合成宝石材料简介


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合成宝石材料是在实验室中制成的一种材料,但却具有与其相对应的天然矿物相同的化学、光学和物理特性,虽然在某些情况下,如合成土耳其石和合成蛋白石,可能会有其他化合物的存在。

自 19 世纪后期以来,就已经开始生产合成宝石晶体,其产品往往是满足珠宝行业以外的工业应用需要。 首次成功生产的合成宝石为刻面合成红宝石。 合成晶体应用于通信和激光工艺、微电子技术和磨料。 因为如果提供正确的原料、时间以及生产它们的设施,珠宝应用的合成品是可以“定制”的[即统一的颜色和晶体形状],它们很可能没有相同大小、净度和色彩饱和度的天然宝石那么稀有。 因为这一点,并且因为可以将它们与天然的宝石混淆,有关如何推广和销售的严格方针也就应运而生。
 
在美国,联邦贸易委员会要求实验室制造的任何宝石材料都应毫不含糊地描述为非自然生产材料。 如果在销售时,合成宝石的材料的原产地未能在整个分销渠道清楚披露,则被视为欺诈行为(从制造商到消费者)。 也有一些行业组织,如美国宝石贸易协会 (AGTA)、国际有色宝石协会 (ICA),以及世界珠宝联合会 (CIBJO) 等均已经制定了有关其成员在销售合成宝石时的披露的具体指导方针。

在过去的十年中,越来越少的新型人造宝石材料流于市面。 这表明,就新材料的创造方面而言,合成宝石材料的潜力已到达极限,但不限于现在仍然相当显著的生产效力。 在上个世纪,研究人员就已开发出许多不同的方法来在实验室中创造这些合成宝石材料。 大多数这些方法分为两大类—熔化法或溶解法。

在熔化法中,熔体的化学成分和所得到的晶体的成分是相同的。 在溶解法中,溶液或熔体的化学成分与得到的晶体的化学成分不同。 成分溶解在高温的溶液中或熔体中,并且晶体最初会在熔体温度降低时形成晶种。 一些主要的合成方法包括:

火焰法或维尔纳叶法(熔化法)

第一个在商业上大获成功的合成宝石是通过火焰法制成的。 这个方法通过在高温火焰中投入粉末状化学物,高温将化学物熔化并落在一个旋转的基座上,进而结晶生成合成晶体。 时至今日,这种方法仍然是制造合成刚玉和尖晶石等宝石的最实惠和最常用的方法。

拉晶法或 Czochralski (沙可夫斯基) 法(熔化法)

拉晶法出现在 20 世纪初。 在这个方法中,粉末原料在坩埚中熔化,合成晶体从浸在熔体中的晶种生成,然后在其生成时将其缓慢地从熔体中拉起。 拉晶法合成的宝石包括合成亚历山大变石、金绿玉、刚玉和柘榴石。

助熔法(溶解法)

今天一些合成宝石,如绿宝石、红宝石、蓝宝石、亚历山大变石和尖晶石都可以通过助熔法制成。 助熔剂是一种固体材料,它在熔化时会溶解其他材料,和水溶解糖的原理相同。 当溶解的化学溶液逐渐冷却时,便会形成合成晶体。
 
通过助熔法生长合成宝石需要耐心和投入大量资金。 晶体生长可能需要长达一年的时间,而且设备非常昂贵。 但其效果(尤其是祖母绿)完全值得耗费时间和精力。

水热法(溶解法)

和助熔法一样,水热法也是极其缓慢和昂贵的。 但它是制造合成石英的唯一方法。 这个方法需要热力和压力,并模仿生成天然宝石的地底深处的条件。 成分在水溶液中溶解,然后当溶液冷却时便会结晶成合成水晶。
 
尽管以下列表包含了最常见的合成品,多年来,也通过实验研究制造了很多合成宝石。 这包括孔雀石、变色合成尖晶石等。 但由于自然产生这些产品更容易,所以今天已经很少见了。 一些更经常遇到的合成宝石包括:

合成钻石(不经常遇到)

这些在实验室中培养的钻石和那些天然钻石有着大多数相同的特点:它们本质上都是碳。

化学蒸气沉淀法 (CVD) — 由于化学反应,钻石会在真空室中生长,这会释放出沉淀在钻石排种盘中的碳原子。


CVD 合成钻石
一些合成钻石使用化学蒸气沉淀法 (CVD) 生成,比如这一组。

高压高温 (HPHT) — 钻石通过熔化的助熔剂生长,助熔剂可在较高温度下溶解碳,钻石会在生长室的较低温度部分的晶种上形成。

高压高温 (HPHT) 合成钻石
有些钻石是在高压高温的环境中制成,包括这一系列中各种颜色的合成钻石。

合成刚玉(广泛使用)

合成刚玉,包括红宝石和蓝宝石,可以使用各种方法生产。 正因为如此,合成刚玉的价格从极便宜到极昂贵不等。

火焰法合成刚玉
合成刚玉可以通过各种方法制成,包括这一炫彩系列的火焰法融合晶体(在切磨之前可见)。

红宝石 — 19 世纪末 Auguste Verneuil 在实验室合成的第一颗宝石就是红宝石。 1902 年,他宣布了使用火焰法合成这种美丽的宝石的发展。 
 

合成红宝石
合成红宝石可以通过助熔法生长过程(左边的晶体和已切磨宝石)和火焰法(右边的晶棒和已切磨宝石)生产。

蓝宝石 — 一些合成蓝宝石的最早例子是新艺术风格和装饰艺术风格珠宝的原创作品。 许多合成蓝宝石仍然通过火焰法制成,但自20 世纪 60 年代以来,通过助熔法合成的蓝宝石已经面世。 助熔法、拉晶和热液合成蓝宝石可制成令人信服的天然宝石替代品。 自 1900 年代初以来,用作亚历山大变石仿品的变色合成蓝宝石一直很受欢迎。 诱导内含物使部分人造红宝石和蓝宝石产生星光效应。

合成星光蓝宝石
可以将合成蓝宝石制作成显示诸如这些凸圆面切磨宝石所呈现的星芒(星光效应)。

合成祖母绿(广泛使用)和其他绿柱石(稀少)

合成绿柱石具有多种颜色,包括黄色、红色、蓝色(海蓝宝石)和绿色(祖母绿)。 在 20 世纪 80 年代末和 90 年代,俄罗斯成为这些合成宝石的重要产地,并且仍然是水热法生长的宝石(如合成绿柱石和合成刚玉)以及其他类似的人造钻石及合成变石的主要供应商。

合成绿柱石晶体
这些都是合成绿柱石晶体和已切磨的宝石的例子(包括合成祖母绿品种—绿色宝石)。

祖母绿 — 在 30 年代末期,科学家们最终采用助熔法合成了这种具有商业利润的理想深绿色宝石。 水热法合成祖母绿珠宝出现在 1960 年。

合成石英(广泛使用)

黄水晶、粉晶、 烟晶和紫水晶等宝石级石英非常具有吸引力。 但天然宝石级石英比较充足,因此稀缺性并非研究人员费力开发合成宝石级石英方法的​​原因所在。 其原因是,它在科技方面具有关键作用 在受压时,它可以产生电流,并且能够对交流电流产生精确振动。 这些优点能够运用在手表、时钟、通信设备、过滤器和振荡器的实际用途中。

紫水晶:实验室生长的紫水晶和其他合成石英品种在作为工业应用开发后开始进入珠宝领域。 19 世纪 90 年代,水热法石英首次出现在实验室中。 但直到第二次世界大战,合成石英才开始在商业中广泛使用。

天然紫水晶、合成紫水晶和合成水晶石英晶体
天然紫水晶和水晶的石英晶体(左)以及合成紫水晶和人造水晶石英晶体(右)。

合成尖晶石(广泛使用)

早在二十世纪,尝试生长合成蓝色蓝宝石的研究人员偶然间生产出合成蓝色尖晶石。 从那时起,合成尖晶石已经常用来代替许多天然宝石。 20 世纪 90 年代,一种新型俄制助熔法生长的合成尖晶石引入多种颜色,包括红色(一种未能通过较旧的火焰法处理的广泛使用的颜色)。

合成尖晶石
这里看到的合成尖晶石为制造商出产时的晶体形态。 刻面宝石可呈现任何色彩,并且经常用于仿造各种天然宝石。

合成蛋白石(偶尔看到)

20 世纪 70 年代,吉尔森公司开发了三步骤制程来生产令人信服的合成蛋白石。 首先,通过沉淀创造二氧化硅的微小球体。 其次,球体在酸性水中存在一年多的时间。 最后,水压机在不影响多层结构的情况下整合球体,创造蛋白石的游彩。

合成蛋白石
这些合成蛋白石有时出现在市场上,对没有经验的人来说,可能会认为是极为珍贵的天然白蛋白石和黑蛋白石。

合成亚历山大变石(稀少)

在过去的几十年间,由于没有足够的天然亚历山大变石来满足需求,市场上已经出现各种合成材料。 采用包括 Czochralski(沙可夫斯基) 法、浮区法和助熔法在内的多种不同的方法制作合成亚历山大变石。 另外,具有颜色变化的合成刚玉通常被用来仿造天然亚历山大变石。 在罕见的情况下,市场上可能会出现合成变色尖晶石。

合成亚历山大变石
像此类宝石的合成亚历山大变石(在白炽灯和日光灯下显示不同颜色)是比较罕见的。 相对较常见的是亚历山大变石仿品,包括变色合成尖晶石和蓝宝石。