珠寶鑒定培訓(xùn)合成寶石及人造寶石的鑒定及分類

1、人工寶石,一、概述,人工寶石 指完全或部分由人工生產(chǎn)或制造的、用于制作首飾及裝飾品的材料。根據(jù)人為因素的差異以及產(chǎn)品的具體特點(diǎn)，又劃分為合成寶石、人造寶石、拼合寶石及再造寶石o,人工寶石：包括合成寶石、人造寶石、拼合寶石、再造寶石,一、概述,1、合成寶石： 用各種原料通過(guò)晶體生長(zhǎng)等方法制備的、在化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)上與其天然的對(duì)應(yīng)寶石基本相同的材料。 例如合成紅寶石對(duì)應(yīng)天然紅寶石，它們的物理性質(zhì)、化學(xué)成分和原子結(jié)構(gòu)都基本相同。 2、人造寶石：指人工生產(chǎn)的、沒(méi)有天然對(duì)應(yīng)物的、具有寶石的工藝性能的材料，例如釔鋁榴石、塑料,一、概述,常用人工寶石合成的方法： 1、焰熔法 2、冷坩堝法 3、晶

2、體提拉法和導(dǎo)模法 4、助溶劑法 5、水熱法 6、高溫超高壓法 7、化學(xué)沉淀法,第二節(jié) 從熔體中結(jié)晶的方法,從熔體中生長(zhǎng)晶體的方法是最早研究出的合成寶石的方法，也是廣泛應(yīng)用的合成方法。從熔體中生長(zhǎng)單晶體的最大優(yōu)點(diǎn)是生長(zhǎng)速率快，大于在溶液中的生長(zhǎng)速率 ，二者速率的差異在10-1000倍。從熔體中生長(zhǎng)晶體的方法主要有焰熔法、提拉法和冷坩堝法。 從熔體中結(jié)晶合成寶石的基本過(guò)程是：粉末原料加熱熔化冷卻超過(guò)臨界過(guò)冷度結(jié)晶。 一、焰熔法 二、晶體提拉法 三、冷坩堝法,1、焰熔法,焰熔法也稱火焰法，或稱維爾納葉法。 顧名思義，它是用火焰把原料熔化而進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的方法，屬于由熔體中生長(zhǎng)晶體的方法。它是較重要的一

3、種生長(zhǎng)寶石的方法。 焰熔法已有100多年的歷史，它在人造寶石工業(yè)中占有相當(dāng)重要的地位，是產(chǎn)量和規(guī)模最大、使用歷史最長(zhǎng)的一種方法,焰熔法,早在1837年，MGaudin（法國(guó)）用明礬十鉻酸鉀放入有碳黑層的粘土坩堝內(nèi)熔化而生成片狀的剛玉； 1877年EFrsmy和Fed（法國(guó)）用Al2O3熔于PbO中，用20天長(zhǎng)出小片狀紅寶石晶體； 到1885年，他們倆又與Wyse（瑞士）用天然紅寶石粉末加少量鉻酸鉀，用O2和H2火焰熔化長(zhǎng)出了Geneva Rubies（日內(nèi)瓦紅寶石）；但真正的成功是到1890年法國(guó)化學(xué)家Verneull改進(jìn)了焰熔技術(shù)，并于1900年發(fā)表了以y-Al2O3為原料，H2、O2火焰熔

4、化生長(zhǎng)出可用晶體的文章。自此，焰熔法推廣到工業(yè)中去,維爾納葉法裝置,維爾納葉法裝置,焰熔法除生產(chǎn)紅寶石外，還生產(chǎn)其他顏色的剛玉如合成藍(lán)寶石，以及合成尖晶石、人造鈦酸鍶等晶體。在人造寶石業(yè)中，這種方法及所生長(zhǎng)的產(chǎn)品，占有相當(dāng)重要的位置,2、焰熔法的特點(diǎn),生長(zhǎng)速度快（1cm/h） 、設(shè)備簡(jiǎn)單、產(chǎn)量大、便于商業(yè)化。世界上每年用此法合成的寶石大于10億克拉。但用此方法合成的晶體缺陷多 ，往往達(dá)不到功能材料（如光電材料）的要求，多用于寶石,3. 焰熔法合成寶石的品種,焰熔法合成寶石的品種主要有：合成剛玉、合成尖晶石、合成金紅石、鈦酸鍶等 多種品種。合成的剛玉族寶石有多種的顏色，致色劑和天然的可以不同：合

5、成紅寶石：加入1-3% 的Cr2O3；合成藍(lán)寶石：加入TiO2和FeO，但Ti和Fe的逸散作用，使合成藍(lán)寶石常常有無(wú)色核心和藍(lán)色表皮；粉紅色和紫紅色：加入Cr、Ti、Fe等致色元素；黃色：加入Ni和Cr致色元素；變色：加入V（和Cr）；顯紫紅色到藍(lán)紫色的變色效應(yīng)；星光：加入0.l一0.3%的TiO2，然后通過(guò)在l300度下恒溫24小時(shí)，使TiO2成針狀的金紅石析出，產(chǎn)生星光效應(yīng),焰熔法,4.焰熔法合成寶石的識(shí)別特征,1）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(tài)為一定的幾何多面體。（2）包裹體和色帶：合成紅、藍(lán)寶石中常可見(jiàn)氣泡和未熔粉末。 （3）彎曲生長(zhǎng)紋：紅寶石中常見(jiàn)低

6、反差的弧形生長(zhǎng)紋，類似唱片紋；天然紅寶石和藍(lán)寶石都顯示直或角狀或六方色帶。合成尖晶石很少顯示色帶,氣泡,天然生長(zhǎng)紋,合成彎曲生長(zhǎng)紋,天然紅寶石生長(zhǎng)紋,合成紅寶石彎曲生長(zhǎng)紋,合成星光剛玉與天然星光剛玉的區(qū)別,合成星光剛玉,天然星光剛玉,二、晶體提拉法,提拉法又稱丘克拉斯基法，是丘克拉斯基(J.Czochralski)在1917年發(fā)明的。這種方法能夠生長(zhǎng)無(wú)色藍(lán)寶石、紅寶石、釔鋁榴石 、釓鎵榴石、變石和尖晶石等重要的寶石晶體。 20世紀(jì)60年代，提拉法進(jìn)一步發(fā)展為一種更為先進(jìn)的定型晶體生長(zhǎng)方法熔體導(dǎo)模法。它是控制晶體形狀的提拉法，即直接從熔體中拉制出具有各種截面形狀晶體，它不僅免除了工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)人造

7、晶體所帶來(lái)的繁重的機(jī)械加工，還有效的節(jié)約了原料,1、提拉法合成裝置,1、提拉法合成裝置,這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是： （l）晶體生長(zhǎng)過(guò)程直觀，便于觀察。 （2）短時(shí)間內(nèi)可長(zhǎng)出高質(zhì)量的大晶體。 （3）可以定向等徑生長(zhǎng)，但是受坩堝材料污染、熔體對(duì)流以及飽和蒸氣壓低、熔體揮發(fā)等的影響，給生長(zhǎng)晶體帶來(lái)困難,2、提拉法合成寶石的識(shí)別特征,1)弧形生長(zhǎng)紋：由于提拉和旋轉(zhuǎn)作用，會(huì)產(chǎn)生彎曲的弧形生長(zhǎng)紋。導(dǎo)模法生長(zhǎng)晶體時(shí)晶體不旋轉(zhuǎn)，因而沒(méi)有彎曲生長(zhǎng)紋。 (2)氣泡：提拉法和導(dǎo)模法合成的晶體都會(huì)含有分布不均勻的氣泡，常為拉長(zhǎng)的或啞鈴狀。 (3)金屬包體：銥、鎢或鉬等金屬坩堝被熔化后形成的包裹體,1、提拉法合成裝置,4)

8、未熔粉末：偶爾可見(jiàn)未熔化的原料粉末。 (5)雜質(zhì)包體：由于原料不純或配比不當(dāng)對(duì)熔體造成污染，形成雜質(zhì)包體。(6)不均勻生長(zhǎng)條紋：在晶體的生長(zhǎng)過(guò)程中，由于固液界面產(chǎn)生的振動(dòng)或溫度的波動(dòng)，因而形成晶體不均勻的生長(zhǎng)條紋,三、冷坩堝法,冷坩堝法是生產(chǎn)合成立方氧化鋯晶體的方法。 該方法是俄羅斯科學(xué)院列別捷夫固體物理研究所的科學(xué)家們研制出來(lái)的，并于1976年申請(qǐng)了專利。由于合成立方氧化鋯的外觀和鉆石相似，無(wú)色的合成立方氧化鋯迅速而成功的取代了其他的鉆石仿制品，成為鉆石首選的代用品。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(fèi)者的歡迎,1、冷坩堝法生長(zhǎng)晶體的原理,冷坩堝法僅用

9、于生長(zhǎng)合成立方氧化鋯晶體， 由于合成立方氧化鋯的熔點(diǎn)最高為2750,幾乎沒(méi)有什么材料可以用做承受如此高溫的坩堝。 冷坩堝法的特點(diǎn)是晶體不在高熔點(diǎn)的金屬坩堝生長(zhǎng)，而是用原料本身作坩堝，使其內(nèi)部熔化，外部則裝有冷卻裝置，形成一層未熔殼，起到坩堝的作用。內(nèi)部已熔化的晶體材料，依靠坩堝下降脫離加熱區(qū)，熔體溫度逐漸下降并結(jié)晶長(zhǎng)大,冷坩堝殼熔法生長(zhǎng)晶體的裝置,1 熔殼蓋； 2 石英管； 3 通冷卻水的銅管；4 高頻線圈（RF）； 5 熔體； 6 晶體； 7 未熔料； 8 通冷卻水底座,合成立方氧化鋯晶體顏色及著色劑,2、冷坩堝法合成寶石的鑒別特征,目前，冷坩堝法合成的寶石只有合成立方氧化鋯一種。(1)生長(zhǎng)

10、特征：冷坩堝法采用自發(fā)結(jié)晶的生長(zhǎng)方式，所以沒(méi)有特別的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。合成立方氧化鋯晶體的生長(zhǎng)過(guò)程中沒(méi)有晶體的旋轉(zhuǎn)，也沒(méi)有弧形生長(zhǎng)紋。(2)包裹體：不使用金屬坩堝，因此合成立方氧化鋯晶體中不含金屬固體包體。個(gè)別情況含有未完全熔化的面包屑狀的氧化鋯粉末和因冷卻速度過(guò)快而產(chǎn)生氣體包體,第三節(jié) 從溶液中結(jié)晶的方法,由兩種或兩種以上的物質(zhì)組成的均勻混合物稱為溶液，溶液由溶劑和溶質(zhì)組成。 合成晶體所采用的溶液包括：低溫溶液（如水溶液、有機(jī)溶液、凝膠溶液等）、 高溫溶液（即熔鹽）。從溶液中生長(zhǎng)寶石晶體的方法主要有水熱法和助熔劑法。 從溶液中結(jié)晶合成寶石的基本過(guò)程是：原料加熱溶解（遷移、反應(yīng)）過(guò)飽和析出結(jié)晶 一、水

11、熱法 二、助熔劑法,水熱法,早在1882年人們就開(kāi)始了水熱法合成晶體的研究, 最早獲得成功的是合成水晶。二十世紀(jì)上葉，由于軍工產(chǎn)品的需要，水熱法合成水晶投入了大批量的生產(chǎn)。隨后， 水熱法合成紅寶石于1943年由Laubengayer和Weitz首先獲得成功，Ervin和Osborn進(jìn)一步完善了這一技術(shù)。 1946年奧地利的N.Lechleitner首先成功合成水熱法 祖母綠， 1960年澳大利亞的Johann Lechleitner也研究成功， 1965年美國(guó)的Linde公司開(kāi)始水熱法合成祖母綠的商業(yè)生產(chǎn)。 1988年我國(guó)有色金屬工業(yè)總公司廣西桂林寶石研究所曾驥良等用水熱法合成出質(zhì)量較好的寶石

12、級(jí)祖母綠 。 九十年代俄羅斯合成出了海藍(lán)寶石、紅色綠柱石等其它顏色的綠柱石,水熱法原理,水熱法是利用高溫高壓的水溶液使那些在大氣條件下不溶或難溶的物質(zhì)溶解，或反應(yīng)生成含有寶石分子的溶液，通過(guò)控制高壓釜內(nèi)溶液的溫差產(chǎn)生對(duì)流 ，使溶液過(guò)飽和而析出溶質(zhì)生長(zhǎng)晶體的方法。 這種方法與天然寶石在熱液成礦過(guò)程中形成的方式非常相似,水熱法合成祖母綠裝置圖,溫度壓力：6000C、1000X105Pa 生長(zhǎng)過(guò)程：電爐在高壓釜下部加熱，溶解的原料在溶液中對(duì)流擴(kuò)散，相遇并發(fā)生反應(yīng)，形成祖母綠分子，當(dāng)溶液中祖母綠分子濃度達(dá)到過(guò)飽和時(shí)，便在種晶上析出結(jié)晶成祖母綠晶體,水熱法合成寶石的識(shí)別特征,特征包裹體：鉑金片,助熔劑法

13、又稱高溫熔體溶液法，它是將晶體的原成分在高溫下溶解于低熔點(diǎn)助熔劑熔體中，形成過(guò)飽和的溶液，然后通過(guò)緩慢地降溫或其他方法，形成過(guò)飽和的溶液而析出晶體，這種過(guò)程類似于自然界中礦物晶體從巖漿中結(jié)晶的過(guò)程，因此在寶石晶體合成中占有重要的位置。 利用助熔劑法生長(zhǎng)晶體已有很久的歷史，19世紀(jì)中期，西歐就曾有人用此法合成金紅石和祖母綠，由于焰熔法紅寶石的出現(xiàn)，該法曾一度被人忽視，但近幾十年來(lái)，由于科技發(fā)展的需要又重新發(fā)展起來(lái)，在寶石生長(zhǎng)中更是大量應(yīng)用，不僅生長(zhǎng)各種助熔劑紅寶石，而且生長(zhǎng)了祖母綠、尖晶石等，大量投入市場(chǎng),助熔劑法,助熔劑法,助熔劑法又稱熔劑法或熔鹽法，它是在高溫下從熔融鹽熔劑中生長(zhǎng)晶體的一種方

14、法。 1940年美國(guó)人用助熔劑法實(shí)現(xiàn)了合成祖母綠的商業(yè)生產(chǎn)。目前世界上祖母綠生產(chǎn)的大公司 有美國(guó)的查塔姆（Chatham）、Regency、林德（Linde），澳大利亞的畢榮（Biron）、法國(guó)的吉爾森（Gilson）、日本的拉姆拉（Ramaura） 、俄羅斯的Tairus。年生產(chǎn)祖母綠已經(jīng)達(dá)到了5000kg以上,助熔劑法的基本原理和方法,助熔劑法是將組成寶石的原料在高溫下溶解于低熔點(diǎn)的助熔劑中，使之形成飽和溶液，然后通過(guò)緩慢降溫或在恒定溫度下蒸發(fā)熔劑等方法，使熔融液過(guò)飽和，從而使寶石晶體析出生長(zhǎng)的方法,助熔劑法，顧名思義，一定有助熔劑。作為助熔劑，一個(gè)基本的要求就是它熔化后能溶解待生長(zhǎng)的晶體

15、，且不易分解揮發(fā)。PbF2、PbO2、Bi2O3等極性化合物是最好的材料，它們?nèi)埸c(diǎn)低，溶解能力強(qiáng)。B2O3和BaO-Bi2O3也很常用。還有一些復(fù)雜的化合物如鎢酸鹽、鉬酸鹽、冰晶石等有時(shí)也被選做助熔劑。 助熔劑的選擇要依據(jù)幾個(gè)原則： （1）它對(duì)擬生長(zhǎng)的晶體有極好的溶解性，隨溫度的變化，溶解度變化也較大，這樣晶體容易生長(zhǎng)。 （2）在寬的溫度范圍內(nèi)，所生長(zhǎng)的晶體是唯一的穩(wěn)定相，也就是熔助劑與晶體成分不能形成中間化合物。 （3）助熔劑具有較低的粘度和較高的沸點(diǎn)。 （4）揮發(fā)性小，毒性小，容易清除,助熔劑合成紅寶石中的助熔劑殘余和鉑金屬片,早在18世紀(jì)的后期，就已經(jīng)證實(shí)了鉆石和石墨都由碳元素組成，后來(lái)

16、就開(kāi)始了人造鉆石的研究工作，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的艱苦努力，在本世紀(jì)中葉，才在實(shí)驗(yàn)室合成出人造鉆石，初期的合成鉆石僅僅是磨料級(jí)的。我國(guó)在這方面起步也不算太晚，早在60年代，就合成出了磨料級(jí)鉆石。 由于超高壓設(shè)備和高溫技術(shù)的限制，起初合成鉆石進(jìn)步不是很快。直到1970年，美國(guó)GE公司才公布了第一顆寶石級(jí)合成鉆石，之后幾年各國(guó)一直在保密的情況下進(jìn)行研究，進(jìn)展不快，進(jìn)入90年代，才有了突破性進(jìn)展，日本的住友公司、英國(guó)的戴比爾斯公司和美國(guó)的GE公司等相繼公布了他們合成的寶石級(jí)鉆石，引起了珠寶界的震驚。 合成的鉆石品質(zhì)、品種都大大超過(guò)天然鉆石，從而打破了天然鉆石壟斷珠寶業(yè)的局面,人工合成鉆石的歷史,合成鉆石的歷

17、史和現(xiàn)狀,1953年瑞士工程公司（ASEA）使用壓力球裝置首次成功地合成出了40粒小顆的鉆石， 1955年美國(guó)通用電氣公司（GE）采用壓帶裝置合成出了小顆粒的鉆石。此后，工業(yè)級(jí)鉆石的合成技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，目前幾乎三分之二的工業(yè)用鉆已由合成鉆石替代了。直到1970年寶石級(jí)大顆粒的鉆石才由美國(guó)通用電氣公司合成成功。目前已能獲得十幾克拉大的晶體，但寶石級(jí)鉆石合成的成本仍然很高，不能進(jìn)行大批量的生產(chǎn)。 2000年可切磨的合成鉆石只有3500ct，僅占當(dāng)年天然寶石級(jí)鉆石產(chǎn)量的0.01,二、 高溫高壓種晶觸媒法合成鉆石 1、合成鉆石的原理,鉆石和石墨是碳的兩種同質(zhì)多像的變體。在常溫常壓下石墨是碳的穩(wěn)定結(jié)晶

18、形式，鉆石只有在高溫高壓下才是最穩(wěn)定的，在高溫高壓下，石墨的中的碳原子會(huì)重新按鉆石的結(jié)構(gòu)排列，而形成鉆石。 合成鉆石的方法主要分靜壓法、動(dòng)壓法和低壓法（即在亞穩(wěn)定區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)鉆石的方法）。合成工業(yè)用鉆石主要采用靜壓法中的靜壓觸媒法，通過(guò)液壓機(jī)產(chǎn)生（4500-9000）X109Pa的壓力，以電流加熱到1000-2000的高溫，利用金屬觸媒實(shí)現(xiàn)石墨向鉆石的轉(zhuǎn)化,二、 高溫高壓種晶觸媒法合成鉆石 1、合成鉆石的原理,寶石級(jí)合成鉆石也是采用的靜壓法，但加入了種晶，所以又稱為晶種觸媒法。金屬觸媒的主要作用是降低石墨向鉆石轉(zhuǎn)化的溫度和壓力條件，同時(shí)，金屬觸媒可以作為碳的溶劑。在適當(dāng)?shù)臏囟葔毫l件下，石墨和鉆石都可以溶于觸媒中，并且，石墨的溶解度大于鉆石，當(dāng)壓力升高時(shí)，二者的差異也增大。因此，當(dāng)石墨在金屬觸媒中溶解達(dá)到飽和時(shí)，對(duì)鉆石而言就已經(jīng)達(dá)到過(guò)飽和了，此時(shí)，鉆石容易從觸媒中結(jié)晶出來(lái)。在合成過(guò)程中對(duì)溫度、壓力的控制較復(fù)雜，晶體生長(zhǎng)的時(shí)間較長(zhǎng)，所以成本比合成工業(yè)鉆砂高得多,球形壓機(jī),球形壓機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu),寶石級(jí)合成鉆石的主