蓝宝石系列第 1 部分:蓝宝石和合成蓝宝石简介


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图 1:这颗 98.57 克拉深蓝色 Bismarck(俾斯麦)蓝宝石产自缅甸。 照片由 Smithsonian(史密森)学会的Chip Clark(齐皮·克拉克)提供。
一听到“蓝宝石”,大部分人的脑海中会浮现一颗天鹅绒般优雅精美的蓝色宝石,就像 Bismarck(俾斯麦)宝石项链的中心宝石(图1)。 但是,蓝宝石远远超乎人们的想象,在了解其工业应用、合成的晶体生长行业发展历史及其变化多端的外观之后,你可能会大吃一惊。


图2。 左:在这个晶体结构模型中,紫色和金色球体分别代表铝和氧。 粉色阴影展示了铝的八面体配位。 右:六角形图示展示了 c a 平面。
蓝宝石是矿物刚玉的一个种类,也称为氧化铝 (Al2O3)。 刚玉在三角晶系内结晶,通常使用六角轴(图2)表示。 如果提供正确的微量杂质和生长条件,它可以呈现各种彩虹色(图 3)。 除了蓝色蓝宝石和红色红宝石以外,刚玉还包括所有其他颜色的“彩色”蓝宝石(包括无色)。 世界各地都发现了蓝宝石和红宝石的踪迹,非洲、亚洲、澳洲、北美洲及欧洲都是世界闻名的产地。


各种蓝宝石
图 3。 这些呈现彩虹色的蓝宝石选自 GIA的 Eduard J. Gübelin(爱德华·杰·古柏灵)博士的藏品。 照片由 Robert Weldon (罗伯特·韦尔登)拍摄。
蓝宝石的熔点为 2040℃,Mohs(莫氏)硬度规模高达 9,折射率为 1.76 至 1.78。 如果没有杂质,蓝宝石可以成为上乘的光学窗口材料,因为它在整个可见光范围内都清晰透明,甚至远至紫外线和红外线。 拥有这样的特性,也难怪蓝宝石有史以来便是珍贵的宝石。 这些相同特性也使得蓝宝石对非宝石的应用非常有吸引力,当今最先进的人工合成晶体生长和加工技术导致对这种材料的需求不断上升。

蓝宝石作为机械钟表的宝石轴承首次应用于工业是在 300 多年以前,持久度和高精确度的蓝宝石是这些耐用、低摩擦组件的最佳选择。 第一块合成刚玉是助熔剂生长的红宝石,制作于 1873 年。 随后的 1885 年,商用助熔剂 Geneva(日内瓦)合成红宝石问世,1902 制造了第一块 Verneuil 火焰法合成的红宝石。 早期合成的蓝宝石和红宝石用于宝石和腕表装饰珠宝。 但自那以后,通过更多晶体生长技术制造的合成蓝宝石多于其他任何一种晶体。 蓝宝石是拥有全等熔点(在此温度下,固体变成相同成分的液体)的二元化合物,让大量生长技术成为可能。

图 4。 生长技术制成并且已经刻面 的Chatham(查塔姆) 合成蓝宝石。 图片由 Tom Chatham(汤姆·查塔姆) 提供。
现在,助熔剂(溶液)和 Verneuil(火焰法)技术仍用于合成宝石和其他应用。 20 世纪期间,Carroll Chatham(卡罗尔·查塔姆) 发明的高品质助溶剂技术,让晶体缓慢生长并严格控制其特性。 1959 年,通过使用专业工艺,Chatham(查塔姆)制造出了宝石品质的红宝石,并在 1975 年制成蓝色蓝宝石(图 4)。 火焰法技术用来快速生长用于首饰及作为其他生长工艺原料使用的小型蓝宝石晶体。 1905 年,Hrand Djevahirdjian 开始使用 Verneuil 火焰法生长晶体,他于 1914 年在瑞士开设的工厂至今仍在生产合成蓝宝石(图 5)。


图 5。 生长技术制成并且已经刻面、使用Djeva 火焰法制造的蓝宝石和红宝石。
图片由 Hrand Djevahirdjian公司提供。
随着时间的推移,将蓝宝石理想的光学、机械、化工、结构和热性能与技术应用相结合,能够创造更大、更完美、形状更加多样化、色彩缤纷的人造蓝宝石。 为满足这些要求而使用的晶体生长技术将在下一部分加以说明。

Jennifer Stone-Sundberg(珍妮佛·史通-桑德博格)是 Crystal Solutions, LLC (晶体解决方案有限责任公司)的执行董事,也是《宝石与宝石学》的技术编辑。 她擅长晶体生长和特征化工艺。