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人工宝石相关知识


玻璃质仿猫眼宝石的制造原理和应用
2011-09-06
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胡百柳  印保忠

 

 一、引   言
天然矿石中具有高质量、明亮清晰闪光线条或是星光状光学效果的宝石极为罕见。这类宝石的加工需作精确的定向切割再研磨成一定的形状,在适合的光学条件下,才能呈现增强的星状或猫眼状光学效果。
星光或闪光效应的产生是由于宝石的微量杂质呈现有规则的排列或定向聚集,或是晶格状有序晶体结构的光反射造成的。猫眼状光学现象是指宝石在光线下转动时其表面出现相应的光带移动,也称之为“闪光”,在抛光的球体即类似于咖啡豆的矿石上效果最佳。
猫眼宝石常被看作是金绿宝石的同类物,其它矿物诸如石英、电气石、方柱石等也能显示闪光。一般尺寸的高质量、较罕见的蜂色金绿玉猫眼宝石,其价值可与相同尺寸,同样重量的金刚石或无缺陷的翡翠相当。此外,蓝宝石、红宝石、石榴石和其它能显现星状光学效应或星光的宝石也极其珍贵。
由于天然的闪光或星光宝石稀少,以致很多宝石学家做出了极大的努力,开展人工合成这类宝石的研制。发现刚玉类星光宝石的星线是由于宝石的基平面中存在着互成60°的针状钛-铝固溶体[1]。
本文拟用非晶态光学材料或玻璃制造具有单线或多线闪光或星光效果的猫眼宝石,在比重、颜色、硬度、抗磨损等物化性能方面可以和天然宝石相比较。按同样的原理,也可以将普通无闪光或星光效应的天然或人造宝石复合成闪光宝石。

二、原理和工艺
众所周知,光线射入由二种或多种不同折射率透明光学材料构成的介质时,光线在传输过程中,在二种不同折射率材料形成的界面上不断地折射或反射,始终在较高折射率的介质中传输行进,直达另一端的端面射出。这是制造光导纤维的基本原理,(见图1)。


图1 光线在光导纤维内的传输示意图

玻璃质猫眼宝石的研制就是延伸了制造光导纤维的基本原理:

  1. 高折射指数光学玻璃棒

根据材料的折射指数、物化性能和生产成本的考虑,可选择氧化镧等稀土元素或者氧化铅作为主要组分,同硅、铝、硼和碱土金属或碱金属等氧化物按一定的组成混合均匀,经高温熔制,拉制成直径约为18毫米的无色透明、光学均匀的玻璃棒。
近年来,有的制造单位为了进一步降低成本,将能提高材料折射指数但价格较高的氧化物组份的含量还在作进一步的下降。

  1. 光学纤维材料

将上述的高折射指数光学玻璃棒外面套一根低折射指数的玻璃管,以前是用光学均匀的透明彩色玻璃拉制成与玻璃棒直径相匹配的薄壁空心管,后来改进为用自动拉管机械拉制的无色透明薄壁空心管。空心管与玻璃棒的线性热膨胀系数要匹配。然后将玻璃棒和管子的组合件按光导纤维的方法[2]制成光学纤维,其芯纤的直径为5~80微米,皮层的截面厚度约为芯纤尺寸的20%,根据两种材料的折射率差来控制玻璃纤维的直径和尺寸比例。通常要求皮层的折射指数较低,芯料的折射指数较高,希望差值大。根据折射指数之比,可以选择很多类型的非晶材料制备猫眼宝石。较普通的例子是用硼硅酸盐玻璃涂复燧石玻璃芯构成光学纤维。工作中最后拉制成直径0.5毫米左右的纤维。每次一套玻璃棒管拉丝操作,或者是多套玻璃棒管一起同时拉制纤维。

  1. 材料的着色

为了模拟天然宝石的颜色,首先将非晶态底材制成各种需要的色彩。分别利用过渡金属离子着色,金、银、铜、铂等元素的胶体着色,Se、Se-Cd、硫化物的半导体着色和稀土元素的着色,制成光学均匀的彩色透明材料,拉制成玻璃管或玻璃纤维,混入无色光学纤维材料中即可。

  1. 热压成形

将一定尺寸、形状的光学纤维定向排列后,整齐地放入压模,控制升温速率将炉温升到材料的软化温度附近,加压力并保持一定时间,制成所需形状的熔块。图2所示为玻璃纤维热压成型后的配料块。


图2 玻璃纤维热压成型的玻璃胚料块

  1. 切割研磨成型

熔块经切割、造型、研磨、抛光,就能制成各种颜色的具有猫眼效应的人造宝石,其端面具有宽条平行的光带,随着光线的移动而从一端移向另一端,这种游彩是对光产生集中反射的一种光学效应。
目前产品的种类早已不再局限于戒面、球,而是有印章、串珠、坠子、挂件、扣子等工艺品,尚在不断地扩展到各种物品方面,(见图3)。

 

图3 玻璃纤维块研磨后的猫眼制品 印章、葫芦、挂件、戒面

三、结果与应用
1.材料的选择
制成各种颜色具有猫眼效应的人造宝石,其端面闪光线条的明暗和清晰程度能通过材料的选择及采用的工艺参数进行调节。因为用光学纤维材料制成的宝石,猫眼效应是由于光线进入纤维的端面后,低折射指数的皮层材料起着屏障作用,使入射光在高折射指数的芯料内经过多次反射或折射传输到另一端面(图1),因而在半球形的面上呈现线性闪光。若要更多的光线射入纤维,就选择数值孔径(芯皮折射指数差别)大的光学纤维材料,假如要降低生产的成本,可以改用价格低廉、数据孔径较小的光学纤维材料,产品的闪光线条亮度相应地就降低了。
本文作者之一应用相应的原理还制造过晶体的人工星光宝石[1]。其工艺是在刚玉宝石中添加微量的高折射指数的氧化钛作为星化剂,然后在一定的温度下进行星化处理,使宝石中的渗入物脱溶,析出含钛、铝的氧化物固溶体,呈针状晶体,沉积在宝石晶体的六个柱面上,互成60°。这时将宝石沿着C轴切割并琢磨抛光成弧形凸面,由于针状晶体比基材晶体高的折射指数,且成60°角度排列,就呈现六条美 丽的星线,似从宝石的中心射出,耀眼如星。
2.工艺控制
闪光线条轮廓的清晰度是由工艺参数决定的,首先成纤的温度不能偏高,因此若从玻璃熔体直接拉制光学纤维的方法不易获得清晰的闪光线条,因为该工艺难以控制皮-芯的尺寸比例、几何形状和材料的均匀度。即使采用管棒法也需严格控制棒、管的直径和壁厚以及形状和线性热膨胀系数的匹配度,不然极易造成产品的色差。
光学纤维热压成形时需排列整齐[3],使产品的微观紧密堆积,产品的闪光线条就会纤细而明亮。
3.闪光线条几何图案的调制
上述纤维排列和熔块切割处理方式,使宝石球面上的闪光线条平行于长轴随光线照射变动而往返移动。同样,可将纤维束拼制成平行于短轴移动的闪光线条。也可以经过较复杂的拼接和切割研磨处理使宝石的表面出现相互垂直的十字形闪光线条,或是像星光宝石那样成相等角度或不等角度间隔的6条(实为3条通过中心的长线条)明亮而随光源相反方向移动的闪光线条,相应的仿猫眼制品本身更可制成多种多样的形状(图3)。
4.天然宝石的猫眼效应研制
将天然宝石同一定形状的光学高折射指数材料熔块复合,就能在天然宝石的端面出现随光线而移动的闪光线条,使宝石更为绚丽多彩。
我们在上世纪八十年代将本产品推向市场,向邻近地区几处工厂推广。不久发现先后在我国上海、江苏、浙江、深圳、广东、福建等省市多处建立了制造工厂。二十余年来在工艺品市场上形成了一定的规模,产品的制造工艺在实践中作了很多革新,品种也在不断地扩展。
四、结论
1.使玻璃质的防宝石表面显示单线或多线的闪光亮线,在入射光源的相反方向随光移动。可以制成各种颜色,其硬度、密度和折射指数等物化性能能调制成接近天然宝石。
2.闪光线条的明暗度和清晰度可以由光学纤维材料的排列、紧密度、有规则度、直径比等条件的变动而进行调节。
3.将此一定形状的光学纤维熔块同天然宝石构成复合材料,能使天然宝石的表面显示闪光效应或星状图形。

参 考 文 献

[1] 胡百柳,唐元汾,何雪梅,张道标:星光宝石中星线和沉淀物的关系,《人工晶体学报》,18 [4] 318(1989).
[2] 印保忠:光通信用玻璃纤维的研究,《激光》,4 [1] 25 (1977).
[3] 印保忠,胡百柳:宝石的人造猫眼效应,《玻璃与搪瓷》,20 [4] 47 (1992)

第一作者介绍:
胡百柳――中宝协人工宝石专业委员会第三届高级顾问
原中国科学院上海硅酸盐研究所研究员



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