助熔剂法及其合成宝石的鉴定.docx
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1、助熔剂法又称熔剂法或熔盐法,它是在高温下从熔融盐熔剂中生长晶体的一种方法。利用助熔剂 生长晶体的历史已近百年,现在用助熔剂生长的晶体类型很多,从金属到硫族及卤族化合物,从 半导体材料、激光晶体、光学材料到磁性材料、声学晶体,也用于生长宝石晶体,如助熔剂法红 宝石和祖母绿。一、助熔剂法的基本原理和方法助熔剂法是将组成宝石的原料在高温下溶解于低熔点的助熔剂中,使之形成饱和溶液 然后通过缓慢降温或在恒定温度下蒸发熔剂等方法,使熔融液处于过饱和状态,从而使宝石晶体 析出生长的方法。助熔剂通常为无机盐类,故也被称为盐熔法或熔剂法。助熔剂法根据晶体成核及生长的方式不同分为两大类:自发成核法和籽晶生长法。1
2、、自发成核法按照获得过饱和度方法的不同助熔剂法又可分为缓冷法、反应法和蒸发法。这些方法中 以缓冷法设备最为简单,使用最普遍。缓冷法是在高温下,在晶体材料全部熔融于助熔剂中之后,缓慢地降温冷却,使晶体从 饱和熔体中自发成核并逐渐成长的方法。2、籽晶生长法籽晶生长法是在熔体中加入籽晶的晶体生长方法。主要目的是克服自发成核时晶粒过多 的缺点,在原料全部熔融于助熔剂中并成为过饱和溶液后,晶体在籽晶上结晶生长。根据晶体生长的工艺过程不同,籽晶生长法又可分为以下几种方法:A. 籽晶旋转法:由于助熔剂熔融后粘度较大,熔体向籽晶扩散比较困难,而采用籽晶旋转的方法 可以起到搅拌作用,使晶体生长较快,且能减少包裹
3、体。此法曾用于生长卡善红宝石。B. 顶部籽晶旋转提拉法:这是助熔剂籽晶旋转法与熔体提拉法相结合的方法。其原理是:原料在坩 埚底部高温区熔融于助熔剂中,形成饱和熔融液,在旋转搅拌作用下扩散和对流到顶部相对低温 区,形成过饱和熔液,在籽晶上结晶生长晶体。随着籽晶的不断旋转和提拉,晶体在籽晶上逐渐 长大。该方法除具有籽晶旋转法的优点外,还可避免热应力和助熔剂固化加给晶体的应力。另外, 晶体生长完毕后,剩余熔体可再加晶体材料和助熔剂继续使用。C. 底部籽晶水冷法:助熔剂挥发性高,顶部籽晶生长难以控制,晶体质量也不好。为了克服这些 缺点,采用底部籽晶水冷技术,则能获得良好的晶体。水冷保证了籽晶生长,抑制
4、了熔体表面和 坩埚其它部位的成核。这是因为水冷部位才能形成过饱和熔体,从而保证了晶体在籽晶上不断成 长。用此法可生长出质量良好的钇铝榴石晶体。D. 坩埚倒转法及倾斜法:这是两种基本原理相同的助熔剂生长晶体的方法。当坩埚缓慢冷却至溶 液达过饱和状态时,将坩埚倒转或倾斜,使籽晶浸在过饱和溶液中进行生长,待晶体生长结束后, 再将坩埚回复到开始位置,使溶液与晶体分离。E. 移动熔剂区熔法:这是一种采用局部区域熔融生长晶体的方法。籽晶和晶体原料互相连接的熔 融区内含有助熔剂,随着熔区的移动(移动样品或移动加热器),晶体不断生长,助熔剂被排挤到 尚未熔融的晶体原料一边。只要适当地控制生长速度和必要的生长气
5、氛,用这种方法可以得到均 匀的晶体。二、助熔剂的选择和工艺特点助熔剂的选择是助熔剂法生长宝石晶体的关键,它不仅能帮助降低原料的熔点,还直接 影响到晶体的结晶习性、质量与生长工艺。助熔剂有两类:一类为金属,主要用于半导体单晶的生长;另一类为氧化物和卤化物(如PbO, PbF2等), 主要用于氧化物和离子材料的生长。2理想的助熔剂的条件:1. 对晶体材料应具有足够强的溶解能力;2. 具有尽可能低的熔点和尽可能高的沸点;3. 应具有尽可能小的粘滞性;4. 在使用温度下挥发性要低(蒸发法除外);5. 毒性和腐蚀性要小,不易与坩埚材料发生反应;6. 不易污染晶体,不与原料反应形成中间化合物;7. 易把晶
6、体与助熔剂分离。常采用的助熔剂:硼、钡、铋、铅、钼、钨、锂、钾、钠的氧化物或氟化物,如况,BaO, Big, PbO,PbF,MoO,WO,Li O,KO,KF,Na O,NaF,NaAlF等。在实际使用中,人们多采用复合 23322236助熔剂,也使用少量助熔剂添加物,通常可以显著地改善助熔剂的性质。合成不同宝石品种采用 的助熔剂类型不同。即使合成同一品种的宝石,不同厂家采用的助熔剂种类也不一样。助熔剂法生长宝石技术的优缺点助熔剂法与其它生长晶体的方法相比,有着许多突出的优点:1. 适用性很强,几乎对所有的材料,都能够找到一些适当的助熔剂,从中将其单晶生长 出来。2. 生长温度低,许多难熔的
7、化合物可长出完整的单晶,并且可以避免高熔点化合物所需 的高温加热设备、耐高温的坩埚和高的能源消耗等问题。3. 对于有挥发性组份并在熔点附近会发生分解的晶体,无法直接从其熔融体中生长出完 整的单晶体。4. 在较低温度下,某些晶体会发生固态相变,产生严重应力,甚至可引起晶体碎裂。助 熔剂法可以在相变温度以下生长晶体,因此可避免破坏性相变。5. 助熔剂法生长晶体的质量比其它方法生长出的晶体质量好。6. 助熔剂法生长晶体的设备简单,是一种很方便的晶体生长技术。助熔剂法存在着一定的缺点,归纳起来有以下四点:1. 生长速度慢,生长周期长。2. 晶体尺寸较小。3. 坩埚和助熔剂对合成晶体有污染。4. 许多助
8、熔剂具有不同程度的毒性,其挥发物常腐蚀或污染炉体和环境。三、助熔剂法合成宝石的品种1940年美国人Carroll Chatham用助熔剂法实现了合成祖母绿的商业生产.目前世界 上祖母绿生产的大公司已经发展到了六、七家,如美国的查塔姆(Chatham)、Regency、林德 (Linde),澳大利亚的毕荣(Biron)、法国的吉尔森(Gilson)、日本的拉姆拉(Ramaura)俄 罗斯的Tairus。年生产祖母绿已经达到了 5000kg以上。随着科技的发展,各个生产厂家也在不 断地改进合成工艺,如Chatham生产出供销售的单个晶体和晶簇。1. 埃斯皮克(Espig)缓冷法生长祖母绿晶体早在1
9、888年和1900年,科学家们就使用了自发成核法中的缓冷法生长出祖母绿晶体的 技术。之后,德国的埃斯皮克(H. Espig)等人进行了深入的研究(于1924-1942年),并对助熔 剂缓冷法做了许多改进,生长出了长达2cm的祖母绿晶体。A. 主要设备缓冷法生长宝石晶体的设备为高温马福炉和铂坩埚(图6-1)。合成祖母绿晶体的生长 常采用最高温度为1650C的硅钼棒电炉。炉子一般呈长方体或圆柱体,要求炉子的保温性能好, 并配以良好的控温系统。图6-1助熔剂法采用的坩锅和马福炉坩埚材料常用铂,使用时要特别注意避免痕量的金属铋、铅、铁等的出现,以免形成铂 合金,引起坩埚穿漏。坩埚可直接放在炉膛内,也可
10、埋入耐火材料中,后者有助于增加热容量、 减少热波动,并且一旦坩埚穿漏,对炉子损害不大。B. 生长过程首先在铂坩埚中放入晶体原料和助熔剂,并将坩埚放入高温电阻炉中加热,待原料和助 熔剂开始熔化后,在略高于熔点的温度下恒温一段时间,使所有原料完全熔化。然后缓慢降温, 降温速度为每小时0.2-0.5C,形成过饱和溶液。电炉顶部温度稍高于底部温度,晶体便从坩埚 底部结晶生长。晶体生长速度很慢,约每秒6.0XLo-6cmo主要晶体生长结束后,倒出熔融液, 所得晶体随后与坩埚一起重新放回炉中,随炉温一起降至室温。出炉后,将晶体与坩埚一起放在 能溶解助熔剂的溶液中,溶去剩余的助熔剂,即可得到生长的晶体。C.
11、 工艺条件原料:合成祖母绿所使用的原料是纯净的绿柱石粉或形成祖母绿单晶所需的纯氧化物,成份为 BeO、SiO2、AL2O3及微量的 CrR。助熔剂:常用的有氧化帆、硼砂、钼酸盐、锂钼酸盐和钨酸盐及碳酸盐等。目前多采用锂钼酸盐 和五氧化二帆混合助熔剂。工艺流程:a. 将铂坩埚用铂栅隔开,另有一根铂金属管通到坩埚底部,以便不断向坩埚中加料。b. 按比例称取天然绿柱石粉或二氧化硅(SiO2)、氧化铝(ALq)、和氧化铍(BeO)、助熔剂和少量着色剂氧化铬(CrR)。22 3c. 原料放入铂柑锅内,原料SiO2以玻璃形式加入熔剂中,浮于熔剂表面,其它反应物AL2O3、BeO、Cr2O3通过导管加入到坩
12、埚的底部,然后将坩埚置于高温炉中。d. 升温至I400C,恒温数小时,然后缓慢降温至1000C保温。e. 通常底部料2天补充一次,顶部料2-4周补充一次。f. 当温度升至800C时,坩埚底部的ALR、BeO、Li2CrO4等已熔融并向上扩散,SiO2M融向下扩散。熔解的原料在铂栅下相遇并发生反应,形成祖母绿分子。2g. 当溶液浓度达到过饱和时,便有祖母绿形成于铂栅下面悬浮祖母绿晶种上。E4tKraldLijO-MoQjA0h. 生长结束后,将助熔剂倾倒出来,在铂坩埚中加入热硝酸进行溶解处理50小时,待温度缓慢 降至室温后,即可得干净的祖母绿单晶。SPECIFICGRAVITY2.32.93.0
13、4.0相对密度值图6-2助熔剂法合成祖母绿的装置图(点击可进入多媒体演示)1. 生长速度大约为每月0.33mm。在12个月内可长出2cm的晶体。(4)工艺要点:a. 必须严格控制原料的熔化温度和降温速度,以便祖母绿单晶稳定生长,并抑制金绿宝石和硅 铍石晶核的大量形成。b. 在祖母绿晶体生长过程中必须按时供应生长所需的原料,使形成祖母绿的原料自始至终都均匀 地分布在熔体中。2. 吉尔森籽晶法生长祖母绿晶体法国陶瓷学家吉尔森(P -Gilson)采用籽晶法生长祖母绿晶体,能生长出14X2Omm的单 晶体,曾琢磨出l8Ct大刻面的祖母绿宝石,于1964年开始商业性生产。A. 装置如图6-3所示,在铂
14、坩埚的中央加竖铂栅栏网,将坩埚分隔为两个区,一个区的温度稍 高为熔化区,另一个区的温度稍低为生长区。B. 生长工艺助熔剂:酸性钼酸锂;热区:添加原料、助熔剂和致色剂;冷区:吊挂籽晶,视坩埚大小可以排布多个祖母绿籽晶片。升温至原料熔融,热区熔融后祖母绿分子扩散到温度稍低的冷区。当祖母绿熔融液浓度 过饱和时,祖母绿便在籽晶上结晶生长。热区和冷区的温差很小,保持低的过饱和度以阻止硅铍 石和祖母绿的自发成核作用。不断添加原料,一次可以生长出多粒祖母绿晶体。其生长速度大约为每月lmm。3. 自发成核缓冷法生长红宝石图6-3吉尔森助熔剂法合成祖母绿的装置助熔剂法合成红宝石是自发成核缓冷法生长的,在生长过程
15、中采用了坩埚变速旋转技 术。使熔体不断处于搅拌之中,对晶面可产生冲刷效果,从而使包体大大减少。搅拌熔体还可使 溶质浓度分布均匀、减少局部过冷,从而减少小晶核的数目,抑制局部地段有其它相的析出。图6-4助熔剂法合成红宝石晶体(多罗斯)具体工艺:原料:AL2O3和少量的Cr2O3;助熔剂:PbO-B2O3 或 PbF2 PbO。铂坩埚置于装有旋转支持底座的电炉内加热。加热:加热至1300C,并旋转坩埚,使坩埚内的助熔剂和原料完全熔融。生长:停止加热,以每小时2C的速度缓慢冷却至915C,大致需8天。晶体缓慢生长。晶体生长结束,倒出助熔剂。用稀硝酸将残存的助熔剂溶解,即可获得干净的红宝石晶体。图6-
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- 熔剂 及其 合成 宝石 鉴定
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