專利名稱：助熔劑法合成激光晶體祖母綠寶石的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合成寶石及合成寶石的制備方法，具體地說是一種人工制備的激光晶體祖母綠寶石及其制備方法，屬人類生活需要的寶石領(lǐng)域和激光材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
祖母綠Emerald以其特有翠色，為世人所珍貴，它青翠悅目，是寶石家族中的珍品，是世界五大名寶之一。
自古以來，祖母綠以其稀少、名貴、美麗、透明享有綠寶石之王的美譽，由于礦藏稀少，優(yōu)質(zhì)者超過鉆石售價，位居珠寶行業(yè)榜首。
世界上最美艷的綠是祖母綠，被稱為綠色寶石之王。天然祖母綠寶石礦產(chǎn)量稀少，近幾十年來沒有發(fā)現(xiàn)新的礦藏，我國目前尚未發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)祖母綠礦藏。而優(yōu)質(zhì)寶石級祖母綠，僅為已采掘出祖母綠總量百分之一，由于祖母綠名貴、價昂、稀少，因而優(yōu)質(zhì)名寶祖母綠超過鉆石價格。
據(jù)王曙著“珠寶玉石和金首飾”第93頁介紹“1977年國際市場上有一顆重18.35克拉的祖母綠，售價高達52萬美元，優(yōu)質(zhì)者每克拉由1000-10000美元以上。”93年北京展出哥倫比亞祖母綠項鏈一付(標明非賣品)，美商出價2億美元求購。
據(jù)“珠寶科技”1993年2期報道1993年美國舉辦39屆國際珠寶和礦物界年會資料“合成祖母綠售價，1克拉90-360美元?！焙铣勺婺妇G是現(xiàn)代高科技與人類智慧結(jié)晶的豐碩成果。是人工合成的晶體礦物，是無機新材料，在我國屬高科技創(chuàng)新產(chǎn)品，被稱之謂現(xiàn)代科技之花。
成都工學(xué)院(原地質(zhì)學(xué)院)付教授劉永先在1995年出版“寶石指南”中稱“合成寶石是利用現(xiàn)代技術(shù)按照自然界已知寶石礦物的成份和結(jié)構(gòu)，在實驗室中生產(chǎn)的寶石礦物，他們的物理、化學(xué)性能與天然寶石幾乎相同，物美價廉，這是寶石業(yè)劃時代的創(chuàng)舉，越來越多地被人們所接受?！弊婺妇G激光晶體寶石為國防工業(yè)繁榮與強大將作出重要貢獻。南京大學(xué)地球科學(xué)碩士任志力指出“正因為祖母綠價值連城，因而也是目前合成最為成功的寶石之一，世界各國科學(xué)家為了合成出與天然祖母綠更為相似的寶石，投入了大量的時間和精力，如果世界上有可亂真的合成寶石的話，祖母綠便是其中一種?！?
合成祖母綠人工激光晶體寶石，具有美化人民生活的功能，又是國防尖端工業(yè)，現(xiàn)代高科技領(lǐng)域的重要材料，20世紀初，我國國家科技部將人工晶體材料列為高科技重點發(fā)展的前沿創(chuàng)新學(xué)科。
中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究晶體中心、國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心，2002年11月聯(lián)合發(fā)表“祖母綠激光晶體的水熱法生長”研究中指出，“祖母綠是一種優(yōu)秀的寬帶可調(diào)諧激光晶體材料，其穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)吸引了許多位科學(xué)家先后研究該晶體的激光特性，分別對助熔劑法和水熱法合成的祖母綠晶體進行了激光性能的研究，并實現(xiàn)了祖母綠的激光運轉(zhuǎn)(摘自中國無機材料學(xué)報2002年第17卷第六期載)。目前有以色列、俄羅斯、韓國、日本和歐洲共同體等國仍在致力于晶體新的生長技術(shù)研究。”寶石在社會生活中和國防、通訊、航空、航天工業(yè)中具有重要功能。
寶石是人類珍愛的藝術(shù)品，它具有很高的欣賞價值與藝術(shù)價值。
寶石是崇高情操的象征，忠誠、勇敢、智慧、純潔的代表，是長壽、幸福、愛情、美滿的伙伴。
寶石是一種特殊商品，許多國家將名貴寶石收入國庫儲存，作為民間珍貴的收藏品。
寶石是出口賺取外匯的重要手段，也是國家稅收的來源。如日本珠寶稅收占國家稅收第二位。
人工激光晶體祖母綠寶石是一種極其重要的國防工業(yè)所用的新材料；2006年我國激光制導(dǎo)炸彈、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、集體亮相珠海航展指出“我國武器邁入了精確制導(dǎo)時代?！?見附件11)據(jù)新華社2006年11月2日報導(dǎo)“作為一種新一代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器，這種武器系統(tǒng)具有體積小，重量輕，精度高，威力大，反應(yīng)迅速，突防能力強，可靠性高，越野能力高，戰(zhàn)術(shù)生存能力強，操作維護簡便等優(yōu)點，激光制導(dǎo)已成為未來中國武器的一個重要方向?！?見附件11)人工晶體材料，它具有壓電、光電、熱電，受激發(fā)射和紅外遙感的功能，對現(xiàn)代科學(xué)研究微波高頻通訊的發(fā)展、應(yīng)用具有重要作用與特殊功能，合成晶體是半導(dǎo)體、微電子和電子的基礎(chǔ)材料。有關(guān)科學(xué)家曾預(yù)言“晶體材料，將成為21世紀技術(shù)潛力的戰(zhàn)略材料。”合成祖母綠國內(nèi)外研究水平與現(xiàn)狀合成祖母綠始于1888年，經(jīng)歷了110多年的不斷探索，經(jīng)歷了漫長而艱辛的努力。
中國寶石協(xié)會理事王曙1994年在“真假寶石鑒別”一書中介紹1888年科學(xué)家哈特(Hartefeville)合成祖母綠，周期19天可得到一毫米的小晶體。
美國查諾姆(C·F·Chatham)1947年用助熔劑工藝，做出了最大晶體重量1257克拉，約225克晶體，生長期1年。
法國吉爾森(PGjilson)1950年研究合成祖母綠經(jīng)歷了漫長的14年研究，做出了祖母綠晶體500～1000克拉(100～200克)，晶體生長期9個月。
日本京都陶器公司1975年正式宣布研制出祖母綠，并以天然祖母綠一半價出售鑲嵌首飾。其晶體生長期六個月，只是無法合成大晶體，一般重只有1克拉左右。
俄羅斯據(jù)新華社訊貴陽晚報1997年4月刊載俄羅斯科學(xué)院地質(zhì)礦研究所，研制成功綠寶石(祖母綠)，經(jīng)測定，僅達到各種所需工藝指數(shù)，但該企業(yè)科研榮獲國家金獎。
注沒有達到俄羅斯國家寶石質(zhì)量標準。
臺灣1998年據(jù)新華社供稿貴陽晚報刊登鄭成功大學(xué)物理系研制合成祖母綠晶體僅有1克拉重。
成都1998年7月10日全國寶石報報道西南核技術(shù)物理所研制成功仿祖母綠，(玻璃體)研制期間的試銷受到國內(nèi)外擁護和歡迎，被中國寶協(xié)領(lǐng)導(dǎo)譽為四川一朵金花。
廣西“中國寶石”1999年2期報導(dǎo)“廣西寶石研究所，用水熱法生長工藝合成祖母綠，每天晶體生長0.05mm，目前年產(chǎn)量約為7500克拉(1500克)?！辟F陽貴陽天方裝飾公司寶石部教授級高級工程師，原貴州省輕紡工業(yè)設(shè)計院副院長，貴州省著名專家，總工程師、本發(fā)明專利申請人、發(fā)明人方子修用助熔劑法，合成激光晶體祖母綠，獨創(chuàng)、研究出優(yōu)質(zhì)激光晶體祖母綠寶石，經(jīng)中國地質(zhì)博物館地質(zhì)博士董振信等親自做了全面測定，全部質(zhì)量指標優(yōu)良，達到中國國家寶石標準和美國國家寶石標準。
1997年10月貴州日報在第一版刊登了專題報導(dǎo)名貴合成激光晶體祖母寶石在我省研制成功。(見附件8)以現(xiàn)代高技術(shù)設(shè)計工藝，采用天然礦物原料，模擬天然寶石成礦基因，地質(zhì)條件，用助熔劑法、獨創(chuàng)性的研制出激光大塊晶體寶石，屬高新技術(shù)成果。開發(fā)前景十分良好。
福建中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所晶體中心，國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心在2002年11月無機材料科學(xué)報報導(dǎo)用水熱法合成激光晶體祖母綠成功。并提出合成的祖母綠寶石(水熱法和助溶劑法)生產(chǎn)研制的祖母綠人工晶體是一種優(yōu)秀的寬帶可調(diào)諧激光晶體材料。同時測定了激光祖母綠晶體及進行了光學(xué)性能的研究，實現(xiàn)了祖母綠的激光運轉(zhuǎn)。
人工晶體激光寶石在國內(nèi)外申請專利概況名貴寶石合成祖母綠，工藝技術(shù)在國際、國內(nèi)上均為高度保密范圍，均不對外公布，尚無專著出版，不發(fā)表關(guān)鍵性技術(shù)論文，也不申請專利。本發(fā)明專利申請“助熔劑法合成激光晶體祖母綠寶石”。公開人工合成祖母綠寶石的工藝在國內(nèi)外尚屬首次。
日本定石學(xué)家權(quán)威近山晶著(寶石手冊)第19頁介紹稱“眾所周知的查姆斯(Chrthamn)，合成祖母綠，就是由助熔劑法制造，由于嚴格保密，技術(shù)細節(jié)不詳。”據(jù)發(fā)明人查閱文獻了解到國外對于重要的晶體生長原理和技術(shù)是嚴格保密的。
我們運用天然祖母成礦原理與人工激光晶體生長規(guī)律，進行了周密深入，獨創(chuàng)性的探索，完全是自主開發(fā)，產(chǎn)品質(zhì)量居于國際領(lǐng)先水平，具有獨創(chuàng)性的高新技術(shù)成果。
英國寶石協(xié)會著“寶石學(xué)教程，”“合成的晶體只要具有與其天然對應(yīng)物相同的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，也將具有相同的物理和化學(xué)特性”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于運用天然祖母綠成礦原理與人工激光晶體生長規(guī)律，制造出大塊晶體，具有相對固定的化學(xué)組成，含雜質(zhì)少，晶體具有產(chǎn)生寬帶可調(diào)諧激光性能的祖母綠寶石。
本發(fā)明人工合成祖母綠寶石的方法稱“助熔劑法”或“助熔劑生長法”本發(fā)明與現(xiàn)在公開助熔劑法不同，加熱時高溫電爐和盛原料的鉑坩堝容器都處于靜止狀態(tài)，不攪拌，不旋轉(zhuǎn)，電爐密封，并不斷抽空電爐中的氣體。
本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，將合成寶石所需的原料、助熔劑和微量元素，按重量比配合，原料和原料重量比為SiO2191.72±3.83g、Al2O356.25±1.13g、BeO 39.96±0.20g；助熔劑重量配比為CaO 2.04±0.02g、Mgo 0.24±0.002g、Li2CO32.52±0.02g、Na2CO35.47±0.05g、K2CO30.22±0.002g；微量元素和微量元素重量配比為Fe2O31.83±0.03g、Cr2O32.73±0.01g、V2O50.84±0.003g、MnO 0.06±0.003g，其中原料與助溶劑和微量元素的重量配比為原料287.93g±5.16g配助溶劑10.49g±0.09g、配微量元素5.46g±0.04g，將原料，助溶劑和微量元素的配合物用瑪瑙乳缽研磨混勻，將混合物置電爐中加熱至200℃，1小時后取出冷卻，經(jīng)球磨機球磨至200目，然后送入鉑金坩堝，在高溫爐中，在1200℃～1450℃熔融至透明，經(jīng)全部熔完后，停止加熱，緩慢冷卻到室溫，熔融物在高溫電爐中靜置緩慢結(jié)晶一周，取出經(jīng)寶石加工后處即得。
本發(fā)明所用的原料SiO2、Al2O3可采用天然礦物原料，其余為一般化工原料。原料、助熔劑和微量元素的某些成份如Na2CO3、K2CO3、MnO、CaO和MgO等等可以分別用相應(yīng)的物質(zhì)K2O、Na2O、MnO2、CaCO3和MgCO3代替，但要按配比進行換算。根據(jù)寶石二色性的要求不同，可以對加入的個別微量元素組分進行調(diào)整。
激光晶體祖母綠寶石是環(huán)狀結(jié)晶，以[Si6O18]陰離子團作為基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成環(huán)狀硅氧骨干，陽離子Be(四次配位)和AL(六次配位)位于環(huán)狀硅氧骨干之間，把環(huán)狀硅氧骨干彼此聯(lián)系起來，中間存在巨大孔道。
具體實施例方式實施例1、稱取原料SiO2195.55g、Al2O357.38g、BeO 40.16g，共計293.09g，稱取助熔劑CaO 2.06、MgO 0.24g、Li2CO32.54g、Na2CO35.52g、K2CO30.22g，共計10.58g稱取微量元素Fe2O31.86g、Cr2O32.74g、V2O50.84g、MnO 0.06g，共計5.5g，將原料助溶劑和微量元素的配合物，用瑪瑙乳缽研磨混勻，將混合物置電爐中加熱至200℃，一小時后取出冷卻經(jīng)球磨機球磨至200目，然后送入鉑金坩堝，在高溫電爐中，在1200～1450℃熔融至透明，高溫電爐和放在高溫電爐中的鉑金坩堝都處于靜止狀態(tài)下，不攪拌，電爐不旋轉(zhuǎn)，電爐密封，并不斷抽出電爐中的氣體，待坩堝中的混合物全部熔完后，停止加熱，緩慢冷卻至室溫，熔融物在高溫爐中靜置緩慢結(jié)晶一周，取出坩堝中的晶體或塊狀物或粒狀物，得216g產(chǎn)品，取出產(chǎn)品經(jīng)寶石加工后處理，即得寶石。
實施例2、稱取原料SiO2187.89g、Al2O355.12g、BeO 39.76g，共計282.77g，稱取助熔劑CaO 2.02、MgO 0.24g、Li2CO32.50g、Na2CO35.42g、K2CO30.22g，共計10.4g稱取微量元素Fe2O31.80g、Cr2O32.72g、V2O50.84g、MnO 0.06g，共計5.42g，將原料、助熔劑和微量元素的配合物，用瑪瑙乳缽研磨混勻，……以下工藝同實施例1、共得晶體或塊狀物或粒狀物209g產(chǎn)品，取出產(chǎn)品經(jīng)寶石加工后處理即得寶石。
實施例3、稱取原料SiO2191.72g、Al2O356.25g、BeO 39.96g，共計286.93g，稱取助溶劑CaCO33.63 g、MgCO30.56g、Li2CO32.52g、Na2CO35.47g、K2CO30.22g，共計12.4g，稱取微量元素Fe2O31.83g、Cr2O32.73g、V2O50.84g、MnO 0.06g，共計5.46g，按實施例1操作，共得晶體或塊狀物或料狀物212g，取出產(chǎn)品經(jīng)寶石加工后處理即得寶石。
本發(fā)明產(chǎn)品由貴州天方裝飾有限公司寶石部開發(fā)，由中國地質(zhì)博物館，中國科學(xué)院地球化學(xué)所、中國地質(zhì)大學(xué)、地礦部貴州實驗室，貴州師范大學(xué)，貴州黃金珠寶測試中心檢測、分析，并提供測試報告，請參看附件3、附件4、附件5、附件6、附件7，本發(fā)明研制獲得成功，經(jīng)新聞媒體報導(dǎo)，請參看附件8、附件9，本發(fā)明是繼我國水熱法合成祖母綠寶石成功，后采用助熔劑法合成祖母綠寶石又一成功的高新技術(shù)成果。有關(guān)水熱法合成祖母綠的報導(dǎo)請看附件10。
本發(fā)明產(chǎn)品符合中國國家珠寶石鑒定標準(GB/T1655-1996)請看附件1。本發(fā)明產(chǎn)品與國外合成祖母綠寶石質(zhì)量比較見附件2，從附件1可知，本發(fā)明在晶系、形態(tài)，分子式和理化性質(zhì)方面都與天然祖母綠寶石相同，即六方晶系，呈柱狀，塊狀或粒狀，分子式Be3Al2[Si6O18]、顏色翠綠透明，玻璃光澤，硬度7.5～8、折光率1.57、密度2.65、但本發(fā)明產(chǎn)品的特點能合成出大塊狀晶體，具有相對固定的化學(xué)組成，含雜質(zhì)少，晶體具有產(chǎn)生大功率寬帶可調(diào)諧激光的性能。
本發(fā)明的益效果體現(xiàn)在1、技術(shù)先進，居世界領(lǐng)先水平，可以合成出大晶粒的祖母綠寶石，促進我國國防激光工業(yè)攀登新技術(shù)高峰有一定意義。
2、合成寶石周期短。據(jù)王曙1994年8月“真假寶石鑒別資料介紹美國合成祖母綠晶體生長期一年。法國吉爾森合成祖母綠晶體生長期9個月?！北景l(fā)明合成祖母綠晶體為1個月，與國外比較可提高10-20倍。
3、產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)。據(jù)“真假寶石鑒別”和日本權(quán)威近山晶著“寶石手冊”第153頁資料對比在顏色、折射率、透明度、無氣泡等方面居于國際領(lǐng)先水平。
4、產(chǎn)品成本最低。據(jù)“珠寶科技”1993年2期報道“1993年美國舉辦39屆國際珠寶和礦物界年會資料合成祖母綠售價，1克拉90～360美元?！蔽夜井a(chǎn)品僅為國外同等產(chǎn)品最低價的三分之二，50～280美元1克拉。
5、具有優(yōu)秀的資源優(yōu)勢貴州有豐富優(yōu)質(zhì)的礦產(chǎn)資源，鋁土礦和石英礦儲量很大，又是出產(chǎn)黃金旅游大省，具有優(yōu)秀的資源優(yōu)勢。
6、合成激光晶體寶石其物理、化學(xué)、光學(xué)、電學(xué)性能穩(wěn)定，合成祖母綠晶體硬度高，耐磨損，化學(xué)穩(wěn)定性良好，耐酸耐堿，耐腐蝕，無毒。
權(quán)利要求
1.一種用助熔劑法合成的激光晶體祖母綠寶石，其特征是在晶系、形態(tài)、分子式和理化性質(zhì)方面都與天然祖母綠寶石相同，即六方晶系、晶體呈六方柱狀、或塊狀或粒狀，分子式為Be3Al2[Si6O18]、顏色翠綠透明，玻璃光澤，硬度7.5～8、折光率1.57、密度2.65、但本發(fā)明產(chǎn)品的特點是能制造出大塊晶體，具有相對固定的化學(xué)組成，含雜質(zhì)少，晶體具有產(chǎn)生大功率寬帶可調(diào)諧激光的性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種助熔法合成激光晶體祖母綠寶石的制法，其特征是將合成寶石所需的原料、助溶劑和微量元素，按重量比配合，原料和原料重量比為SiO2191.72±3.83g、Al2O356.25±1.13g、BeO39.96±0.20g；助熔劑和助熔劑配比MgO 0.24±0.002g、Li2CO32.52±0.02g、Na2CO35.47±0.05g、K2CO30.22±0.002g；微量元素和微量元素重量配比為Fe2031.83±0.03g、Cr2O32.73±0.01g、V2O50.84±0.003g、MnO 0.06±0.003g，其中原料與助溶劑和微量元素的重量配比為原料287.93g±5.16g配助溶劑10.49g±0.09g、配微量元素5.46g±0.04g，將原料，助溶劑和微量元素的配合物用瑪瑙乳缽研磨混勻，將混合物置電爐中加熱至200℃，1小時后取出冷卻，經(jīng)球磨機球磨至200目，然后送入鉑金坩堝，在高溫爐中，在1200℃～1450℃熔融至透明，經(jīng)全部熔完后，停止加熱，緩慢冷卻到室溫，熔融物在高溫電爐中靜置緩慢結(jié)晶一周，取出經(jīng)寶石加工后處即得。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種助熔法合成激光晶體祖母綠寶石的制法，其特征是高溫電爐和鉑坩堝都處于靜止狀態(tài)，不攪拌，不旋轉(zhuǎn)，電爐密封，并不斷抽出電爐中的氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種助熔法合成激光晶體祖母綠寶石的制法，其特征是原料SiO2、Al2O3可采用天然礦物原料，如石英礦和鋁土礦，其余為一般化工原料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種助熔法合成激光晶體祖母綠寶石的制法，其特征是原料中的Na2CO3、K2CO3、MnO、CaO、MgO、BeO可以分別用相應(yīng)的物質(zhì)K2O、Na2O、MnO2、CaCO3、MgCO3、Be代替，但要按配比進行換算。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種助熔法合成激光晶體祖母綠寶石的制法，其特征是可改變微量元素的組分來改變寶石的二色性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用人工制備的激光晶體祖母綠寶石及其制備方法，寶石除具有天然祖母綠寶石的特點外還具有晶體顆粒大，具有穩(wěn)定的化學(xué)組成，含雜質(zhì)少，晶體具有大功率寬帶可調(diào)激光的性能，本發(fā)明公開了人工制備祖母綠寶石的配料，配比和制備方法，技術(shù)先進、合成寶石周期短，質(zhì)量優(yōu)良、成本低。產(chǎn)品既有很高的欣賞價值和藝術(shù)價值，也是國防、通訊、航空和航天工業(yè)的重要材料。
文檔編號C30B9/00GK101024900SQ20071007760
公開日2007年8月29日 申請日期2007年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月15日
發(fā)明者方子修 申請人:方子修