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唐元汾作者简介:唐元汾,中宝协人工宝石专业委员会第二、三届委员,原中国科学院上海硅酸盐研究所晶体研究室高级工程师。一、引言人们对宝石人工合成(晶体生长)有一种神奇的感觉,其实晶体的培育生长和自然界种庄稼很类似。要想获得优良的晶体,首先要选出良好的种子(籽晶),有了良好的种子,才能培育生长出我们希望得到的方向、尺寸、形状的优质晶体材料,最后再进一步加工出各式各样的宝石和首饰产品。在这一过程中,籽晶的作用非常重要。好的籽晶至少要满足以下两个条件:1)具有合适的晶体生长取向:生长取向通常是指生长轴与晶体光轴的夹角。由于大部分晶体具有各向异性,不同晶向的生长习性也不同,不同的晶体生长取向下,质量、生长速率、单晶率、完整性等都不同。故要根据生产需要,选择最有利的晶体生长取向和生长面。2)内在质量良好:籽晶应该单晶性好,没有峦晶、多晶、气泡、包裹物、散射颗粒等缺陷,以避免这些缺陷“遗传”到晶体中,具体可用激光来检验。为了能选出我们希望的、质量合格的籽晶,需要用到激光,X光晶体定向仪,光学偏光显微镜和切、磨、抛等项技术和设备。本文就宝石人工合成培育晶体生长中所需要的方向,各种几何尺寸形状的好籽晶作一些介绍。二、焰熔法生长宝石用籽晶的制备焰熔法是最常见的宝石生长方法,广泛用于刚玉类无色蓝宝石和彩色宝石、彩色铝镁尖晶石宝石、金红石、钛酸锶等合成宝石产品。焰熔法具有无需坩埚、温度高、生长速度快和效率高等优点,同时该方法由于纵向、横向的环境温度梯度大、生长速度快,产品梨晶中缺陷很多。如果籽晶中有缺陷,这些缺陷会顽强地延伸到梨晶中,使晶体炸裂,成品率低,质量欠佳。因此焰熔法中籽晶选用合适与否对晶体生产影响很大。我们曾选用(1120)面的优质红宝石籽晶在原上海玻璃仪器一厂宝石车间试验,结果成品率由原59%提高到99%,这说明了选择优质籽晶的重要性。下面简要介绍焰熔法生长宝石晶体时制备籽晶的方法。1)初次生长宝石无籽晶可用,此时可利用焰熔法无籽晶直接培育法生长出晶体,再利用该晶体制备籽晶。具体方法式是先在底座上(蜡烛台)生长几个晶芽,选择其中长得最快和发育晶形最好的晶芽,把它扩大培育生长成大的梨状晶体。如图1所示。图1 无籽晶生长底座图2)在得到如图2所示的梨状晶体后,根据梨晶根部的晶面削面(001)面和梨晶顶部有平行于[001]方向的显露线,在顶部沿平行显露线中心,用3mm的金刚石锯片,切锯1~3mm的深槽,此时梨晶就会沿梨晶顶部中心自动对裂成两个如图4所示的大瓣半梨晶。图2 梨状晶体图3 裂成两半的半梨晶3)在获得如图3所示的两大瓣半梨晶之后,首先把两大瓣梨晶的两大面加工抛光,如图4所示的那样,选择晶体内部散射颗粒、滑移、双晶孪晶少的晶胚料来切取优质籽晶。图4 实物图5 长方或正方直角准确方块4)定向程序是将经检验过的优质梨晶瓣加工成如图5所示的长方或正方直角准确的方块,为定向做好第一步准备工作。X射线晶体定向程序是先根据晶体的X射线粉末衍射谱线图,查得所需方向hkl的参数θ。例如要定α-Al2O3晶体的[006]方向,查表1可知其对应的θ角为20°50′。把X光晶体定向仪上的刻度盘转到2θ也即41°40 ′的位置上。将要测定的α-Al2O3晶体方块(即图5)的端面贴在X光晶体定向仪的测定吸附口上,转动转轮,当转轮刻度转到20℃左右,X光晶体定向仪上的显示指针会出现左右摇摆,这就表示接近[006]方向了。X光晶体定向操作是一个修磨操作工艺:在X光晶体定向仪指针向左偏的时候,要把α-Al2O3晶体方块的端面右面在研磨机的金刚石磨盘上进行研磨。反之则修磨左端面。这样经过反复修磨到这个端面能使显示指针锁定在20°50 ′的位置上。然后依此端面为基准面,用直角器测量,把如图5所示的一个大面和一个侧面修磨加工成直角形方块,直角精确度要在1℃内。用该大面和侧面分别作为对刀面和基准面,用外圆多刀或内圆单刀切割机进行籽晶切割,达到如图6所示的籽晶。图6 切出的籽晶表1 α-Al2O3晶体衍射谱线参数表2 YAG晶体衍射谱线参数三、提拉法生长宝石用籽晶的制备用提拉法可生长刚玉类无色蓝宝石和彩色宝石,YAG及YAG仿祖母绿等宝石晶体。如果没有晶体可用来切割籽晶时,可先用与坩埚材料同质的金属棒,作模拟籽晶,引晶提拉出晶体来,再根据晶体方向面在晶体坯料上显露的特征,根据表1与表2的X射线粉末衍射谱线参数可查出相应α-Al2O3和YAG晶体在所需方向的参数θ,采用上文介绍的焰熔法宝石生长用籽晶制备工艺,即能定向切割出用于提拉法生长刚玉类白宝石和彩色宝石等所需的优质籽晶,如图7和图8。图7 提拉法生长的白宝石及其籽晶四、焰熔法合成尖晶石的籽晶制备查表3合成尖晶石(MgAl2O4)的X射线粉末衍射谱线图得到其所需方向的参数θ,同样采用上文介绍的焰熔法宝石生长用籽晶制备工艺,即能定向切割出用于焰熔法生长尖晶石所需的优质籽晶,如图9。图8 YAG晶体及其籽晶图9 合成尖晶石晶体及其籽晶表3 镁铝尖晶石(MgAl2O4)晶体衍射谱线参数五、结论1)宝石人工合成(晶体生长)的成品率,晶体产品质量与晶体培育生长所用的籽晶方向及质量密切相关。2)用X光晶体定向仪及氦氖激光,光学检测等方法来选择优质籽晶切实可行。参考文献李德宇,刘建成,唐元汾宝石单晶生长取向与脆性关系的研究硅酸盐学报,N01,刘来保,赵久应用X射线定向仪的晶体快速定向法北京:化学工业出版社

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发的是什么类别的期刊,可以上国家新闻总署查询的。

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主 编:黄 勇副主编:李懋强,邱建荣,史可顺委员:(以下按姓氏笔划排列)马保国巴恒静方永浩王迎军王树海王继扬王培铭包亦望史才军史可顺白志民乔冠军刘开琪刘宣勇刘景和吕忆农孙加林成来飞余其俊吴 隽张怀武张耀明李玲霞李敬锋李懋强杨金龙杨春晖肖汉宁邱建荣陈 玮陈万春陈天虎陈立泉陈创天陈国荣陈益民周 玉周宁生周健儿欧阳世翕罗宏杰姚 燕南策文胡丽丽赵修建徐 军徐永模徐家跃徐德龙翁文剑钱春香高 濂高瑞平阎培渝隋同波黄 勇傅正义靳正国翟继卫 主编:南策文副主编:(按姓氏笔画排序)方永浩,白志民,李敬锋,成来飞,陈天虎,肖汉宁,邱建荣,阎培渝,翟继卫编委:(按姓氏笔画排序)马保国 方永浩 王 聪 王迎军 王培铭 王燕民 包亦望 史才军 白志民 乔冠军 刘开琪 刘宣勇 吕忆农 成来飞 严学华 余其俊 张文生 张怀金 李 勇 李红霞 李玲霞 李敬锋 杨金龙 杨春晖汪 宏 汪长安 肖汉宁 邱建荣 陆亚林 陈天虎 陈克新 陈国荣 陈惠苏 陈湘明 周 玉 周健儿 林 媛 罗宏杰 范丽珍 南策文 姚 燕 施剑林 胡丽丽 胡章贵 赵修建 徐永模 徐家跃 徐德龙 翁文剑 钱觉时 阎培渝 傅正义 温兆银 程一兵 程寒松 韩敏芳 靳正国 翟继卫 潘 伟

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