《水热法合成宝石》PPT课件.ppt

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1、早在1882年人们就开始了水热法合成晶体的研究。最早获得成功的是合成水晶。二十世纪上叶由于军工产品的需要水热法合成水晶投入了大批量的生产。第六章水热法合成晶体随后水热法合成红宝石于1943年由Laubengayer和Weitz首先获得成功；Ervin和Osborn进一步完善了这一技术。水热法合成的红宝石的晶体祖母绿的水热法合成是由澳大利亚的JohannLechleitner在1960年研究成功的。到九十年代原苏联新西伯利亚合成出了海蓝宝石。随后红色绿柱石等其它颜色绿柱石及合成刚玉也纷纷面市。1.基本原理水热法是利

2、用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的的物质溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制高压釜内溶液的温差使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体的方法。自然界热液成矿就是在一定的温度和压力下，成矿热液中成矿物质从溶液中析出的过程。水热法合成宝石就是模拟自然界热液成矿过程中晶体的生长。2.合成装置主要装置：高压釜加热器控温设备原料、溶剂、籽晶等高压釜为可承高温高压的钢制釜体。水热法采用的高压釜一般可承受1100℃的温度和109Pa的压力，具有可靠的密封系统和防爆装置。高压釜的直径与高度比有一定的要求，对内径

3、为100-120mm的高压釜来说，内径与高度比以1：16为宜。高度太小或太大都不便控制温度的分布。由于内部要装酸、碱性的强腐蚀性溶液，当温度和压力较高时，在高压釜内要装有耐腐蚀的贵金属内衬，如铂金或黄金内衬，以防矿化剂与釜体材料发生反应。利用在晶体生长过程中釜壁上自然形成的保护层来防止进一步的腐蚀和污染。如合成水晶时，由于溶液中的SiO2与Na2O和釜体中的铁能反应生成一种在该体系内稳定的化合物，即硅酸铁钠（锥辉石NaFeSi2O6acmite）附着于容器内壁，从而起到保护层的作用。矿化剂指的是水热法生长晶体时采用

4、的溶剂，通常可分为以下五类：1)碱金属及铵的卤化物2)碱金属的氢氧化物3)弱酸与碱金属形成的盐类4)强酸5)酸类（一般为无机酸）3.水热法宝石晶体生长的分类3.1等温法等温法主要利用物质的溶解度差异来生产晶体。所用原料为亚稳定相物质，籽晶为稳定相物质。高压釜内上、下无温差，是这一方法的特色。此法曾用于生长水晶，通常用碳酸钠溶液为矿化剂，无定形硅作为培养料，水晶片作籽晶。当溶液温度接近水的临界温度时，处于不稳定状态的无定形硅发生溶解，进而当高压釜内SiO2浓度达到过饱和度时，晶体便开始在籽晶上生长。此法的缺点是无法生

5、长出晶形完整的大晶体。等温法高压釜3.2摆动法摆动法的装置由A、B两个圆筒组成，其中A筒放置培养液，B筒放置籽晶，两筒间保持一定的温度差。定时地摆动A、B两个圆筒以加速它们之间的对流，利用两筒之间的温差在高压环境下生长出晶体，此法也曾用于水晶的生长。3.3温差法温差法是在立式高压釜内生产晶体，高压釜内部的对流挡板将釜腔分成上、下两部分，籽晶挂在生长区的培育架上，晶体在籽晶上逐步生长；对流挡板的下部为培养料区(也称溶解区)，溶解区内放人适量的高纯度原料和矿化剂。加热，使高压釜的上、下部分形成一定的温差。当高压釜温度超

6、过100℃后，由于热膨胀和大量蒸汽的形成，釜内形成气压。3.3温差法随着温度不断上升，气压急骤增大，溶解区的溶质不断溶解于矿化物溶剂中，并形成饱和溶液。由于温差，就形成了釜内溶液的对流，溶解区中的高温饱和溶液被输送到生长区。高压釜上部的温度低，下部的饱和溶液升到上部随即成为过饱和状态，溶质就在籽晶上不断地析出，并使籽晶长大。温差法高压釜4.水热法生长宝石晶体的优缺点优点:a、能够生长存在相变(如a-石英等)和在接近熔点时蒸汽压高的材料(如ZnO)或要分解的材料(如VO2)。b、能够生长出较完美的优质大晶体，并且能够

7、很好地控制材料的成分。c、此法生长晶体时，由于与自然界生长晶体条件很相似，因此生长出的宝石晶体与天然宝石晶体最接近。缺点:a、需要材料比较特殊的高压釜和相应安全防护措施。b、需要大小适当、切向合适的优质籽晶。c、整个生长过程无法观察。d、投料是一次性的，因此生长晶体的大小受高压釜容器大小的限制。5.影响宝石晶体生长的因素溶液的过饱和度矿化剂的性质与浓度对流挡板生长区温度与温差压力和充填度杂质种晶的取向营养料6.水热法合成宝石晶体6.1水热法合成水晶晶体6.2水热法合成刚玉类晶体6.3水热法合成祖母绿晶体6.4水热法

8、合成海蓝宝石晶体6.1水热法合成水晶晶体原理溶解过程：SiO2+NaOH——Na2Si3O7+H2OSiO2+NaOH——Na2Si2O5+H2O结晶过程：Na2Si3O7+H2O——2Na++2OH-+Si3O6Na2Si2O5+H2O——2Na++2OH-+Si2O4工作条件和工艺参数温度和压力（Tg=330-3500C，Td=360-3800C，Δ≤5