助熔劑法及其合成寶石的鑒定

1、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晶體的一種方法。利用助熔劑生長晶體的歷史已近百年，現(xiàn)在用助熔劑生長的晶體類型很多，從金屬到硫族及鹵族化合物，從半導(dǎo)體材料、激光晶體、光學(xué)材料到磁性材料、聲學(xué)晶體，也用于生長寶石晶體，如助熔劑法紅寶石和祖母綠。一、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，然后通過緩慢降溫或在恒定溫度下蒸發(fā)熔劑等方法，使熔融液處于過飽和狀態(tài)，

2、從而使寶石晶體析出生長的方法。助熔劑通常為無機(jī)鹽類，故也被稱為鹽熔法或熔劑法。助熔劑法根據(jù)晶體成核及生長的方式不同分為兩大類：自發(fā)成核法和籽晶生長法。1、自發(fā)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(yīng)法和蒸發(fā)法。這些方法中以緩冷法設(shè)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(fā)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

3、法。主要目的是克服自發(fā)成核時(shí)晶粒過多的缺點(diǎn)，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(jié)晶生長。根據(jù)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(zhuǎn)法：由于助熔劑熔融后粘度較大，熔體向籽晶擴(kuò)散比較困難，而采用籽晶旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)提拉法:這是助熔劑籽晶旋轉(zhuǎn)法與熔體提拉法相結(jié)合的方法。其原理是:原料在坩堝底部高溫區(qū)熔融

4、于助熔劑中，形成飽和熔融液，在旋轉(zhuǎn)攪拌作用下擴(kuò)散和對流到頂部相對低溫區(qū)，形成過飽和熔液，在籽晶上結(jié)晶生長晶體。隨著籽晶的不斷旋轉(zhuǎn)和提拉，晶體在籽晶上逐漸長大。該方法除具有籽晶旋轉(zhuǎn)法的優(yōu)點(diǎn)外，還可避免熱應(yīng)力和助熔劑固化加給晶體的應(yīng)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(xù)使用。C.底部籽晶水冷法：助熔劑揮發(fā)性高，頂部籽晶生長難以控制，晶體質(zhì)量也不好。為了克服這些缺點(diǎn)，采用底部籽晶水冷技術(shù)，則能獲得良好的晶體。水冷保證了籽

5、晶生長，抑制了熔體表面和坩堝其它部位的成核。這是因?yàn)樗洳课徊拍苄纬蛇^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(zhì)量良好的釔鋁榴石晶體。D.坩堝倒轉(zhuǎn)法及傾斜法：這是兩種基本原理相同的助熔劑生長晶體的方法。當(dāng)坩堝緩慢冷卻至溶液達(dá)過飽和狀態(tài)時(shí)，將坩堝倒轉(zhuǎn)或傾斜，使籽晶浸在過飽和溶液中進(jìn)行生長，待晶體生長結(jié)束后，再將坩堝回復(fù)到開始位置，使溶液與晶體分離。E.移動熔劑區(qū)熔法：這是一種采用局部區(qū)域熔融生長晶體的方法。籽晶和晶體原料互

6、相連接的熔融區(qū)內(nèi)含有助熔劑，隨著熔區(qū)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(dāng)?shù)乜刂粕L速度和必要的生長氣氛，用這種方法可以得到均勻的晶體。二、助熔劑的選擇和工藝特點(diǎn)1.埃斯皮克(Espig)緩冷法生長祖母綠晶體早在1888年和1900年，科學(xué)家們就使用了自發(fā)成核法中的緩冷法生長出祖母綠晶體的技術(shù)。之后，德國的埃斯皮克(H.Espig)等人進(jìn)行了深入的研究(于19241942年)，并對助

7、熔劑緩冷法做了許多改進(jìn)，生長出了長達(dá)2cm的祖母綠晶體。A.主要設(shè)備緩冷法生長寶石晶體的設(shè)備為高溫馬福爐和鉑坩堝（圖61）。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(tǒng)。圖61助熔劑法采用的坩鍋和馬福爐坩堝材料常用鉑，使用時(shí)要特別注意避免痕量的金屬鉍、鉛、鐵等的出現(xiàn)，以免形成鉑合金，引起坩堝穿漏。坩堝可直接放在爐膛內(nèi)，也可埋入耐火材料中，后者有助于增加熱

8、容量、減少熱波動，并且一旦坩堝穿漏，對爐子損害不大。B.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(diǎn)的溫度下恒溫一段時(shí)間，使所有原料完全熔化。然后緩慢降溫，降溫速度為每小時(shí)0.20.5℃，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(jié)晶生長。晶體生長速度很慢，約每秒6.0Lo6cm。主要晶體生長結(jié)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