第二章焰熔法合成寶石及鑒定

1、第二章 .焰熔法及焰熔法合成寶石的鑒定要點(diǎn)：1. 焰熔法根本原理、合成裝置與條件、過(guò)程及特點(diǎn)2. 合成品種3. 焰熔法合成寶石的鑒定一、焰熔法合成方法最早是1885年由弗雷米(E. Fremy )、弗爾(E. Feil )和烏澤(Wyse) 起，利用 氫氧火焰熔化天然的紅 寶石粉末與重鉻酸鉀而制成了當(dāng)時(shí)轟動(dòng)一時(shí)的“日內(nèi)瓦紅寶石。后來(lái)于1902年弗雷米的助手法國(guó)的化學(xué)家維爾納葉 ( Verneuil )改良并開(kāi)展這一技術(shù)使之能進(jìn)行商業(yè) 化生產(chǎn)。因此，這種方 法又被稱為維爾納葉法。1. 根本原理焰熔法是從熔體中生長(zhǎng)單晶體的方法。其原料的粉末在通過(guò)高溫的氫氧火焰后熔化，熔滴在下落過(guò)程中冷卻并在 籽晶

2、上固結(jié)逐漸生長(zhǎng)形成晶體。2.合成裝置與條件、過(guò)程圖2-1一楓粉未添料h Aj * 4&III冷卻點(diǎn)唇翥體II 5維爾納葉法合成裝置點(diǎn)擊可進(jìn)入多媒體演示焰熔法合成裝置由供料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和生長(zhǎng)系統(tǒng)組成，合成過(guò)程是在進(jìn)行的維爾納葉爐圖2-1 中A. 供料系統(tǒng)原料：成分因合成品的不同而變化。原料的粉末經(jīng)過(guò)充分拌勻，放入料筒。料筒篩狀底：圓筒，用來(lái)裝原料，底部有篩孔；料筒中部貫穿有一根震動(dòng)裝置使粉末少量、等量、周期性地自動(dòng)釋放。震蕩器：使料筒不斷抖動(dòng)，以便原料的粉末能從篩孔中釋放岀來(lái)。如果合成紅寶石，那么需要Al 2 03和Cr 2 O,三氧化二鋁可由鋁銨磯加熱獲得；致色劑為 62 O3 1-

3、3%，B. 燃燒系統(tǒng)：氧氣管：從料筒一側(cè)釋放，與原料粉末一同下降；氫氣管：在火焰上方噴嘴處與氧氣混合燃燒。通過(guò)控制管內(nèi)流量來(lái)控制氫氧比例，Q H2=1 : 3;氫氧燃燒溫度為 2500C, AI2Q粉末的熔點(diǎn)為2050C冷卻套：吹管至噴嘴處有一冷卻水套，使氫氣和氧氣處于正常供氣狀態(tài)，保證火焰以上的氧管不被熔化C. 生長(zhǎng)系統(tǒng)落下的粉末經(jīng)過(guò)氫氧火焰熔融，并落在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的籽晶棒上，逐漸長(zhǎng)成一個(gè)晶棒梨晶。水套下為一耐火磚圍砌的保溫爐，保持燃燒溫度及晶體生長(zhǎng)溫度，近上部有一個(gè)觀察孔，可了解晶體生長(zhǎng)情況。耐火磚：保證熔滴溫度緩慢下降，以便結(jié)晶生長(zhǎng)；旋轉(zhuǎn)平臺(tái)：安置籽晶棒，邊旋轉(zhuǎn)、邊下降；落下的熔滴與籽晶棒

4、接觸稱為接晶；接晶后通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)擴(kuò)大晶種的生長(zhǎng)直徑，稱為擴(kuò)肩；然后，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以均勻的速度邊旋轉(zhuǎn)邊下降，使晶體得以等徑生長(zhǎng)。圖2-2焰熔法生長(zhǎng)的各種梨晶梨晶：長(zhǎng)岀的晶體形態(tài)類似梨形，故稱為梨晶。梨晶大小通常為長(zhǎng)23cm,直徑2.5-5cm。圖2-2生長(zhǎng)速度：1厘米/小時(shí)，一般6小時(shí)完成即可完成生長(zhǎng)。因?yàn)樯L(zhǎng)速度快，內(nèi)應(yīng)力很大，停止生長(zhǎng)后，應(yīng)該輕輕敲擊，讓它沿縱向裂幵成兩半以釋放內(nèi)應(yīng)力，防止以后產(chǎn)生裂隙。特點(diǎn)：方法特點(diǎn)：生長(zhǎng)速度快、設(shè)備簡(jiǎn)單、產(chǎn)量大、便于商業(yè)化。世界上每年用此法合成的寶石大于10億克拉。但用此方法合成的寶石晶體缺陷多、容易識(shí)別。二、合成品種1. 合成剛玉：合成紅寶石：參加致色元

5、素Cr 2 031-3%合成藍(lán)寶石：參加致色元素Ti0 2和FeO,但Ti和Fe的逸散作用，使合成藍(lán)寶石常常有無(wú)色核心和藍(lán)色表皮，顏色分布不均勻;粉紅色和紫紅色：參加致色元素Cr、Ti、Fe;黃色：參加致色元素Ni和Cr;變色剛玉：參加 V和Cr;顯紫紅色到藍(lán)紫色的變色效應(yīng)。除祖母綠外，任何顏色的剛玉都可以合成。星光剛玉：如需要合成星光剛玉，那么需要在上述原料中再添加0一 0.3%的TiO2,這樣長(zhǎng)成的梨晶中，TiO2呈固熔體分布于剛玉晶格中，并沒(méi)有以金紅石的針狀礦物相析岀。必須在1300度恒溫24小時(shí)，讓金紅石針沿六方柱柱面方向?qū)缛?，才能產(chǎn)生星光效應(yīng)。各種合成剛玉品種的致色元素總結(jié)于下表。表

6、2-1各種合成剛玉的致色元素原料li ioCr0fifiTiaXi.:匸索it合成剛成愛(ài)1-3%合成星光紅農(nóng)石FeO+TiQ: 0.30.5% ; TiO. : 0.1-0.3%C心 0 嗎 V；Q, 3-4%Fe, Ti ; 0.3-0.5%TiO2 0J-0.3% , Cg 1-3%2. 合成尖晶石:市場(chǎng)上所見(jiàn)到的合成尖晶石幾乎全是由焰熔法生產(chǎn)，但也可用原料:助熔劑法生產(chǎn)紅色：MgO: Al 2C3=1 : 1，致色元素 C2 O ；其它顏色的用1:1的比例難以合成，但紅色尖晶石只有以 1:1的比例才能合成。由此 所以市場(chǎng)上合成的紅色尖晶石性脆，少見(jiàn)。藍(lán)色尖晶石的合成是人們?cè)诤铣伤{(lán)寶石的實(shí)

7、驗(yàn)中偶然獲得的。當(dāng)時(shí)人們還不了解藍(lán)寶石的致色元素是Ti和Fe,人們?cè)?jīng)嘗試過(guò)參加致色元素V Co、藍(lán)色:IttL 1 li MgOAl 2O =1:1.5-3.5 ，致色兀素Co；綠色：MgOAl 20 =13褐色：MgOAl 2O =1:5粉紅色：MgO Al 2O =1 : 1.5-3.5 致色元素 Cu;有月光效應(yīng)的無(wú)色品種：1 : 5,過(guò)多的氧化鋁未熔形成無(wú)數(shù)細(xì)小針狀包體導(dǎo)致月光效應(yīng)，有時(shí)甚至形成星光。燒結(jié)藍(lán)色尖晶石：由鉆致色，并參加金粉，用來(lái)仿青金巖。3. 金紅石:圖2-3合成金紅石的裝置馬福爐局部圖天然的金紅石常呈細(xì)小針狀，以大晶體產(chǎn)岀的多為褐紅色而且多裂，很少有寶石級(jí)的材料。合成

8、金紅石的目的不是為了替代天然金紅石，而是為了模仿鉆石。在合成立方氧化鋯岀現(xiàn)后，成金紅石很少生產(chǎn)了。因?yàn)門i0 2在燃燒時(shí)易脫氧，所以需要充足的氧，在合成剛玉的裝置上多加了一個(gè)氧管見(jiàn)圖2-3 o Ti0 2的熔點(diǎn)為1840C,粉末熔化，再在支座的種晶上結(jié)晶。獲得的梨晶為藍(lán)黑色，這是因?yàn)楦邷叵滦纬闪薚i 33+和相應(yīng)的氧空位。通過(guò)在高溫氧化環(huán)境如果中退火處理，退火溫度為 800-1000 C,即可去除藍(lán)黑色，變?yōu)榈S色到近無(wú)色的透明晶體。SC2Q在晶體中形成的氧空在原料中摻入 SC2Q那么可直接獲得近無(wú)色的晶體。這是因?yàn)閾饺氲奈粫?huì)提高晶體中的氧的擴(kuò)散系數(shù)，使晶體在降溫過(guò)程中就完成氧的擴(kuò)散和退色。合

9、成金紅石的寶石學(xué)性質(zhì)化學(xué)成分： TiO2；四方晶系光澤：金剛光澤；透明度：透明；顏色：無(wú)色者常帶淺黃色調(diào)。還可有紅、橙、黃、藍(lán)色者。硬度： 6-6.5 ；相對(duì)密度： 4.25 ；折射率： 2.616-2.903 ；雙折射率： 0.287 ；光性：一軸晶正光性；色散：極強(qiáng)， 0.28-0.30 ；光譜：紫區(qū)末端有強(qiáng)吸收帶，使其光譜看似被截短了；內(nèi)含物：氣泡、未熔粉末；合成金紅石的鑒別合成金紅石具有極高的色散值使其泛出五顏六色的火彩。這種特征使之不易與其他任何 材料相混淆。此外， 其極高的雙折射率使其刻面棱重影異常清晰。僅此二特征就足以確認(rèn)它了。4 鈦酸鍶：鈦酸鍶 早在 1955 年人們就利用焰熔

10、法生產(chǎn)出來(lái)， 當(dāng)時(shí)在自然界還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)天然的對(duì)應(yīng) 物。盡管， 1987 年在俄羅斯發(fā)現(xiàn)了其天然對(duì)應(yīng)物， 礦物名為 Tausonite ，人們?nèi)粤?xí)慣把它歸為人 造寶石材料。 最初人們生產(chǎn)鈦酸鍶 主要用于模仿鉆石。 但自從立方氧化鋯合成成功后， 這種仿鉆 材料在寶石市場(chǎng)上很少見(jiàn)得到了。但它透紅外線的能 力強(qiáng)，仍有生產(chǎn)用作紅外光學(xué)透鏡等。與合成金紅石 一樣， 其合成裝置也必須多加一根氧管， 長(zhǎng)出的晶體也是烏黑的， 需要在氧化 條件下退火溫 度 1600°C , 才能變成近無(wú)色的透明晶體。所采用的原料為： SrO ： TiO 2 =1 ：1 鈦酸鍶的寶石學(xué)性質(zhì)化學(xué)成分：SrTiO 3；等軸晶系

11、光澤：亞金剛-金剛光澤；透明度：透明；顏色：無(wú)色為主，偶見(jiàn)紅、黃、藍(lán)、褐色材料；硬度：5.5-6；比重：5.13 ；斷口：貝殼狀；折射率：2.41 ，單折射；色散：0.19，極強(qiáng)；內(nèi)含物：氣泡；鈦酸鍶的鑒別鈦酸鍶作為仿鉆材料，極易識(shí)別。鈦酸鍶極強(qiáng)的火彩使它明顯不同于鉆石。盡管標(biāo)準(zhǔn)圓多面型的鈦酸鍶在線試驗(yàn)中不透光， 但它明顯較低的硬度使之外表顯示出明顯的磨損痕跡、圓滑 的刻面棱和不平整的小面。盡管反射儀上可獲得與鉆石相同的折射率，但熱導(dǎo)儀檢測(cè)時(shí)卻無(wú)鉆石 反響。卡尺法或靜水稱重都可測(cè)出未鑲品的比重，從而確認(rèn)它。三、焰熔法合成寶石的鑒定1.原始晶形焰熔法合成的寶石原始晶形都是梨形。而天然寶石的晶體形

12、態(tài)為一定的幾何多面體。市場(chǎng)上也出現(xiàn)過(guò)將焰熔法合成的梨晶破碎，甚至經(jīng)過(guò)滾筒磨成毛料，來(lái)仿稱天然原料銷售。2. 包裹體: 合成紅、藍(lán)寶石中常可見(jiàn)氣泡和未熔粉末岀現(xiàn)，一般氣泡小而圓， 或似蝌蚪狀；可單獨(dú)或成群岀現(xiàn)；合成尖晶石中氣泡和未熔粉末較少岀現(xiàn)，偶爾岀現(xiàn)的氣泡多為異形。3. 色帶：紅寶石中常常為細(xì)密的弧形生長(zhǎng)紋，類似唱片紋；藍(lán)寶石中色帶較粗而不連續(xù)；黃色藍(lán)寶石很少含有氣泡，也難見(jiàn)色帶。天然紅寶石和藍(lán)寶石都顯示直或角狀或六方色帶。 合成尖晶 石很少顯示色帶。4?吸收光譜：合成藍(lán)寶石的光譜見(jiàn)不到天然藍(lán)寶石通?？梢砸?jiàn)到的藍(lán)區(qū)的吸收，或450nm的吸收帶十分模糊。合成藍(lán)色尖晶石顯示典型的鉆譜分別位于54

13、0、580、635nm的三條吸收帶，天然藍(lán)色尖晶石顯示的是藍(lán)區(qū)的吸收帶，為鐵譜。5?熒光合成藍(lán)寶石有時(shí)顯示藍(lán)白色或綠白色熒光，天然的為惰性；合成藍(lán)色尖晶石為強(qiáng)的紅色熒光，而天然的也為惰性。合成紅寶石通常比天然紅寶石的紅色熒光明顯強(qiáng)。6.帕拉圖法：將剛玉浸于盛有二碘甲烷的玻璃器皿中，在顯微鏡下沿光軸方向，加上正交偏光 片下，合成剛玉可以觀察到兩組夾角為1200的結(jié)構(gòu)線圖 2-5 大量氣泡和未熔粉末；種晶體包E包體、指紋狀包體圖2-5合成剛玉帕拉圖法結(jié)構(gòu)線7.焰熔法合成星光剛玉金紅石針極其微小，難以識(shí)別金紅石針較粗，易識(shí)別彎曲色帶明顯直角狀或六方色帶星帶外觀特征星光浮于外表星光發(fā)自內(nèi)部深處成星光剛

14、玉：1:天然星光剛玉|"* 內(nèi)含物星線直、勻、細(xì)，連續(xù)性好；中心無(wú)寶光星線中心有寶光表2-2合成星光剛玉與天然星光剛玉的區(qū)別8.合成紅、藍(lán)寶石的加工質(zhì)量圖2-6焰熔法合成剛玉的梨晶與切磨方向示意圖天然合成紅、藍(lán)寶石的加工質(zhì)量通常較為精細(xì)，尤其是高質(zhì)量的寶石，其臺(tái)面通常垂直光軸，以顯示最好的顏色。而合成紅、藍(lán)寶石加工質(zhì)量通常較差，常見(jiàn)火痕，更不會(huì)精確定向加工。加上，合成梨晶通常因?yàn)閼?yīng)力作用會(huì)沿長(zhǎng)軸方向裂幵，其長(zhǎng)軸方向與光軸方向夾角為60度,為了充分利用原料，其臺(tái)面通常會(huì)平行長(zhǎng)軸方向切磨圖2-6。所以合成剛玉在臺(tái)面通常都可見(jiàn)多色性，而天然的那么不然。9?焰熔法合成尖晶石：表2-3焰熔法合成尖晶石與天然尖晶石的區(qū)別SG13.63 ,13.60r紅色尖晶石：3.60-3.66 ;仿青金巖的燒結(jié)藍(lán)色尖晶石：3.52*光譜藍(lán)色者：Co譜,5