、绿松石、孔雀石、青金岩等。

人工晶体的共性

　当一件人工晶体或其饰品出现在人们面前时，经常出现如下某些方面的特征：

　　１．颜色均一、内部缺陷少；

　　２．原料和成品均较大；

　　３．常见单相气态包体（水热法产品除外），它们多呈圆形或拉长的水滴形；　　

人工晶体的共性

　４．常见未熔融之熔质包体（水热法产品除外），其常呈不透明的白色面包渣状；

　５．由Cr致色的任何品种，在紫外线下均呈鲜明的红色荧光；

　６．绿色品种在查尔斯镜下常呈红色。