第五章 冷坩埚法合成立方氧化锆及鉴定.docx

第五章.冷坩埚法及其合成宝石的鉴定要点：1. 冷坩埚法基本原理、合成装置与条件、过程及特点2. 合成品种3. 冷坩埚法合成宝石的鉴定冷坩埚法是生产合成立方氧化锆晶体的方法该方法是俄罗斯科学院列别捷夫固体物 理研究所的科学家们研制出来的，并于1976年申请了专利由于合成立方氧化锆晶体良好的物 理性质，无色的合成立方氧化锆迅速而成功的取代了其它的钻石仿制品，成为了天然钻石良好的 代用品合成立方氧化锆易于掺杂着色，可获得各种颜色鲜艳的晶体，因此受到了宝石商和消费 者的欢迎冷輕育离强疑IB图5-1冷坩埚法的冷却管和加热装置图5-2冷却水铜管及底座构成的“杯”一、 冷坩埚法生长晶体的原理冷坩埚法是一种从熔体中生长法晶体的技术，仅用于生长合成立方氧化锆晶体其特点 是晶体生长不是在高熔点金属材料的坩埚中进行的，而是直接用原料本身作坩埚，使其内部熔化, 外部则装有冷却装置，从而使表层未熔化，形成一层未熔壳，起到坩埚的作用内部已熔化的晶 体材料，依靠坩埚下降脱离加热区，熔体温度逐渐下降并结晶长大合成立方氧化锆的熔点最高为2750°C几乎没有什么材料可以承受如此高的温度而作为氧 化锆的坩埚该方法将紫铜管排列成圆杯状“坩埚”（图5-1），外层的石英管套装高频线圈， 紫铜管用于通冷却水，杯状“坩埚”（图5-2）内堆放氧化锆粉末原料。

高频线圈处于固定位置, 而冷坩埚连同水冷底座均可以下降冷坩埚法生长晶体的装置见图5 -o冷坩埚技术用高频电磁场进行加热，而这种加热方法只对导电体起作用冷坩埚法的晶体 生长装置采用“引燃”技术，解决一般非金属材料如金属氧化物MgO、CaO等电阻率大，不导电, 所以很难用高频电磁场加热熔融的问题某些常温下不导电的金属氧化物，在高温下却有良好的 导电性能，可以用高频电磁场进行加热氧化锆在常温下不导电，但在1200C以上时便有良好 的导电性能为了使冷坩埚内的氧化锆粉末熔融，首先要让它产生一个大HQ h.O HQ H,O图5T冷均捅壳熔法生长晶体的装蓋1焰壳盖;2石英管；3通冷却水的铜营；4高频线圈（RF）； 门容体6 晶体7未熔料S通冷却水底座（点击可进入多媒体演示）于1200°C的高温区，将金属的锆片放在“坩埚”内的氧化锆材料中，高频电磁场加热时，金属 锆片升温熔融为一个高温小熔池（图5-4），氧化锆粉末就能在高频电磁场下导电和熔融，并不 断扩大熔融区，直至氧化锆粉料除熔壳外全部熔融为止，此技术称为〃引燃〃技术氧化锆在不同的温度下，呈现不同的相态自高温相向低温相，氧化锆从立方相构型向 六方、四方至单斜锆石转变。

常温下立方氧化锆不能稳定存在，会转变为单斜结构相所以在晶 体生长的配料中必须加入稳定剂，才能使合成立方氧化锆在常温下稳定通常选用Y2O3作为稳定 剂，最少加入量为10%的摩尔数过少则会有四方相出现，表现为有乳白状混浊；过多则晶体易 带色，并且造成不必要的成本上升，还会降低晶体的硬度二、冷坩埚法晶体生长工艺首先将生0与稳定剂Y0按摩尔比9： 1的比例混合均匀，装入紫铜管围成的杯长合成立方氧2 23化锆晶体所使用的粉料Zr状〃冷坩埚〃中，在中心投入4-6g锆片或锆粉用于〃引燃〃接通电源， 进行高频加热约8小时后，开始起燃起燃1-2 分钟，原料开始熔化先产生了小熔池，然后 由小熔池逐渐扩大熔区在此过程中，锆金属与氧反应生成氧化锆同时，紫铜管中通入冷水冷 却，带走热量，使外层粉料未熔，形成"冷坩埚熔壳"待冷坩埚内原料完全熔融后，将熔体稳定 30-60 分钟然后坩埚以每小时 5-15mm 的速度逐渐下降，“坩埚”底部温度先降低，所以在熔 体底部开始自发形成多核结晶中心，晶核互相兼并，向上生长只有少数几个晶体得以发育成较 大的晶块晶体生长完毕后，慢慢降温退火一段时间，然后停止加热，冷却到室温后，取出结晶块， 用小锤轻轻拍打，一颗颗合成立方氧化锆单晶体便分离出来。

整个生长过程约为2O小时每一炉最多可生长6Okg晶体，未形成单晶体的粉料及壳体可 回收再次用于晶体生长生长出的晶块呈不规则柱状体，无色透明，肉眼见不到包裹体和气泡o^5-4合航立育氧化错的具体工艺过程1袴堆塢2高频线圈3 “引燃"造咸的小熔区4瘵料粉末5熔壳&熔 体 7合康立方氧化誥晶体冷坩埚法生长合成立方氧化锆的具体工艺过程见图5-4合成立方氧化锆晶体易于着色，对于彩色立方氧化锆晶体的生长，需要在氧化锆和稳定剂的 混合料中加入着色剂将无色合成立方氧化锆晶体放在真空下加热到2000°C进行还原处理，还 能得到深黑色的合成立方氧化锆晶体合成立方氧化锆晶体颜色及着色剂见表5 -表5-1 合成立方氧化锆晶体颜色及着色剂掺质成分占总重量百分比晶体颜色Ce O2 30.15红色Pr O2 30.1黄色Nd O2 32.0紫色Ho O2 30.13淡黄色Er O2 30.1粉红色V O2 50.1黄绿色Cr O2 30.3橄榄绿色Co O2 30.3深紫色CuO0.15淡绿色Nd O+Ce O2 3 2 30.09+0.15攻瑰红色NdO+CuO2 31.1+1.1淡蓝色Co O +CuO2 30.15+1.0紫蓝色CoO +V O2 3 2 50.08+0.08棕色三、合成立方氧化锆的鉴别合成立方氧化锆常被用作钻石的仿制品。

因此，合成立方氧化锆晶体的性质及特征，就是合 成立方氧化锆的鉴别特征1、合成立方氧化锆的生长特征由于冷坩埚法生长合成立方氧化锆晶体时不使用金属坩埚，而是用晶体原料本身作为坩埚， 因此合成立方氧化锆晶体中不含金属固体包体，也没有矿物包体生长过程中没有晶体的旋转， 也没有弧形生长纹一般来说，合成立方氧化锆的大多数晶体内部洁净只有少数晶体可能会因冷却速度过快而 产生气体包体或裂纹还有些靠近熔壳的合成立方氧化锆晶体内有未完全熔化的面包屑状的氧化 锆粉末偶见旋涡状内部特征图5-5合成立方氧化锆中的未熔粉末2、合成立方氧化锆的物理化学特征图5-6合成立方氧化锆中的气泡晶体结构：立方结构硬度：8-8.5用维氏显微硬度计测量平均值为1384kg/mm密度：5.6-6.0g/cm3断口：贝壳状断口折射率：2.15-2.18,略低于钻石(2.417)色散：0.060-0.065，略高于钻石(0.044)光泽：亚金刚-金刚光泽吸收光谱：无色透明者在可见光区有良好的透过率；彩色者可有吸收峰，对紫外光均有强烈 的吸收可显稀土光谱荧光：多数晶体在长波紫外线照射下发出黄橙色荧光，在短波下发出黄色荧光而有些晶体 只在短波下有荧光反应，有些甚至不发光。

化学性质：非常稳定，耐酸、耐碱、抗化学腐蚀性良好。