宝石改善与人工合成高温高压法讲解.ppt

第八章  高温超高压法合成宝石与鉴别 本章要点 复习思考题 高温超高压法的概念 钻石的合成原理 人工生长金刚石的方法 晶种触媒法合成金刚石的原理 晶种触媒法合成金刚石的设备 晶种触媒法合成金刚石的工艺 合成金刚石的后处理 除金属（或合金） 除石墨 除叶蜡石 晶种触媒法合成金刚石的优缺点 晶种触媒法合成金刚石的晶体特征及鉴别 合成钻石与天然钻石的鉴别 翡翠的人工合成 合成翡翠的工艺过程 翡翠成份的非晶质体制备 合成翡翠的特征及鉴别 * * 理解高温超高压法合成金刚石和翡翠的 基本原理 了解合成金刚石单晶体的设备及工艺过程 掌握合成金刚石单晶体的鉴别 1. 高温超高压法合成宝石的概念是什么？ 2. 合成金刚石的方法有哪些？ 3. 晶种触媒法合成宝石级金刚石的原理？ 4. 热丝CVD法合成金刚石薄膜存在哪些缺陷？ 5. 高温超高压法合成翡翠的依据是什么？ 6. 合成翡翠分哪两步？ 7. 如何鉴别合成翡翠和合成钻石? 高温超高压法合成宝石是指利用高温超高压设备，使粉末样品在高温超高压条件下，产生相变、熔融进而结晶生长合成宝石的方法。 实质：固—固结晶作用 高温高压条件下形成的宝石矿物有金刚石、翡翠等 高温超高压：指温度＞500℃ 压力＞1.0×109Pa 条件的获得：静压法（油压机）， 动力法（爆炸法或核爆炸）。 碳的同质多像变体钻石和石墨由相图可知： 常温常压下石墨是碳的稳定结晶形式，而钻石处亚稳定态。破坏钻石的C-C键需要很高能量，因此，钻石在常温常压下不会自动转变为石墨。 高温高压下钻石是稳定的，而石墨中的碳原子会重新排列形成钻石。 自1955年美国通用电气公司最先报导人工生长金刚石获成功后，南非De Beers公司、日本住友电气公司、前苏联科学院西伯利亚分院以及中国科学院上海硅酸盐研究所、郑州磨料磨具磨削研究所和北京人工晶体研究所等的探索和实验，总结和发明了数十种人工制造金刚石的方法，成功的方法中主要有三大类： 1、静压法：静压触媒法；静压直接转变法；晶种触媒法。 2、动力法：爆炸法；液中放电法；直接转变六方金刚石法 3、亚稳定区域内生长法：气相沉淀法（CVD）；液相外延生长法；气液固相外延生长法；常压高温合成法。 以石墨、金刚石粉或石墨-金刚石粉的混合物为碳源，在一定温度梯度下，将熔化于触媒金属（铁镍）中的碳输送到高压反应腔金刚石晶种上，碳从六方结构的石墨转变为立方结构金刚石，并以晶层形式沉积于晶种上，从而进行金刚石单晶体的生长。 无触媒的条件： 转变条件：1.26×1010Pa和2700℃，制造生产设 备相当难；石墨向金刚石转变的接触面小，转化率低。 有触媒的条件：使转变温度和压力降低，如镍等。 转变条件： 4.0×109～1.0×1010pa和1200℃左右； 熔融的触媒增大与石墨的接触面，出现大面积转变 周期表第八族许多元素均可用作触媒，如镍（3d84S2 ）缺d电子，能吸引石墨层中相对应的2S22P2电子，使其集中到垂直方向而成键，故促使石墨层扭曲变成金刚石结构。 从化学动力学角度，高温超高压条件下石墨向金刚石的转化过程可分为三个阶段： （1）熔触金属和石墨互相渗透、扩散和溶解，形成了类似石墨结构的富碳扩散层； （2）石墨逐渐向熔融金属内扩散，由于过渡金属的d电子与碳原子的p电子间的相互作用，使碳原子从SP2型转变为SP3杂化型状态，进而形成金刚石结晶基元。金属溶液起媒介作用，把金刚石结晶基元输送至生长晶面附近； （3）聚集在生长晶面附近的金刚石结晶基元在晶面上叠合，进入晶格位，使金刚石晶体生长。 金属触媒在合成金刚石时起着溶剂和催化剂的作用。它既能溶解碳又能激发石墨向金刚石转变，起到了催化作用。 油压机：种类繁多，结构形式多样； 是静态超高压设备的核心部分，作用是将液压机的驱动力变成对高压腔中被压物质的静态超高压。 高压容器：宝石合成的场所， 要求材质能承受压强＞4.9×109Pa，良好的密封、保压、隔热、绝缘性能，提供较大的合成腔体及均压区域。 加热系统：稳定性好，精确控压控温提高合成效果。 控制系统： 1、腔体中部（热区）放置纯度达到光谱纯的石墨碳源，用镍铁（1：1）合金为触媒，金刚石晶种安放在下端冷区，使{100}（接种面）面对着金属触媒。 2、温压条件：最高达5.5×109Pa左右，1900-1400℃。 3、原料区石墨溶解于触媒中，开始向金刚石转变。 4、在温度梯度（30～50℃）下，热区中的碳向晶种方向扩散，部分碳便沉积在晶体上，从