合成原理及方法

一、合成原理及方法

焰熔法是從熔體中生長單晶體的方法。其原料的粉末在通過高溫的氫氧火焰后熔化，熔滴在下落過程中冷卻并在籽晶上固結(jié)逐漸生長形成晶體。

圖10-2-1　維爾納葉法合成裝置

焰熔法合成裝置由供料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和生長系統(tǒng)組成，合成過程是在維爾納葉爐(圖10-2-1)中進(jìn)行的。

1.供料系統(tǒng)

原料:成分因合成品的不同而變化。原料的粉末經(jīng)過充分拌勻，放入料筒。料筒(篩狀底):圓筒，用來裝原料，底部有篩孔;料筒中部貫通有一根震動(dòng)裝置使粉末少量、等量、周期性地自動(dòng)釋放。振蕩器:使料筒不斷抖動(dòng)，以便原料的粉末能從篩孔中釋放出來。如果合成紅寶石，則需要Al₂O₃和Cr₂O₃，三氧化二鋁可由鋁銨礬加熱獲得;Cr₂O₃(1%～3%)為致色劑。

2.燃燒系統(tǒng)

氧氣管:從料筒一側(cè)釋放，與原料粉末一同下降;氫氣管:在火焰上方噴嘴處與氧氣混合燃燒。通過控制管內(nèi)流量來控制氫氧比例(O₂∶H₂=1∶3);氫氧燃燒溫度為2 500℃，Al₂O₃粉末的熔點(diǎn)為2 050℃。冷卻套:吹管至噴嘴處有一冷卻水套，使氫氣和氧氣處于正常供氣狀態(tài)，保證火焰以上的氧管不被熔化。

3.生長系統(tǒng)

落下的粉末經(jīng)過氫氧火焰后熔融成熔滴，落在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的籽晶棒上，冷卻結(jié)晶逐漸長成一個(gè)晶棒。長出的晶體形態(tài)類似梨形，故稱為梨晶。梨晶大小通常長23cm，直徑2.5～5cm。冷水套下為一耐火磚圍砌的保溫爐，保持燃燒溫度及晶體生長溫度，近上部有一個(gè)觀察孔，可了解晶體生長情況。耐火磚的作用是保證熔滴溫度緩慢下降，以便結(jié)晶生長。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)用來安置籽晶棒，并控制其邊旋轉(zhuǎn)、邊下降;落下的熔滴與籽晶棒接觸，稱為接晶;接晶后通過控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)擴(kuò)大晶種的生長直徑，稱為擴(kuò)肩;然后，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以均勻的速度邊旋轉(zhuǎn)邊下降，使晶體得以等徑生長。生長速度為1cm/h，一般6h即可完成生長。因?yàn)樯L速度快，內(nèi)應(yīng)力很大，停止生長后，應(yīng)該輕輕敲擊，它便會(huì)沿縱向裂開成兩半以釋放內(nèi)應(yīng)力，避免以后產(chǎn)生裂隙。

焰熔法的特點(diǎn):晶體生長速度快、設(shè)備簡單、成本低。世界上每年用此法合成的寶石大于10億ct。但用此方法合成的寶石晶體缺陷多、容易識(shí)別。