合成宝石

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宝石的合成、仿制品及优化处理

要求：

1. 合成品、仿制品的有关概念

2. ★合成宝石的方法：合成方法和原理，合成材料名称、性质及特征 3. ★优化处理：各种优化处理方法、原理和名称

一、基本概念

? 人工宝石 artificial products

? 定义：完全或部分由人工生产或制造用作首饰及装饰品的材料统称为人工宝石。包括合成宝石、

人造宝石、拼合宝石和再造宝石。

? 合成宝石 synthetic stones

? 定义：完全或部分由人工制造且自然界有已知对应物的晶质或非晶质体，其物理性质，化学成分

和晶体结构与所对应的天然珠宝玉石基本相同。

? 例如，合成红宝石具有与天然红宝石基本相似的物理性质（颜色、RI、DR等）、化学成分（Al2O3）

及晶体结构。

二、发展简史

? 1902 维尔纳叶法合成红宝石的商业生产 ? 1920 维尔纳叶法合成尖晶石 ? 1928 助熔剂法合成祖母绿 ? 1943 水热法合成水晶 ? 1955 合成工业级钻石出现 ? 1960 水热法合成祖母绿 ? 1970 合成宝石级钻石 ? 1976 合成立方氧化锆

? 1995 合成SiC（莫伊桑石）（一）、焰熔法合成宝石及鉴定

? 焰熔法（flame fusion technique） —— 19世纪（1877）由E.弗雷米发明，19世纪末（1890）由

其助手维尔纳叶推向市场，故又称维尔纳叶法（Verneuil furnace）。

? 该方法可以生产各种品种的刚玉、尖晶石、金红石、钛酸锶、白钨矿等宝石晶体。 ? 基本原理：

从熔体中生长单晶体的方法。原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落的过程中冷却并在籽晶上固结逐渐生长形成晶体。

合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在维尔纳叶炉中进行的

3. 生长过程（以红宝石为例）

① 供料：Al2O3＋Cr2O3（2-3％）

② 籽晶的选取：与C轴夹角成60o切出3-4cm的圆柱或四方柱

③ 燃料、温度：H2＋O2燃烧产生的25000C的高温（ Al2O3的熔点是20500C）

④ 过程： Al2O3的粉末经振荡均匀洒落，通过一个向下变尖的内管下落，并与氧气混合到达n处，

和氢气混合燃烧产生高温，将粉末熔化落到籽晶棒上经降温而结晶，籽晶棒一边旋转一边下落，经过接晶、扩肩、等径生长最后形成梨晶。籽晶棒下落速度为1cm/h。 ⑤ 应力释放（退火处理）：劈开或者恒温退火

4.特点：

a. 生长原理设备简单，能生长尺寸大的晶体，适合大规模生产；

b. 不需要坩埚，节约了坩埚材料，又避免坩埚的污染问题，成本低，速度快（6小时长一炉）； c. 适合合成难熔的氧化物晶体，合成品种多（红宝石、蓝宝石、金红石、尖晶石、钛酸锶）； d. 温度梯度大，内应力大，晶体韧性差，缺陷多，容易识别

5、焰熔法合成宝石的鉴定 1）．颜色、原始晶形

? 焰熔法合成的宝石原始晶形都是梨形、个体大，颜色均匀而鲜艳。而天然宝石的晶体形态为一定

的几何多面体。

2）.包裹体：

? 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。 3）色带：

合成红宝石中常常为细密的弧形生长纹，类似唱片纹；合成蓝宝石中色带较粗而不连续；

合成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色带。合成尖晶石很少显示色带。 4）．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。

5）．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的红色荧光，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。 6）．帕拉图法

? 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

可以观察到两组夹角为120°的结构线

7）．焰熔法合成星光刚玉：

内含物合成星光刚玉大量气泡和未熔粉末；金红石针极其微小，难以辨认；弯曲色带明显天然星光刚玉各种晶体包体、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光外观特征星光浮于表面，星光发自内部深处；星线直、匀、细，连续性好；中心无宝光星线中间粗，两端细，可以不连续；中心有宝光 8）．合成红、蓝宝石的加工质量

? 合成红、蓝宝石加工质量通常较差，常见火痕。在台面通常都可见多色性，而天然的则不然。

5.合成品种： 1）．合成刚玉：

? 合成红宝石：加入致色元素 Cr2 O31-3%

? 合成蓝宝石：加入致色元素TiO2和Fe2O3，但Ti和Fe的逸散作用，使合成蓝宝石常常有无色

核心和蓝色表皮, 颜色分布不均匀；

? 粉红色和紫红色：加入致色元素Cr、Ti、Fe； ? 黄色：加入致色元素Ni和Cr； ? 绿色：Co、Ni、V

? 变色刚玉：加入V和Cr；显紫红色到蓝紫色的变色效应。 ※除祖母绿色外，任何颜色的刚玉都可以合成。

? 星光刚玉：

合成星光刚玉需要在上述原料中再添加0.l一0.3%的TiO2，这样长成的梨晶中，TiO2 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1300℃恒温24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。

2）.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， MgO：Al2O3可以在1：1～2：7范围内变

化，但也可用助熔剂法生产。

原料：

? 红色： MgO：Al2O3==1：1，致色元素Cr2 O3；

? 其它颜色的用1:1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，所以市场上少见。

? 蓝色：MgO： Al2O3 ===1：1.5-3.5，致色元素Co； ? 绿色：MgO：A Al2O3 ==1：3 ? 褐色：MgO： Al2O3 ==1：5

? 粉红色：MgO： Al2O3 ===1：1.5-3.5 致色元素Cu；

? 有月光效应的无色品种： 1：5，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。

? 烧结蓝色尖晶石：由钴致色，并加入金粉，用来仿青金岩。

尖晶石和合成品的鉴别

成分 RI 包体偏光仪 SG 荧光天然 MgO：Al2O3==1：1 1.71-1.73 八面体尖晶石的负晶一般为全暗 3.6 多数无合成 MgO：Al2O3 ＝1：1～2：7 1.727 气泡、未熔粉末常见栅格状、斑状异常消光 3.64 多数有吸收光谱天然蓝色的显铁谱（蓝区有吸收线） Co谱（橙、黄、绿区有三条吸收带）

3）合成金红石

? 天然的金红石为细小针状，大晶体多为褐红色而且多裂，很少有宝石级材料。 ? 合成金红石的目的：仿钻石，但是CZ出现以后，就很少生产。

? 因为TiO2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个氧管。TiO2的熔

点为1840℃，粉末熔化，再在支座的种晶上结晶。

? 获得的梨晶为蓝黑色，这是因为高温下形成了Ti33+ 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800-10000C，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Sc2O3 ，则可直接获得近无色的晶体。这是因为掺入的Sc2O3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成氧的扩散和退色。

? 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。 ? 4）．钛酸锶

? 钛酸锶早在1955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对应物。尽管，

1987年在俄罗斯发现了其天然对应物，矿物名为Tausonite，人们仍习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，仍有生产用作红外光学透镜等。 ? 必须在还原环境下（过量的H2)生长，长出的晶体是乌黑的，需要在氧化条件下退火（温度16000C），