熟悉幾種常見的合成寶石（如合成鉆石、合成剛玉、合成立方氧化鋯、合成祖母綠、合成歐泊、合成水晶等）的生產方法與其特征。掌握天然寶石與合成寶石的鑒定方法。合成寶石2025/4/191(一)合成寶石與人造寶石1.合成寶石的定義合成寶石是全部或部分由人工生產的無機產物,且它們的物理性質,化學成分和晶體結構和所對應的天然寶石基本相同。A．原料：半人工材料；如天然去皮水晶作為合成水晶的原料；

人工分離出的原料Al2O3

作為合成紅寶石的原料；B．有天然對應物：天然紅寶石---合成紅寶石

它們的物理性質、化學成分和原子結構都基本相同；C．可以有小的差異：

天然尖晶石：MgO：Al2O3==1：1，RI1.718，SG3.60

合成尖晶石：MgO：Al2O3==1：1.5—3.5；RI1.727，SG3.63

正是這微小的差異，使我們能夠區分它們。一、概述2025/4/1922人造寶石

指人工生產的非天然形成的無機材料。

狹義的人造寶石：具有獨特的化學成分、原子結構和物理性質的人工寶石材料；

如YAG：釔鋁榴石，Y3Al5O12

；無天然對應物，廣義的人造寶石：人工生產的寶石，包括合成寶石；2025/4/193(二)人工制造寶石的歷史

1500年埃與人開始用玻璃模仿祖母綠、青金石和綠松石等。

18世紀中期和19世紀人工開始合成寶石.由于礦物學研究的發展以與化學分析方法取得的進展，使人們逐漸掌握了寶石的化學成分與性質，加上化學工業的發展以與對結晶過程的認識，人工合成寶石才變為現實。

1892年出現了聞名的“日內瓦紅寶石”，這是用氫氧火焰使品質差的紅寶石粉末與添加的致色劑鉻熔融，再重結晶形成優質紅寶石的方法。隨后，這種方法經改進并得以商業化。

1890年，助熔劑法合成紅寶石獲得成功；

1900年助熔劑法合成祖母綠成功。合成尖晶石、藍寶石、金紅石、鈦酸鍶等逐漸面市。

1953年合成工業級鉆石、1960年水熱法合成祖母綠與1970年寶石級合成鉆石也相繼獲得成功。五十年代末，我國為了發展我國的精密儀器儀表工業，從原蘇聯引進了焰熔法合成剛玉的設備和技術，六十年代投產后，主要用于手表軸承材料的生產。后來發展到有20多家焰熔法合成寶石的工廠，能生長出各種品種的剛玉寶石、尖晶石、金紅石和鈦酸鍶等。2025/4/194

我國進行水熱法生長水晶的研究工作，始于1958年。目前幾乎全國各省都建立了合成水晶廠。我國的彩色石英從1992年開始生產，現在市場上能見到的各種顏色品種的合成石英。七十年代，由于工業和軍事的需要，尤其是激光研究的需要，我國先后用提拉法生產了人造釔鋁榴石（YAG）和釓鎵榴石（GGG）晶體，它們曾一度被用于仿鉆石。1982年，我國開始研究合成立方氧化鋯的生產技術，1983年投產。由于合成立方氧化鋯的折射率高、硬度高、產量大、成本低，很快取代了其它仿鉆石的晶體材料。廣西寶石研究所1993年成功生產水熱法合成祖母綠，現已能生產水熱法合成其它顏色的綠柱石與紅、藍寶石。合成工業用鉆石在我國是l963年投產的，至八十年代末，我國已有300余家合成工業用鉆石的廠家。但寶石級合成鉆石的生產還在探索之中。l995年，我國采用化學氣相沉積法生長出了多晶金剛石薄膜，已在首飾方面應用。2025/4/195二、合成寶石的晶體生長基本理論

晶體生長的發生最初是從溶液或熔體中形成固相的小晶芽，即成核。晶核形成后，就形成了晶體--介質的界面，晶體生長最重要的過程就是界面過程。科學家們提出了許多生長機制或模型，結合熱力學和動力學探討了這一過程。盡管晶體生長理論已有一百多年的發展歷程，但晶體生長理論還并不完善，現有的晶體生長模型還不能完全用于指導晶體生長實踐，為了提高晶體質量還有許多實際問題尚待解決。2025/4/196

1．成核

成核過程實際是一個相變過程。相是一個體系中均勻一致的部分，它與另外的其它部分有明顯的分界線。

化學成分相同的物質，在不同的溫壓條件下，可以呈不同的結構（同質多象）、或不同的狀態如固相、液相和氣相。

相變：當某一體系在外界條件改變時，會發生狀態的改變，這種現象即相變。寶石合成的過程即生長晶體，從液相變為固相，或固相變為固相、氣相變為固相；相變過程受溫壓條件、介質組分的控制。

相圖：根據相變理論公式（克拉帕瓏方程），即反映壓力、溫度和組分的關系，作出的表示相變、溫度、壓力、組分關系的圖解。2025/4/197石墨的相圖是一元相圖，如圖所示。這個相圖表明，在很大的壓力和溫度范圍內存在碳的固態相變。它是根據熱力學原理，結合多次實驗和外推等做出的。石墨在溫度1400-16000C和4.5-6×109Kb的壓力下會轉變為鉆石，該圖是合成鉆石的依據。石墨-鉆石的相圖2025/4/198

在合成晶體過程中，為了獲得理想的晶體，人為提供的晶核稱為種晶或籽晶。種晶一般都是從已有的大晶體上切取的。種晶上的缺陷，如位錯、開裂、晶格畸變等在一定的范圍內會“遺傳”給新生長的晶體。在選擇種晶時要避開缺陷。根據晶體生長習性和應用的要求，種晶可采用粒狀、棒狀、片狀等不同的形態。種晶的光性方位對合成晶體的形態、生長速度等有很大的影響。所以種晶的選擇非常重要。2025/4/1992.晶體生長界面穩定性：晶核出現后，過冷或過飽和，驅使質點按一定的晶體結構在晶核上排列生長。溫度梯度和濃度梯度直接影響界面的穩定性，從而影響晶面的生長速度、晶體的形態。晶體生長過程中，介質的溫度、濃度會影響晶體與介質的界面的宏觀形狀，如是凸起、凹陷或平坦光滑。界面為平坦光滑狀態，則界面穩定性；如果生長條件的干擾，界面會產生凹凸不平，即形成不穩定界面。2025/4/19103．晶體生長的界面模型晶體生長最重要的過程是一個界面過程，涉與生長基元如何從母液相傳輸到生長界面以與如何在界面上定位成為晶體的一部分。A．完整光滑界面生長模型

此模型又稱為成核生長理論模型，或科塞爾-斯特蘭斯基（Kossel-Stranski）理論模型。該模型是1927年，由科塞爾首先提出，后經斯特蘭斯基加以發展。2025/4/1911

在晶核形成以后，結晶物質的質點繼續向晶核上粘附，晶體則得以生長。質點粘附就是按晶體格子構造規律排列在晶體上。質點向晶核上粘附時，在晶體不同部位的晶體格子構造對質點的引力是不同的。也就是說，質點粘附在晶體不同部位所釋放出的能量是不一樣的。由于晶體總是趨向于具有最小的內能，所以，質點在粘附時，首先粘附在引力最大、可釋放能量最大的部位，使之最穩定。

成核生長理論模型在理想的條件下，結晶物質的質點向晶體上粘附有三種不同的部位（圖）：2025/4/1912

質點粘附在晶體表面三面凹角的1處，此時質點受三個最近質點的吸引，若質點粘附在晶體表面兩面凹角的2處，則受到兩個最近質點的吸引，此處質點所受到的吸引力不如1處大，若質點在一層面網之上的一般位置3處，所受到的吸引力最小。由此可見，質點粘附在晶體的不同部位，所受到的引力或所釋放出的能量是不同的。而且，它首先會粘附在三面凹角1處，其次于兩面凹角2處，最后才是粘附在一層新的面網上(即3處)。由此得出晶體生長過程應該是：先長一條行列，再長相鄰的行列，長滿一層面網，然后開始長第二層面網，晶面(晶體上最外層面網)是逐層向外平行推移的。這便是科塞爾一斯特蘭斯基所得出的晶體生長理論。2025/4/1913

B.非完整光滑界面生長模型此模型又稱為螺旋生長理論模型，或BCF理論模型。該模型于1949年由弗朗克首先提出，后由弗朗克等人（Buston、Cabresa、Frank）進一步發展并提出一系列與此相關的動力學規律，總稱BCF理論模型。該理論模型認為，晶面上存在的螺旋位錯露頭點可以作為晶體生長的臺階源（下圖），促進光滑界面的生長。這種臺階源永不消失，因此不需要形成二維核。這一理論成功的解釋了晶體在很低的飽和度下仍能生長，而且生長出光滑的晶體界面的現象。2025/4/1914

螺旋錯位形成的臺階源，圍繞螺旋位錯線形成螺旋狀階梯層層上升，按1、2、3、4、5（見左下圖）的順序，依次生長，1高于2，2高于3，最后形成一螺旋線的錐形。由于螺旋位錯的存在，晶體生長速率大大加快。在許多實際晶體表面，利用電子顯微鏡或干涉顯微鏡很容易觀察到晶面中間有螺旋位錯露頭點的生長丘（圖右下圖）。這一理論可以解釋許多實際晶體的生長。

綠柱石表面由于螺旋位錯造成的生長丘（干涉顯微鏡下）螺旋位錯生長示意圖2025/4/19154．人工晶體生長方法1．從熔體中生長單晶體：粉末原料→加熱→熔化→冷卻→超過臨界過冷度→結晶，從熔體中生長晶體的方法是最早的研究方法，也是廣泛應用的合成方法。從熔體中生長單晶體的最大優點是生長速率大多快于在溶液中的生長速率。二者速率的差異在10-1000倍。從熔體中生長晶體的方法主要有焰熔法、提拉法、冷坩堝法和區域熔煉法。2025/4/19162．從液體中生長單晶體：

原料→加熱→溶解（遷移、反應）→過飽和→析出結晶由兩種或兩種以上的物質組成的均勻混合物稱為溶液，溶液由溶劑和溶質組成。合成晶體所采用的溶液包括：低溫溶液（如水溶液、有機溶液、凝膠溶液等）、高溫溶液（即熔鹽）與熱液等。從溶液中生長晶體的方法主要有助熔劑法和水熱法。

2025/4/19173．從氣相中生長單晶體的方法氣相生長可分為單組分體系和多組分體系生長兩種。

單組分氣相生長要求氣相具備足夠高的蒸氣壓，利用在高溫區汽化升華、在低溫區凝結生長的原理進行生長。但這種方法應用不廣，所生長的晶體大多為針狀、片狀的單晶體。

多組分氣相生長一般多用于外延薄膜生長，外延生長是一種晶體浮生在另一種晶體上。主要用于電子儀器、磁性記憶裝置和集成光學等方面的工作元件的生產上。合成金剛石薄膜的化學氣相沉淀(CVD)法以與合成碳化硅單晶生產技術，就屬于此類。2025/4/1918二、合成寶石的合成方法

(一)焰熔法合成方法

最早是1885年由弗雷米（E.Fremy）、弗爾（E.Feil）和烏澤（Wyse）一起，利用氫氧火焰熔化天然的紅寶石粉末與重鉻酸鉀而制成了當時轟動一時的“日內瓦紅寶石”。后來于1902年弗雷米的助手法國的化學家維爾納葉（Verneuil）改進并發展這一技術使之能進行商業化生產。因此，這種方法又被稱為維爾納葉法。2025/4/1919（一）從熔體中結晶

將適當組分的固體粉末熔化后再結晶的方法,進一步分為四種,即維爾納葉法、丘克拉斯基法、冷坩堝法和區域熔煉法。

1.維爾納葉法或稱焰熔法

（1）基本原理將適當組分的細粉末落入烈焰之中熔化,然后固化形成單晶。

（2）生產過程加料→點燃→熔化→燒結錐→單晶→冷卻。

焰熔法合成裝置由供料系統、燃燒系統和生長系統組成，合成過程是在維爾納葉爐中進行的。合成不同顏色的紅寶石和藍寶石取決于添加不同的致色元素。2025/4/1920A．

供料系統

原料：成分因合成品的不同而變化。原料的粉末經過充分拌勻，放入料筒。

料筒（篩狀底）：圓筒，用來裝原料，底部有篩孔；料筒中部貫通有一根震動裝置使粉末少量、等量、周期性地自動釋放。

震蕩器：使料筒不斷抖動，以便原料的粉末能從篩孔中釋放出來。

如果合成紅寶石，則需要Al2O3

和Cr2O3，三氧化二鋁可由鋁銨礬加熱獲得；致色劑為Cr2O31-3%，B．

燃燒系統

氧氣管：從料筒一側釋放，與原料粉末一同下降；

氫氣管：在火焰上方噴嘴處與氧氣混合燃燒。

通過控制管內流量來控制氫氧比例，O2:H2===1:3；

氫氧燃燒溫度為25000C，Al2O3粉末的熔點為20500C；

冷卻套：吹管至噴嘴處有一冷卻水套，使氫氣和氧氣處于正常供氣狀態，保證火焰以上的氧管不被熔化C．

生長系統

落下的粉末經過氫氧火焰熔融，并落在旋轉平臺上的籽晶棒上，逐漸長成一個晶棒（梨晶）。水套下為一耐火磚圍砌的保溫爐，保持燃燒溫度與晶體生長溫度，近上部有一個觀察孔，可了解晶體生長情況。耐火磚：保證熔滴溫度緩慢下降，以便結晶生長；

旋轉平臺：安置籽晶棒，邊旋轉、邊下降；落下的熔滴與籽晶棒接觸稱為接晶；接晶后通過控制旋轉平臺擴大晶種的生長直徑，稱為擴肩；然后，旋轉平臺以均勻的速度邊旋轉邊下降，使晶體得以等徑生長。（3）維爾納葉法合成裝置維爾納葉法合成裝置2025/4/1921維爾納葉法合成寶石梨晶梨晶：長出的晶體形態類似梨形，故稱為梨晶。梨晶大小通常為長23cm，直徑2.5-5cm。生長速度：1厘米/小時，一般6小時完成即可完成生長。因為生長速度快，內應力很大，停止生長后，應該輕輕敲擊，讓它沿縱向裂開成兩半以釋放內應力，避免以后產生裂隙。特點：方法特點：生長速度快、設備簡單、產量大、便于商業化。世界上每年用此法合成的寶石大于10億克拉。但用此方法合成的寶石晶體缺陷多、容易識別。2025/4/1922

各種合成剛玉的致色元素合成剛玉原料Al2O3

，另加致色元素如下合成紅寶石Cr2O3，

1-3%合成藍寶石Fe，Ti；0.3-0.5%合成黃色藍寶石Ni，Cr合成紫色藍寶石Cr

Fe，Ti合成變色藍寶石Cr2O3，V2O5，3-4%合成星光紅寶石TiO2

0.1-0.3%，Cr2O3

1-3%合成星光藍寶石FeO+TiO2：0.3-0.5%；TiO2

：0.1-0.3%2025/4/1923（4）合成寶石的品種1）合成剛玉2）合成尖晶石3）金紅石4）鈦酸鍶2025/4/19241）合成剛玉

①合成剛玉的寶石學性質

合成紅寶石：加入致色元素Cr2O31-3%

合成藍寶石：加入致色元素TiO2和FeO，但Ti和Fe的逸散作用，使合成藍寶石常常有無色核心和藍色表皮,顏色分布不均勻；粉紅色和紫紅色：加入致色元素Cr、Ti、Fe；黃色：加入致色元素Ni和Cr；變色剛玉：加入V和Cr；顯紫紅色到藍紫色的變色效應。除祖母綠外，任何顏色的剛玉都可以合成。星光剛玉：如需要合成星光剛玉，則需要在上述原料中再添加0.l一0.3%的TiO2，這樣長成的梨晶中，TiO2

呈固熔體分布于剛玉晶格中，并沒有以金紅石的針狀礦物相析出。必須在l300度恒溫24小時，讓金紅石針沿六方柱柱面方向出溶，才能產生星光效應。2025/4/1925各種合成剛玉的致色元素合成剛玉原料Al2O3

，另加致色元素如下合成紅寶石Cr2O3，

1-3%合成藍寶石Fe，Ti；0.3-0.5%合成黃色藍寶石Ni，Cr合成紫色藍寶石Cr

Fe，Ti合成變色藍寶石Cr2O3，V2O5，3-4%合成星光紅寶石TiO2

0.1-0.3%，Cr2O3

1-3%合成星光藍寶石FeO+TiO2：0.3-0.5%；TiO2

：0.1-0.3%2025/4/1926②合成剛玉鑒定特征原始晶形：焰熔法合成的寶石原始晶形都是梨形。而天然寶石的晶體形態為一定的幾何多面體。市場上也出現過將焰熔法合成的梨晶破碎，甚至經過滾筒磨成毛料，來仿稱天然原料銷售。包裹體：合成紅、藍寶石中常可見氣泡和未熔粉末出現，一般氣泡小而圓，或似蝌蚪狀；可單獨或成群出。2025/4/1927焰熔法合成紅寶石中的氣泡與彎曲生長紋2025/4/1928色帶：紅寶石中常常為細密的弧形生長紋，類似唱片紋；藍寶石中色帶較粗而不連續；黃色藍寶石很少含有氣泡，也難見色帶。天然紅寶石和藍寶石都顯示直或角狀或六方色帶。維爾納葉法合成藍寶石中的彎曲色帶2025/4/1929吸收光譜：

合成藍寶石的光譜見不到天然藍寶石通常可以見到的藍區的吸收，或450nm的吸收帶十分模糊。熒光：合成藍寶石有時顯示藍白色或綠白色熒光，天然的為惰性。合成紅寶石通常比天然紅寶石的紅色熒光明顯強。藍寶石:藍區450、460、470nm有3條吸收窄帶(Fe)光柵式分光鏡觀察2025/4/1930帕拉圖法：將剛玉浸于盛有二碘甲烷的玻璃器皿中，在顯微鏡下沿光軸方向，加上正交偏光片下，合成剛玉可以觀察到兩組夾角為1200的結構線。合成剛玉帕拉圖法結構線2025/4/1931在合成紅寶石原料中，加上0.1%-0.3%的二氧化鈦。顏色呈淺紫紅色或粉紅色，硬度9，半透明。有6道放射狀星光，在星線交匯處無加寬加亮的現象；而天然星光紅寶石在星線交匯處形成一個集中的亮點。焰熔法合成星光剛玉：合成星光藍寶石2025/4/1932合成星光剛玉與天然星光剛玉的區別

合成星光剛玉天然星光剛玉內含物大量氣泡和未熔粉末；金紅石針極其微小，難以辨認；彎曲色帶明顯各種晶體包體、氣液包體、指紋狀包體；金紅石針較粗，易識別；直角狀或六方色帶星帶外觀特征星光浮于表面，星線直、勻、細，連續性好；中心無寶光星光發自內部深處；星線中間粗，兩端細，可以不連續；中心有寶光焰熔法合成星光剛玉：2025/4/1933天然合成紅、藍寶石的加工質量通常較為精細，尤其是高質量的寶石，其臺面通常垂直光軸，以顯示最好的顏色。而合成紅、藍寶石加工質量通常較差，常見火痕，更不會精確定向加工。加上，合成梨晶通常因為應力作用會沿長軸方向裂開，其長軸方向與光軸方向夾角為60度，為了充分利用原料，其臺面通常會平行長軸方向切磨（右圖）。所以合成剛玉在臺面通常都可見多色性，而天然的則不然。合成紅、藍寶石的加工質量：焰熔法合成剛玉的梨晶與切磨方向示意圖2025/4/19342）合成尖晶石

市場上所見到的合成尖晶石幾乎全是由焰熔法生產，但也可用助熔劑法生產。

原料：

紅色：

MgO：Al2O3==1：1，致色元素Cr2O3；

其它顏色的用1:1的比例難以合成，但紅色尖晶石只有以1：1的比例才能合成。由此合成的紅色尖晶石性脆，所以市場上少見。藍色尖晶石的合成是人們在合成藍寶石的實驗中偶然獲得的。當時人們還不了解藍寶石的致色元素是Ti和Fe，人們曾經嘗試過加入致色元素V、Co、Fe、Mg等，當終于獲得藍色合成品時，人們以為是藍寶石，結果是合成藍色尖晶石。

藍色：MgO：Al2O===1：，致色元素Co；

綠色：MgO：Al2O==1：3

褐色：MgO：Al2O

==1：5

粉紅色：MgO：Al2O===1：1.5-3.5

致色元素Cu；

有月光效應的無色品種：1：5，過多的氧化鋁未熔形成無數細小針狀包體導致月光效應，有時甚至形成星光。

燒結藍色尖晶石：由鈷致色，并加入金粉，用來仿青金巖。2025/4/1935合成尖晶石Al2O3的成分比天然尖晶石要高得多，顏色濃艷均一，加入不同得色素離子可呈現各種顏色，如加入鉻或錳呈紅色，加入鈷呈藍色等，由于合成尖晶石顏色濃艷呆板，故很容易與天然寶石區分。2025/4/1936合成尖晶石的鑒定特征

包裹體：合成尖晶石中氣泡和未熔粉末較少出現，偶爾出現的氣泡多為異形。色帶：合成尖晶石很少顯示色帶。2025/4/1937

吸收光譜：

合成藍色尖晶石顯示典型的鈷譜（分別位于540、580、635nm的三條吸收帶），天然藍色尖晶石顯示的是藍區的吸收帶，為鐵譜。

合成藍色尖晶石:綠、黃和橙黃區有三條強的吸收帶，綠區吸收帶最窄(Co)藍寶石:藍區450、460、470nm有3條吸收窄帶(Fe)光柵式分光鏡觀察2025/4/1938熒光：合成藍色尖晶石為強的紅色熒光，而天然的也為惰性。2025/4/1939焰熔法合成尖晶石：焰熔法合成尖晶石與天然尖晶石的區別

合成尖晶石天然尖晶石內含物包體少，偶有氣泡，形態狹長或異形；色帶少見，僅見于紅色尖晶石中氣液包體常見晶體包體：尤其是八面體形；色帶少見RI1.727

Fixed紅色尖晶石例外用于檢測折射儀1.714-1.718,高鉻的紅色尖晶石:1.74鎂鋅尖晶石:

1.715-1.80鋅尖晶石:1.80SG3.63，紅色尖晶石：3.60-3.66；仿青金巖的燒結藍色尖晶石：3.523.60光譜藍色者：Co譜,540,580和635nm處有吸收帶；紅色：紅區只有一條熒光光譜線淺黃綠色：445nm，422nm線藍色者：Fe譜，藍區458nm有吸收帶；紅色者：紅區5條—管風琴狀熒光譜線（交叉濾色鏡下觀察）熒光及濾色鏡無色者：SW下強藍白色；藍色者：SW：紅色或藍白色，濾色鏡下變紅紅色：紅色熒光，濾色鏡下變紅無色：惰性藍色：惰性，濾色鏡下不變紅紅色：紅色熒光，濾色鏡下變紅正交偏光鏡斑紋狀消（圖7）,紅色尖晶石例外全消光2025/4/1940天然尖晶石的斑紋狀消光2025/4/19413）合成金紅石

天然的金紅石常呈細小針狀，以大晶體產出的多為褐紅色而且多裂，很少有寶石級的材料。合成金紅石的目的不是為了替代天然金紅石，而是為了模仿鉆石。在合成立方氧化鋯出現后，合成金紅石很少生產了。

因為TiO2在燃燒時易脫氧，所以需要充足的氧，在合成剛玉的裝置上多加了一個氧管（見圖）。TiO2的熔點為18400C，粉末熔化，再在支座的種晶上結晶。獲得的梨晶為藍黑色，這是因為高溫下形成了Ti33+

和相應的氧空位。通過在高溫氧化環境中退火處理，退火溫度為800-10000C，即可去除藍黑色，變為淡黃色到近無色的透明晶體。如果在原料中摻入Sc2O3

，則可直接獲得近無色的晶體。這是因為摻入的Sc2O3在晶體中形成的氧空位會提高晶體中的氧的擴散系數，使晶體在降溫過程中就完成氧的擴散和退色。合成金紅石的裝置（馬福爐）局部圖2025/4/1942①合成金紅石寶石學性質

化學成分：TiO2；

四方晶系

光澤：金剛光澤；

透明度：透明；

顏色：無色者常帶淺黃色調。還可有紅、橙、黃、藍色者。

硬度：6-6.5；

相對密度：4.25；折射率：；

雙折射率：0.287；

光性：一軸晶正光性；

色散：極強，；

光譜：紫區末端有強吸收帶，使其光譜看似被截短了；

內含物：氣泡、未熔粉末；2025/4/1943

②合成金紅石的鑒別：

合成金紅石具有極高的色散值使其泛出五顏六色的火彩。這種特征使之不易與其他任何材料相混淆。此外，其極高的雙折射率使其刻面棱重影異常清晰。僅此二特征就足以確認它了。2025/4/1944

鈦酸鍶早在1955年人們就利用焰熔法生產出來，當時在自然界還沒有發現天然的對應物。盡管，1987年在俄羅斯發現了其天然對應物，礦物名為Tausonite，人們仍習慣把它歸為人造寶石材料。最初人們生產鈦酸鍶主要用于模仿鉆石。但自從立方氧化鋯合成成功后，這種仿鉆材料在寶石市場上很少見得到了。但它透紅外線的能力強，仍有生產用作紅外光學透鏡等。與合成金紅石一樣，其合成裝置也必須多加一根氧管，長出的晶體也是烏黑的，需要在氧化條件下退火（溫度16000C），才能變成近無色的透明晶體。所采用的原料為：SrO：TiO2==1：14）鈦酸鍶2025/4/1945

化學成分：SrTiO3；

等軸晶系

光澤：亞金剛－金剛光澤；

透明度：透明；

顏色：無色為主，偶見紅、黃、藍、褐色材料；

硬度：5.5-6；

比重：5.13；

斷口：貝殼狀；折射率：2.41，單折射；

色散：0.19，極強；

內含物：氣泡；

①鈦酸鍶的寶石學性質：2025/4/1946

鈦酸鍶作為仿鉆材料，極易識別。鈦酸鍶極強的火彩使它明顯不同于鉆石。盡管標準圓多面型的鈦酸鍶在線試驗中不透光，但它明顯較低的硬度使之表面顯示出明顯的磨損痕跡、圓滑的刻面棱和不平整的小面。盡管反射儀上可獲得與鉆石相同的折射率，但熱導儀檢測時卻無鉆石反應。卡尺法或靜水稱重都可測出未鑲品的比重，從而確認它。②鈦酸鍶的鑒別：2025/4/19472.丘克拉斯基法:或稱晶體提拉法.(1)基本原理將籽晶與相同組分的熔體表面相接觸,然后旋轉并同時緩慢上拉籽晶,此時在籽晶接觸熔體的頂端,開紿結晶.關鍵是要控制熔體的溫度。(2)提拉法的生長工藝

首先將待生長的晶體的原料放在耐高溫的坩堝中加熱熔化，調整爐內溫度場，使熔體上部處于過冷狀態；然后在籽晶桿上安放一粒籽晶，讓籽晶接觸熔體表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并轉動籽晶桿，使熔體處于過冷狀態而結晶于籽晶上，在不斷提拉和旋轉過程中，生長出圓柱狀晶體。2025/4/1948（3）裝置1）加熱系統

加熱系統由加熱、保溫、控溫三部分構成。最常用的加熱裝置分為電阻加熱和高頻線圈加熱兩大類。采用電阻加熱，方法簡單，容易控制。保溫裝置通常采用金屬材料以與耐高溫材料等做成的熱屏蔽罩和保溫隔熱層，如用電阻爐生長釔鋁榴石、剛玉時就采用該保溫裝置。控溫裝置主要由傳感器、控制器等精密儀器進行操作和控制。2）坩堝和籽晶夾

作坩堝的材料要求化學性質穩定、純度高，高溫下機械強度高，熔點要高于原料的熔點200℃左右。常用的坩堝材料為鉑、銥、鉬、石墨、二氧化硅或其它高熔點氧化物。其中鉑、銥和鉬主要用于生長氧化物類晶體。

籽晶用籽晶夾來裝夾。籽晶要求選用無位錯或位錯密度低的相應寶石單晶。3）傳動系統

為了獲得穩定的旋轉和升降，傳動系統由籽晶桿、坩堝軸和升降系統組成。4）氣氛控制系統

不同晶體常需要在各種不同的氣氛里進行生長。如釔鋁榴石和剛玉晶體需要在氬氣氣氛中進行生長。該系統由真空裝置和充氣裝置組成。提拉法合成裝置5）后加熱器

后熱器可用高熔點氧化物如氧化鋁、陶瓷或多層金屬反射器如鉬片、鉑片等制成。通常放在坩堝的上部，生長的晶體逐漸進入后熱器，生長完畢后就在后熱器中冷卻至室溫。后熱器的主要作用是調節晶體和熔體之間的溫度梯度，控制晶體的直徑，避免組分過冷現象引起晶體破裂。2025/4/1949(4)晶體提拉法生長要點1）溫度控制

在晶體提拉法生長過程中，熔體的溫度控制是關鍵。要求熔體中溫度的分布在固液界面處保持熔點溫度，保證籽晶周圍的熔體有一定的過冷度，熔體的其余部分保持過熱。這樣，才可保證熔體中不產生其它晶核，在界面上原子或分子按籽晶的結構排列成單晶。為了保持一定的過冷度，生長界面必須不斷地向遠離凝固點等溫面的低溫方向移動，晶體才能不斷長大。另外，熔體的溫度通常遠遠高于室溫，為使熔體保持其適當的溫度，還必須由加熱器不斷供應熱量。2）提拉速率

提拉的速率決定晶體生長速度和質量。適當的轉速，可對熔體產生良好的攪拌，達到減少徑向溫度梯度，阻止組分過冷的目的。一般提拉速率為每小時6-15mm.

在晶體提拉法生長過程中，常采用“縮頸”技術以減少晶體的位錯，即在保證籽晶和熔體充分沾潤后，旋轉并提拉籽晶，這時界面上原子或分子開始按籽晶的結構排列，然后暫停提拉，當籽晶直徑擴大至一定寬度（擴肩）后，再旋轉提拉出等徑生長的棒狀晶體。這種擴肩前的旋轉提拉使籽晶直徑縮小，故稱為“縮頸”技術。。2025/4/1950（5）提拉法的優缺點可用來生長一些高熔點的氧化物晶體.所生長的晶體往往看不出明顯的合成晶的痕跡。

晶體提拉法與其它晶體生長方法相比有以下優點：1）在晶體生長過程中可以直接進行測試與觀察，有利于控制生長條件；2）使用優質定向籽晶和“縮頸”技術，可減少晶體缺陷，獲得所需取向的晶體；3）晶體生長速度較快；4）晶體位錯密度低，光學均一性高。

晶體提拉法的不足之處在于：1）坩堝材料對晶體可能產生污染；2）熔體的液流作用、傳動裝置的振動和溫度的波動都會對晶體的質量產生影響。2025/4/1951(6)晶體提拉法生長的寶石品種1）合成紅寶石晶體:原料：Al2O3和1-3%的Cr2O3

加熱：高頻線圈加熱到2050℃以上；屏蔽裝置：抽真空后充入惰性氣體，使生長環境中保持所需要的氣體和壓強。

將原料裝入銥、鎢或鉬坩堝中。坩堝上方的提拉桿的下端的籽晶夾具上裝一粒定向的紅寶石籽晶。將坩堝加熱到，使原料熔化。再降低提拉桿，使籽晶插入到熔體表層。控制熔體的溫度，使之略高于熔點。熔去少量籽晶以保證能在籽晶的清潔表面上開始生長。在實現籽晶與熔體充分沾潤后，緩慢向上提拉和轉動晶桿。控制好拉速和轉速，同時緩慢地降低加熱功率，籽晶直徑就逐漸擴大。小心地調節加熱功率，實現寶石晶體的縮頸-擴肩-等徑-收尾的生長全過程。通過屏蔽裝置的窗口可以觀察生長過程，還可利用紅外傳感器測量固-液界面的亮光環溫度，實現控制生長過程。2025/4/19522）合成變石晶體:原料：Al2O3和BeO的粉末按l:1混合，加入致色劑Cr2O3和V2O5。加熱：高頻線圈加熱到1870℃以上，使原料熔化。保溫l小時均化熔體，然后降溫30-50℃，接籽晶。屏蔽裝置：抽真空后充入惰性氣體，使生長環境中保持所需要的氣體和壓強。通過觀察測試，控制和調節晶體生長。

2025/4/19533）人造釔鋁榴石:原料：Y2O3：AL2O3=3：5提拉爐：中頻線圈加熱坩堝：銥氣氛：N2+Ar熔點：1950℃生長速度：每小時6mm以下。2025/4/1954（7）提拉法合成寶石的基本特征

1）.提拉法生長的寶石晶體，由于提拉和旋轉作用，會產生彎曲的弧形生長紋。導模法生長晶體時晶體不旋轉，因而沒有彎曲生長紋。

2）.提拉法和導模法合成的晶體，都會含有氣體包體，且氣泡分布不均勻。提拉法常可見拉長的或啞鈴狀氣泡。

3）.提拉法合成的寶石是在耐高溫的銥、鎢或鉬金屬坩堝中熔化原料的，導模法生長的寶石在導模金屬上生長的，所以都可能含有金屬包體。

4）.提拉法生長的寶石晶體原料在高溫下加熱熔化，偶爾可見未熔化的原料粉末。而導模法通常不存在未熔化的粉末包體。

5）.提拉法生長的寶石晶體時，由于采用籽晶生長，生長成的晶體會帶有籽晶的痕跡。并且可能產生明顯的界面位錯。導模法也會產生籽晶的缺陷。

6）.在晶體的生長過程中，由于固液界面產生的振動或溫度的波動，可使晶體的溶質濃度分布不均，因而形成晶體不均勻的生長條紋。

7）.由于原料不純或配比不當，可對熔體造成污染，形成晶體的雜質包體。2025/4/1955（8）提拉法合成寶石的鑒定

1）合成紅寶石的鑒定①合成紅寶石可見極細的彎曲生長紋和拉長的氣泡，有時還可見云朵狀的氣泡群。

②寶石中偶爾可見未熔化的原料粉末。

③在暗域照明和斜向照明下，偶爾可見一些細微的白色云狀包體。

④顯微鏡下有時可見晶體不均勻的生長條紋。⑤寶石晶體可能帶有籽晶的痕跡。⑥用電子探針和X射線熒光分析法，可檢測寶石晶體中的銥或鉬金屬包體。

2025/4/1956提拉法合成紅寶石的彎曲生長紋2025/4/19572）合成金綠寶石的鑒別

①合成金綠寶石可見彎曲的生長紋和拉長的氣泡。

②寶石中偶爾可見未熔化的原料粉末。

③在暗域照明和斜向照明下，偶爾可見板條狀的雜質包體和針狀包體。

④合成金綠寶石的折射率（）稍微偏低。

⑤用電子探針和X射線熒光分析法，可檢測寶石晶體中的銥或鉬金屬包體。2025/4/1958

3）人造釔鋁榴石的鑒別釔鋁榴石是人造寶石，可根據其物理性質和光學性質將其與相似寶石區分開：

成分：Y3AL5O12

晶系：等軸晶系

密度：4.58g/cm3

摩氏硬度：8-8.5

折射率：1.83

色散:0.028

內含物：彎曲生長紋和拉長氣泡

致色元素：紫-Nd；

藍-Co3；綠-Ti3（+Fe）；紅-Mn3；

其他：某些綠色、藍色釔鋁榴石在強光照射下顯強紅色，即顯示紅光效應。

2025/4/1959

3.冷坩堝法:或稱盔熔法、鍋巴熔煉法.

冷坩堝法是生產合成立方氧化鋯晶體的方法。該方法是俄羅斯科學院列別捷夫固體物理研究所的科學家們研制出來的，并于1976年申請了專利。由于合成立方氧化鋯晶體良好的物理性質，無色的合成立方氧化鋯迅速而成功的取代了其它的鉆石仿制品，成為了天然鉆石良好的代用品。合成立方氧化鋯易于摻雜著色，可獲得各種顏色鮮艷的晶體，因此受到了寶石商和消費者的歡迎。

2025/4/1960（1）冷坩堝法生長晶體的原理

用微波加熱原材料使之熔融,然后重結晶。冷坩堝法是一種從熔體中生長法晶體的技術，僅用于生長合成立方氧化鋯晶體。其特點是晶體生長不是在高熔點金屬材料的坩堝中進行的，而是直接用原料本身作坩堝，使其內部熔化，外部則裝有冷卻裝置，從而使表層未熔化，形成一層未熔殼，起到坩堝的作用。內部已熔化的晶體材料，依靠坩堝下降脫離加熱區，熔體溫度逐漸下降并結晶長大。

合成立方氧化鋯的熔點最高為2750℃。幾乎沒有什么材料可以承受如此高的溫度而作為氧化鋯的坩堝。該方法將紫銅管排列成圓杯狀“坩堝”，外層的石英管套裝高頻線圈，紫銅管用于通冷卻水，杯狀“坩堝”內堆放氧化鋯粉末原料。高頻線圈處于固定位置，而冷坩堝連同水冷底座均可以下降。冷坩堝法裝置2025/4/1961（2）冷坩堝法生長晶體的裝置

冷坩堝技術用高頻電磁場進行加熱，而這種加熱方法只對導電體起作用。冷坩堝法的晶體生長裝置采用“引燃”技術，解決一般非金屬材料如金屬氧化物MgO、CaO等電阻率大，不導電，所以很難用高頻電磁場加熱熔融的問題。某些常溫下不導電的金屬氧化物，在高溫下卻有良好的導電性能，可以用高頻電磁場進行加熱。氧化鋯在常溫下不導電，但在1200℃以上時便有良好的導電性能。為了使冷坩堝內的氧化鋯粉末熔融，首先要讓它產生一個大于1200℃的高溫區，將金屬的鋯片放在“坩堝”內的氧化鋯材料中，高頻電磁場加熱時，金屬鋯片升溫熔融為一個高溫小熔池，氧化鋯粉末就能在高頻電磁場下導電和熔融，并不斷擴大熔融區，直至氧化鋯粉料除熔殼外全部熔融為止，此技術稱為"引燃"技術。2025/4/1962

氧化鋯在不同的溫度下，呈現不同的相態。自高溫相向低溫相，氧化鋯從立方相構型向六方、四方至單斜鋯石轉變。常溫下立方氧化鋯不能穩定存在，會轉變為單斜結構相。所以在晶體生長的配料中必須加入穩定劑，才能使合成立方氧化鋯在常溫下穩定。通常選用Y2O3作為穩定劑，最少加入量為1O%的摩爾數。過少則會有四方相出現，表現為有乳白狀混濁;過多則晶體易帶色，并且造成不必要的成本上升，還會降低晶體的硬度。2025/4/1963

（3）生產工藝

加入氧化鋯粉末和穩定劑→加熱→持續熔化數小時→逐漸降溫冷卻→退火。

首先將生O2與穩定劑Y2O3按摩爾比9：1的比例混合均勻，裝入紫銅管圍成的杯長合成立方氧化鋯晶體所使用的粉料Zr狀“冷坩堝”中，在中心投入4-6g鋯片或鋯粉用于“引燃”。接通電源，進行高頻加熱。約8小時后，開始起燃。起燃1-2分鐘，原料開始熔化。先產生了小熔池，然后由小熔池逐漸擴大熔區。在此過程中，鋯金屬與氧反應生成氧化鋯。同時，紫銅管中通入冷水冷卻，帶走熱量，使外層粉料未熔，形成"冷坩堝熔殼"。待冷坩堝內原料完全熔融后，將熔體穩定3O-6O分鐘。然后坩堝以每小時5-15mm的速度逐漸下降，“坩堝”底部溫度先降低，所以在熔體底部開始自發形成多核結晶中心，晶核互相兼并，向上生長。只有少數幾個晶體得以發育成較大的晶塊。晶體生長完畢后，慢慢降溫退火一段時間，然后停止加熱，冷卻到室溫后，取出結晶塊，用小錘輕輕拍打，一顆顆合成立方氧化鋯單晶體便分離出來。整個生長過程約為2O小時。每一爐最多可生長6Okg晶體，未形成單晶體的粉料與殼體可回收再次用于晶體生長。生長出的晶塊呈不規則柱狀體，無色透明，肉眼見不到包裹體和氣泡。2025/4/1964

合成立方氧化鋯晶體易于著色，對于彩色立方氧化鋯晶體的生長，需要在氧化鋯和穩定劑的混合料中加入著色劑。將無色合成立方氧化鋯晶體放在真空下加熱到2000℃進行還原處理，還能得到深黑色的合成立方氧化鋯晶體。合成立方氧化鋯晶體顏色與著色劑見下表。2025/4/1965合成立方氧化鋯晶體顏色與著色劑摻質

成

分占總重量百分比晶體顏色Ce2O30.15紅色Pr2O30.1黃色Nd2O32.0紫色Ho2O30.13淡黃色Er2O30.1粉紅色V2O50.1黃綠色Cr2O30.3橄欖綠色Co2O30.3深紫色CuO0.15淡綠色Nd2O3+Ce2O30.09+0.15攻瑰紅色Nd2O3+CuO1.1+1.1淡藍色Co2O3+CuO0.15+1.0紫藍色Co2O3+V2O50.08+0.08棕色2025/4/19662025/4/1967合成立方氧化鋯(CZ)2025/4/1968（4）合成立方氧化鋯中的鑒定特征

合成立方氧化鋯常被用作鉆石的仿制品。因此，合成立方氧化鋯晶體的性質與特征，就是合成立方氧化鋯的鑒別特征。1）合成立方氧化鋯的生長特征由于冷坩堝法生長合成立方氧化鋯晶體時不使用金屬坩堝，而是用晶體原料本身作為坩堝，因此合成立方氧化鋯晶體中不含金屬固體包體，也沒有礦物包體。生長過程中沒有晶體的旋轉，也沒有弧形生長紋。一般來說，合成立方氧化鋯的大多數晶體內部潔凈。只有少數晶體可能會因冷卻速度過快而產生氣體包體或裂紋。還有些靠近熔殼的合成立方氧化鋯晶體內有未完全熔化的面包屑狀的氧化鋯粉末。偶見旋渦狀內部特征。2025/4/1969合成立方氧化鋯中的未熔粉末合成立方氧化鋯中的氣泡2025/4/19702）合成立方氧化鋯的物理化學特征

晶體結構：立方結構。硬度：8-8.5。用維氏顯微硬度計測量平均值為1384kg/mm。密度：3。斷口：貝殼狀斷口。折射率：，略低于鉆石(2.417)。色散：，略高于鉆石(0.044)。光澤：亞金剛-金剛光澤。吸收光譜：無色透明者在可見光區有良好的透過率；彩色者可有吸收峰，對紫外光均有強烈的吸收。可顯稀土光譜。熒光：多數晶體在長波紫外線照射下發出黃橙色熒光，在短波下發出黃色熒光。而有些晶體只在短波下有熒光反應，有些甚至不發光。化學性質：非常穩定，耐酸、耐堿、抗化學腐蝕性良好。2025/4/19714.區域熔煉法區域熔煉法是上個世紀50年代初期發展起來的一項合成技術，此技術主要為半導體工業提供高純度的晶體。之后，人們利用這一技術將數百種有機、無機結晶材料提純或轉化成了單晶，這項技術也用于寶石材料的人工合成。目前該技術主要用于工業用人工結晶材料的提純和轉化，較少用于合成寶石。（1）區域熔煉法合成寶石的基本原理在進行區域熔煉過程中，物質的固相和液相在密度差的驅動下，物質會發生輸運。因此，通過區域熔煉可以控制或重新分配存在于原料中的可溶性雜質或相。利用一個或數個熔區在同一方向上重復通過原料燒結以除去有害雜質；利用區域熔煉過程有效地消除分凝效應，也可將所期望的雜質均勻地摻入到晶體中去，并在一定程度上控制和消除位錯、包裹體等結構缺陷。

即將原料(一般是燒結棒,但也可以是粉末)緩慢地通過高于該原料熔點的溫度區,使它們熔融并隨后重新結晶。2025/4/1972（2）生產工藝

區域熔煉法通常分兩種，一種是有容器的區域熔煉法，另一種是無容器的區域熔煉法。寶石晶體的生長通常采用無容器區域熔煉法，也稱“浮區熔煉法”。浮區熔煉法的工藝條件：

浮區熔煉法的工藝過程是：把原料先燒結或壓制成棒狀，然后用兩個卡盤將兩端固定好。將燒結棒垂直地置入保溫管內，旋轉并下降燒結棒(或移動加熱器)。燒結棒經過加熱區，使材料局部熔化。熔融區僅靠熔體表面張力支撐。當燒結棒緩慢離開加熱區時，熔體逐漸緩慢冷卻并發生重結晶，形成單晶體。

浮區熔煉法通常使用電子束加熱和高頻線圈加熱(或稱感應加熱)。電子束加熱方式具有熔化體積小、熱梯度界限分明、熱效率高、提純效果好等優點，但由于該方法僅能在真空中進行，所以受到很大的限制。目前感應加熱在浮區熔煉法合成寶石晶體中應用最多，它既可在真空中應用，也可在任何惰性氧化或還原氣氛中進行。

2025/4/1973（3）生產裝置

在浮區熔煉法裝置中，將高頻線圈繞在垂直安裝的材料棒上，見圖4-1。感應加熱在熔區中可提供自動的電磁攪拌，攬拌的程度取決于所用的頻率、線圈的實際配置和熔區的長度，還可通過檢測熱損耗值或材料導電率的變化來實現熔區直徑的自動控制。移動原料燒結棒（或移動加熱器），使燒結棒自上而下逐步被加熱熔化。熔區內的溫度大于原料熔化溫度，熔區以外溫度則小于原料熔化溫度。旋轉燒結棒，熱源逐漸從燒結棒一端移至一端，直至整個燒結棒變成寶石單晶。重復該過程，可使晶體進一步得到精煉和提純。區域熔煉法設備圖解2025/4/1974（4）主要產品

采用無容器區域熔煉法，也稱“浮區熔煉法”生長的寶石晶體有合成變石、合成紅寶石、釔鋁榴石等。2025/4/1975合成紅寶石晶體主要采用焰熔法制造，在純凈的Al203中加入了色素離子所合成。無裂紋，透明，玻璃光澤，硬度9。顏色均一，放大可見弧形生長環帶或色帶，以與圓形氣泡和圓形氣泡群，這是與天然紅寶石的區別。

2025/4/1976（5）區域熔煉法合成寶石的鑒別

區域熔煉法合成寶石工藝中未使用坩堝，所以不存在坩堝雜質的污染。該技術能精煉和提純晶體，所以晶體中很少出現包裹體和生長紋，晶體的質量較高。該方法合成的寶石顏色純度較高，內部潔凈。通常熒光強于相對應的天然寶石的熒光；分光鏡下吸收譜線簡單清晰；寶石表面加工不夠精細，常出現“火痕”等。對于人造釔鋁榴石晶體，由于沒有天然的對應寶石，可根據其物理化學性質予以鑒別。由于晶體生長過程中工藝條件的突變，也會合成出質量較差的寶石晶體。其特征是:生長紋混亂、晶體顏色不均勻、甚至出現氣泡等。因為區域熔煉法制作成本昂貴，真正商業化生產的高質量的合成寶石并不多見。因此，對于此類合成寶石的研究和報道也較少見。2025/4/1977釔鋁榴石(YAG)主要鑒定特征：

釔鋁榴石多數是無色的,但加入致色元素后可以制出綠(加鉻)、黃(加鈦)、紅(加鎂)、藍(加鈷)和紫(加釹)的釔鋁榴石,釔鋁榴石呈各向同性,折射率為1.83,比重為4.55,色散為0.028,硬度為8－8.5,金剛光澤。

一種仿鉆石的極好材料。評價：

內部干凈，曾輝煌過一段時間。DI接近于鉆石，強玻璃光澤，有時可見金剛光澤，硬度高，但色散低。由于DI低、色散弱，故合成了GGG。2025/4/1978釔鋁榴石這是一種仿鉆石的極好材料，微均質體，亞金剛光澤，硬度8-8.5，色散柔和，與金剛石相似。但其比重比鉆石大，硬度稍低，觀察刻面寶石的腰圍處，釔鋁榴石中可見磨盤留下的斜擦痕，而鉆石則呈毛玻璃狀。2025/4/1979（二）從溶液中結晶

原料→加熱→溶解（遷移、反應）→過飽和→析出結晶由兩種或兩種以上的物質組成的均勻混合物稱為溶液，溶液由溶劑和溶質組成。合成晶體所采用的溶液包括：低溫溶液（如水溶液、有機溶液、凝膠溶液等）、高溫溶液（即熔鹽）與熱液等。從溶液中生長晶體的方法主要有助熔劑法和水熱法。2025/4/19801.助熔劑法，即熔劑法（1）基本原理將高熔點的固體加熱熔融,用作為液體熔劑，使需合成的晶體在熔劑中結晶。

助熔劑法是將組成寶石的原料在高溫下溶解于低熔點的助熔劑中，使之形成飽和溶液，然后通過緩慢降溫或在恒定溫度下蒸發熔劑等方法，使熔融液處于過飽和狀態，從而使寶石晶體析出生長的方法。助熔劑通常為無機鹽類，故也被稱為鹽熔法或熔劑法。

助熔劑法根據晶體成核與生長的方式不同分為兩大類：自發成核法和籽晶生長法。2025/4/19811）自發成核法

按照獲得過飽和度方法的不同助熔劑法又可分為緩冷法、反應法和蒸發法。這些方法中以緩冷法設備最為簡單，使用最普遍。

緩冷法是在高溫下，在晶體材料全部熔融于助熔劑中之后，緩慢地降溫冷卻，使晶體從飽和熔體中自發成核并逐漸成長的方法。2）籽晶生長法

籽晶生長法是在熔體中加入籽晶的晶體生長方法。主要目的是克服自發成核時晶粒過多的缺點，在原料全部熔融于助熔劑中并成為過飽和溶液后，晶體在籽晶上結晶生長。2025/4/1982

根據晶體生長的工藝過程不同，籽晶生長法又可分為以下幾種方法:

A.籽晶旋轉法：由于助熔劑熔融后粘度較大，熔體向籽晶擴散比較困難，而采用籽晶旋轉的方法可以起到攪拌作用，使晶體生長較快，且能減少包裹體。此法曾用于生長"卡善"紅寶石。

B.頂部籽晶旋轉提拉法:這是助熔劑籽晶旋轉法與熔體提拉法相結合的方法。其原理是:原料在坩堝底部高溫區熔融于助熔劑中，形成飽和熔融液，在旋轉攪拌作用下擴散和對流到頂部相對低溫區，形成過飽和熔液，在籽晶上結晶生長晶體。隨著籽晶的不斷旋轉和提拉，晶體在籽晶上逐漸長大。該方法除具有籽晶旋轉法的優點外，還可避免熱應力和助熔劑固化加給晶體的應力。另外，晶體生長完畢后，剩余熔體可再加晶體材料和助熔劑繼續使用。2025/4/1983C.底部籽晶水冷法：助熔劑揮發性高，頂部籽晶生長難以控制，晶體質量也不好。為了克服這些缺點，采用底部籽晶水冷技術，則能獲得良好的晶體。水冷保證了籽晶生長，抑制了熔體表面和坩堝其它部位的成核。這是因為水冷部位才能形成過飽和熔體，從而保證了晶體在籽晶上不斷成長。用此法可生長出質量良好的釔鋁榴石晶體。

D.坩堝倒轉法與傾斜法：這是兩種基本原理相同的助熔劑生長晶體的方法。當坩堝緩慢冷卻至溶液達過飽和狀態時，將坩堝倒轉或傾斜，使籽晶浸在過飽和溶液中進行生長，待晶體生長結束后，再將坩堝回復到開始位置，使溶液與晶體分離。

E.移動熔劑區熔法：這是一種采用局部區域熔融生長晶體的方法。籽晶和晶體原料互相連接的熔融區內含有助熔劑，隨著熔區的移動(移動樣品或移動加熱器)，晶體不斷生長，助熔劑被排擠到尚未熔融的晶體原料一邊。只要適當地控制生長速度和必要的生長氣氛，用這種方法可以得到均勻的晶體。2025/4/1984（2）助熔劑的選擇和工藝特點

助熔劑的選擇是助熔劑法生長寶石晶體的關鍵，它不僅能幫助降低原料的熔點,還直接影響到晶體的結晶習性、質量與生長工藝。

助熔劑有兩類：

一類為金屬，主要用于半導體單晶的生長；另一類為氧化物和鹵化物（如PbO，PbF2等），主要用于氧化物和離子材料的生長。

理想的助熔劑的條件：

1）對晶體材料應具有足夠強的溶解能力；

2）具有盡可能低的熔點和盡可能高的沸點；

3）應具有盡可能小的粘滯性；

4）在使用溫度下揮發性要低(蒸發法除外)；

5）毒性和腐蝕性要小，不易與坩堝材料發生反應；

6）不易污染晶體，不與原料反應形成中間化合物；

7）易把晶體與助熔劑分離。

2025/4/1985

常采用的助熔劑：硼、鋇、鉍、鉛、鉬、鎢、鋰、鉀、鈉的氧化物或氟化物，如B2O3，BaO，Bi2O3，PbO，PbF2，MoO3，WO3，Li2O，K2O，KF，Na2O，NaF，Na3AlF6等。在實際使用中，人們多采用復合助熔劑，也使用少量助熔劑添加物，通常可以顯著地改善助熔劑的性質。合成不同寶石品種采用的助熔劑類型不同。即使合成同一品種的寶石，不同廠家采用的助熔劑種類也不一樣。

2025/4/1986（3）助熔劑法生長寶石技術的優缺點

助熔劑法與其它生長晶體的方法相比，有著許多突出的優點：

1）適用性很強，幾乎對所有的材料，都能夠找到一些適當的助熔劑，從中將其單晶生長出來。

2）生長溫度低，許多難熔的化合物可長出完整的單晶，并且可以避免高熔點化合物所需的高溫加熱設備、耐高溫的坩堝和高的能源消耗等問題。

3）對于有揮發性組份并在熔點附近會發生分解的晶體，無法直接從其熔融體中生長出完整的單晶體。

4）在較低溫度下，某些晶體會發生固態相變，產生嚴重應力，甚至可引起晶體碎裂。助熔劑法可以在相變溫度以下生長晶體，因此可避免破壞性相變。

5）助熔劑法生長晶體的質量比其它方法生長出的晶體質量好。

6）助熔劑法生長晶體的設備簡單，是一種很方便的晶體生長技術。2025/4/1987

助熔劑法存在著一定的缺點，歸納起來有以下四點：

1）生長速度慢，生長周期長。

2）晶體尺寸較小。

3）坩堝和助熔劑對合成晶體有污染。

4）許多助熔劑具有不同程度的毒性，其揮發物常腐蝕或污染爐體和環境。2025/4/1988（4）生產裝置

1）合成祖母綠

1940年美國人CarrollChatham用助熔劑法實現了合成祖母綠的商業生產.目前世界上祖母綠生產的大公司已經發展到了六、七家，如美國的查塔姆（Chatham）、Regency、林德（Linde），澳大利亞的畢榮（Biron）、法國的吉爾森（Gilson）、日本的拉姆拉（Ramaura）俄羅斯的Tairus。年生產祖母綠已經達到了5000kg以上。隨著科技的發展，各個生產廠家也在不斷地改進合成工藝，如Chatham生產出供銷售的單個晶體和晶簇。2025/4/1989①埃斯皮克(Espig)緩冷法生長祖母綠晶體

早在1888年和1900年，科學家們就使用了自發成核法中的緩冷法生長出祖母綠晶體的技術。之后，德國的埃斯皮克(H.Espig)等人進行了深入的研究(于1924-1942年)，并對助熔劑緩冷法做了許多改進，生長出了長達2cm的祖母綠晶體。2025/4/1990A.主要設備

緩冷法生長寶石晶體的設備為高溫馬福爐和鉑坩堝（圖）。合成祖母綠晶體的生長常采用最高溫度為1650℃的硅鉬棒電爐。爐子一般呈長方體或圓柱體，要求爐子的保溫性能好，并配以良好的控溫系統。坩堝材料常用鉑，使用時要特別注意避免痕量的金屬鉍、鉛、鐵等的出現，以免形成鉑合金，引起坩堝穿漏。坩堝可直接放在爐膛內，也可埋入耐火材料中，后者有助于增加熱容量、減少熱波動，并且一旦坩堝穿漏，對爐子損害不大。2025/4/1991助熔劑法采用的坩鍋和馬福爐2025/4/1992B.生長過程

首先在鉑坩堝中放入晶體原料和助熔劑，并將坩堝放入高溫電阻爐中加熱，待原料和助熔劑開始熔化后，在略高于熔點的溫度下恒溫一段時間，使所有原料完全熔化。然后緩慢降溫，降溫速度為每小時0.2-0.5℃，形成過飽和溶液。電爐頂部溫度稍高于底部溫度，晶體便從坩堝底部結晶生長。晶體生長速度很慢，約每秒6.0×Lo-6cm。主要晶體生長結束后，倒出熔融液，所得晶體隨后與坩堝一起重新放回爐中，隨爐溫一起降至室溫。出爐后，將晶體與坩堝一起放在能溶解助熔劑的溶液中，溶去剩余的助熔劑，即可得到生長的晶體。

2025/4/1993

C.工藝條件

原料：合成祖母綠所使用的原料是純凈的綠柱石粉或形成祖母綠單晶所需的純氧化物，成份為BeO、SiO2、AL2O3與微量的Cr2O3。助熔劑：常用的有氧化釩、硼砂、鉬酸鹽、鋰鉬酸鹽和鎢酸鹽與碳酸鹽等。目前多采用鋰鉬酸鹽和五氧化二釩混合助熔劑。2025/4/1994工藝流程：a.將鉑坩堝用鉑柵隔開，另有一根鉑金屬管通到坩堝底部，以便不斷向坩堝中加料。b.按比例稱取天然綠柱石粉或二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（AL2O3）、和氧化鈹（BeO）、助熔劑和少量著色劑氧化鉻（Cr2O3）。c.原料放入鉑柑鍋內，原料SiO2以玻璃形式加入熔劑中，浮于熔劑表面，其它反應物AL2O3

、BeO、Cr2O3通過導管加入到坩堝的底部，然后將坩堝置于高溫爐中。d.升溫至I400℃，恒溫數小時，然后緩慢降溫至1000℃保溫。e.通常底部料2天補充一次，頂部料2-4周補充一次。f.當溫度升至800℃時，坩堝底部的AL2O3、BeO、Li2CrO4等已熔融并向上擴散，SiO2熔融向下擴散。熔解的原料在鉑柵下相遇并發生反應，形成祖母綠分子。g.當溶液濃度達到過飽和時，便有祖母綠形成于鉑柵下面懸浮祖母綠晶種上。h.生長結束后，將助熔劑傾倒出來，在鉑坩堝中加入熱硝酸進行溶解處理50小時，待溫度緩慢降至室溫后，即可得干凈的祖母綠單晶。i.生長速度大約為每月0.33mm。在12個月內可長出2cm的晶體。2025/4/1995助熔劑法合成祖母綠的裝置圖2025/4/1996D.工藝要點:a.必須嚴格控制原料的熔化溫度和降溫速度，以便祖母綠單晶穩定生長，并抑制金綠寶石和硅鈹石晶核的大量形成。b.在祖母綠晶體生長過程中必須按時供應生長所需的原料，使形成祖母綠的原料自始至終都均勻地分布在熔體中。2025/4/1997②吉爾森籽晶法生長祖母綠晶體

法國陶瓷學家吉爾森(P·Gilson)采用籽晶法生長祖母綠晶體，能生長出14×2Omm的單晶體，曾琢磨出l8Ct大刻面的祖母綠寶石，于1964年開始商業性生產。2025/4/1998A.裝置

如圖所示，在鉑坩堝的中央加豎鉑柵欄網，將坩堝分隔為兩個區，一個區的溫度稍高為熔化區，另一個區的溫度稍低為生長區。2025/4/1999B.生長工藝

助熔劑：酸性鉬酸鋰；熱區：添加原料、助熔劑和致色劑；冷區：吊掛籽晶，視坩堝大小可以排布多個祖母綠籽晶片。

升溫至原料熔融，熱區熔融后祖母綠分子擴散到溫度稍低的冷區。當祖母綠熔融液濃度過飽和時，祖母綠便在籽晶上結晶生長。熱區和冷區的溫差很小，保持低的過飽和度以阻止硅鈹石和祖母綠的自發成核作用。

不斷添加原料，一次可以生長出多粒祖母綠晶體。其生長速度大約為每月lmm。2025/4/19100③自發成核緩冷法生長紅寶石

助熔劑法合成紅寶石是自發成核緩冷法生長的，在生長過程中采用了坩堝變速旋轉技術。使熔體不斷處于攪拌之中，對晶面可產生沖刷效果，從而使包體大大減少。攪拌熔體還可使溶質濃度分布均勻、減少局部過冷，從而減少小晶核的數目，抑制局部地段有其它相的析出。具體工藝：原料：AL2O3和少量的Cr2O3；助熔劑：PbO-B2O3或PbF2-PbO。鉑坩堝置于裝有旋轉支持底座的電爐內加熱。加熱：加熱至1300℃，并旋轉坩堝，使坩堝內的助熔劑和原料完全熔融。生長：停止加熱，以每小時2℃的速度緩慢冷卻至915℃，大致需8天。晶體緩慢生長。晶體生長結束，倒出助熔劑。用稀硝酸將殘存的助熔劑溶解，即可獲得干凈的紅寶石晶體。用此法長成的紅寶石晶體成本高，難以大量生產。2025/4/19101助熔劑法合成紅寶石晶體（俄羅斯）2025/4/19102④助熔劑法生長釔鋁榴石晶體(YAG)

釔鋁榴石可采用底部籽晶水冷法或自發成核緩冷法生長晶體。這里主要介紹底部籽晶水冷法。

采用底部籽晶水冷法生長的晶體幾乎沒有熱應力，質量較高。具體工藝條件如下：

原料：Y2O3和AL2O3，加入少量Nd2O3作穩定劑；

助熔劑：采用PbO-PbF2-B203，另將原料與助熔劑混合后放入鉑坩堝內，置于爐中加熱。

加熱：升溫至1300℃時恒溫25小時，將原料熔化；

生長：以每小時3℃的速度降至N-US>1260℃，此時，在底部加水冷卻，將籽晶浸入坩堝底部中心水冷區。再按2O℃/h的速度降至1240℃，然后以0.3-2℃/h的速度降至950℃，至生長結束。

俄羅斯還用溶劑法生產出了透明的硅鈹石，晶體到12.5克拉，可切磨成6克拉的刻面寶石。2025/4/19103合成紅寶石中的助熔劑殘余包體助熔劑法合成藍寶石中的鉑金片與鉑金針（5）助熔劑法生長寶石的鑒別特征1）固體包體殘留包括助熔劑殘余包體、結晶物質包體、坩堝金屬材料包體和未熔化熔質包體等。

2025/4/19104查塔姆合成紅寶石中的種晶2025/4/191052）氣相包體助熔劑具揮發性，熔體粘滯性較大，由于熔體攪拌不均勻，有時助熔劑未蒸發完全以氣相包裹在晶體中。由于助熔劑冷凝收縮也會產生收縮泡。合成紅寶石中的收縮泡2025/4/191063）氣固兩相包體

當氣相收縮泡和固相助熔劑殘余包體同時存在時，還可構成氣-固兩相包體。2025/4/19107

合成紅寶石中的六方色帶拉姆拉合成紅寶石中特殊色帶和紋理4）生長條紋

助熔劑法生長的晶體有時可觀察到平直的生長條紋，它是由組成成分的相對濃度或雜質濃度的周期性變化引起的。生長條紋的出現也與晶體中存在著很細的包裹體有關，另外，溫度波動和對流引起的振蕩，也是造成生長條紋的因素。2025/4/19108

5）生長丘助熔劑生長的晶體多含有螺旋位錯，螺旋位錯在晶面上終止時，表面會形成生長丘或卷線。它是由大量晶層堆疊而成，生長位錯中心可由自發成核形成，或由包裹體產生。緊挨生長丘的下面常常聯結著小的包體中心。

6）替代性雜質與成分不均勻性

助熔劑法生長的晶體會由于坩堝材料和助熔劑的污染而受到影響。經電子探針與X射線熒光分析測定，助熔劑法生長的晶體往往含有助熔劑的金屬陽離子，如合成祖母綠晶體中含有Mo和V，合成紅寶石含有Pb、B等。2025/4/19109

（6）

助熔劑法合成祖母綠的鑒別特征

1）包裹體

助熔劑殘余：助溶劑殘余常呈羽紗狀、云霧狀、云翳狀、管狀、網狀，與天然寶石內的包體形態明顯不同。助溶劑在反射光下，表面呈黃色至粉紅色，亮域下不透明呈褐色、灰黑色，顯粒狀結構。助熔劑法合成祖母綠中云翳狀助熔劑殘天然祖母綠中多出現天然礦物包體，方解石、云母、透閃石或陽起石等晶體包體。2025/4/19110相包體：

助溶劑殘余微晶與收縮泡構成氣-固兩相包體，很象天然寶石中的氣-液兩相包體，但助溶劑呈微晶固相分布，與天然液相特征不同，顯得渾濁不如液體透明清澈。籽晶片：

在某些助熔劑法生長的祖母綠中，可觀察到籽晶片的痕跡。籽晶片表面常被熔蝕，通常顏色較淺，生長的祖母綠顏色較深，環繞著晶種的深色祖母綠部分顯示合成寶石的包體特征。硅鈹石：當助熔劑法生長的祖母綠時，溫度控制不當時，則會出現硅鈹石晶核，這些晶核堆集在一起形成新的細小晶體類型，甚至長成大的柱狀硅鈹石晶體包體。鉑金片