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方晶鋯石的製造方法
[方晶鋯石附錄]
1969年,法國科學家羅林(Y. Roulin)等人發明了最早的冷坩堝技術,並製成微細的立方氧化鋯晶體,但他們的研究並未持續下去。直到1972年由蘇聯列別捷夫物理研究所(Lebedev Physical Institute, Moscow)奧西科(V. I. Alekasadrov)的研究小組在羅林的技術基礎上改良,製造出更大的晶體,並在多國獲得專利。1976年起,蘇聯向世界各地銷售他們的無色立方氧化鋯晶體作為鑽石替代品,因此立方氧化鋯又被稱為蘇聯鑽。其後,美國的Ceres公司改良了蘇聯的技術,大舉進軍鑽石模仿品的市場,並成為市場鑽石模仿品的主流。
冷坩堝法是一種從熔體中生長法晶體的技術。首先要把原料加熱熔解,讓熔液在緩慢和受控的環境下冷卻及重新結晶。因此盛放合成材料的坩堝必須要能負荷材料熔解時的高熱,然而氧化鋯熔化成液體時高達攝氏2750度,一般的坩堝材料根本無法承受如此高溫,所以科學家直接使用合成原料本身作坩堝,先讓原料內部熔解,並利用冷卻裝置使外部的原料保持低於熔點,形成一層未熔的殼,就成為坩堝。
冷坩堝的基本裝置,是一個以銅管排列成圓杯狀,外面再加上石英玻璃製的管套並加上水冷底座的杯形裝置,然後安裝在電動升降臺上。杯內盛載粉末原料(包括氧化鋯、穩定劑、著色劑及一塊鋯金屬)後,由電動升降臺提升整個杯形裝置進入電感加熱線圈內,利用高頻電磁場把粉末原料熔解,然後杯形裝置緩慢下降離開電感加熱線圈,同時水冷系統持續運作,使熔液重新結晶成為方晶鋯石晶體。
由於氧化鋯在室溫下是絕緣體,無法以電感加熱,但在攝氏1200度以上會轉變成導體,如此就可以利用電感加熱,因此在粉末原料中加上鋯金屬塊,先透過電感加熱把鋯金屬塊熔解(鋯的熔點是攝氏1900度)並令相鄰的氧化鋯升溫至可被電感加熱熔解,而液體的氧化鋯亦可被電感加熱並重覆此步驟,直至所有粉末原料熔解,只有最外層的粉末因水冷裝置作用得以冷卻保持固體。而原先的鋯金屬亦被氧化,變為氧化鋯並成為原料的一部份。
純氧化鋯在室溫下是單斜晶系,方晶鋯石只存在於攝氏2370度以上的高溫;。為了令氧化鋯晶體在室溫下保持立方晶系,必須添加穩定劑。常用穩定劑有氧化釔(Y
2
O
3
)、氧化鈣(CaO)。
備註》
本文感謝香港的 Paste (不是漿糊) 網友提供原稿,經本人潤飾後發表於網站上。
資料來源》
1) 英國寶石學會-FGA文憑教材
2) 寶石人工合成技術-何雪梅 沈才卿編著 -化學工業出版社材料科學與工程出版中心
3) 糸統寶石學(第二版) -張蓓莉主編- 地質出版社
4) Gemmology Second Editon – Peter G. Read -Butterworth Heinemann
5) Artifical Gemstones – Michael O’ Donoghue -NAG Press
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