10宝石改善与人工合成 高温高压法.ppt

章高温超高压法合成宝石与鉴别 本章要点 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 复习思考题 . 高温超高压法合成宝石的概念是什么？ . 合成金刚石的方法有哪些？ . 晶种触媒法合成宝石级金刚石的原理？ . 热丝法合成金刚石薄膜存在哪些缺陷？ . 高温超高压法合成翡翠的依据是什么？ . 合成翡翠分哪两步？ . 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＞℃ 压力＞× 条件的获得：静压法（油压机）， 动力法（爆炸法或核爆炸）。 高温超高压法的概念 钻石的合成原理 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。 人工生长金刚石的方法 自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 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： 、静压法：静压触媒法；静压直接转变法；晶种触媒法。 、动力法：爆炸法；液中放电法；直接转变六方金刚石法 、亚稳定区域内生长法：气相沉淀法（）；液相外延生长法；气液固相外延生长法；常压高温合成法。 晶种触媒法合成金刚石的原理 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：×和℃，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： ×～×和℃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（ ）缺电子，能吸引石墨层中相对应的电子，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： （）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； （）石墨逐渐向熔融金属内扩散，由于过渡金属的电子与碳原子的电子间的相互作用，使碳原子从型转变为杂化型状态，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； （）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。 晶种触媒法合成金刚石的设备 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＞×，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： 晶种触媒法合成金刚石的工艺 、腔体中部（热区）放置纯度达到光谱纯的石墨碳源，用镍铁（：）合金为触媒，金刚石晶种安放在下端冷区，使{}（接种面）面对着金属触媒。 、温压条件：最高达×左右，℃。 、原料区石墨溶解于触媒中，开始向金刚石转变。 、在温度梯度（～℃）下，热区中的碳向晶种方向扩散，部分碳便沉积在晶体上，从而使晶体长大。 上海硅酸盐研究所年采用晶种触媒法生长的合成金刚石大单晶可达，直边长。 合成用反应腔结构采用石墨为碳源，籽晶固定在晶床内，{}面为接种面。在籽晶和碳源之间放置厚，直径的溶剂合金金属柱。 将反应腔放入单向加载四对斜滑面式立方体高温超高压装置中，然后置于吨压机内，长时间获得稳定压力。 控制腔内温度，反应腔高温区约℃ ，温度差～℃，实际温度随加热功率和散热条件而变，实验用压力控制在×左右，生长时间为～小时。 碳源 晶床 合金 合成金刚石的后处理 合成金刚石是通过触媒的作用，在高温超高