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人工宝石相关知识


中国人工宝石五十年之七 —— 红宝石合成方法的变迁
2011-09-05
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        众所周知,1958年我国从原苏联引进了焰熔法合成红宝石的工艺,目的是利用红宝石的高硬度(摩氏硬度9,仅次于金刚石的硬度),作机械手表及仪器仪表中的轴承,发展我国的民族工业和仪器仪表工业。改革开放以后,随着我国珠宝首饰市场的开放,合成红宝石才应用于珠宝首饰。焰熔法合成红宝石工艺的核心,是用氢气和氧气混合燃烧时产生2900℃的高温,用它熔化熔点为2050℃的红宝石原料(三氧化二铝Al2O3的熔点是2050℃),熔化的红宝石原料滴落在下边的籽晶棒上,籽晶棒上的红宝石在不断长大的同时,设备能同步地下降,使红宝石晶体的生长面始终保持在同一高度,这样才能使红宝石晶体不断长大,生长结束后红宝石晶体自动进入保温腔中慢慢冷却。其生长原理图见图1。
     
图1 焰熔法合成宝石原理示意图              图2 焰熔法合成的不同颜色刚玉类宝石晶体
        焰熔法合成红宝石的优点是:(1)焰熔法合成红宝石时不用坩埚,这样,既可以节省制作坩埚的耐高温材料,又可以避免坩埚成分的污染;(2)晶体生长速度较快,短时间内可以得到较大尺寸的晶体,通常一个生长设备4小时可以生长出1个50~60克重的红宝石晶体;(3)生长设备比较简单,劳动生产率高,适用于工业化生产,一个生产车间可以同时装备多台焰熔法生长炉,一个操作工人可以同时看管10台生长炉。福建鑫磊晶体公司发明的滚动操作法,一个操作工人可以同时看管80台生长炉;(4)三氧化二铝晶体本身是没有颜色的,我们一般称它为无色蓝宝石,只要在三氧化二铝的粉末原料中加入致色剂后就能出现颜色:加入铬离子产生红色,得到的是红宝石,加入铁和钛离子得到蓝色蓝宝石,加入镍离子得到黄色蓝宝石……等等。所以,同一台焰熔法生长炉能生长出不同颜色的刚玉类宝石晶体(见图2)。不仅如此,如果改变原材料成分,还能生长出尖晶石宝石、金红石宝石、人造钛酸锶宝石等。
        焰熔法合成红宝石方法同时存在明显的缺点:(1)由于氢氧火焰的温度梯度较大,造成晶体结晶层的纵向温度梯度和横向温度梯度均较大,故生长出来的红宝石晶体质量欠佳,不能用于激光等要求质量很高的高科技方面;(2)火焰气体的温度不可能控制得很稳定,由此造成的温度变化使晶体产生较大的内应力,导致晶体的位错密度较高,这也是造成晶体质量欠佳的原因;并且使晶体容易从轴向裂开;(3)原材料在火焰中熔化时不可能完全被熔化结晶成晶体,大约有30%的粉料损失;(4)从原苏联引进的焰熔法合成红宝石工艺中的氢气与氧气是通过电解水获得的,用电量很高,估算合成1公斤红宝石的用电量约1000度,随着电费的增加,此工艺合成红宝石的成本提高,在珠宝市场上没有竞争力。现在有些单位改用化工厂生产时的废氢气和氧气来合成红宝石,降低了成本,增强了竞争力。
        20世纪90年代,我国原建材部人工宝石研究所付林堂高级工程师成功地用助熔剂法合成出了很漂亮的红宝石(见图3)。助熔剂法可以在普通电炉或马福炉中加热合成。其原理是:将组成红宝石的粉料放在坩埚中,同时加入低熔点的助熔剂,坩埚放入电炉中加热,原来熔点为2050℃的红宝石原料有了助熔剂后,在1350℃就可被熔化成饱和熔融液,然后通过缓慢降温,使红宝石晶体从过饱和熔融液中结晶出来的方法。此合成方法的优点是:(1)基本模拟了红宝石在自然界生长的条件,因此获得的红宝石晶体与天然红宝石晶体基本一样,很难区分,且质量比天然红宝石高,      图3 助熔剂法合成红宝石晶体
达到天然红宝石的最高档次,质量也比焰熔法合成红宝石高;(2)合成温度低,适应性强,几乎可以合成所有的宝石;(3)设备简单,是一种很方便的晶体生长技术。
        助熔剂法合成红宝石的缺点是:(1)生长速度慢,生长周期长;(2)晶体尺寸较小,容易夹杂助熔剂阳离子;(3)许多助熔剂具有不同程度的毒性,其挥发物还常腐蚀或污染炉体设备。
        科学技术的发展需要新的晶体材料为之服务,激光的产生和应用需要高质量的红宝石晶体材料,在科技人员的努力下,产生高质量晶体的熔体法合成红宝石工艺破壳而出,使我国的高科技熔体法合成宝石工艺水平得到了前所末有的推广和发展,目前,我国的熔体法生长宝石工艺有:熔体提拉法、熔体导模法、熔体泡生法、熔体坩埚下降法等等,为我国的高科技发展需要提供了大量的高品质宝石晶体。熔体法合成红宝石的原理是:将红宝石原料的粉末放在耐高温坩埚中,放在高频电炉中加热熔化,通过不同的降温方法使红宝石熔体处于过饱和状态而结晶出来。降温方法包括直接提拉、导模提拉、泡生提拉、坩埚下降、直接冷却结晶(熔体热交换法)等等。
        用熔体法合成宝石晶体的最大特点是:在较短的时间内合成出高质量的宝石晶体,这些晶体材料可以用于激光晶体、导弹窗口材料、无人驾驶飞机和照相机窗口材料等。
        综上所述,通过红宝石合成方法的变迁,从一个侧面反映了我国科学技术五十年来的发展,也反映了我国人工宝石五十年来的蓬勃发展。相信在科学技术迅速发展的今天和国防工业进一步加强的明天,会对人工宝石的品种和质量不断提出新的要求,同时,在完成任务的过程中,人工宝石产业会得到进一步的发展和加强。

 

                                     沈才卿 (北京市9818信箱 邮政编码100029)



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