行业资讯

Industry Information

热门搜索: 珠宝培训证书

浅析维尔纳叶合成刚玉宝石及其鉴定特征

日期:2017-08-14 16:09:09来源:国土资源部广州质检中心阅读:100次作者:未知

维尔纳叶合成刚玉宝石诞生于1890年。经过一个多世纪的发展已成为替代天然刚玉宝石满足工业需要的主要生产手段。随着维尔纳叶生产技术的不断进步,人们对它似乎越来越陌生了。虽然经过一个多世纪的发展,维尔纳叶的基本生产原理、生产工艺和用于生产合成刚玉宝石的原材料并没有变。只是现在生产出的产品粒度更大,晶体缺陷更少、更细微。正是更加完美的晶体为我们进一步认识维尔纳叶合成刚玉宝石提供了可能。当然要客观的认识维尔纳叶合成刚玉宝石的各项特征,仅记住特征本身是不行的,一切还得从基本原理入手。


    1、维尔纳叶的生产工艺。

 1.1、结晶与重结晶

  晶体是化合物从液态(溶液或溶融状态)或气态形成的固态化合物。从液态或气态形成固体化合物的过程称为结晶或重结晶。结晶是指化合物第一次从液态或气态形成固态。重结晶是指将原有的(微小)固体化合物转化为液体(气体)再从中得到更大粒度的固体化合物-晶体。


1.2、重结晶与矿物提纯

重结晶是将微小晶体融化后再以过饱和或过冷却方式重新得到晶体。不同种类的矿物的晶体种类、原子和离子半径大小、电荷大小,晶格能大小都有所不同。也就是汽化点、熔点、结晶点不同。现代矿物物理提纯正是基于这一基本原理,或高温去除杂质,或低温提取所需要的矿物。


       2、维尔纳叶合成刚玉宝石的包裹体;

2.1、维尔纳叶合成刚玉宝石生产流程简述

维尔纳叶合成刚玉宝石的生产目的是替代天然刚玉宝石满足工业需要。根据三氧化二铝的化学特性(三氧化二铝离子活泼,易形成同质异晶体),首先将铝铵矾反复结晶去除杂质,脱水形成无水多孔的铝铵矾,再焙烧,挥发掉剩余的化学物质。铝铵矾完全分解后,先形成无定型三氧化二铝,然后形成所需纯净、颗粒均匀、高分散、具有适当的堆积密度和流动性好的原料粉末。之后根据所需晶体的颜色、用途掺入适量金属离子。掺杂时必须考虑烧失量。

精心制备提纯后的原料粉末被供料系统自动、适量、均匀、不间断的送入氢氧燃烧所生产的摄氏2500°C高温的熔蚀系统,溶蚀后的溶体均匀的落在籽晶上,随温度下降凝固结晶。经过籽晶扩大生长期,梨晶进入等径生长期,这是梨晶的重要生长期。整个生长期,梨晶顶部生长层必须保持2-3mm的溶蚀层,使落在这个层面上的尚未完全熔蚀的粉末完全熔蚀,随后在晶杆缓慢旋转下降时于溶蚀层下随温度下降凝固结晶。梨晶的生长速度为每小时10mm。经过十多个小时的生长,梨晶长到1000mm以上,达到预定尺寸,停止生长,进行淬火处理,消除梨晶内应力,整个生产流程结束


2.2、维尔纳叶合成刚玉宝石没有先成包裹体;

先成包裹体是指先于主体矿物形成,与主体矿物同种或其他矿物的晶核、晶芽、微小晶体、晶体碎片和围岩碎片,在主体矿物形成过程中被主体矿物捕获成为包裹体。前面讲过任何晶体在温度作用下都有自己的结晶点、熔点和汽化点。维尔纳叶合成刚玉宝石属三方晶体结构的三氧化二铝,离子半径小、电荷大、晶格能大,其熔点和冷凝结晶点也高于含氧盐类矿物(天然刚玉宝石的包裹体除与主体矿物同种包裹体均为含氧盐类。),制备提纯后的三氧化二铝原料中虽然不可避免的含有其它矿物的晶芽、晶核和细小晶体,但这些含氧盐类矿物的晶芽、晶核和细小晶体在整个合成过程中必须历经近二十分钟摄氏2500以上高温度的炙烤。可以肯定得说;这些残留矿物在如此高温下不可能保持原有晶体状态。只能成为气体、溶体,或挥发、或进入主体矿物。


2.3、维尔纳叶合成刚玉宝石有限的同成包裹体;

同成包裹体是与主体宝石晶体同时形成的包裹体,包括熔体,气、液相、结构缺陷等包裹体。维尔纳叶合成工艺纯净的原料和2500°C以上的高温决定了合成刚玉宝石的同成包裹体种类极其有限。前面讲过:三方晶体结构的三氧化二铝的熔点和冷凝结晶点都很高。加之经过反复提纯后的原料杂质种类和杂质量稀少有限,梨晶生长快速,环境相对稳定。原料粉末自进入摄氏2500°C高温熔蚀系统的那一刻起就已吸收了大量的热量。当它们熔蚀后均匀的落在梨晶顶部2-3mm的熔蚀层表面再逐步到达熔蚀层下的结晶层,要在氢氧燃烧的外焰和新堆积上来的熔体高温炙烤下停留近二十分钟,故维尔纳叶合成刚玉的同成物质包裹体仅有少量没有气化的矿物熔体、出熔的固熔体和气泡。非物质结构包裹体仅有细密的生长纹和细腻的负晶。

即使是维尔纳叶合成刚玉宝石最有代表性的特征包裹体之一气泡的形状、大小和数量也不是一成不变的。它们随所处梨晶部位的不同而不同(如图2.3.1所示),

2.3.1、维尔纳叶合成梨晶的气泡分布


由于生长环境单一稳定,维尔纳叶合成刚玉宝石没有假后成包裹体。


2.4、维尔纳叶合成刚玉宝石的后成包裹体;

后成包裹体是指宝石晶体形成后产生的包裹体,它是宝石晶体形成后由于环境压力变化导致宝石晶体产生裂隙,环境物质侵入形成的包裹体。也可能是由于放射性元素的破坏作用所形成的包裹体。

维尔纳叶合成刚玉宝石形成后除了人工淬火释放梨晶内部应力,没有经历过外来剪切力的作用和长达数亿年环境矿物的侵蚀。不可能具有丰富的后成包裹体。

淬火是维尔纳叶合成刚玉宝石产生裂隙的唯一方法。裂隙产生于宝石自身内部应力突变,造成裂隙的力来自整个宝石,因此裂隙遍布整个宝石,呈井字状。最重要的是这些裂隙没有侵入物,显得干净、明亮、清晰。


2.5、维尔纳叶合成刚玉宝石无法人为制造指纹包裹体;

指纹状包裹体的形成必须具备两个条件:1、宝石晶体的裂开。2、富含成矿离子的热液(溶液、水)侵入宝石晶体裂隙,促成裂隙部分愈合形成有规律的点线结合的气液包裹体。维尔纳叶合成刚玉宝石的整个生产过程没有水的参与。仅以高温加热不可能在刚玉宝石内制造出指纹包裹体。若要人为制造指纹状包裹体必然以富含三方晶体结构的三氧化二铝成矿离子的热液或水作为侵入物。如此必然涉及到许多物理、化学专业知识。制造成本也将大幅上升。

3、维尔纳叶合成刚玉宝石的生长纹;

“弧形生长纹”作为维尔纳叶合成刚玉宝石的主要鉴定特征已被珠宝鉴定界广泛接受,并成为珠宝教学中必须掌握的知识点。而这个知识点的背景和适用范围很少引起人们的关注。


3.1,维尔纳叶合成刚玉宝石的“弧形生长纹”:

仅从籽晶由小到大成为梨晶的生长过程看:梨晶可能出现两种 “弧形生长纹”,1、以梨晶纵轴为圆心类似树木年伦的“弧形生长纹”。2、以籽晶为圆心,类似扇形放射波的“弧形生长纹”。

许多文献、教材都很少针对第一种以梨晶纵轴为圆心,类似树木年伦的“弧形生长纹”做出明确的解释。更多的是以维尔纳叶合成刚玉宝石的供料方式解释第二种以籽晶为圆心,类似扇形放射波的“弧形生长纹”。


3.1.1、梨晶纵轴与晶体生长轴的关系

要明确梨晶“弧形生长纹”的展布方式,首先要明确梨晶的生长轴。

从化学组成上看,梨晶属于刚玉晶体,属三方晶系。三方晶系与六方晶系相同,晶体有四个生长轴,其纵轴(Z轴)与三个水平轴(X、Y、U轴)垂直相交。三个水平轴在同一水平面上以60或120度相交,与纵轴不等长。

梨晶是在籽晶上生长而成。籽晶是梨晶的晶核,是人们为满足晶体缺陷少(避免晶体的网面滑动)、生长快速、晶体粗大等要求,以最佳方式切割而成。即籽晶的生长轴与晶体的生长轴(Z生长轴)成60度夹角。就是说:与梨晶纵轴成60度夹角的假想轴才是晶体真正的生长轴(Z轴)。而在同一水平面上以60度或120度相交的三个等长的与生长Z轴相垂直的生长轴(X、Y、U)由于生长Z轴的偏离而偏离。这就造成梨晶不可能具有以纵轴为圆心的同心生长纹。


3.1.2、梨晶表面与纵轴相垂直的纹理

从晶体学的角度出发,和晶体同时生长的结构性同生包裹体除了生长纹还有与生长Z轴成一定夹角展布的双晶和聚片双晶纹(如图3.1.2.1所示)。结合维尔纳叶合成刚玉宝石籽晶的切割方式,正好从另一个方面应证了梨晶表面与纵轴相垂直的纹理是晶体的双晶和聚片双晶纹。(当然为了方便教学把这些纹理称作生长纹也不是不可以)。


 图3.1.2.1、天然刚玉宝石晶面的双晶纹

     由此可以看出;梨晶表面与纵轴相垂直的生长纹并非由维尔纳叶合成刚玉宝石的供料方式促成。前面讲过;梨晶顶部的熔蚀层为了保证梨晶的质量需保持2-3mm的厚度。为了保证梨晶能快速生长,与纵轴平行的纵向温差呈由上到下的梯级下降。随着晶杆的匀速下降进入凝固结晶层的熔蚀体也是均匀缓慢的。加之刚玉晶体的聚片双晶生长习性。梨晶出现与纵轴相垂直的纹理也是必然


     3.2、观察“弧形生长纹”的方法;

     3.2.1、通过梨晶顶部稍斜的角度能看到“弧形生长纹”

让我们看看Richard W Hughes 和 John I.Koivula在以梨晶为背景的《Dangerous Curves:a Reexamination of Verneuil Synthetic Corundum》(危险的曲线:维尔纳叶合成刚玉的再认识)一文中怎样描述“弧形生长纹”的观察方法:These Lines are seen by looking at a slinghtly oblique angle torwards thetop surface of the boule,as shown in Figure2 .(通过梨晶顶面稍斜的角度能看到这些生长纹,(如图3.2.1.1所示)。


3.2.1.1、通过梨晶顶面稍斜的角度能看到弧形生长纹

再来看看人们熟知的教材中的“弧形生长纹”图示(如图3.2.1.2所示),通过图3.2.1.2我们可以清楚的看到:首先、拍摄背景是素面(蛋面)饰品宝石,与梨晶非常相似,都具有弧形表面。其次、拍摄视角与弧面的底平面成夹角。这种拍摄方法与Richard W Hughes 和 John L.Koivula 所叙述的观察角度完全一致。

3.2.1.2、维尔纳叶合成刚玉的弧形生长纹与气泡


        3.2.2、“弧形生长纹”不弧的原理                   

 的确、从梨晶的生长阶段看:初始阶段溶蚀体在籽晶上经过层层凝固结晶,梨晶直径逐渐扩大到约20mm进入等径生长。这时虽然是等径生长,梨晶在纵向生长的同时直径也会逐步增大直至生长结束。如果以此作为“弧形生长纹“的理论依据,梨晶的“弧形生长纹”应该是以籽晶为圆心的扇形放射波状。

从热力学的角度讲:1、火焰外焰的温度最高。2、熔体中心的温度往往高于外围,温度由熔体中心向外呈梯级下降。就是说:落在晶杆顶部溶蚀层上的熔体处于氢氧燃烧的外焰,其溶蚀程度最高。结合晶杆的下降速度,落在熔蚀层顶部的熔体通常要在高温外焰下炙烤近二十分钟后才能随晶杆下降于溶蚀层下由外向内梯级结晶。

按照常理,下落在晶棒顶部的熔体可能堆积成丘。但实践中堆积的熔体有2-3mm厚,在长达二十分钟的高度炙烤下,在自身重力和热浪冲击下,熔体已高度液化,根据液体的特性和三方晶体结构的三氧化二铝溶液具有很好的流动性,可能出现的堆积丘逐流向较低洼和压力较小的地方,再加上先于凝固结晶所产生的向外收缩力,本应形成的堆积丘必然变得平坦。


3.2.3、梨晶顶部的收缩面

观察成品梨晶的顶部,我们可以看到:每一个冷却后的梨晶顶部都有一个微微下陷的收缩面(如图3.2.3.1所示)。这有力的证明了梨晶生长面的熔体在完全凝固结晶前和凝固结晶过程中受到自身重力、热冲击、流体习性和凝固收缩力的影响变得平整。

 

3.2.3.1、顶部微微凹陷的梨晶

    3.2.4、梨晶内部的应力

梨晶冷却后在内部应力的作用下往往沿纵轴方向断裂。造成这样断裂的应力究竟是什么样的力?为什么沿梨晶纵轴断裂?很显然来自梨晶纵轴圆周的向外收缩力迫使圆心(纵轴)承受了巨大的拉力,这正是梨晶结晶之初随温度由外向内依次凝固结晶所造成。反过来看:假如梨晶是由中心向外扩散结晶,不仅与热能散失原理不符,所产生的力也应该是向心收缩力,梨晶中心的纵轴应具有很大的集聚力。


    4、实际检测中的主客观因素可能产生的干扰

    许多文献和教材在没有任何前提条件的情况下把“弧形生长纹”描述为维尔纳叶合成刚玉宝石的固有特征,强调:天然刚玉宝石的生长纹是平直的,或六边形的。


     4.1、视角差与凸镜效应


4.1.1、梨晶的弧形生长纹


 4.1.2、天然红宝石的生长纹


     图4.1.1、图4.1.2展示了维尔纳叶合成红宝石和天然红宝石的生长纹。仅从生长纹的弧度上看,二者并无明显差别。这里的关键在于:二者有一个共同点:它们都是素面(蛋面)饰品宝石。更重要的是两幅图的拍摄角度都与宝石底平面形成了一个夹角,都利用了宝石的折射和凸镜效应。

许多时候当视角垂直于素面(蛋面)宝石底平面或刻面宝石台面时,是无法观察到生长纹的,只有当视角与素面(蛋面)宝石底平面或刻面宝石台面形成一定夹角才能观察到宝石的生长纹,这种条件下观察到的生长纹必然受凸镜效应和宝石折射率的影响。


4.2、焦距差

观察宝石包裹体必然要借助放大镜或显微镜。值得注意的是我们观察的是具有空间立体感的物体,如果我们所借助的放大镜或显微镜与被观察对象的焦距有出入,其结果必然出现凸镜效应,更何况我们观察的是宝石生长纹。


4.3、实验

Richard W Hughes 和 John I.Koivula 为我们揭示的观察“弧形生长纹”的条件,提示我们警惕视角差给我们制造的错觉。我们不妨做两个实验:首先、我们把一个类似梨晶的圆柱体表面(紧贴圆柱体表面)布满与圆柱体纵轴相垂直的直线,再用Richard W Hughes 和 John I.Koivula揭示的观察梨晶“弧形生长纹”的方法观察这些直线,我们会看到什么样的线?其次,我们把一个具有“弧形生长纹”的梨晶打磨成长方体再来观察,我们还能看到“弧形生长纹”吗?我们是否可以这样理解:具有弧面的宝石更易看到 弧形生长纹”。


       4.4、双晶纹与矿物出熔物

生长纹是晶体生长过程中形成的晶体缺陷,与它同期形成的晶体缺陷包裹体有双晶、聚片双晶纹和出熔矿物。

聚片双晶纹和矿物出熔包裹体会不会在主观意识、观察视角、放大镜和显微镜焦距不正确的情况下与“弧形生长纹”混淆?(如图4.4.1、图4.4.2所示)


4.4.1、蓝宝石聚片双晶纹


4.4.2、出熔的水铝矿

4.5、没有条件和标准

有点几何常识的人都知道:弧线是由无数条短小的直线线段组成。在没有背景条件,没有标准的情况下,弧形与直线完全靠主观意志判断难免不时时出现偏差。比如、当被观察对象小到只有1克拉时,它的生长纹该如何判定。

不错,平行天然刚玉宝石光轴(Z轴)观察,天然刚玉原石的生长纹确实是六边形的。但、天然刚玉宝石生长于复杂的地质环境,各类包裹体丰富。为了保证饰品宝石的价值,人们必须切除有可能影响宝石价值的包裹体。因此能够成为饰品的宝石往往无法拥有完整的六边形生长纹。


4.6、小结;

综上所述“弧形生长纹”并不具有独立成为鉴定特征的价值。

在红蓝宝石鉴定历史上双晶和聚片双晶曾被认为是天然红蓝宝石的鉴定特征,通过实践人们发现合成刚玉宝石也能具有双晶和聚片双晶,于是人们放弃了该鉴定特征。如今的“弧形生长纹”作为维尔纳叶合成刚玉宝石的鉴定特征同样存在许多有待进一步验证的争议,例如:1、“弧形生长纹”真是弧形的吗?这些弧形的圆心在那里?2、如何解释“弧形生长纹”的生成原理。3、认识“弧形生长纹”的条件和标准是什么?4、“弧形生长纹”是不是维尔纳叶合成刚玉宝石所独有?等等。所有这些都还没有一个明确的定论。更重要的是鉴定特征应该具备什么样的条件。

      

5、总结

维尔纳叶合成刚玉宝石的典型特征除了“弧形生长纹”还有生长纹细密、均匀并伴有各种与圆形有关的气泡。出于维尔纳叶合成刚玉宝石的工艺、生产流程和结晶方式,维尔纳叶合成刚玉宝石的最大特征是没有先成包裹体(晶核、晶芽、细小的晶体和晶体碎片等)和物质类后成包裹体。所有这些足以组成一个完整的证据链,其说服力远远胜于单一的易受主客观干扰的“弧形生长纹”。

上一篇: 国土资源部 二十五个部级质检中心公告

下一篇: GTC 2017年缅甸翡翠市场考察之初体验



粤公网安备 44010402000876号