Ελληνικά 
English 
Español 
Português 
Deutsch 
Italiano 
Français 
العربية 
Русский 
Bahasa Indonesia 
日本語 
한국어 
Suomi 
Svenska 
Polski 
Română 
Türkçe 
Čeština 
Magyar 
Norsk bokmål 
Πώς να παράγετε συνθετικούς πολύτιμους λίθους --- 8 είδη συνθετικών μεθόδων
Μάθετε για την ιστορία, τις αρχές και τα 8 είδη συνθετικών μεθόδων και διαδικασιών συνθετικών πολύτιμων λίθων.
Εισαγωγή:
Ο τομέας των συνθετικών πολύτιμων λίθων έχει σημειώσει αξιοσημείωτες εξελίξεις, γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ της φυσικής σπανιότητας και της τεχνητής αντιγραφής. Από την ιστορική σύντηξη των ρουμπινιών από τον E. D. Clarke έως τη σύγχρονη σύνθεση διαμαντιών σε υψηλή πίεση και θερμοκρασία, το ταξίδι ήταν μεταμορφωτικό. Οι αρχές της σύνθεσης πολύτιμων λίθων, που έχουν τις ρίζες τους στην κατανόηση του φυσικού σχηματισμού πολύτιμων λίθων μέσω ενδογενών, εξωγενών και μεταμορφικών διαδικασιών, άνοιξαν το δρόμο για προηγμένες εργαστηριακές τεχνικές. Μέθοδοι όπως η σύντηξη με φλόγα, η υδροθερμική ανάπτυξη και η τήξη με ροή έχουν συμβάλει καθοριστικά στη δημιουργία πολύτιμων λίθων όπως το κορούνδιο και τα σμαράγδια. Η οικονομική αξιολόγηση αυτών των συνθετικών μεθόδων εξασφαλίζει την κερδοφορία τους, διατηρώντας παράλληλα την εξαιρετική ποιότητα και εμφάνιση των φυσικών πολύτιμων λίθων. Το μέλλον της σύνθεσης πολύτιμων λίθων έγκειται στην τελειοποίηση αυτών των τεχνικών, στη διασφάλιση της σταθερότητας και της ομορφιάς των συνθετικών πολύτιμων λίθων και στην επέκταση των εφαρμογών τους στη βιομηχανία κοσμημάτων και πέραν αυτής. Καθώς η ζήτηση για πολύτιμους λίθους αυξάνεται, οι συνθετικοί πολύτιμοι λίθοι προσφέρουν μια βιώσιμη και ηθική εναλλακτική λύση, υποσχόμενοι ένα λαμπρό μέλλον για αυτόν τον δυναμικό τομέα.
Πίνακας περιεχομένων
Ενότητα Ι Ιστορία της σύνθεσης πολύτιμων λίθων
Η ιστορία των συνθετικών πολύτιμων λίθων ξεκίνησε το 1819, όταν ο E. D. Clarke ένωσε δύο ρουμπίνια χρησιμοποιώντας φλόγα υδρογόνου-οξυγόνου με φυσητήρα. Κατά τη διάρκεια 200 ετών, η διαδικασία ανάπτυξης εξελίχθηκε από απλή σε σύνθετη, από χαμηλού επιπέδου σε υψηλού επιπέδου. Παρόλο που η έρευνα και η ανάπτυξη συνθετικών πολύτιμων λίθων στη χώρα μας ξεκίνησε σχετικά αργά (τη δεκαετία του 1950), προχώρησε γρήγορα και σήμερα μπορούν να παραχθούν διάφοροι συνθετικοί πολύτιμοι λίθοι για να καλύψουν τις απαιτήσεις της αγοράς.
Για να βοηθηθούν οι αναγνώστες να κατανοήσουν το ιστορικό ανάπτυξης των συνθετικών πολύτιμων λίθων, συντάχθηκε μια σύντομη ιστορία των συνθετικών πολύτιμων λίθων (Πίνακας 2-1) για αναφορά.
Πίνακας 2-1 Σύντομη ιστορία των συνθετικών πολύτιμων λίθων
| Έτος | Εφευρέτες και βελτιωτές | Μέθοδος | Συνθετικές ποικιλίες πολύτιμων λίθων |
|---|---|---|---|
| 1902 | A. Werner Leaf (Γαλλία) | Μέθοδος σύντηξης με φλόγα | Συνθετικό ρουμπίνι |
| 1908 | G. Spezia (Ιταλία) | Υδροθερμική μέθοδος | Συνθετικό κρύσταλλο |
| 1910 | A. Vernay (Γαλλία) | Μέθοδος σύντηξης με φλόγα | Συνθετικό μπλε σπινέλιο |
| 1928 | Richard Nacken (Γερμανία) | Μέθοδος ροής | Συνθετικό σμαράγδι (1ct) |
| 1934 | H. Espik (Γερμανία) | Μέθοδος ροής | Συνθετικό σμαράγδι |
| 1940 | C. Chatham (ΗΠΑ) | Μέθοδος ροής | Συνθετικό σμαράγδι |
| 1947 | Lind, Inc. ΗΠΑ | Μέθοδος σύντηξης με φλόγα | Συνθετικό αστέρι ρουμπίνι, ζαφείρι |
| 1948 | National Lead Company, ΗΠΑ | Μέθοδος σύντηξης με φλόγα | Συνθετικό ρουτίλιο |
| 1955 | Riley Company (ΗΠΑ) | Μέθοδος καταβύθισης φάσης ατμών | Συνθετικός Μωυσανίτης |
| 1958 | Laodis και Bauman | Υδροθερμική μέθοδος | Συνθετικό ρουμπίνι και πράσινο, άχρωμο ζαφείρι |
| 1959 | Shchepanov (Σοβιετική Ένωση) | Μέθοδος καλουπιού οδηγού τήξης | Λευκό ζαφείρι |
| 1960 | Ηνωμένες Πολιτείες, πρώην Σοβιετική Ένωση | Μέθοδος καταβύθισης φάσης ατμών | Συνθετικό πολυκρυσταλλικό φιλμ από διαμάντι λευκό ζαφείρι |
| 1960 | Schepanov (Σοβιετική Ένωση) | Μέθοδος καλουπιού καθοδηγούμενου από τήγμα | Σύνθεση ρουμπίνι, ζαφείρι και μάτι της γάτας, κ.λπ. |
| 1964 | Mei και J.C. Shaa | Υδροθερμική μέθοδος | Λευκό ζαφείρι |
| 1965 | Linde Group, ΗΠΑ | Υδροθερμική μέθοδος | Συνθετικό σμαράγδι (εμπορικό) Παραγωγή) |
| 1966 | D.L. Wood και A Bauman | Υδροθερμική μέθοδος | Μπλε κρύσταλλο |
| 1970 | General Electric Company | Υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης | Συνθετικό διαμάντι (διαμάντι ποιότητας πολύτιμου λίθου) |
| 1971 | Ετικέτα (ΗΠΑ) | Μέθοδος καθοδήγησης καλουπιών | Λευκό ζαφείρι |
| 1972 | P. Gilson (Γαλλία) | Μέθοδος χημικής καταβύθισης | Συνθετικό οπάλιο, συνθετικό τυρκουάζ |
| 1987 | Wang Chonglu (Κίνα) | Μέθοδος καλουπιού οδηγού τήξης | Συνθετικό ρουμπίνι μάτι της γάτας |
| 1990 | A.S. Kliber (Σοβιετική Ένωση) | Υδροθερμική μέθοδος | Συνθετικός Ακουαμαρίνος |
| 1990 | Εργαστήριο De Beers Νότια Αφρική | Υψηλή θερμοκρασία και υπερυψηλή πίεση | Συνθετικό διαμάντι 14,2ct |
| 1993 | Guangxi Gem Research Institute, Κίνα | Υδροθερμική μέθοδος | Συνθετικό ρουμπίνι |
| 1995 | Κίνα | Μέθοδος καταβύθισης φάσης ατμών | Μαύρο πολυκρυσταλλικό συνθετικό διαμάντι |
| 2001 | Ερευνητικό Ινστιτούτο πολύτιμων λίθων του Guangxi, Κίνα | Υδροθερμική μέθοδος | Συνθετικό σμαράγδι (κοντά στο φυσικό) |
Τμήμα II Αρχές σύνθεσης πολύτιμων λίθων
Πριν από τη σύνθεση τεχνητών πολύτιμων λίθων, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πώς σχηματίζονται οι φυσικοί πολύτιμοι λίθοι στη φύση.
Οι πολύτιμοι λίθοι είναι όμορφα ορυκτά. Τα ορυκτά είναι φυσικές κρυσταλλικές ουσίες με συγκεκριμένη χημική σύνθεση και εσωτερική δομή, που σχηματίζονται από γεωλογικές ή κοσμικές διεργασίες και είναι σχετικά σταθερές κάτω από ορισμένες φυσικές και χημικές συνθήκες. Αποτελούν τα βασικά δομικά στοιχεία των πετρωμάτων (όπως ο νεφρίτης). Τα ορυκτά (πολύτιμοι λίθοι) έχουν συγκεκριμένη χημική σύνθεση, εσωτερική δομή και συγκεκριμένες μορφές και φυσικές και χημικές ιδιότητες, που μας επιτρέπουν να αναγνωρίζουμε διαφορετικούς τύπους ορυκτών (πολύτιμων λίθων). Ωστόσο, λόγω της πολυπλοκότητας του περιβάλλοντος σχηματισμού, η σύνθεση, η δομή, η μορφή και οι ιδιότητες των ορυκτών (πολύτιμων λίθων) μπορούν να ποικίλλουν εντός ενός συγκεκριμένου εύρους.
Όταν οι εξωτερικές συνθήκες αλλάζουν ή υπερβαίνουν το σταθερό εύρος των ορυκτών (πολύτιμων λίθων), αυτά μπορούν να μετατραπούν σε άλλα σταθερά ορυκτά (πολύτιμους λίθους) υπό τις νέες συνθήκες.
Επομένως, πριν από τη σύνθεση πολύτιμων λίθων, θα πρέπει να μελετήσει κανείς διεξοδικά τη σύνθεση, τη δομή, τη μορφή, τις ιδιότητες, τη γένεση, την εμφάνιση, τις χρήσεις και τις εγγενείς σχέσεις μεταξύ των αντίστοιχων φυσικών πολύτιμων λίθων (ορυκτών), καθώς και τα πρότυπα χρονικής και χωρικής κατανομής των φυσικών πολύτιμων λίθων και τις διαδικασίες σχηματισμού και αλλαγής τους.
Η χημική σύνθεση των πολύτιμων λίθων αποτελεί την υλική βάση για τον σχηματισμό τους και είναι ένας από τους πιο ουσιαστικούς παράγοντες που καθορίζουν τις διάφορες ιδιότητες των πολύτιμων λίθων. Είναι πολύ ευαίσθητη σε μικρές αλλαγές στις συνθήκες σχηματισμού των πολύτιμων λίθων, ιδίως των χρωστικών στοιχείων. Η μορφή με την οποία υπάρχουν τα χρωστικά στοιχεία στους πολύτιμους λίθους εξαρτάται από τη χημική συμπεριφορά των στοιχείων με τα άτομα ή τα ιόντα και από το γεωλογικό περιβάλλον και τις φυσικοχημικές συνθήκες στις οποίες βρίσκονται. Επομένως, πριν από την ανάπτυξη συνθετικών πολύτιμων λίθων, είναι απαραίτητο να κατανοηθούν οι λόγοι και οι διαδικασίες σχηματισμού των φυσικών πολύτιμων λίθων.
1. Ο σχηματισμός των φυσικών πολύτιμων λίθων
Ο σχηματισμός των πολύτιμων λίθων ταξινομείται συνήθως σύμφωνα με τις γεωλογικές διεργασίες μεταλλοφορίας. Σύμφωνα με τη φύση και την πηγή ενέργειας της διαδικασίας, η γεωλογική διαδικασία σχηματισμού πολύτιμων λίθων μπορεί να χωριστεί σε τρεις τύπους: ενδογενής διαδικασία, εξωγενής διαδικασία και μεταμόρφωση.
(1) Ενδογενείς διεργασίες
Οι ενδογενείς διεργασίες αναφέρονται σε διάφορες γεωλογικές διεργασίες που οδηγούν στο σχηματισμό των πολύτιμων λίθων λόγω της εσωτερικής θερμότητας της Γης. Αυτό περιλαμβάνει μια ποικιλία σύνθετων διεργασιών μεταλλοποίησης, όπως οι μαγματικές διεργασίες, οι ηφαιστειακές διεργασίες, η πεγματική δράση και οι υδροθερμικές διεργασίες.
(α) Μαγματική δράση:
Αναφέρεται στη διαδικασία σχηματισμού πολύτιμων λίθων (ορυκτών) από τήγματα μάγματος πλούσια σε πτητικά συστατικά υπό υψηλή θερμοκρασία (700-1300) και υψηλή πίεση (5 x 108 –20 x 108 Pa), τα οποία ψύχονται και κρυσταλλώνονται υπό γεωλογική πίεση. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τον Περίδοτο, τον πυροξένιο, τον κερατοβλήτη, τον αστρίτη, τον χαλαζία, το καθαρό διαμάντι, τα φυσικά στοιχεία της ομάδας του λευκόχρυσου κ.λπ., τα οποία σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια μαγματικής δράσης.
(β) Ηφαιστειακή δράση:
Αναφέρεται σε ολόκληρη τη διαδικασία σχηματισμού και μεταλλοποίησης πετρωμάτων όταν το μάγμα από το βαθύ υπέδαφος διεισδύει κατά μήκος ασθενών ζωνών του φλοιού προς την επιφάνεια ή εκρήγνυται απευθείας, κρυώνοντας ταχέως. Οι πολύτιμοι λίθοι που σχετίζονται με την ηφαιστειακή δράση περιλαμβάνουν τον ζεόλιθο, το οπάλιο, τον αχάτη, τον ασβεστίτη, το ρεαλγάρ, το ορπίμνιο, το περιντότ, το ρουμπίνι και το ζαφείρι που βρίσκονται σε εγκλείσματα βαθιάς πηγής.
(γ) Πηγματιτική δράση:
Αναφέρεται στη διαδικασία σχηματισμού και μεταλλοποίησης πετρωμάτων που λαμβάνει χώρα υπό υψηλές θερμοκρασίες (400-700) και υψηλή πίεση (1 x 108 - 3 x 108 Pa) σε μεγαλύτερα υπόγεια βάθη (3- 8 km). Οι πολύτιμοι λίθοι που σχηματίζονται από
Η πεγματιτική δράση έχει μεγάλους κρυστάλλους, πλούσιους σε Si, K, Na και πτητικά συστατικά (F, Cl, B, OH), όπως χαλαζία, αστρίους, αμέθυστο, τοπάζι, τουρμαλίνη, βηρύλλιο, σποδούμινο και αμαζονίτη.
(δ) Υδροθερμική δράση:
Αναφέρεται στη διαδικασία σχηματισμού πολύτιμων λίθων από διαλύματα αερίου-νερού σε διαλύματα ζεστού νερού, η οποία ταξινομείται σε τρεις κατηγορίες
Τύποι με βάση τη θερμοκρασία: υψηλή θερμοκρασία (500-300), μέση θερμοκρασία (300-200) και χαμηλή θερμοκρασία (200-50). Οι πολύτιμοι λίθοι που σχετίζονται με την υδροθερμική δράση περιλαμβάνουν βηρύλλιο, τοπάζι, τουρμαλίνη, χαλαζία, φθορίτη, βαρύτη, ασβεστίτη, κιννάβαρι, καθώς και κασιτερίτη, βισμουθινίτη, φυσικό χρυσό, αργεντίτη κ.λπ. Η υδροθερμική μέθοδος στις συνθετικές διεργασίες μιμείται την υδροθερμική μεταλλοφορία.
(2) Εξωγενής δράση
Οι εξωγενείς διεργασίες αναφέρονται σε διάφορες γεωλογικές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της αποσάθρωσης και της ιζηματογένεσης, οι οποίες σχηματίζουν πολύτιμους λίθους υπό χαμηλή θερμοκρασία και πίεση στην επιφάνεια ή κοντά στην επιφάνεια λόγω της συμμετοχής της ηλιακής ενέργειας, του νερού, της ατμόσφαιρας και βιολογικών παραγόντων.
(α) Διάβρωση:
Υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων, το αρχικό πέτρωμα (ακατέργαστο μετάλλευμα) υφίσταται μηχανικό κατακερματισμό και χημική αποσύνθεση. Οι ανθεκτικοί στις καιρικές συνθήκες πολύτιμοι λίθοι αποσυντίθενται σε αποθέσεις άμμου, όπως τα διαμάντια, τα ρουμπίνια, τα ζαφείρια, τα οπάλια και το ζιρκόνιο, ενώ τα ορυκτά που διαβρώνονται εύκολα σχηματίζουν επιφανειακούς πολύτιμους λίθους όπως ο χαλκηδόνας, το οπάλιο, ο μαλαχίτης και ο αζουρίτης στην επιφάνεια.
(β) Καθίζηση:
Εμφανίζεται κυρίως σε ποτάμια, λίμνες και ωκεανούς και αναφέρεται στη διαδικασία κατά την οποία τα αποσαθρωμένα προϊόντα από την επιφάνεια μεταφέρονται σε κατάλληλα περιβάλλοντα και εναποτίθενται για να σχηματίσουν νέα ορυκτά (πολύτιμους λίθους) ή συνδυασμούς ορυκτών. Για παράδειγμα, στα μηχανικά ιζήματα περιλαμβάνονται ο φυσικός χρυσός, η πλατίνα, τα διαμάντια, ο κασιτερίτης και το ζιρκόνιο- στα βιοχημικά ιζήματα περιλαμβάνονται ο ασβεστίτης, ο απατίτης, ο πίδακας, το κεχριμπάρι και τα κοράλλια.
(3) Μεταμορφικές διεργασίες
Ο μεταμορφισμός αναφέρεται στη διαδικασία κατά την οποία τα πετρώματα που έχουν ήδη σχηματιστεί σε μεγαλύτερα βάθη κάτω από την επιφάνεια αλλάζουν τις γεωλογικές και φυσικοχημικές τους συνθήκες λόγω τεκτονικών κινήσεων, μαγματικής δραστηριότητας και αλλαγών στη γεωθερμική ροή, με αποτέλεσμα αλλαγές στη σύνθεση και τη δομή, ενώ διατηρούν σε μεγάλο βαθμό μια στερεή κατάσταση, οδηγώντας στο σχηματισμό μιας σειράς μεταμορφωμένων ορυκτών (πολύτιμων λίθων) που σχηματίζουν πετρώματα (νεφρίτη).
Με βάση τα διαφορετικά αίτια και τις φυσικοχημικές συνθήκες, η μεταμόρφωση μπορεί να χωριστεί σε μεταμόρφωση επαφής και περιφερειακή μεταμόρφωση.
(α) Μεταμόρφωση επαφής:
Αναφέρεται σε μια μεταμόρφωση που προκαλείται από μαγματική δραστηριότητα η οποία λαμβάνει χώρα στη ζώνη επαφής μεταξύ της μαγματικής διείσδυσης και του περιβάλλοντος πετρώματος σε μικρό βάθος (2- 3 km) υπόγεια. Σύμφωνα με τους διαφορετικούς μεταμορφικούς παράγοντες και χαρακτηριστικά, μπορεί να διαχωριστεί σε θερμική μεταμόρφωση και μεταμόρφωση επαφής.
- Θερμική μεταμόρφωση: Αυτό αναφέρεται στη διαδικασία κατά την οποία η διείσδυση μάγματος στο περιβάλλον πέτρωμα προκαλεί την ανακρυστάλλωση των ορυκτών στο περιβάλλον πέτρωμα λόγω της θερμότητας και των πτητικών ουσιών από το διεισδύον μάγμα, με αποτέλεσμα τη δημιουργία μεγαλύτερων κόκκων ή τη μεταμορφική κρυστάλλωση και τον ανασυνδυασμό των συστατικών για το σχηματισμό νέων ορυκτών και ορυκτών συνόλων. Οι συνήθεις πολύτιμοι λίθοι περιλαμβάνουν το ρουμπίνι, τον κορδιερίτη, τον βολλαστονίτη, τον σανιδίνη.
- Μετασωματισμός επαφής: Αυτό συμβαίνει όταν οι πτητικές ουσίες και τα υδροθερμικά ρευστά που απελευθερώνονται κατά την όψιμη κρυστάλλωση του μάγματος στην επαφή με το περιβάλλον πέτρωμα προκαλούν σημαντικές μετασωματικές αλλαγές στο περιβάλλον πέτρωμα και την διείσδυση, σχηματίζοντας νέα πετρώματα (νεφρίτη). Ο μετασωματισμός επαφής είναι πιο πιθανός κοντά στη ζώνη επαφής μεταξύ ενδιάμεσων όξινων διεισδύσεων και ανθρακικών πετρωμάτων. Λόγω του διπλού μετασωματισμού, το αποτέλεσμα είναι ότι τα πετρώματα κοντά στη ζώνη επαφής αλλάζουν σύνθεση, δομή και υφή, σχηματίζοντας μια σειρά από πολύτιμους λίθους ή νεφρίτη, με πιο συνηθισμένους τον διοψίδιο, τον ωγίτη, τον ανδραδίτη και τον γκροσουλαρίτη, καθώς και μεταγενέστερες εμφανίσεις τρεμολίτη, ακτινόλιθου, επιδότου, πλαγιόκλαδου και κερατοβλήτη. Νέες ορυκτολογικές συνθέσεις μπορούν να σχηματίσουν τύπους νεφρίτη, όπως ο πυροξένιος, ο κερατοβλήτης, ο σερπεντίνης και ο ανθρακικός νεφρίτης.
(β) Περιφερειακή μεταμόρφωση:
Αναφέρεται στις μεταμορφικές διεργασίες που συμβαίνουν σε μεγάλες περιοχές λόγω περιφερειακών τεκτονικών κινήσεων. Η ορυκτολογική σύνθεση και τα δομικά χαρακτηριστικά του αρχικού πετρώματος μεταβάλλονται ως αποτέλεσμα των συνδυασμένων επιδράσεων σημαντικών φυσικών και χημικών παραγόντων, όπως η θερμοκρασία (200-800), η πίεση (4 x 108- 12 x 108 Pa ), πίεση και χημικά ενεργά ρευστά που αποτελούνται κυρίως από H2O CO2.
Τα μεταμορφωμένα ορυκτά (πολύτιμοι λίθοι) και οι συνδυασμοί τους που σχηματίζονται από την περιφερειακή μεταμόρφωση εξαρτώνται κυρίως από τη σύνθεση και τον βαθμό μεταμόρφωσης του αρχικού πετρώματος. Εάν τα κύρια συστατικά του αρχικού πετρώματος είναι SiO, CaO, MgO, FeO, είναι εύκολο να σχηματιστούν τρεμολίτης, ακτινόλιθος, τρεμολίτης και πυρόξενος ασβεστίου-σιδήρου μετά τη μεταμόρφωση. Εάν το αρχικό πέτρωμα αποτελείται κυρίως από αργιλικά ορυκτά αποτελούμενα από SiO2 AI2O3, τα μεταμορφωμένα προϊόντα του θα περιλαμβάνουν χαλαζία ή κορούνδιο και την ορυκτή συμβίωση μιας από τις ομοιογενείς τριφασικές παραλλαγές Al2SiO5. Περιβάλλοντα χαμηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης ευνοούν τον σχηματισμό του κυανίτη, ενώ η θερμοκρασία και η πίεση για τον σχηματισμό του ανδαλουσίτη είναι σχετικά χαμηλές.
Θα πρέπει να αναφερθεί ότι οι γεωλογικές διεργασίες που σχηματίζουν τους πολύτιμους λίθους είναι μια ολοκληρωμένη εκδήλωση διαφόρων παραγόντων. Οι παραπάνω ενδογενείς, εξωγενείς και μεταμορφικές διεργασίες δεν είναι απομονωμένες ή εντελώς ξεχωριστές μεταξύ τους. Με άλλα λόγια, ο σχηματισμός, η σταθερότητα και η εξέλιξη των πολύτιμων λίθων εξαρτώνται από το γεωλογικό περιβάλλον και τις φυσικές και χημικές συνθήκες στις οποίες βρίσκονται, πράγμα που σημαίνει ότι εξαρτώνται από γεωλογικές διεργασίες και παράγοντες όπως η θερμοκρασία, η πίεση, η συγκέντρωση των συστατικών, η οξύτητα και η αλκαλικότητα (PH) του μέσου, το δυναμικό οξειδοαναγωγής, το χημικό δυναμικό(µi), η πτητικότητα (fi), η ενεργότητα (ai) και ο χρόνος. Οι πολύτιμοι λίθοι είναι προϊόντα των συνδυασμένων επιδράσεων διαφόρων φυσικών και χημικών παραγόντων σε συγκεκριμένες γεωλογικές διεργασίες και οι φυσικές και χημικές συνθήκες μπορεί να διαφέρουν σημαντικά σε διαφορετικές γεωλογικές διεργασίες και στάδια της ίδιας γεωλογικής διεργασίας. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η σχέση μεταξύ του σχηματισμού των πολύτιμων λίθων και ορισμένων ιδιοτήτων τους και της ελεύθερης ενέργειας. Ο σχηματισμός και ο εμπλουτισμός των πολύτιμων λίθων περιορίζονται από τη δραστηριότητα των χημικών συστατικών του συστήματος και η σταθερότητα των πολύτιμων λίθων εξαρτάται από τον βαθμό ανοίγματος και κλεισίματος του γεωλογικού συστήματος. Κατά την ανάλυση της γένεσης των πολύτιμων λίθων θα πρέπει να γίνεται συνολική εξέταση ώστε να εξαχθούν λογικά συμπεράσματα και να τεθούν θεωρητικά θεμέλια για την τεχνητή σύνθεση φυσικών πολύτιμων λίθων.
2. Σχεδιασμός πειραματικών σχημάτων για τη σύνθεση πολύτιμων λίθων
Με βάση το περιβάλλον σχηματισμού και τις συνθήκες των αντίστοιχων φυσικών πολύτιμων λίθων, τα κρυσταλλικά υλικά συντίθενται στο εργαστήριο προσομοιώνοντας παρόμοιες διαδικασίες μεταλλοποίησης. Για παράδειγμα, οι ορυκτολόγοι αναγνώρισαν το 1797 ότι τα διαμάντια είναι καθαροί κρύσταλλοι που αποτελούνται από άτομα άνθρακα με κυβική κρυσταλλική δομή και σχηματίζονται υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης βαθιά στο υπέδαφος. Στη συνέχεια, οι άνθρωποι δημιούργησαν περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης στο εργαστήριο για να κρυσταλλώσουν τον άνθρακα σε κρυστάλλους διαμαντιού. Το 1953, το ελβετικό εργαστήριο ASEA συνέθεσε τελικά διαμάντια βιομηχανικής ποιότητας χρησιμοποιώντας μεθόδους υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης. Μέχρι το 1970, η General Electric στις Ηνωμένες Πολιτείες είχε συνθέσει διαμάντια ποιότητας πολύτιμων λίθων. Μέχρι το τέλος του 1995, τα προϊόντα πολυκρυσταλλικής μεμβράνης μαύρου διαμαντιού που συντέθηκαν με τη μέθοδο CVD εισήλθαν στην αγορά κοσμημάτων στη χώρα μας.
Ως εκ τούτου, η σύνθεση των πολύτιμων λίθων πρέπει να βασίζεται στους μηχανισμούς σχηματισμού των φυσικών πολύτιμων λίθων, σχεδιάζοντας διάφορες μεθόδους σύνθεσης. Κατά τη σύνθεση πολύτιμων λίθων στο εργαστήριο, δημιουργείται σταδιακά ένα λογικό σχέδιο διεργασίας με την επιλογή των καλύτερων επιλογών.
3. Τεχνολογία διεργασίας και αξιολόγηση οικονομικού οφέλους
Μέσω διαφόρων πειραματικών δοκιμών, καθορίζονται αποτελεσματικές μέθοδοι σύνθεσης και αξιολογούνται τα οικονομικά οφέλη των επιλεγμένων μεθόδων. Με άλλα λόγια, κατά τη σύνθεση ιδανικών συνθετικών πολύτιμων λίθων με τη χρήση λογικών μεθόδων, η αξιολόγηση της οικονομικής αξίας των πολύτιμων λίθων που συντίθενται με αυτές τις μεθόδους είναι απαραίτητη για να διαπιστωθεί αν είναι κερδοφόρες. Εάν οι συντιθέμενοι πολύτιμοι λίθοι έχουν υψηλότερη τιμή από τους αντίστοιχους φυσικούς, είναι ακατάλληλοι για παραγωγή μεγάλης κλίμακας- οι μέθοδοι αυτές έχουν μόνο επιστημονική σημασία και καμία εμπορική αξία.
4. Επιλογή διεργασιών ανάπτυξης κρυστάλλων και δοκιμασία ποσοστών εξειδίκευσης κρυστάλλων.
Επί του παρόντος, οι γεμολόγοι έχουν αναπτύξει πολλές μεθόδους για την τεχνητή καλλιέργεια κρυστάλλων. Παρόλο που οι μέθοδοι αυτές μπορούν να προσαρμοστούν στην παραγωγή διαφόρων συνθετικών πολύτιμων λίθων, θα πρέπει να διεξάγεται μια ολοκληρωμένη και λεπτομερής μελέτη της επιλεγμένης συνθετικής μεθόδου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παραγωγής. Αυτό περιλαμβάνει τον ακριβή προσδιορισμό διαφόρων παραμέτρων ανάπτυξης κρυστάλλων για τη διασφάλιση του μεγέθους και των προδιαγραφών των κρυστάλλων και την εξάλειψη διαφόρων ελαττωμάτων που εμφανίζονται κατά την ανάπτυξη κρυστάλλων, προκειμένου να επιτευχθεί η εξαιρετική ποιότητα των υψηλής ποιότητας φυσικών πολύτιμων λίθων χωρίς εμφανείς διαφορές από τους φυσικούς πολύτιμους λίθους.
Τμήμα III Διαδικασία σύνθεσης πολύτιμων λίθων
Οι συνθετικοί πολύτιμοι λίθοι (κρυσταλλίτες) είναι κρυσταλλικά στερεά με δομή πλέγματος και η σύνθεσή τους είναι στην πραγματικότητα μια διαδικασία διευθέτησης των σημείων (άτομα, ιόντα ή μόρια) που αποτελούν τον κρύσταλλο σύμφωνα με το νόμο της δομής του πλέγματος υπό ορισμένες τεχνητά ελεγχόμενες συνθήκες. Αν και η σύνθεση των πολύτιμων λίθων με πολλούς τρόπους, αλλά από το μετασχηματισμό της φυσικής φάσης, η διαδικασία ανάπτυξης κρυστάλλων μπορεί να χωριστεί σε: αέρια φάση μια κρυστάλλωση της στερεάς φάσης ε → η υγρή φάση μια κρυστάλλωση της στερεάς φάσης → άμορφη στερεά φάση μια κρυστάλλωση της στερεάς φάσης → μια κρυστάλλωση της στερεάς φάσης → μια κρυστάλλωση της στερεάς φάσης → μια άλλη κρυστάλλωση της στερεάς φάσης και ούτω καθεξής τέσσερα είδη τύπων.
Η υγρή φάση μπορεί να είναι είτε διάλυμα είτε τήγμα. Οι θερμοδυναμικές συνθήκες που οδηγούν στις δύο πρώτες μεταβάσεις φάσης είναι ο υπερκορεσμός (συγκέντρωση μεγαλύτερη από τη διαλυτότητα), ο οποίος οδηγεί στην τρίτη μετάβαση φάσης, στην αυθόρμητη πυρηνοποίηση και ανάπτυξη, και στην τέταρτη μετάβαση φάσης, η οποία οφείλεται σε αλλαγές στις εξωτερικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης που καθιστούν την αρχική κρυσταλλική στερεή φάση ασταθή και σχηματίζουν έναν άλλο τύπο κρυστάλλου. Με βάση αυτό, επί του παρόντος, οι κύριες διαδικασίες παραγωγής που χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση πολύτιμων λίθων είναι η μέθοδος τήξης με φλόγα, η υδροθερμική μέθοδος, η μέθοδος ροής, η μέθοδος τήξης, η μέθοδος υψηλής θερμοκρασίας και υπερυψηλής πίεσης, η μέθοδος χημικής καταβύθισης και ούτω καθεξής.
1. Μέθοδος σύντηξης με φλόγα
Χρησιμοποιώντας την υψηλή θερμοκρασία που παράγεται από μια φλόγα υδρογόνου-οξυγόνου, η πρώτη ύλη σε σκόνη για τη σύνθεση πολύτιμων λίθων θερμαίνεται και λιώνει κατά την κάθοδό της σε ένα δονούμενο σωλήνα τροφοδοσίας. Το λιωμένο τήγμα πέφτει πάνω στον κρύσταλλο-σπόρο στην κορυφή της ράβδου κρυστάλλου στο στήριγμα και καθώς κατεβαίνει αργά λόγω της διάχυσης της θερμότητας, συμπυκνώνεται και κρυσταλλώνεται σε κρυστάλλους σχήματος αχλαδιού (Εικόνα 2-1). Η διαδικασία ανάπτυξης κρυστάλλων με αυτή τη μέθοδο προσομοιάζει τη μετάβαση από την υγρή φάση (τήγμα) στην κρυσταλλική φάση κατά τη διαδικασία της μαγματικής μεταλλοφορίας.
1.1 Ροή διαδικασίας
Η διαδικασία ανάπτυξης κρυστάλλων πολύτιμων λίθων με σύντηξη με φλόγα περιλαμβάνει κυρίως τέσσερα στάδια: καθαρισμός πρώτης ύλης, προετοιμασία σκόνης, ανάπτυξη κρυστάλλων και επεξεργασία ανόπτησης.
(1) Καθαρισμός πρώτων υλών
Οι πρώτες ύλες θα πρέπει να είναι άφθονες σε πηγές και χαμηλού κόστους και η μέθοδος καθαρισμού θα πρέπει να είναι απλή και αποτελεσματική.
(2) Προετοιμασία σκόνης
Το υλικό σε σκόνη απαιτεί υψηλή καθαρότητα, πλήρη χημική αντίδραση και μικρή χωρητικότητα όγκου, ενώ η κρυσταλλική δομή πρέπει να ευνοεί την ανάπτυξη κρυστάλλων.
(3) Ανάπτυξη κρυστάλλων
Η διαδικασία της ανάπτυξης των κρυστάλλων μπορεί να χωριστεί σε τρία στάδια: τον αρχικό κρύσταλλο, την επέκταση και την ισομετρική ανάπτυξη.
Καθ' όλη τη διάρκεια της ανάπτυξης των κρυστάλλων, το σύστημα τροφοδοσίας πρέπει να παρέχει ομοιόμορφη παροχή υλικού για να διασφαλίσει ότι όλη η σκόνη λιώνει σε μικροσκοπικές υγρές χάντρες.Η θερμοκρασία του καυστήρα αερίου φτάνει τους 2900 ℃ και αποτελεί το σχήμα της φλόγας τριών στρωμάτων και την ομαλή αλλαγή της θερμοκρασίας, Ο κλίβανος κρυστάλλωσης απαιτείται να δημιουργεί καλές συνθήκες διατήρησης της θερμότητας για τους αναπτυσσόμενους κρυστάλλους και να διευκολύνει τη ροή του αερίου και τη μη συσσώρευση σκόνης- ο μηχανισμός μείωσης απαιτείται να διασφαλίζει ότι η αρχική θέση μπορεί να κάνει την ανώτερη θερμοκρασία του κρυστάλλου υψηλότερη από το σημείο τήξης του κρυστάλλου αλλά χαμηλότερη από το σημείο βρασμού του κρυστάλλου και να διασφαλίζει ότι υπάρχει ένα στρώμα τήξης πάχους 2~ 3 mm.
(4) Επεξεργασία ανόπτησης
Αφού τοποθετήσετε τον συνθετικό κρύσταλλο σε κλίβανο υψηλής θερμοκρασίας, αυξήστε αργά τη θερμοκρασία στο προκαθορισμένο επίπεδο, στη συνέχεια διατηρήστε σταθερή θερμοκρασία για μεγάλο χρονικό διάστημα και ανοπτήστε αργά για να απελευθερώσετε τη θερμική καταπόνηση του συνθετικού κρυστάλλου πολύτιμων λίθων, αποτρέποντας το ράγισμα του κρυστάλλου λόγω θερμότητας.
1.2 Εξοπλισμός παραγωγής
(1) Σύστημα τροφοδοσίας
Το υλικό σε σκόνη πρέπει να πέφτει ομαλά και ομοιόμορφα, να λιώνει σε μικροσκοπικά σταγονίδια όταν περνάει μέσα από τον καυστήρα.
(2) Καυστήρας υδρογόνου-οξυγόνου
Η δομή του αερίου πρέπει να είναι καλή, με κατάλληλη αναλογία παροχής υδρογόνου-οξυγόνου, φλόγα τριών επιπέδων και σταθερή θερμοκρασία στους 2900 ℃, ελαχιστοποιώντας όσο το δυνατόν περισσότερο την απώλεια σκόνης.
(3) Κλίβανος κρυστάλλωσης
Το σώμα του κλιβάνου θα πρέπει να διατηρεί σταθερή μόνωση, ο θάλαμος του κλιβάνου θα πρέπει να είναι βελτιωμένος, χωρίς συσσώρευση σκόνης, και δεν θα πρέπει να προκαλεί αναταράξεις αερίου, με μικρή κλίση θερμοκρασίας.
(4) Μηχανισμός καθόδου
Θα πρέπει να προσαρμόζεται στη θερμοκρασία ανάπτυξης των κρυστάλλων ώστε να διασφαλίζεται ότι η διεπιφάνεια στερεού-υγρού των κρυστάλλων είναι σταθερή και η κάθοδος είναι ομοιόμορφη και ομαλή, όπως και ο ρυθμός κρυστάλλωσης. Και να διασφαλίζεται ότι η κορυφή του κρυστάλλου σπόρου έχει 2- 3 mm λιωμένο στρώμα.
1.3 Συγκεκριμένο παράδειγμα: Μέθοδος σύντηξης με φλόγα για τη σύνθεση πολύτιμων λίθων κορούνδιο
(1) Επιλογή πρώτων υλών
Επί του παρόντος, τόσο στο εσωτερικό όσο και διεθνώς, η μέθοδος σύντηξης με φλόγα για τη σύνθεση πολύτιμων λίθων κορούνδιο χρησιμοποιεί θειικό αργίλιο αμμωνίου (επίσης γνωστό ως στυπτηρία αμμωνίου) είναι η προτιμώμενη πρώτη ύλη για την παρασκευή γ-AI2O3 σκόνη, με τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:
① Το θειικό αργιλικό αμμώνιο διαθέτει άφθονες πρώτες ύλες, χαμηλές τιμές και απλές και αποτελεσματικές μεθόδους καθαρισμού,
② Το ψημένο προϊόν του θειικού αργιλίου αμμωνίου είναι χαλαρό και έχει καλή ρευστότητα,
③ Το θειικό αργιλικό αμμώνιο έχει υψηλή διαλυτότητα και μπορεί να καθαριστεί με μια απλή μέθοδο κρυστάλλωσης. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανακρυστάλλωσης και το αποτέλεσμα απομάκρυνσης των προσμίξεων είναι πολύ καλό. Απαιτούνται μόνο 3 - 4 φορές ανακρυστάλλωσης για να φθάσει η καθαρότητα του θειικού αργιλίου αμμωνίου σε 99,9% - 99,99%.
(2) Προετοιμασία και καθαρισμός πρώτων υλών
① Παρασκευή θειικού αργιλίου αμμωνίου. Αναμίξτε θειικό αργίλιο και θειικό αμμώνιο σε αναλογία =2,5 :1 και αναμίξτε ομοιόμορφα, στη συνέχεια προετοιμάστε με αναλογία υλικού προς νερό 1 : 1,5 θερμαίνετε μέχρι βρασμού, διαλύετε πλήρως και κρυώνετε αργά για να κρυσταλλωθεί για να λάβετε θειικό αργίλιο αμμωνίου.
② Καθαρισμός θειικού αργιλίου αμμωνίου. Διαλύεται το συνθετικό θειικό αμμώνιο αργιλίου σε απεσταγμένο νερό ή απιονισμένο, το νερό στη συνέχεια ανακρυσταλλώνεται επανειλημμένα 3- 5 φορές για να ληφθεί μια πρώτη ύλη με υψηλότερη καθαρότητα 99,9% ή υψηλότερη.
(3) Παρασκευή έγχρωμης συνθετικής σκόνης πολύτιμων λίθων κορούνδιο.
Η σύνθεση της έγχρωμης συνθετικής σκόνης πολύτιμων λίθων κορούνδιο είναι γ-AI2O3 και μια μικρή ποσότητα χρωστικού παράγοντα. Οι χρωστικοί παράγοντες είναι ως επί το πλείστον οξείδια στοιχείων μετάπτωσης ή σπάνιων γαιών, τα οποία εισάγουν χρωμοφόρα ιόντα στο πλέγμα, με αποτέλεσμα ο κρύσταλλος να απορροφά επιλεκτικά το ορατό φως, χρωματίζοντας έτσι τον κρύσταλλο.
Η έγχρωμη συνθετική σκόνη πολύτιμων λίθων κορούνδιο λαμβάνεται με την προσθήκη χρωστικών παραγόντων στην πρώτη ύλη θειικό αμμώνιο αργιλίου, αφυδάτωση και πύρωση. Η συγκεκριμένη μέθοδος είναι η παρασκευή του χρωστικού παράγοντα σε διάλυμα ορισμένης συγκέντρωσης και η προσθήκη του στο θειικό αμμώνιο αργιλίου, όπως απαιτείται. Μετά τη θέρμανση, το θειικό αμμώνιο διαλύεται και ο χρωστικός παράγοντας κατανέμεται ομοιόμορφα στο διάλυμα θειικού αμμωνίου. Το μείγμα θειικού αμμωνίου αργιλίου και χρωστικού παράγοντα τοποθετείται στη συνέχεια σε κλίβανο αφυδάτωσης για αφυδάτωση και σε κλίβανο πύρωσης για πύρωση, εξασφαλίζοντας έτσι την ομοιόμορφη κατανομή του χρωστικού παράγοντα στη σκόνη.
Στους συνθετικούς πολύτιμους λίθους από κορούνδιο, οι τύποι και οι ποσότητες των χρωστικών ουσιών που προστίθενται ποικίλλουν, με αποτέλεσμα τα χρώματα των πολύτιμων λίθων να διαφέρουν.
(4) Ανάπτυξη των συνθετικών πολύτιμων λίθων κορούνδιο
Οι συνθήκες της διαδικασίας και τα λειτουργικά βήματα για την ανάπτυξη όλων των πολύτιμων λίθων κορούνδιο με σύντηξη φλόγας είναι παρόμοια.
Αρχικά, τοποθετήστε τον κρύσταλλο σπόρου στην κορυφή της ράβδου πυρίμαχου πηλού για να ελέγξετε τον προσανατολισμό της κρυστάλλωσης, με προτιμώμενο προσανατολισμό 60°.
Μετά το άνοιγμα του κλιβάνου, το σύστημα τροφοδοσίας, ο καυστήρας και ο μηχανισμός καθόδου αρχίζουν να λειτουργούν. Το σημείο τήξης του κορούνδιου είναι 2050℃ και η θερμοκρασία λειτουργίας της φλόγας υδρογόνου-οξυγόνου είναι 2900℃- η ανάπτυξη του συνθετικού ρουμπινιού είναι H2 : O2 = (2,0 - 2,5)- η ανάπτυξη του συνθετικού ζαφειριού είναι H2 : O 2 = (2,8-3,0) 1 ；η ανάπτυξη του συνθετικού ζαφειριού είναι H2 : O2 = (3.6-4). Ρυθμίστε τη θέση της ράβδου του κρυστάλλου έτσι ώστε η θερμοκρασία στην κορυφή του κρυστάλλου να είναι πάνω από το σημείο τήξης 2050 και κάτω από το σημείο βρασμού 2150℃, εξασφαλίζοντας ότι υπάρχει ένα λιωμένο στρώμα 2-3 mm . Αφού διασταλεί ο κρύσταλλος σπόρου, συνεχίστε να αναπτύσσεται στο επιθυμητό μέγεθος με σταθερή διάμετρο. Τέλος, ο κρύσταλλος πρέπει να παραμείνει στον κλίβανο για να κρυώσει στην αρχική του κατάσταση. Οι συνθήκες ψύξης σε αυτό το χρονικό διάστημα έχουν επίσης σημαντικό αντίκτυπο στην ποιότητα του κρυστάλλου- αν χρησιμοποιηθεί ταχεία ψύξη, μια μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας εντός και εκτός του κρυστάλλου θα αυξήσει την εσωτερική τάση, καθιστώντας την επιφάνεια του κρυστάλλου πιο εύθραυστη και επιρρεπή σε ρωγμές.
Κατά την ανάπτυξη έγχρωμων κρυστάλλων συνθετικού κορούνδιο, η προσθήκη χρωστικών ουσιών μειώνει το σημείο τήξης της σκόνης, γεγονός που μειώνει επίσης τη θερμοκρασία ανάπτυξης των κρυστάλλων. Επιπλέον, ορισμένα χρωματικά ιόντα έχουν συντελεστή κατανομής μικρότερο του 1 στο κορούνδιο, οδηγώντας σε ελαττώματα όπως ανομοιόμορφο χρώμα ή ευθραυστότητα στους κρυστάλλους που αναπτύσσονται από αυτά τα ιόντα.
Η ποιότητα των κρυστάλλων των πολύτιμων λίθων τύπου κορούνδιο ποικίλλει, συνήθως πρόκειται για κρυστάλλους σε σχήμα αχλαδιού μεγέθους 150- 750ct, με διάμετρο έως 17 - 19 mm. Επί του παρόντος, οι μεγαλύτεροι κρύσταλλοι που παράγονται μπορούν να έχουν διάμετρο έως και 32 mm.
(5) Επεξεργασία ανόπτησης συνθετικών πολύτιμων λίθων τύπου κορούνδιο
Οι κύριες συνθήκες για την επεξεργασία ανόπτησης είναι η θερμοκρασία και ο χρόνος. Οι κρύσταλλοι πολύτιμων λίθων τύπου κορούνδιο που αναπτύσσονται με σύντηξη με φλόγα έχουν σημαντικές εσωτερικές τάσεις λόγω της μεγάλης διαβάθμισης της θερμοκρασίας, γεγονός που καθιστά αναγκαία την επεξεργασία ανόπτησης. Τυπικά, ένας κρύσταλλος σε σχήμα αχλαδιού 50 mm έχει θερμοκρασία στρώματος τήξης 2050℃ στην κορυφή, ενώ στο κάτω μέρος μπορεί να είναι μόνο 100℃, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται εσωτερικές τάσεις στον κρύσταλλο κατά τη διαδικασία κρυστάλλωσης που μπορεί να φτάσουν τα 80-lOOMpa. Εάν η εσωτερική τάση δεν ανακουφιστεί μέσω ανόπτησης, οι κρύσταλλοι είναι πολύ επιρρεπείς στο σπάσιμο κατά την επεξεργασία και τη χρήση. Οι συνθετικοί κρύσταλλοι πολύτιμων λίθων κορούνδιο που χρησιμοποιούνται στα κοσμήματα δεν ανοπτούνται γενικά, αλλά όλοι ραγίζουν κατά μήκος του άξονα ανάπτυξης, όπου η εσωτερική τάση είναι μεγαλύτερη, και η ραγισμένη επιφάνεια χρησιμοποιείται ως επιφάνεια εργασίας για κοπή και λείανση.
Συγκεκριμένο παράδειγμα: άχρωμο συνθετικό ζαφείρι
Υψηλής καθαρότηταςγ-AI2O3 σκόνη που λαμβάνεται από πυρωμένο θειικό αμμώνιο αργιλίου τροφοδοτείται ομοιόμορφα μέσω του κλιβάνου καύσης [H2: O 2 = (2,0-2,5): 1], τήξη σε υψηλές θερμοκρασίες 2900℃, και σταγόνες πάνω σε υψηλής ποιότητας κρυστάλλους σποράς με ένα λιωμένο στρώμα.
Στην κορυφή, ο κατερχόμενος μηχανισμός κατεβαίνει, επεκτείνοντας τον ώμο του κρυστάλλου σπόρου, συμπυκνώνοντας και κρυσταλλώνοντας. Όταν μεγαλώσει στο προκαθορισμένο μέγεθος, ο κλίβανος κλείνει, επιτρέποντας στον κρύσταλλο να κρυώσει μέσα στον κλίβανο.
Για να εξαλειφθούν οι εσωτερικές τάσεις στον κρύσταλλο, απαιτείται ακόμη επεξεργασία ανόπτησης, με θερμοκρασία ανόπτησης περίπου 1800 ℃ και χρόνο περίπου 2 ώρες. Γενικά, τα ζαφείρια που χρησιμοποιούνται σε κοσμήματα δεν υποβάλλονται σε επεξεργασία ανόπτησης, αλλά η επιφάνεια του τραπεζιού πρέπει να κόβεται από τη διεύθυνση του άξονα ανάπτυξης με τη μέγιστη εσωτερική τάση.
1.4 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της μεθόδου σύντηξης με φλόγα
Σε σύγκριση με άλλες μεθόδους, η μέθοδος σύντηξης με φλόγα για την καλλιέργεια κρυστάλλων έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά.
(1) Δεν απαιτείται χωνευτήρι, το οποίο μπορεί να αποφύγει τη μόλυνση από το χωνευτήρι,
(2) Η υψηλή θερμοκρασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή πολύτιμων λίθων με υψηλότερα σημεία τήξης,
(3) Γρήγορος ρυθμός ανάπτυξης κρυστάλλων, μεγάλη παραγωγή,
(4) Απλός εξοπλισμός, υψηλή παραγωγικότητα εργασίας,
(5) Μεγάλη κλίση θερμοκρασίας φλόγας, κακή ποιότητα κρυστάλλων,
(6) Η θερμοκρασία είναι δύσκολο να ελεγχθεί και οι κρύσταλλοι είναι επιρρεπείς σε μεγάλες εσωτερικές τάσεις, οπότε απαιτείται επεξεργασία ανόπτησης,
(7) Αυστηρές απαιτήσεις για την καθαρότητα και το μέγεθος των σωματιδίων της σκόνης, υψηλή στιλπνότητα και υψηλό κόστος πρώτων υλών,
(8) Για τα πτητικά και εύκολα οξειδωμένα υλικά, η μέθοδος αυτή δεν εφαρμόζεται συνήθως για τη σύνθεση πολύτιμων λίθων.
2. Υδροθερμική μέθοδος
Προσομοιάζοντας τη διαδικασία της υδροθερμικής μεταλλοποίησης στη φύση, η υδροθερμική μέθοδος για την ανάπτυξη κρυσταλλικών πολύτιμων λίθων πραγματοποιείται με τη μετάβαση από την υγρή φάση (διάλυμα) στην κρυσταλλική φάση σε ένα σύστημα που περιέχει νερό. Η φυσική υδροθερμική μεταλλοποίηση λαμβάνει χώρα υπό συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης και το διάλυμα μεταλλοποίησης έχει συγκεκριμένες συγκεντρώσεις και τιμές PH (οι ιδιότητες του διαλύματος μεταλλοποίησης ποικίλλουν ανάλογα με τον τύπο του κρυστάλλου πολύτιμων λίθων που αναπτύσσεται). Πειράματα έχουν δείξει ότι μόνο σε ένα δοχείο υψηλής πίεσης μπορούν να πληρούνται οι συνθήκες για την προσομοίωση της φυσικής ανάπτυξης των κρυστάλλων πολύτιμων λίθων. Ως εκ τούτου, η υδροθερμική μέθοδος διαφέρει από άλλα συστήματα καλλιέργειας κρυστάλλων πολύτιμων λίθων. Η μέθοδος αυτή ταιριάζει σε υλικά με χαμηλή διαλυτότητα σε κανονική θερμοκρασία και πίεση αλλά υψηλή διαλυτότητα σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση.
2.1 Διαδικασία παραγωγής
Σύμφωνα με τη μέθοδο μεταφοράς της ανάπτυξης των κρυστάλλων, μπορεί να χωριστεί σε τρεις διαδικασίες παραγωγής.
(1) Ισοθερμική μέθοδος
Η ισόθερμη μέθοδος χρησιμοποιεί κυρίως τη διαφορά στη διαλυτότητα για την ανάπτυξη κρυστάλλων, με τις πρώτες ύλες να είναι μετασταθερές ουσίες και τους κρυστάλλους-σπόρους να είναι σταθεροί. Δεν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας στο εσωτερικό του βραστήρα υψηλής πίεσης, γεγονός που αποτελεί χαρακτηριστικό αυτής της μεθόδου.
Το μειονέκτημα της ισοθερμικής μεθόδου είναι ότι δεν μπορεί να αναπτύξει μεγάλους κρυστάλλους με πλήρεις κρυσταλλικές μορφές.
(2) Μέθοδος ταλάντωσης
Η συσκευή ταλάντωσης αποτελείται από δύο κυλίνδρους σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Ο ένας κύλινδρος περιέχει το διάλυμα καλλιέργειας, ενώ ο άλλος τον κρύσταλλο σπόρου. Οι δύο κύλινδροι ταλαντώνονται σε καθορισμένα χρονικά διαστήματα για την επιτάχυνση της συναγωγής μεταξύ τους. Οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται σε περιβάλλον υψηλής πίεσης χρησιμοποιώντας τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο κυλίνδρων.
(3) Μέθοδος διαφοράς θερμοκρασίας
Η μέθοδος της διαφοράς θερμοκρασίας είναι μια μέθοδος καλλιέργειας κρυστάλλων σε κάθετο αυτόκαυστο, η οποία χρησιμοποιείται κυρίως για τη σύνθεση κρυστάλλων, ρουμπινιών, σμαραγδιών, ακουαμαρινών κ.λπ. Οι συνθήκες ανάπτυξης των κρυστάλλων είναι οι εξής:
① Τα ορυκτά θα πρέπει να έχουν ορισμένη διαλυτότητα στο διάλυμα του ορυκτελαιοποιητή και να είναι σε θέση να σχηματίσουν την επιθυμητή ενιαία σταθερή κρυσταλλική φάση,
② Τα ορυκτά μπορούν να φτάσουν σε υπερκορεσμό σε κατάλληλες διαφορές θερμοκρασίας χωρίς αυθόρμητη πυρηνοποίηση,
③ Για την ανάπτυξη κρυστάλλων απαιτούνται κρύσταλλοι σπόρου συγκεκριμένων σχημάτων και προδιαγραφών και ο λόγος της συνολικής επιφάνειας των πρώτων υλών προς τη συνολική επιφάνεια των κρυστάλλων σπόρου πρέπει να είναι αρκετά μεγάλος,
④ Ο θερμοκρασιακός συντελεστής της πυκνότητας του διαλύματος πρέπει να είναι αρκετά μεγάλος ώστε να διευκολύνεται η συναγωγή του διαλύματος ανάπτυξης των κρυστάλλων και η μεταφορά των διαλυμένων ουσιών,
⑤ Το δοχείο υψηλής πίεσης πρέπει να έχει αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και αντοχή στη διάβρωση.
2.2 Βασικός εξοπλισμός
Η βασική συσκευή για την υδροθερμική μέθοδο περιλαμβάνει κυρίως αντιδραστήρα υψηλής πίεσης, θερμαντήρα, ρυθμιστή θερμοκρασίας και καταγραφέα θερμοκρασίας (Σχήμα 22).
2.3 Ειδικό παράδειγμα: Υδροθερμική σύνθεση κρυστάλλων
(1) Αρχή της υδροθερμικής σύνθεσης των κρυστάλλων
Η βασική αρχή είναι η ανάπτυξη κρυστάλλων σε υπερκορεσμένο διάλυμα, όπου η θερμοκρασία στον πυθμένα του αντιδραστήρα υψηλής πίεσης είναι
υψηλότερη και διαλύεται σταδιακά στο διάλυμα, ενώ η θερμοκρασία στην κορυφή είναι χαμηλότερη, το SiO2 και σιγά-σιγά κατακρημνίζεται, αναπτύσσοντας τον τοποθετημένο κρύσταλλο σπόρου. Κατά τη σύνθεση των κρυστάλλων, πρέπει να προστεθεί μια ορισμένη ποσότητα ορυκτελαιοποιητή για να αλλάξει η αρχική σύνθεση και οι ιδιότητες του διαλύτη, ώστε να αυξηθεί η διαλυτότητα του SiO2.
(2) Η υδροθερμική μέθοδος σύνθεσης κρυστάλλων.
Η ροή της διαδικασίας σύνθεσης κρυστάλλων με την υδροθερμική μέθοδο μπορεί να χωριστεί σε τέσσερα στάδια.
① Στάδιο προετοιμασίας. Αυτό περιλαμβάνει την προετοιμασία του διαλύματος, την κοπή και τον καθαρισμό των κρυστάλλων σποράς, τον υπολογισμό του όγκου του υλικού καλλιέργειας (λιωμένος χαλαζίας), των κρυστάλλων σποράς, των πλακών στήριξης των κρυστάλλων σποράς, το δέσιμο των μεταλλικών συρμάτων των κρυστάλλων σποράς και του όγκου του ελεύθερου χώρου του δοχείου υψηλής πίεσης, τους υπολογισμούς του βαθμού πλήρωσης, καθώς και τον έλεγχο των διαστάσεων του δακτυλίου πίεσης του δακτυλίου στεγανοποίησης, της θέρμανσης και των συστημάτων μέτρησης της θερμοκρασίας.
② Στάδιο φόρτωσης. Τοποθετήστε τον λιωμένο χαλαζία στο δοχείο υψηλής πίεσης, τοποθετήστε το στήριγμα κρυστάλλου σπόρου, ρίξτε το αλκαλικό διάλυμα (διάλυμα ανοργανοποιητή), μετρήστε το ύψος της στάθμης του υγρού, εγκαταστήστε τον δακτύλιο στεγανοποίησης, σφραγίστε το δοχείο υψηλής πίεσης, στη συνέχεια τοποθετήστε το δοχείο υψηλής πίεσης στον κλίβανο, τοποθετήστε το θερμοστοιχείο και καλύψτε το με ένα κάλυμμα μόνωσης κ.λπ.
③ Στάδιο ανάπτυξης. Ενεργοποιήστε τον κλίβανο θέρμανσης για θέρμανση, αυξήστε τη θερμοκρασία του δοχείου υψηλής πίεσης και ρυθμίστε τη θερμοκρασία, ρυθμίζοντάς την στην επιθυμητή θερμοκρασία και ελέγχοντας τη διαφορά θερμοκρασίας. Κατά τη διάρκεια της παραγωγικής διαδικασίας, είναι απαραίτητο να διατηρείται σταθερή θερμοκρασία (γενικά απαιτούνται διακυμάνσεις της θερμοκρασίας εντός 5℃). Μετά την ανάπτυξη, σταματήστε τον κλίβανο και ανοίξτε το κάλυμμα της μόνωσης, επιτρέποντας την ταχύτερη διάχυση της θερμότητας στο πάνω μέρος από το κάτω μέρος. Μετά την ψύξη, το δοχείο υψηλής πίεσης μπορεί να αφαιρεθεί από τον κλίβανο.
④ Άνοιγμα του σταδίου του αυτόκλειστου. Όταν η θερμοκρασία στο εσωτερικό του αυτόκλειστου πέσει σε θερμοκρασία δωματίου, το αυτόκλειστο μπορεί να ανοίξει για να αφαιρεθούν οι κρύσταλλοι. Στη συνέχεια, αδειάστε το υπολειπόμενο διάλυμα και τον εναπομείναντα λιωμένο χαλαζία και καθαρίστε και επιθεωρήστε τους αναπτυγμένους κρυστάλλους και το αυτόκλειστο υψηλής πίεσης.
2.4 Χαρακτηριστικά της υδροθερμικής μεθόδου
Οι τυπικές συνθήκες για την ανάπτυξη κρυστάλλων με την υδροθερμική μέθοδο είναι θερμοκρασία 300-700 ℃, πίεση 5,0 x 107- 3.0x 108 Pa.
(1) Δυνατότητα ανάπτυξης υλικών που υφίστανται μεταβάσεις φάσης (όπως α-χαρζίας κ.λπ.) και υλικών με υψηλή πίεση ατμών κοντά στο σημείο τήξης τους (όπως ZnO) ή υλικών που πρόκειται να αποσυντεθούν (VO2 ).
(2) Ικανός να αναπτύσσει μεγάλους και καθαρούς κρυστάλλους υψηλής ποιότητας.
(3) Οι κρύσταλλοι που αναπτύσσονται είναι πιο κοντά στους φυσικούς κρυστάλλους πολύτιμων λίθων.
(4) Ο εξοπλισμός είναι ακριβός και δεν είναι ασφαλής.
(5) Χρειάζονται υψηλής ποιότητας κρύσταλλοι σπόρων κατάλληλου μεγέθους και κατάλληλων όψεων.
(6) Λόγω της στεγανοποίησης του δοχείου υψηλής πίεσης, δεν είναι δυνατή η άμεση παρατήρηση ολόκληρης της διαδικασίας ανάπτυξης.
(7) Το μέγεθος του δοχείου υψηλής πίεσης ελέγχει το μέγεθος των κρυστάλλων.
3. Μέθοδος ροής
Η μέθοδος της ροής, όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι μια μέθοδος κατά την οποία τα ορυκτά λιώνουν σε χαμηλότερη θερμοκρασία με τη βοήθεια μιας ροής σε υψηλές θερμοκρασίες, επιτρέποντας στους κρυστάλλους πολύτιμων λίθων να αναπτυχθούν από το λιωμένο σώμα.
Η διαδικασία ανάπτυξης των κρυστάλλων με τη μέθοδο της ροής είναι παρόμοια με το σχηματισμό ορυκτών κατά τη διαδικασία διαφοροποίησης της κρυστάλλωσης του μάγματος. Είναι παρόμοια με τη μέθοδο υδροθερμικής ανάπτυξης κρυστάλλων, με τη διαφορά ότι η ροή αντικαθιστά τον υδατικό διαλύτη. Ως εκ τούτου, η μέθοδος ροής μπορεί επίσης να αναφέρεται ως διάλυμα τήγματος υψηλής θερμοκρασίας, μέθοδος ροής ή μέθοδος λιωμένου άλατος. Η μέθοδος αυτή διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη σύνθεση κρυστάλλων- ήδη από τα μέσα του 19ου αιώνα, κάποιος χρησιμοποίησε αυτή τη μέθοδο για τη σύνθεση ρουτιλίου, αλλά αγνοήθηκε λόγω της ανόδου των μεθόδων σύντηξης με φλόγα και μόνο τα τελευταία χρόνια εφαρμόζεται ευρέως.
3.1 Ταξινόμηση της μεθόδου ροής
Η μέθοδος ροής μπορεί να χωριστεί σε δύο κύριες κατηγορίες με βάση τις μεθόδους πυρηνοποίησης και ανάπτυξης των κρυστάλλων.
(1) Μέθοδος αυθόρμητης πυρηνοποίησης
Το πρώτο βήμα στη διαδικασία κρυσταλλικής ανάπτυξης είναι ο σχηματισμός κρυσταλλικών πυρήνων. Η πυρηνοποίηση είναι μια διαδικασία μετάβασης φάσης, δηλαδή ο σχηματισμός μικρών στερεών κρυσταλλικών οφθαλμών στη μητρική υγρή φάση.
Η μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας του συστήματος κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας μετάβασης φάσης είναι: △G = △G µ + △Gs .
Στον τύπο: △G µ, είναι η µεταβολή της ελεύθερης ενέργειας του συστήµατος κατά το σχηµατισµό της νέας φάσης και △G µ 0. Αυτό σηµαίνει ότι ο σχηµατισµός κρυσταλλικών πυρήνων προκαλεί µείωση της ελεύθερης ενέργειας του συστήµατος καθώς το σύστηµα µεταβαίνει από την υγρή φάση στην κρυσταλλική φάση µε χαµηλότερη εσωτερική ενέργεια, ενώ παράλληλα αυξάνει την ελεύθερη ενέργεια του συστήµατος λόγω της προστιθέµενης διεπιφάνειας υγρού-στερεού. Τα πειράματα δείχνουν ότι οι κύριοι εξωτερικοί παράγοντες που επηρεάζουν την πυρηνοποίηση είναι η υπέρψυξη και ο υπερκορεσμός. Υπάρχει ένα φαινόμενο καθυστέρησης στη μετάβαση φάσης της πυρηνοποίησης, που σημαίνει ότι όταν η θερμοκρασία πέφτει στο σημείο μετάβασης φάσης ή όταν η συγκέντρωση μόλις φτάνει στον κορεσμό, δεν μπορεί να παρατηρηθεί πυρηνοποίηση. Η πυρηνοποίηση απαιτεί πάντα έναν ορισμένο βαθμό υπέρψυξης ή υπερκορεσμού.
Επιπλέον, η πυρηνοποίηση μπορεί να χωριστεί σε ομογενή και ετερογενή πυρηνοποίηση. Η ομογενής πυρηνοποίηση συμβαίνει με ίσο ρυθμό σε οποιοδήποτε σημείο του συστήματος, ενώ η ετερογενής πυρηνοποίηση συμβαίνει σε ορισμένα σημεία του συστήματος όπου ο ρυθμός πυρηνοποίησης είναι υψηλότερος από ό,τι σε άλλα σημεία.
Στην πραγματικότητα, η διαδικασία πυρηνοποίησης είναι πάντα ετερογενής, που σημαίνει ότι υπάρχουν πάντα προσμίξεις, ανομοιόμορφη ροή θερμότητας και ανομοιόμορφα τοιχώματα δοχείων στο σύστημα. Αυτές οι ομοιογένειες μειώνουν αποτελεσματικά το ενεργειακό φράγμα για την πυρηνοποίηση, επιτρέποντας στους πυρήνες να σχηματίζονται κατά προτίμηση σε αυτές τις θέσεις. Ως εκ τούτου, η τεχνητή σύνθεση πολύτιμων λίθων δημιουργεί πάντα σκόπιμα ομοιογένειες για να διευκολύνει την πυρηνοποίηση, όπως με την προσθήκη κρυστάλλων σπόρων ή πυρηνοποιητικών παραγόντων.
Η μέθοδος αυτή μπορεί να χωριστεί σε τρεις τύπους με βάση τους διαφορετικούς τρόπους λήψης υπερκορεσμένων διαλυμάτων: μέθοδος αργής ψύξης, μέθοδος αντίδρασης και μέθοδος εξάτμισης, μεταξύ των οποίων η μέθοδος αργής ψύξης χρησιμοποιείται ευρέως λόγω του απλού εξοπλισμού της (Σχήμα 2-3).
① Η μέθοδος της αργής ψύξης περιλαμβάνει την τήξη όλων των κρυσταλλικών υλικών σε μια ροή και στη συνέχεια την αργή ψύξη τους σε έναν κλίβανο υψηλής θερμοκρασίας, επιτρέποντας στους κρυστάλλους να δημιουργηθούν αυθόρμητα πυρήνες και να αναπτυχθούν σταδιακά. Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή συνθετικού κορούνδιο και συνθετικού γρανάτη αργιλίου υττρίου.
② Η μέθοδος αντίδρασης περιλαμβάνει την τήξη της ροής με τις πρώτες ύλες του κρυστάλλου που πρόκειται να αναπτυχθεί και την πρόκληση χημικής αντίδρασης. Υπό ορισμένες συνθήκες υπερκορεσμού, οι κρύσταλλοι πυρηνοποιούνται και στη συνέχεια αναπτύσσονται.
③ Η μέθοδος εξάτμισης περιλαμβάνει την εξάτμιση του διαλύτη υπό συνθήκες σταθερής θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα το τήγμα να φτάσει σε υπερκορεσμένη κατάσταση, επιτρέποντας έτσι την καταβύθιση και την ανάπτυξη κρυστάλλων από το τήγμα. Για παράδειγμα, η ανάπτυξη κρυστάλλων όπως το CeO2, YbCrO3
Copywrite @ Sobling.Jewelry - Κατασκευαστής προσαρμοσμένων κοσμημάτων, εργοστάσιο κοσμημάτων OEM και ODM
(2) Μέθοδος ανάπτυξης κρυστάλλων σπόρων
Αυτή η μέθοδος είναι μια τεχνική ανάπτυξης κρυστάλλων που περιλαμβάνει την προσθήκη κρυστάλλων σπόρων στο τήγμα. Το χαρακτηριστικό της είναι ότι επιτρέπει μόνο στους κρυστάλλους να κρυσταλλωθούν και να αναπτυχθούν πάνω στους κρυστάλλους σπόρου, ξεπερνώντας το μειονέκτημα του υπερβολικού σχηματισμού κόκκων κατά την αυθόρμητη πυρηνοποίηση. Μπορεί να χωριστεί σε διάφορες μεθόδους με βάση διαφορετικές διαδικασίες κρυσταλλικής ανάπτυξης.
① Μέθοδος περιστροφής κρυστάλλων σπόρων. Η περιστροφή του κρυστάλλου σποράς βοηθά στην ανάδευση της λιωμένης ροής, επιτρέποντας τη διάχυση της προς τον κρύσταλλο, επιταχύνοντας την ανάπτυξη του κρυστάλλου και μειώνοντας τα εγκλείσματα [Σχήμα 2-3(β)].
② Μέθοδος περιστροφής και ανύψωσης κρυστάλλου σπόρου κορυφής. Αυτή η μέθοδος συνδυάζει τη μέθοδο περιστροφής και ανύψωσης κρυστάλλων σπόρου με τη μέθοδο ανύψωσης τήγματος. Επιτρέπει στις πρώτες ύλες να λιώσουν στη ροή στη ζώνη υψηλής θερμοκρασίας στον πυθμένα του χωνευτηρίου, σχηματίζοντας ένα κορεσμένο λιωμένο υγρό- υπό τη δράση της περιστροφής και της ανάδευσης, διαχέεται και συγκεντρώνεται στη ζώνη σχετικά χαμηλής θερμοκρασίας στην κορυφή, σχηματίζοντας ένα υπερκορεσμένο λιωμένο υγρό, το οποίο κρυσταλλώνεται και αναπτύσσεται στον κρύσταλλο σπόρου. Καθώς ο κρύσταλλος σπόρου συνεχίζει να περιστρέφεται και να ανυψώνεται, ο κρύσταλλος αναπτύσσεται σταδιακά πάνω στον κρύσταλλο σπόρου. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι μπορεί να αποφευχθεί η θερμική καταπόνηση των κρυστάλλων και το εναπομείναν τήγμα μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί με κρυσταλλικά υλικά και ροή.
③ Μέθοδος ψύξης νερού με κρύσταλλο σπόρου πυθμένα. Όταν η ροή είναι εξαιρετικά πτητική, αυτή η μέθοδος μπορεί να λάβει καλούς κρυστάλλους. Η ψύξη με νερό εξασφαλίζει την ανάπτυξη του κρυστάλλου σπόρου και καταστέλλει την πυρηνοποίηση στην επιφάνεια του τήγματος και σε άλλα μέρη του χωνευτηρίου, εξασφαλίζοντας έτσι ότι οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται μόνο στον κρύσταλλο σπόρου.
3.2 Επιλογή της ροής
Η ανάπτυξη κρυστάλλων με τη χρήση μεθόδων ροής απαιτεί την παρουσία ροής. Ως ροή, πρέπει να έχει την ιδιότητα να διαλύει το υλικό που πρόκειται να κρυσταλλωθεί όταν λιώνει, ενώ παράλληλα να είναι ανθεκτική στην αποσύνθεση και την εξαέρωση. Επομένως, ο τρόπος επιλογής ενός ροής γίνεται βασικός παράγοντας στην ανάπτυξη κρυστάλλων, καθώς θα επηρεάσει την ποιότητα της ανάπτυξης κρυστάλλων και τη διαδικασία ανάπτυξης (Πίνακας 2-2).
Πίνακας 2-2 Επίπεδα λάμψης μαργαριταριών γλυκού νερού
| Ροή | Σημείο τήξης/ ℃ | Σημείο βρασμού/ ℃ | Πυκνότητα (g/cm)3 ) | Διαλύτης (ροές τήξης) | Παράδειγμα ανάπτυξης κρυστάλλων |
|---|---|---|---|---|---|
| B2O3 | 450 | 1250 | 1.8 | Ζεστό νερό | Li0.5Fe2.5O4, FeBO3 |
| BaCl2 | 962 | 1189 | 3.9 | Νερό | BaTiO3, BaFe12O19 |
| BaO - 0,62 B2O3 | 915 | - | Περίπου 4,6 | Υδροχλωρικό οξύ, νιτρικό οξύ | YIG, YAG, NiFe2O4 |
| BaO - Ba F2 -B2O3 | 800± | - | Περίπου 4,7 | Υδροχλωρικό οξύ, νιτρικό οξύ | YIG, RFeO3 |
| BiF3 | 727 | 1027 | 5.3 | Υδροχλωρικό οξύ, νιτρικό οξύ | HfO2 |
| Bi2O3 | 817 | 1890 αποσύνθεση | 8.5 | Αλκάλια, νιτρικό οξύ | Fe2O3 , Bi2Fe4O9 |
| CaCO3 | 782 | 1627 | 2.2 | Νερό | CaFeO4 |
| CdCO3 | 568 | 960 | 4.05 | Νερό | CdCrO4 |
| KCl | 772 | 1407 | 1.9 | Νερό | KNbO3 |
| KF | 856 | 1502 | 2.5 | Νερό | BaTiO3, CeO2 |
| LiCl | 610 | 1382 | 2.1 | Νερό | CaCrO4 |
| MoO3 | 795 | 1155 | 4.7 | Νιτρικό οξύ | Bi2M02O9 |
| Na2B4O7 | 724 | 1575 | 2.4 | Νερό, οξύ | TiO2, Fe2O3 |
| NaCl | 808 | 1465 | 2.2 | Νερό | SrSO4, BaSO4 |
| Na | 995 | 1704 | 2.2 | Νερό | BaTiO3 |
| PbCl2 | 498 | 954 | 5.8 | Νερό | PbTiO3 |
| PbF2 | 822 | 1290 | 8.2 | Νιτρικό οξύ | AI2O3, MgAl2O4 |
| PbO | 886 | 1472 | 9.5 | Νιτρικό οξύ | YIG, YFeO3 |
| PbO - 0,2 B2O3 | 500 | - | Περίπου 5,6 | Νιτρικό οξύ | YIG, YAG |
| PbO - 0,85 | 500± | - | Περίπου 9 | Νιτρικό οξύ | YIG, YAG, RFeO3 |
| PbF2 | 580± | - | Περίπου 9 | Νιτρικό οξύ | ( Bi, Ca)3 (Fe, V)5O12 |
| PbO - B2O3 | 720 | - | Περίπου 6 | Υδροχλωρικό οξύ, νιτρικό οξύ | YAG, YIG |
| 2PbO - V2O5 | 670 | 2052 | 3.4 | Υδροχλωρικό οξύ | RVO4, TiO2, Fe2O3 |
| V2O5 | 705 | - | 2.66 | Θερμό αλκάλιο, οξύ | RVO4 |
| Li2NoO4 | 698 | - | 4.18 | νερό | BaMoO4 |
| Na2WO4 | Fe2O3, AI2O3 |
Οι βασικές αρχές για την επιλογή μιας ροής είναι οι εξής:
(1) Υψηλή διαλυτότητα που μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία, διευκολύνοντας την ανάπτυξη κρυστάλλων.
(2) Όσο το δυνατόν χαμηλότερο σημείο τήξης και ιξώδες και όσο το δυνατόν υψηλότερο σημείο βρασμού, ώστε να είναι δυνατή η ταχεία ανάπτυξη κρυστάλλων σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών.
(3) Η πτητικότητα θα πρέπει να είναι χαμηλή, η τοξικότητα και η διαβρωτικότητα θα πρέπει να είναι ελάχιστες και θα πρέπει να αφαιρούνται εύκολα για την προστασία του περιβάλλοντος και την ασφαλή παραγωγή.
(4) Δεν πρέπει να σχηματίζει ενδιάμεσες ενώσεις με κρυσταλλικά συστατικά, επιτρέποντας την ανάπτυξη των κρυστάλλων να είναι η μόνη σταθερή φάση.
3.3 Χαρακτηριστικά της μεθόδου ροής
Η μέθοδος ροής έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά σε σύγκριση με άλλες μεθόδους:
(1) Ισχυρή δυνατότητα εφαρμογής, ικανή να παράγει διάφορα υλικά πολύτιμων λίθων.
(2) Χαμηλή θερμοκρασία ανάπτυξης, η οποία όχι μόνο εξοικονομεί την κατανάλωση ενέργειας αλλά και εξοικονομεί υλικά υψηλής θερμοκρασίας.
(3) Μπορεί να παράγει κρυστάλλους πολύτιμων λίθων με πτητικά συστατικά που αποσυντίθενται κοντά στο σημείο τήξης.
(4) Η μέθοδος ροής μπορεί να αναπτύξει κρυστάλλους κάτω από τη θερμοκρασία μετάβασης φάσης, αποφεύγοντας καταστροφικές αλλαγές φάσης.
(5) Οι αναπτυγμένοι κρύσταλλοι έχουν καλή ποιότητα και ο εξοπλισμός είναι απλός και εύκολος στη λειτουργία.
(6) Ο ρυθμός ανάπτυξης των κρυστάλλων είναι αργός, ο κύκλος ανάπτυξης είναι μακρύς και οι κρύσταλλοι είναι μικροί και επιρρεπείς στο να περιέχουν κατιόντα από τη ροή.
(7) Πολλές ροές έχουν ποικίλους βαθμούς τοξικότητας και τα πτητικά τους συστατικά συχνά διαβρώνουν ή μολύνουν το σώμα του κλιβάνου.
4. Μέθοδος τήξης
Η μέθοδος παραγωγής κρυστάλλων με τη χρήση χωνευτηρίου αναφέρεται συνήθως ως μέθοδος τήξης. Οι διαδικασίες παραγωγής πολύτιμων λίθων περιλαμβάνουν κυρίως τη μέθοδο έλξης κρυστάλλων, τη μέθοδο χύτευσης με τήγμα, τη μέθοδο ψύξης με τήγμα στον πυθμένα, τη μέθοδο καθόδου σε χωνευτήρι, τη μέθοδο ανάπτυξης φυσαλίδων και τη μέθοδο τήξης με τόξο, μεταξύ άλλων. Οι μέθοδοι έλξης κρυστάλλων και χύτευσης είναι σήμερα οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες από αυτές. Η μέθοδος τήγματος για την ανάπτυξη κρυστάλλων ανήκει στον τύπο της μεθόδου σύνθεσης μη ομοιόμορφης πυρηνοποίησης.
4.1 Μέθοδος εξαγωγής κρυστάλλων
Αυτή η διαδικασία παραγωγής χρησιμοποιεί κρυστάλλους σπόρων για την εξαγωγή κρυστάλλων από το τήγμα. Αυτή η μέθοδος μπορεί να αναπτύξει μεγάλους μονοκρυστάλλους υψηλής ποιότητας χωρίς εξαρθρώσεις. Έχει αναπτύξει με επιτυχία πολλά υλικά πολύτιμων λίθων με πρακτική αξία. Για παράδειγμα, το εργοστάσιο πολύτιμων λίθων Zhejiang Juhua ανέπτυξε με επιτυχία διεθνώς προηγμένους κρυστάλλους LED από άχρωμο ζαφείρι για φωτισμό χρησιμοποιώντας τη μέθοδο έλξης με ανάπτυξη φυσαλίδων το 1999- ανέπτυξε επίσης κρυστάλλους από άχρωμο ζαφείρι με διάμετρο 250 mm και βάρος περίπου 20 kg για υλικά παραθύρων οπτικής ποιότητας που χρησιμοποιούνται σε πυραύλους και μη επανδρωμένα αεροσκάφη χρησιμοποιώντας τη μέθοδο έλξης από τήγμα- το 2001, κρύσταλλοι γρανάτης αλουμίνας με ντοπάρισμα σπάνιων γαιών για λέιζερ αναπτύχθηκαν με αυτή τη μέθοδο.
(1) Αρχές και διαδικασίες της διαδικασίας
Τοποθετήστε τις πρώτες ύλες στο χωνευτήρι, θερμάνετε και λιώστε τις και ρυθμίστε τη θερμοκρασία στο εσωτερικό του κλιβάνου έτσι ώστε η θερμοκρασία του ανώτερου τήγματος να είναι ελαφρώς υψηλότερη από το σημείο τήξης. Αφήστε τον κρύσταλλο σπόρου στη ράβδο του κρυστάλλου σπόρου να έρθει σε επαφή με την επιφάνεια του τήγματος και αφού η επιφάνεια του κρυστάλλου σπόρου λιώσει ελαφρώς, μειώστε τη θερμοκρασία στο σημείο τήξης, τραβήξτε και περιστρέψτε τη ράβδο του κρυστάλλου σπόρου, με αποτέλεσμα το πάνω μέρος του τήγματος να βρίσκεται σε υπέρψυκτη κατάσταση και να κρυσταλλώνεται πάνω στον κρύσταλλο σπόρου. Με αυτόν τον τρόπο, αναπτύσσονται κυλινδρικοί κρύσταλλοι κατά τη διάρκεια της συνεχούς έλξης και περιστροφής της ράβδου του κρυστάλλου σποράς (βλ. Σχήμα 2-4). Όταν ο αναπτυσσόμενος κρύσταλλος αποκτήσει ένα ορισμένο μέγεθος και εγκαταλείψει την επιφάνεια του τήγματος, θα πρέπει να ψύχεται σταδιακά στον μεταθερμαντήρα για να αποφευχθεί η ρωγμάτωση του κρυστάλλου λόγω της εσωτερικής τάσης που προκαλείται από την ταχεία πτώση της θερμοκρασίας.
(2) Παράγοντες ποιοτικού ελέγχου
① Ποιότητα του αρχικού κρυστάλλου: απαιτείται να μην υπάρχουν μετατοπίσεις ή χαμηλή πυκνότητα μετατοπίσεων με επιφάνεια απαλλαγμένη από κατεστραμμένα στρώματα, ικανή να διαβρέχει πλήρως το τήγμα με τον αρχικό κρύσταλλο.
② Έλεγχος θερμοκρασίας: απαιτεί η κατανομή της θερμοκρασίας στο τήγμα στη διεπιφάνεια στερεού-υγρού να είναι ακριβώς το σημείο τήξης, εξασφαλίζοντας ότι το τήγμα γύρω από τον κρύσταλλο σπόρου έχει έναν ορισμένο βαθμό υπέρψυξης, ενώ η θερμοκρασία σε άλλες περιοχές είναι πάνω από το σημείο τήξης.
③ Η ταχύτητα έλξης και η ταχύτητα περιστροφής εξαρτώνται από τη διάμετρο του κρυστάλλου που πρόκειται να αναπτυχθεί, τη θερμοκρασία τήγματος, τις εξαρθρώσεις, τα εγκλείσματα και την υπερψύξη των συστατικών. Επιπλέον, το σχήμα της διεπιφάνειας στερεού-υγρού (επίπεδο) είναι επίσης μια σημαντική παράμετρος που καθορίζει την ποιότητα του κρυστάλλου.
④ Ακαθαρσίες: Οι τύποι και οι ποσότητες των προσμίξεων έχουν διαφορετικές επιπτώσεις στην ποιότητα του κρυστάλλου.
(3) Χαρακτηριστικά των κρυστάλλων που αναπτύσσονται με τη μέθοδο έλξης
① Όλη η διαδικασία ανάπτυξης των κρυστάλλων μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα.
② Ο αναπτυσσόμενος κρύσταλλος δεν έρχεται σε επαφή με το χωνευτήρι, αποφεύγοντας την πυρηνοποίηση στο τοίχωμα του χωνευτηριού και τη συμπιεστική τάση από το τοίχωμα του χωνευτηριού στον κρύσταλλο.
③ Υπάρχουν λίγες κρυσταλλικές ατέλειες και μπορούν να ληφθούν σχετικά γρήγορα προσανατολισμένοι κρύσταλλοι υψηλής ποιότητας.
④ Τα χωνευτήρια και άλλα υλικά μολύνουν εύκολα τους κρυστάλλους.
⑤ Οι δονήσεις των μηχανικών συσκευών μετάδοσης, οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και η πολύπλοκη ροή του υγρού στο τήγμα μπορούν να επηρεάσουν την ποιότητα των κρυστάλλων.
4.2 Μέθοδος καθοδηγούμενης τήξης
(1) Αρχές και διαδικασίες της διαδικασίας
Στη δεκαετία του 1960, η μέθοδος καθοδηγούμενης από το τήγμα που αναπτύχθηκε από τη μέθοδο έλξης είναι μια τεχνολογία ανάπτυξης που μπορεί να έλκει απευθείας κρυστάλλους με διάφορα σχήματα διατομής από το τήγμα, ουσιαστικά μια παραλλαγή της μεθόδου έλξης. Το όνομά της θα πρέπει να είναι τεχνολογία ανάπτυξης με έλξη με τροφοδοσία λεπτών υμενίων περιορισμένης ακμής (μέθοδος EPG).
Η μέθοδος αυτή περιλαμβάνει τη θέρμανση και την τήξη του υλικού για την ανάπτυξη κρυστάλλων σε χωνευτήρι υψηλής θερμοκρασίας, την τοποθέτηση ενός καλουπιού με τριχοειδή μέσα στο τήγμα και, στη συνέχεια, την άνοδο κατά μήκος των τριχοειδών μέχρι την κορυφή του καλουπιού με συγκεκριμένο σχήμα διατομής. Ο κρύσταλλος σπόρου βυθίζεται στο τήγμα στην κορυφή του καλουπιού και, αφού η επιφάνεια του κρυστάλλου σπόρου υποχωρήσει, ανασύρεται σταδιακά προς τα πάνω. Αυτό συνεχίζεται έως ότου το τήγμα επεκταθεί μέχρι την άκρη της διατομής στην κορυφή του καλουπιού, οπότε η έλξη συνεχίζεται, επιτρέποντας στον κρύσταλλο να εισέλθει στο στάδιο της εξισωμένης ανάπτυξης, όπου ο κρύσταλλος αναπτύσσεται συνεχώς σύμφωνα με το μέγεθος και το σχήμα της διατομής στην κορυφή του καλουπιού (σχήμα 2-5).
Το κλειδί για την καλλιέργεια κρυστάλλων με τη μέθοδο του τήγματος καλουπιού είναι ο σχεδιασμός του καλουπιού και το πεδίο θερμοκρασίας εντός του κλιβάνου. Ο σχεδιασμός του καλουπιού πρέπει να λαμβάνει υπόψη αν το τήγμα έχει ιδιότητες διαβροχής με το υλικό του καλουπιού και αν υπάρχουν χημικές αντιδράσεις, ενώ το σημείο τήξης του υλικού του καλουπιού πρέπει να είναι υψηλότερο από εκείνο του κρυστάλλου- ο σχεδιασμός του θερμοκρασιακού πεδίου πρέπει να εξασφαλίζει ότι η θερμοκρασία στο άνοιγμα του καλουπιού είναι κατάλληλη.
Υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύποι μεθόδων μούχλας:
① Μέθοδος Scepanov: Σκεπάνοφ πρότεινε αυτή τη μέθοδο από τη Σοβιετική Ένωση τη δεκαετία του 1960. Περιλαμβάνει την τοποθέτηση ενός καλουπιού με μια στενή σχισμή στο τήγμα, αφήνοντας το τήγμα να ανέλθει στην κορυφή του καλουπιού μέσω τριχοειδούς δράσης, και κατά την επαφή με τον αρχέγονο κρύσταλλο, ο κρύσταλλος τραβιέται συνεχώς στο σχήμα που ορίζεται από τη στενή σχισμή του καλουπιού καθώς ο αρχέγονος κρύσταλλος ανυψώνεται. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι δεν απαιτείται η διαβροχή του υλικού του καλουπιού από το τήγμα.
② Μέθοδος EPG: Rapeal του εργαστηρίου TYCO στις Ηνωμένες Πολιτείες στις αρχές της δεκαετίας του 1970, επίσης γνωστή ως τεχνολογία ανάπτυξης τροφοδοσίας λεπτών ταινιών με περιορισμένες ακμές. Η πρωταρχική προϋπόθεση για τη μέθοδο αυτή είναι ότι το τήγμα πρέπει να βρέχει το υλικό του καλουπιού και δεν πρέπει να υπάρχει χημική αντίδραση μεταξύ τους. Υπό τις συνθήκες ότι η γωνία διαβροχής ɵ ，o < ɵ < 90° , το τήγμα ανεβαίνει στην κορυφή του καλουπιού λόγω τριχοειδούς δράσης και το σχήμα και το μέγεθος της διατομής του κρυστάλλου καθορίζονται αυστηρά από το σχήμα και το μέγεθος της άνω ακμής του καλουπιού και όχι από την τριχοειδή σχισμή.
Τα ειδικά διαμορφωμένα κρυσταλλικά υλικά αυτής της μεθόδου μπορούν να εξαλείψουν τις βαριές διαδικασίες κοπής, διαμόρφωσης και άλλες διαδικασίες μηχανικής επεξεργασίας που απαιτούνται για την επεξεργασία κρυστάλλων πολύτιμων λίθων, να μειώσουν τις απώλειες επεξεργασίας υλικών, να εξοικονομήσουν χρόνο επεξεργασίας και έτσι να μειώσουν σημαντικά το κόστος του προϊόντος.
(2) Χαρακτηριστικό της μεθόδου χύτευσης τήγματος
① Μπορεί να βγάλει απευθείας καθορισμένα σχήματα, όπως σύρματα, σωλήνες, ράβδους, φύλλα, πλάκες και άλλους ειδικούς κρυστάλλους από το τήγμα.
② Μπορεί να αποκτήσει ομοιόμορφα συντεθειμένους ντοπαρισμένους κρυστάλλους.
③ Εύκολη ανάπτυξη ευτηκτικών σύνθετων κρυστάλλων με σταθερή σύνθεση και καλή οπτική ομοιομορφία χωρίς πρότυπα ανάπτυξης.
④ Οι κρύσταλλοι ενδέχεται να περιέχουν αγώγιμο μέταλλο και ίχνη και ατέλειες κρυστάλλων σπόρων.
⑤ Οι κρύσταλλοι συχνά περιέχουν αέρια εγκλείσματα.
5. Μέθοδος κελύφους τήξης σε κρύο χωνευτήρι
Η μέθοδος ψυχρού χωνευτηρίου με κέλυφος τήξης για την καλλιέργεια κρυστάλλων δεν απαιτεί ένα ειδικό χωνευτήριο από υλικό υψηλής θερμοκρασίας. Ακόμα, χρησιμοποιεί το υλικό των κρυστάλλων που πρόκειται να αναπτυχθεί ως "καλούπι", το οποίο λιώνει εσωτερικά μέσω ενός ταλαντωτή υψηλής συχνότητας, χρησιμεύοντας ως αγώγιμο "χωνευτήρι" τήγματος. Μια συσκευή ψύξης εγκαθίσταται εξωτερικά για να διατηρεί την επιφάνεια μη λιωμένη, σχηματίζοντας ένα μη λιωμένο κέλυφος που λειτουργεί ως χωνευτήρι. Το ήδη λιωμένο κρυσταλλικό υλικό κρυσταλλώνεται και αναπτύσσεται με βάση την αρχή της κρυσταλλικής ανάπτυξης με τη μέθοδο του κατερχόμενου χωνευτηρίου (Σχήμα 2-6). Η μέθοδος αυτή αναπτύσσει κρυστάλλους μετασχηματίζοντας μια άμορφη στερεή φάση σε μια άλλη μορφή κοντά σε μια στερεή φάση μέσω μιας υγρής φάσης (τήγμα).
Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή κυβικών κρυσταλλικών υλικών οξειδίου του μολύβδου. Από τότε που η Κίνα άρχισε να παράγει τεχνητό κυβικό οξείδιο του μολύβδου το 1983, έχουν γίνει σημαντικές βελτιώσεις στον εξοπλισμό. Αρχικά, κάθε κλίβανος υψηλής συχνότητας μπορούσε να παράγει μόνο 5 kg ανά παρτίδα, αλλά τώρα μπορεί να παράγει 400 kg τεχνητού κυβικού ζιρκονίου, αυξάνοντας σημαντικά την παραγωγή και μειώνοντας το κόστος- ταυτόχρονα, οι κρύσταλλοι που παράγονταν προηγουμένως ήταν σχετικά μικροί, ζυγίζοντας μόνο μερικές δεκάδες γραμμάρια, αλλά τώρα μπορούν να φτάσουν πάνω από 1980g ανά μονάδα, και τα χρώματα είναι επίσης πιο ποικίλα.
Η μέθοδος τήξης κελύφους για την παραγωγή κυβικών κρυστάλλων ζιρκονίας απαιτεί συνήθως την καθαρότητα του ZrO2 σκόνη και σταθεροποιητής να είναι Y2O3 σταθεροποιητής να είναι 99%-99.9%. Η περιεκτικότητα σε προσμίξεις πρέπει να είναι μικρότερη από0.005%-0.01% (NiO, TiO2, Fe2O3, κ.λπ.), για την παραγωγή έγχρωμης κυβικής ζιρκονίας, είναι απαραίτητο να προστεθούν μόνο χρωστικές ουσίες στο μείγμα για την παραγωγή κρυστάλλων διαφόρων χρωμάτων, ειδικά οι μπλε και πράσινοι κρύσταλλοι, μπορούν να μιμηθούν ζαφείρια και σμαράγδια (Πίνακας 2-3).
Πίνακας 2-3 Χρωστικές ουσίες και τα αντίστοιχα χρώματα σώματος σε συνθετικό CZ
| Παράγοντας χρωματισμού | Ποσοστό περιεκτικότητας σε μάζα | Χρώμα κρυστάλλου |
|---|---|---|
| Ce2O3 | 0.15 | Κόκκινο |
| Pr2O3 | 0.1 | Κίτρινο |
| Nd2O3 | 2.0 | Μωβ |
| Ho2O3 | 0.13 | Ανοιχτό κίτρινο |
| Er2O3 | 0.1 | Ροζ |
| V2O5 | 0.1 | Κίτρινο-πράσινο |
| Cr2O3 | 30.3 | Ελαιοπράσινο |
| Co2O3 | 0.3 | Deep Purple |
| CuO | 0.15 | Ανοιχτό πράσινο |
| Nd2O3 + Ce2O3 | 0.09 + 0.15 | Rose Red |
| Nd2O3 + CuO | 1.1 + 1.1 | Ανοιχτό μπλε |
| CO2O3 + CuO | 0.15 + 1.0 | Μωβ Μπλε |
| CO2O3 + V2O5 | 0.08 + 0.08 | Καφέ |
6. Μέθοδος τήξης ζώνης
6.1 Αρχή
Σύμφωνα με την έρευνα επιστημόνων όπως ο Pu Fan, κατά τη διαδικασία της περιφερειακής ανάπτυξης των κρυστάλλων με τήξη, η κινητήρια δύναμη για τη μεταφορά υλικού προέρχεται από τη διαφορά πυκνότητας μεταξύ της στερεάς και της υγρής φάσης μιας ουσίας. Εάν η πυκνότητα της υγρής φάσης είναι μεγαλύτερη από την πυκνότητα της στερεάς φάσης (συρρίκνωση του όγκου κατά την τήξη), το υλικό μεταφέρεται προς τη ζώνη τήξης- διαφορετικά, το υλικό μεταφέρεται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Επομένως, η περιφερειακή τεχνολογία τήξης μπορεί να ελέγξει ή να αναδιανείμει τις λιώσιμες προσμίξεις στις πρώτες ύλες. Με τη χρήση μιας ή περισσότερων ζωνών τήξης για την επανειλημμένη διέλευση των πρώτων υλών προς την ίδια κατεύθυνση για την απομάκρυνση των βλαβερών προσμίξεων, η περιφερειακή διαδικασία ομογενοποίησης (όπου η ζώνη τήξης περνάει μπρος-πίσω και προς τις δύο κατευθύνσεις) μπορεί επίσης να εξαλείψει αποτελεσματικά το φαινόμενο του διαχωρισμού, ενσωματώνοντας ομοιόμορφα τις επιθυμητές προσμίξεις στον κρύσταλλο, και μπορεί σε κάποιο βαθμό να ελέγξει και να εξαλείψει δομικές ατέλειες, όπως εξαρθρώσεις και εγκλείσματα.
6.2 Διαδικασία
Η μέθοδος περιφερειακής τήξης διακρίνεται σε περιφερειακή τήξη σε εμπορευματοκιβώτια (Εικόνα 2-7) και σε περιφερειακή τήξη χωρίς εμπορευματοκιβώτια. Για την ανάπτυξη των κρυστάλλων πολύτιμων λίθων χρησιμοποιείται συχνά η μέθοδος της περιφερειακής τήξης χωρίς δοχείο, γνωστή και ως μέθοδος της αιωρούμενης ζώνης (FZM).
Η διαδικασία της μεθόδου της επιπλέουσας ζώνης έχει ως εξής: πρώτα, το υλικό του κρυστάλλου πυροσυσσωματώνεται ή πιέζεται σε σχήμα ράβδου και στη συνέχεια στερεώνεται με δύο τσοκ- η πυροσυσσωματωμένη ράβδος τοποθετείται κάθετα μέσα στο σωλήνα μόνωσης, περιστρέφεται και χαμηλώνει (ή κινείται με επιταχυντή) για να λιώσει το υλικό της ράβδου- η λιωμένη ζώνη βρίσκεται σε επιπλέουσα κατάσταση, υποστηριζόμενη μόνο από την επιφανειακή τάση χωρίς να επιτρέπει στο υγρό να πέσει, λαμβάνοντας έτσι έναν καθαρισμένο ή ανακρυσταλλωμένο μονοκρύσταλλο.
Η επαγωγική θέρμανση είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τη σύνθεση κρυστάλλων πολύτιμων λίθων σε ζώνη αιώρησης, η οποία μπορεί να εφαρμοστεί σε κενό ή σε οποιαδήποτε αδρανή οξειδωτική ή αναγωγική ατμόσφαιρα.
Η μετακίνηση της ζώνης τήξης μπορεί να επιτευχθεί με δύο τρόπους: ο ένας είναι ότι η πυροσυσσωματωμένη ράβδος πρώτης ύλης παραμένει ακίνητη ενώ ο θερμαντήρας κινείται- ο άλλος είναι ότι ο θερμαντήρας παραμένει ακίνητος ενώ η πυροσυσσωματωμένη ράβδος πρώτης ύλης κινείται.
Η πραγματική κατανομή της θερμοκρασίας στη ζώνη τήξης εξαρτάται συχνά από τα χαρακτηριστικά της πηγής ισχύος και θερμότητας, της συσκευής ψύξης, της θερμικής αγωγιμότητας της πυροσυσσωματωμένης ράβδου και της συγκέντρωσης των διαλυμένων ουσιών στην υγρή φάση, μεταξύ άλλων παραγόντων. Η γενική απαίτηση είναι ότι η θερμοκρασία εντός της ζώνης τήξης πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία τήξης της πρώτης ύλης, ενώ η θερμοκρασία εκτός της ζώνης τήξης πρέπει να είναι μικρότερη από τη θερμοκρασία τήξης της πρώτης ύλης.
6.3 Χαρακτηριστικά της μεθόδου τήξης ζώνης
(1) Δεν υπάρχει μόλυνση από ακαθαρσίες χωνευτηρίου στον κρύσταλλο.
(2) Καλή ποιότητα κρυστάλλων, με πολύ λίγα εγκλείσματα και γραμμές ανάπτυξης.
(3) Υψηλής καθαρότητας, πολύ καθαρό εσωτερικά.
(4) Μια ξαφνική αλλαγή στις συνθήκες διεργασίας κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης κρυστάλλων μπορεί να προκαλέσει χαοτικές γραμμές ανάπτυξης και ανομοιόμορφο χρώμα στον κρύσταλλο.
7. Μέθοδος υψηλής θερμοκρασίας και υπερυψηλής πίεσης
Η μέθοδος υψηλής θερμοκρασίας και υπερυψηλής πίεσης για τη σύνθεση κρυσταλλικών υλικών πολύτιμων λίθων αναφέρεται στη χρήση υψηλής θερμοκρασίας (πάνω από 500 ℃) και υπερυψηλής πίεσης (πάνω από 1,0x 109 Pa) για να προκαλέσουν στις πρώτες ύλες συνθετικών πολύτιμων λίθων (δείγματα σε σκόνη) αλλαγές φάσης ή τήξη και στη συνέχεια κρυστάλλωση υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και υπερυψηλής πίεσης, παρόμοιες με τις μεταμορφικές διεργασίες. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή διαμαντιών, νεφρίτη και άλλων.
Οι μέθοδοι για την επίτευξη υψηλής θερμοκρασίας και υπερυψηλής πίεσης περιλαμβάνουν μεθόδους στατικής πίεσης και εκρηκτικές μεθόδους (εκρηκτικά, πυρηνικές εκρήξεις).
7.1 Μέθοδοι σύνθεσης διαμαντιών
Υπάρχουν δεκάδες μέθοδοι για την τεχνητή κατασκευή διαμαντιών και οι επιτυχημένες μέθοδοι μπορούν να χωριστούν σε τρεις κύριες κατηγορίες:
(1) Μέθοδος στατικής πίεσης
① Μέθοδος καταλύτη στατικής πίεσης
② Μέθοδος άμεσης μετατροπής στατικής πίεσης
③ Μέθοδος καταλυτών σπόρων
(2) Εκρηκτική μέθοδος (δυναμική μέθοδος)
① Μέθοδος έκρηξης
② Μέθοδος απόρριψης υγρών
③ Άμεσος μετασχηματισμός της μεθόδου εξαγωνικού διαμαντιού
(3) Μέθοδος ανάπτυξης στη μεταβλητή περιοχή
① Μέθοδος φάσης ατμών
② Μέθοδος επιταξίας υγρής φάσης
③ Μέθοδος επιταξίας φάσης αερίου-υγρού-στερεάς φάσης
④ Μέθοδος σύνθεσης υπό ατμοσφαιρική πίεση σε υψηλή θερμοκρασία
Η μέθοδος που χρησιμοποιείται συνήθως για τη σύνθεση διαμαντιών είναι η μέθοδος του καταλυτικού σπόρου (Εικόνα 2-8). Το 1963, η Κίνα παρήγαγε συνθετικά διαμάντια βιομηχανικής ποιότητας χρησιμοποιώντας μεθόδους υψηλής θερμοκρασίας και υπερυψηλής πίεσης, όπου κάθε σύνθεση μπορούσε να αποδώσει μόνο μικρά σωματίδια συνθετικών διαμαντιών. Κάθε Σύνθεση μπορεί να παράγει 60ct συνθετικών διαμαντιών με σημαντικά μεγαλύτερα σωματίδια.
7.2 Μέθοδοι σύνθεσης του τζαδεΐτη
(1) Ζυγίστε τα χημικά αντιδραστήρια (πυριτικό νάτριο και πυριτικό αργίλιο), αναμείξτε, θερμάνετε και λιώστε για να σχηματίσετε υλικό από γυαλί νεφρίτη (NaAlSi2O5).
(2) Θρυμματίστε το υλικό από γυαλί νεφρίτη σε σκόνη, αναμείξτε με χρωστικούς παράγοντες και φορτώστε σε ένα χωνευτήρι γραφίτη υψηλής καθαρότητας σε 140 ℃ ψήσιμο για περισσότερες από 24 ώρες , στη συνέχεια εκτελέστε υψηλής θερμοκρασίας υπερυψηλής πίεσης (1100 ℃ επεξεργασία για 5,9 x 107 Pa (4 ώρες), διακόπτει την τροφοδοσία για να κρυώσει και συμπυκνώνεται κρυσταλλοποιείται σε ένα σκληρό συσσωμάτωμα νεφρίτη.
Εργαστηριακή παρατήρηση: Αυτό δείχνει ότι ορισμένα ιόντα χρωμίου έχουν εισέλθει στο πλέγμα, ενώ άλλα δεν έχουν εισέλθει ακόμη στο πλέγμα.
Το κλειδί για τη σύνθεση του τζαδεΐτη ώστε να πληροί τις απαιτήσεις ποιότητας πολύτιμων λίθων είναι να φτάσει σε διαύγεια και να επιτρέψει την Cr3+ για να εισέλθετε στο πλέγμα.
Οι τύποι χρωστικών ουσιών που μπορούν να χρωματίσουν τον ιαδεΐτη παρουσιάζονται στον Πίνακα 2-4.
Πίνακας 2-4 Η επίδραση των διαφόρων χρωστικών ουσιών σε διαφορετικές συγκεντρώσεις στο χρώμα του τζαδεΐτη
| Χρωστική | Η αλλαγή του χρώματος του υλικού από γυαλί νεφρίτη καθώς η περιεκτικότητα ποικίλλει από 0,01%-10% από μικρό έως μεγάλο |
|---|---|
| Οξείδιο του χρωμίου | Κίτρινο λεμόνι →Κίτρινο-πράσινο→Κίτρινο-πράσινο→Σκούρο πράσινο→Πράσινο της ελιάς→Μπλε ανοιχτόχρωμο |
| Οξείδιο του κοβαλτίου | Μπλε γαλάζιο→Μπλε σκούρο κοβάλτιο |
| Οξείδιο του νικελίου | Ανοιχτό χρώμα λωτού→Χρώμα λωτού → Μωβ→Μπλε-μωβ →Σκούρο μπλε |
| Οξείδιο του χαλκού | Ανοιχτό μπλε→Μπλε του ουρανού→Μπλε της θάλασσας→ Βαθύ μπλε μελάνι |
| Οξείδιο του μαγγανίου | Ανοιχτό λιλά → Λιλά → Βαθύ λιλά→ Μωβ |
| Οξείδιο του σιδήρου | Λευκό→Ελαφρύ κίτρινο-πράσινο→Ελαφρύ κίτρινο-καφέ |
| Οξείδιο του τιτανίου | Γκρι→ ανοιχτό γκρι →λευκό |
| Οξείδιο του νεοδυμίου | Μωβ-κόκκινο κάτω από φθορίζον φως →Μωβ-μωβ κάτω από το φως του ήλιου ( επίδραση αλλαγής χρώματος ) |
| Οξείδιο του λουτετίου | Με μια φρέσκια πράσινη απόχρωση |
| Πεντοξείδιο του βαναδίου | Λευκό με μπλε απόχρωση →Λευκό με κόκκινη απόχρωση |
| Οξείδιο του Κερίου | Λευκό→ με ελαφρά κοκκινωπή απόχρωση |
| Διοξείδιο του κασσίτερου | Λευκό με πρασινωπή απόχρωση → λευκό με ελαφρά κοκκινωπή απόχρωση |
| Οξείδιο του σιδήρου | Λευκό με ελαφρά κιτρινωπή απόχρωση |
| Σεληνίτης | Λευκό χρώμα με ροζ απόχρωση |
8. Μέθοδος χημικής καθίζησης
Η μέθοδος χημικής καταβύθισης περιλαμβάνει κυρίως τη χημική εναπόθεση ατμών και τη χημική εναπόθεση υγρής φάσης. Η ανάπτυξη των κρυστάλλων πραγματοποιείται μέσω της μετατροπής από την υγρή ή την αέρια στην κρυσταλλική φάση. Για παράδειγμα, η χρήση της μεθόδου χημικής εναπόθεσης υγρής φάσης για τη σύνθεση πολυκρυσταλλικών υλικών πολύτιμων λίθων, όπως ο οπάλιος, το τυρκουάζ, το λάπις λάζουλι και ο μαλαχίτης, καθώς και η χρήση της μεθόδου χημικής εναπόθεσης ατμών για τη σύνθεση πολυκρυσταλλικών ταινιών διαμαντιού, διαμαντιών μεγάλου κόκκου και μονοκρυσταλλικών υλικών καρβιδίου του πυριτίου.
8.1 Σύνθεση υμενίων διαμαντιού σε φάση ατμού
Το αέριο που παράγεται από υδρογονάνθρακες χαμηλού μοριακού βάρους αναμεμειγμένους με υδρογόνο διαχωρίζεται υπό ορισμένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, δημιουργώντας ιόντα άνθρακα σε κατάσταση πλάσματος. Στη συνέχεια, καθοδηγούμενα από ένα ηλεκτρικό πεδίο, τα ιόντα άνθρακα αναπτύσσονται σε πολυκρυσταλλικά στρώματα φιλμ διαμαντιού πάνω σε ένα διαμαντένιο ή μη διαμαντένιο (Si, SiO2, Al2O3, SiC, Cu κ.λπ.).
Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι CVD: CVD με θερμό σύρμα, CVD με πλάσμα μικροκυμάτων, CVD με πλάσμα συνεχούς ρεύματος, CVD με πλάσμα λέιζερ, PECVD με πλάσμα και μέθοδοι φλόγας. Με βάση την αρχή της δημιουργίας πλάσματος, όλες οι μέθοδοι CVD μπορούν να χωριστούν σε τέσσερις κατηγορίες: πυρολυτικό CVD, πλάσμα DC CVD, πλάσμα ραδιοσυχνοτήτων και πλάσμα μικροκυμάτων CVD.
8.2 Μέθοδος καταβύθισης φάσης ατμών για τη σύνθεση καρβιδίου του πυριτίου
Η δομή του καρβιδίου του πυριτίου SiC έχει περισσότερες από 150 διαμορφώσεις. Επί του παρόντος, μόνο οι διαμορφώσεις 4H και 6H του α- SiC μπορούν να αναπτυχθούν σε μεγάλους κρυστάλλους που ανήκουν στην εξαγωνική φάση.
(1) Μέθοδος Ajfa: C) με άμμο (SiO2) και μια μικρή ποσότητα πριονιδιού και αλατιού, τοποθετήστε το σε μια ράβδο γραφίτη τυλιγμένη με το μείγμα, εφαρμόστε ηλεκτρισμό και θερμάνετε στους 2700℃ για να παράγετε SiC(SiO2 + 3C→SiC + 2CO) .
(2) Μέθοδος Lely: Η ακατέργαστη σκόνη για την παραγωγή μονοκρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου θερμαίνεται και εξαχνώνεται σε αέριο αφού περάσει μέσα από πορώδη σωλήνα γραφίτη, κρυσταλλώνοντας απευθείας στον σπόρο χωρίς να περάσει από την υγρή φάση, με αποτέλεσμα να προκύπτουν μονοκρύσταλλοι SiC σε σχήμα αχλαδιού.
8.3 Παράδειγμα: Σύνθεση οπάλου με χημική καταβύθιση
(1) Αρχή της σύνθεσης του Opal
Από άποψη χημικής σύνθεσης, τα συστατικά του οπάλου αποτελούνται από 3%-10%silica που περιέχει νερό, όπου οι σφαίρες στη δομή του αποτελούνται από άμορφο διοξείδιο του πυριτίου ή χαλαζία και νερό, Η αναλογία διοξειδίου του πυριτίου προς το νερό ποικίλλει ελαφρώς, συνήθως περιέχει περισσότερο διοξείδιο του πυριτίου, παρέχει επαρκείς διαφορές δείκτη διάθλασης για τη διάθλαση. Για τους παραπάνω λόγους, το οπάλιο έχει ένα ιδιαίτερο χρωματικό παιχνίδι. Τα χρώματα του παιχνιδιού των χρωμάτων σχετίζονται με το μέγεθος των σφαιρών πυριτίας: Όταν η διάμετρος των σφαιρών είναι μικρότερη από 138 nm, διαθλάται μόνο το υπεριώδες φως και δεν παρατηρείται το φαινόμενο του παιχνιδιού του χρώματος- όταν η διάμετρος είναι 138 nm, επικρατεί το μωβ παιχνίδι του χρώματος- σε διάμετρο 241 nm, εμφανίζονται διάφορα χρώματα από το κόκκινο πρώτης τάξης έως το μωβ πρώτης τάξης, το οποίο είναι επίσης το καλύτερης ποιότητας και πιο πλούσια χρωματισμένο οπάλιο- όταν η διάμετρος υπερβαίνει τα 333 nm, η διάθλαση περιορίζεται στο υπέρυθρο φως και το οπάλιο δεν παρουσιάζει το φαινόμενο του παιχνιδιού του χρώματος. Το οπάλιο αποτελείται συνήθως από συσσωματώματα διαφορετικών σωματιδίων, κάθε σωματίδιο τοποθετημένο σε στρώματα σφαιρών ομοιόμορφου μεγέθους, σχηματίζοντας ένα τρισδιάστατο πλέγμα. Ως εκ τούτου, σε μια επιφάνεια στίλβωσης Opal, μπορείτε να δείτε κάποιους χρωματικούς χάρτες που αποτελούνται από μικρά κομμάτια χρώματος, το μέγεθος της χρωματικής περιοχής είναι μεταξύ 1 - 10 mm, το οποίο καθορίζεται από το μέγεθος του SiO2 σωματίδια σφαίρας.
Η αποκάλυψη των μυστηρίων μέσα στο οπάλιο παρέχει μια θεωρητική βάση για τη σύνθεση και την απομίμηση του οπάλιου. Αν και η αρχή είναι απλή, μόλις το 1972 ο P. Gilson κατάφερε να συνθέσει για πρώτη φορά με επιτυχία συνθετικό οπάλιο. Το πρακτικό συνθετικό οπάλιο άρχισε να διατίθεται στην αγορά το 1974.
(2) Η διαδικασία τεχνητής σύνθεσης οπάλου.
Αν και η μέθοδος σύνθεσης του οπάλου αποτελεί αυστηρά εμπιστευτικό εμπορικό μυστικό, πιστεύεται γενικά ότι η διαδικασία παραγωγής συνθετικού οπάλου μπορεί να χωριστεί σε τρία στάδια:
① Σχηματισμός σφαιρών διοξειδίου του πυριτίου. Αυτό επιτυγχάνεται γενικά με τη χρήση ορισμένων οργανικών ενώσεων πυριτίου υψηλής καθαρότητας, όπως το ορθοπυριτικό τετρααιθυλεστέρα, οι οποίες δημιουργούν μονοδιάσπαρτες σφαίρες πυριτίου μέσω ελεγχόμενης υδρόλυσης. Συνήθως, το ορθοπυριτικό τετρααιθυλεστέρα διασκορπίζεται συνήθως με τη μορφή μικρών σταγόνων σε υδατικό διάλυμα αιθανόλης, με προσθήκη αμμωνίας και άλλων ασθενών βάσεων και ανάδευση, έτσι ώστε να μετατραπεί σε σφαιρίδια πυριτίου που περιέχουν νερό.
Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αντίδρασης, πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα για τον έλεγχο της ταχύτητας και της συγκέντρωσης των αντιδρώντων, έτσι ώστε τα παρασκευασμένα σφαιρίδια διοξειδίου του πυριτίου να έχουν το ίδιο μέγεθος. Ανάλογα με τον τύπο του οπάλου που απαιτείται, η διάμετρος των σφαιρών που προκύπτουν μπορεί να ποικίλλει. (Η διάμετρος των σφαιρών είναι 200 nm, 300 nm κ.λπ.)
② Καταβύθιση σφαιρών πυριτίου. Τα διασκορπισμένα σφαιρίδια διοξειδίου του πυριτίου καταβυθίζονται σε διάλυμα με ελεγχόμενη οξύτητα και αλκαλικότητα. Το στάδιο αυτό μπορεί να διαρκέσει περισσότερο από ένα έτος. Μόλις κατακρημνιστούν, οι σφαίρες αυτές θα παρουσιάσουν αυτόματα την πιο πυκνά στοιβαγμένη διάταξη.
③ Συμπίεση σφαιρών και παραγωγή συνθετικού οπάλου. Αυτό το στάδιο είναι ζωτικής σημασίας για την επίτευξη των απαιτήσεων ποιότητας πολύτιμων λίθων και είναι το πιο δύσκολο. Το προϊόν από το δεύτερο στάδιο είναι παρόμοιο με το άστριο βαρίου, το οποίο είναι πολύ εύθραυστο και θα στεγνώσει γρήγορα και θα χάσει το χρώμα του, οπότε οι σφαίρες πρέπει να συμπιεστούν. Η μέθοδος για τη συμπίεση των σφαιρών είναι η εφαρμογή υδροστατικής πίεσης σε αυτές. Τοποθετούνται σε ένα χαλύβδινο έμβολο κατά τη διάρκεια της συμπίεσης και προστίθεται ένα υγρό που μεταφέρει την πίεση. Καθώς η ποσότητα που προστίθεται αυξάνεται, η υδροστατική πίεση εφαρμόζεται προς όλες τις κατευθύνσεις στις κατακρημνισμένες σφαίρες χωρίς να προκαλείται παραμόρφωση.
Υπάρχουν διάφορες ποικιλίες συνθετικού οπάλου, όπως το λευκό οπάλιο, το μαύρο οπάλιο και το οπάλιο φωτιάς. Οι κύριες χώρες παραγωγής είναι η Γαλλία και η Ιαπωνία.
