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水热法合成宝石方法是一种从溶液中结晶方法，合成宝石的原理主要是模仿自然界中的热液成矿作用的，首先我们先简单了解一下热液成矿的基本过程。  地球的内部具有很高的温度，同时地球的深部也是含有水的，当地球深部的水受到一定的热源（例如岩浆、断裂活动等）温度升高形成热液，因此在温度和压力较高的环境中，水对于一些溶质的溶解度会大大的提升。但是岩石是存在有裂隙的（例如断裂），热液可以沿着这些裂隙会向地表运移，随着温度和压力的下降，溶解度逐渐降低，溶质就会在合适的空间中沉淀下来形成晶体。这就是热液矿床形成的大致过程，但是具体过程会更加复杂。 无论具体的成矿左右有多复杂，简单来讲，热液成矿过程可以总结为【在高温下溶解溶质，在低温下沉淀结晶】，水热法合成宝石同样是根据这样的原理合成宝石晶体的。也正是由于合成过程中模拟了宝石在自然界中的生长环境，因此宝石的质量也相对较好，与天然宝石有着较为相似的鉴定特征。  【优点】 以石英为例，石英在不同的温度压力下会形成不同的晶体结构，从下面的相图中我们可以很清楚的看到，石英在较低的温度535℃时就会发生相变，因此在合成过程中是需要严格控制形成环境的，但是二氧化硅的熔点高达1700摄氏度以上，若采用熔体直接冷却结晶的方法是无法直接得到α-石英（水晶的晶体结构）的，而是优先形成其他晶体结构的石英（例如β-方石英或β-石英），最终通过相变的方式转化成为α-石英，在实验室的环境中快速的发生转化，必然会形成过大的内应力，不容易得到高质量的合成宝石。但是水热法可以通过精确的控制温压条件，以得到目标宝石晶体。 材料的蒸汽压高意味着材料在接近熔点时极容易发生挥发，若使用熔体直接冷却形成矿物晶体的方法会导致原料大量的挥发，在腐蚀设备的同时，也会造成不必要的浪费，但是水热法合成宝石是在高压釜内进行，属于一个较为封闭的环境；另外，水热法是利用【溶质在不同温度下溶解度的差异】进行合成宝石的，所使用的温度远低于材料的熔点，因此可以避免大量挥发的现象的发生。 对于这样的材料，在接近熔点时无法得到通组份的熔体，因此同样是不适用于直接采用熔体直接冷却的方式进行合成 与焰熔法合成宝石相比，水热法中的合成宝石处在一个相对稳定的温压环境中，并且形成的环境与自然界相类似，但同时有没有地质环境那样复杂，因此合成出来的晶体相对较为完美，尺寸也相对较大。下图利用水热法合成的祖母绿。 【缺点】 高压釜的使用是必然要才用相应的安全措施的，利用水热法生长宝石，其实就是在相对较高的温压条件（相对于常温常压）下生长宝石的过程，因此必须要使用能够承受一定温度和压力的高压釜，高压釜其实我们可以理解成为一个高级的高压锅，高压锅的使用就存在一定的“爆炸”风险，所以，在合成宝石的过程中必须要选择符合条件的高压釜，同时配备必要的安全防护措施。 其实这是几乎所有合成宝石方法所面对的问题。籽晶首先不能有明显的晶格缺陷，以防止遗传给待生长的宝石；由于不同的晶面生长的速度不同，因此籽晶的切向需要合适，以保证宝石有合适的生长速度。不同的宝石所使用的籽晶的切向是不同的。下表为大家总结了不同合成宝石所使用的籽晶切向 这是与“焰熔法”明显不同的地方，焰熔法合成宝石可以通过窗口观察宝石的生长状况，在出现问题时可以及时的纠正，但是利用水热法合成宝石是在高压釜内进行的，因此无法观察。 生长晶体的尺寸受高压釜容器大小的限制非常明显。这一点毫无疑问，晶体是生长在封闭的空间的，在合成过程的中间也同样是不能够随时打开高压釜的，因此所有原料的投放都是一次性的，晶体生长尺寸的大小，是要受到这些原料的影响的。 图为水热法合成红宝石“出锅”之后的样子。 合成宝石的具体方法包括等温法、摆动法和温差法，但是目前最常使用的是【温差法】，下图设备的示意图，整个设备是可以分为两大部分的，下半部分称呼为溶解区，放置合成宝石所使用的原料，温度相对较高，原料在该部分溶解形成饱和溶液；上半部分是生长区，该区域内挂有切向合适的籽晶，并且温度相对较低，从而导致该部分的溶解度相对较低；溶解区和生长区分别属于相对的部分，中间用一个挡板相隔，并且有一定的开孔度，以利于溶液之间的对流；由于下半部分的温度较高，密度相对较低，溶液会通过挡板向生长区运移，由于温差的变化，在溶解区形成的饱和溶液在到达生长区后形成“过饱和溶液”，溶质会从溶液中析出，并在籽晶上结晶。 以上就是利用水热法合成宝石的具体过程，那么，影响宝石晶体生长的因素都有哪些呢？ 我们都知道，在常压下水的沸点很低（仅有100℃），因此在合成宝石的过程中首先不能使用开放的体系，另外为了提高水的温度，需要在一定程度上提高水所处的压力，以增大沸点。由此我们会应用到一种仪器叫做高压釜。高压釜必须要能够承受住所设计的温度和压力，并且由高强度由高强度、低蠕变钢材制成，有足够的壁厚经受住内压。 高压釜除了要承受较大的压力外，还承担着一个“容器”的作用，即盛放原料溶液，由于外来的杂质对晶体的生长会有较大的影响，因此，作为“容器”的高压釜必须要有非常稳定的化学性质，以避免与溶液发生反应。 针对不同种类的合成宝石，所应用的原料、温度和压力不同，会采用不同类型的高压釜，例如水晶通常采用的是43CrNi2MoV钢材制造的釜体，水热法合成红宝石则采用的是GH33高温合金钢材，相对于合成水晶所使用的高压釜，它能够承受更高的温度和压力。但是我们会发现，这些高压釜所采用的金属元素并不是化学性质最稳定的，因此为了避免不必要的污染，通常会在高压釜内配有贵金属的衬套，一般为铂金衬套。 刚才说到，利用水热法合成宝石，必须要在密闭的环境中才可以，因此该合成方法并不像焰熔法一样可以源源不断的提供合成宝石的原料，因此在有限的空间内，另外，为了增大宝石的生长速度，需要尽可能的提高溶质的溶解度，但是我们知道，物质在纯水中的溶解度往往相对较低，并且随着温度的变化也不够明显。 因此，为了显著的提升原料在水溶液中的溶解度，除了升高水的沸点以增高水的温度外，最重要的就是需要添加一定的矿化剂。下图为在不同装满度时，石英在氢氧化钠、碳酸钠及纯水中的溶解度与温度之间的关系（虚线代表纯水、实线代表氢氧化钠溶液、实虚线代表碳酸钠溶液），我们可以很清楚的发现，在相同的装满度（高压釜内盛放溶液的体积占比）、相同的温度下，通过矿化剂的加入，石英的溶解度提升在30倍左右。 1.提高溶质在水中的溶解度温度系数，溶解度随温度的变化同样会有显著的变化；因此温度极小的改变就会造成溶解度差异的变化，而过饱和度是影响晶体生长的重要因素之一； 2.某些矿化剂能与结晶物质形成络合物，加快晶体成核的速度。 但是不同的矿化剂对晶体生长同样有着非常重要的影响，以水晶为例，当采用NaOH作为矿化剂时，自发的晶芽少，晶体的透明度也相对较好，但是生长的速度很慢；但是，当采用混合溶剂时，就可以得到快速生长的优质水晶，大大的降低成品率以及成本。对于刚玉来讲KOH溶液要比NaOH溶液中生长的快。 另外，矿化剂的浓度也会对晶体的生长产生一定的影响，当矿化剂的浓度较小时，矿化剂的浓度增加生长速度也相应增加，但是当浓度超过一定范围时，生长速度不再增加，反而下降。下图是刚玉在不同浓度的矿化剂下的生长曲线图。因此，整体上讲，在合成宝石的过程中，不仅仅要选择合适的矿化剂，同样需要选择合适的浓度。 
既然是一个封闭的空间，充填度同样会成为影响晶体生长的一个重要因素了，充填度的大小会直接影响到晶体生长的速度。从下图我们可以看到，不同的充填度，在相同的温度下结晶速度可能会有非常明显差异。因此可以通过调整充填度可以调整高压釜内的压力，从而调整晶体的生长速度速度。
另外，使用过高压锅的都会很清楚，锅内所盛放的液体不能过多、过满，否则会造成锅内的压力过大从而形成潜在的危险。高压釜也是同样的道理：充填度越大，高压釜内的压力越大，过大的温压会给高压釜附体的材料选择带来一定的困难，另外，在高压下，某些矿化剂也会对高压釜产生较为严重的腐蚀，造成高压釜冷却后开启不便，因此一般充填度不宜超过86%。 杂质有时候并不是一个坏东西，因为它是影响晶体颜色最重要的因素之一，因此为了获得不同颜色或者不同品种的宝石，往往需要加入一定的着色剂。从晶体生长的角度讲，杂质的加入会具体的影响到晶体的几何外形。下图为俄罗斯水热法合成刚玉宝石的致色离子与颜色之间的关系。
下图为各种颜色的合成水晶 晶体是具有意向性的，因此在不同的方向上的生长速度会较大的差异，而籽晶的取向则直接决定了合成宝石的生长速率。不同方向的籽晶也直接决定了晶体生长的外形。例如在合成水晶的过程中，一种是垂直于Z轴的籽晶，一种是长度平行与Y轴，宽度方向平行于X轴，利用前者生长出来的晶体外形和质量都较好；后者生长出来的晶体细长，受到溶液对流的影响较小，不容易产生后期的裂隙，易于加工。 挡板的重要作用是保证生长区与溶解区为相对独立的区域，从而保证两者之间处在不同的温度环境中，进而保证两者之间有稳定的温度差，但是溶解区的溶液需要向生长区扩散，而生长区的溶液同样需要回流到溶解区，这就要求对流挡板有一定的开孔度，调整生长系统的质量交换，因此需要在挡板的中间有一定的开孔率；因此，开孔率的选择需要同时 【保证生长于与溶解区的相对独立】以及【很好的控制溶液的对流】 。不同口径的高压釜具有不同的开口率，小口径的高压釜在10%~12%左右，大口径的高压釜在5%~7%之间。 温度实际上是影响水热法最重要的因素，溶解区的温度首先影响的是原料在水溶的溶解度，从而决定了有多少原料从溶解区达到生长区；生长区的温度则决定了溶液的过饱和度，进而决定了晶体是否可以生长以及晶体生长的速度；生长区与溶解区之间的温度差异则是溶液产生对流的动力，温差越大，溶质之间的交换量越大，宝石的生长速度越大；另外，当高压釜上下温差一定时，生长区的温度越高，晶体的生长速度越快。但是生长的速度越快，晶体在生长后期会出现原料供应不足而造成裂隙或者其他类型包裹体的出现。下图为合成水晶的原石晶体，我们可以发现，中间部分的净度很干净，但是到了两边出现了非常明显的麦苗状包裹体。 好了，关于水热法合成宝石的基本原理就分享到这里，希望对大家有所帮助。 |
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