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人工宝石相关知识


合成碳硅石宝石
2011-09-06
www.jewellery.org.cn


陈秀芳 徐现刚 田亮光 蒋民华

一、引言
     本文叙述了一种新的宝石材料,也是迄今为止最令人信服的钻石仿制品—-合成碳硅(SiC)石,如图1所示。一般钻石仿制品通常仅能模仿钻石的一、两项技术指标,而合成碳硅石的光泽、亮度、火彩等都和钻石极为相似,尤其是合成碳硅石的热导性高,用常规的钻石热导仪难以与钻石区分,仿真性远超过以前的最佳钻石替代品——合成立方氧化锆[1]。一般认为宝石的最重要的物理特性是硬度、折射率和颜色。合成碳硅石具有与钻石相同的光泽,仅次于钻石(莫氏硬度10)的高硬度(8.5-9.25),比钻石(折射率2.417)略高的折射率(2.5-2.71),双折射率为0.043,色散为0.014,化学稳定性好,几乎不与其它物质反应,韧性好,热导率高,热稳定性好,在空气中加热到1400度而不损坏,因此被称为最新一代钻石仿制品[2]。它是一种新的实验室合成宝石。


图1 合成碳硅石戒指

二、 合成碳硅石的结构
SiC宝石是一种复杂的材料系统,它的奇特性质之一就是其结构的多型性[3]。结构单元为SiC4或CSi4四面体结构,属于密堆积结构,由于单向堆积方式的不同产生各种不同的晶型,目前已经发现的晶型有200余种,分为立方结构、六方结构和菱方结构等,每一种都可称为“SiC宝石”,较为常见的有3C、15R、6H、4H和2H,图2列出了几种SiC多型的堆垛结构[4]。这里叙述的是合成的6H-SiC宝石,另一种能获得大直径单晶的多型为4H-SiC。


图2 几种SiC多型的堆垛结构

三、合成碳硅石单晶的生长
SiC单晶一般采用升华法生长,用该法可生长出大尺寸、高质量SiC单晶[5-7]。具体生长步骤如下:把籽晶置于坩埚的上盖底部,高纯SiC 粉源料置于坩埚底部,生长室压力在50~120mbar,生长温度为2000~2500℃,底部的SiC粉料分解为Si、SiC2和Si2C三种主要气相组分,输运到温度较低的籽晶表面,通过沉积,使得晶体不断生长。经过80-100h的生长,可获得厚度为15~25mm、直径为2英寸或3英寸的无色或彩色SiC单晶。图3是我们利用该法生长的2英寸和3英寸SiC单晶,其平均微管的密度小于100个/cm2.

    
图3: 2英寸和3英寸SiC单晶

四、合成碳硅石的成形
SiC单晶生长过程中通过掺杂不同元素可获得不同颜色的晶体。因此SiC是一种非常优异的彩色宝石材料。SiC的掺杂物有N(n型)和Al、B、Be、Ga、O、Sc、(p型)等。未掺杂的6H-SiC和4H-SiC显无色,在6H-SiC中掺氮(n型)和铝(p型),分别得到了绿色和蓝色的6H-SiC单晶。在4H-SiC中掺入低浓度的氮可得到淡棕色的4H-SiC单晶。3C-SiC显黄色,而掺氮的3C-SiC显黄绿色。
生长出无色或彩色SiC单晶后,该晶体作为毛坯被切割成不同大小的粗人造宝石,然后经研磨和抛光制成无色或彩色合成碳硅石成品。合成碳硅石的硬度、韧性和各向异性使得能够以很尖锐的角度磨刻面,因此可获得很好的外型和光泽,从而能达到形美和质美的高度和谐统一。表1比较了钻石、合成碳硅石和立方氧化锆的宝石学特性。

 

 

 

 

表1钻石、合成碳硅石和立方氧化锆的宝石学特性比较


材料

摩氏
硬度

韧度

折射率

双折射率

色散率

比重

光学
特征

亭部闪光

钻石

10

2.417

0.044
(中等)

3.52

单折射
(等轴)

在一些刻面上见橙到蓝色

合成碳硅石

9.25

很好

2.648,2.691
2.150-2.180

0.043

0.104
(强)

3.22

双折射
(一轴)

橙到蓝色

立方氧化锆

8-8.5

2.15

0.058-0.066
(中等)

5.56-6.00

单折射(等轴)

亭部见橙色

合成碳硅石成品除具有:(1)高硬度,(2)高折射率,(3)高热导率,(4)高化学稳定性,(5)优异的韧性,此外还具有(6)彩色性,基本满足了评价钻石质量的“4C”,即:重量(Carat)、颜色(Color)、琢型(Cut)和洁净度(Clarity)。图4是加工成的合成碳硅石成品。


图4 SiC宝石

五、结论
由于合成碳硅石优越的宝石学特性,与钻石相比,它具有高的色散、相似的亮度、较高的折射率和较低的比重;硬度最接近于钻石,并具有明显的双折射,迄今为止是最佳的钻石仿制品。由于堆积方式的不同,碳化硅具有多种不同晶型,分为立方结构、六方结构和菱方结构。通过升华法生长直径为2英寸或3英寸的无色或彩色SiC单晶,然后经过切割、研磨和抛光加工成合成碳硅石成品。

参考文献
[1]吴伟娟,段体玉,珠宝检测,珠宝科技,99.2,41。
[2] Kurt Nassau, 莫依桑石:一种新的合成宝石材料,宝石和宝石学杂志,1999,1(4),47.
[3] 王世忠,徐良瑛,束碧云,肖兵,庄击勇,施尔畏,SiC的性质、生长和应用,无机材料学报,1999,14(4),527。
[4] 郝跃,彭军,杨银堂,碳化硅宽禁带半导体技术,北京,科学出版社,2000.5,16。
[5] 徐现刚,胡小波,王继扬,蒋民华,大直径6H-SiC单晶的生长,人工晶体学报,2003,32 (5).
[6] Yu.M. Tairov, V. F. Tsvetkov, Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals, Journal of Crystal Growth,1978, 43, 209
[7] L. Liu, J.H. Edgar, Substrates for Gallium Nitride Epitaxy, Materials Science and Engineering R, 2002, 37(3), 61

作者介绍:
陈秀芳:山东大学晶体材料研究所在读博士
徐现刚――山东大学晶体材料研究所教授、博士生导师,本论文在“中国人工宝石发展论坛”上的报告者
田亮光――中宝协第三届人工宝石专业委员会委员
山东省质量技术监督局研究员,本工作参与者(会议期间在国外出差)



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