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合成翡翠的实验探索及进展

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陈美华 ( 中国地质大学珠宝学院,湖北 武汉 430074 ) 2010年11月25日 rs_h}+6"s  
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( 陈美华 教授/博士,中国地质大学珠宝学院副院长,中国大陆研究合成钻石著名学者 ) }*Zo6{B-  
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摘 要:类比天然翡翠成矿的物理、化学条件,参照硬玉各元素的理论品质分数,选用合适的化学试剂配製原料,採用高温固相法或溶胶-凝胶法分别配製非晶质的、具有翡翠成分的玻璃料,再利用高压固相转变的原理,在高温高压设备上进行结构转化处理,使具有翡翠成分的玻璃料在翡翠稳定区内结晶。X射线粉末衍射、傅立叶变换红外光谱、偏光显微镜下结构分析表明:合成样品中的主要结晶矿物為硬玉,与天然翡翠的基本一致,部分样品的结构转化较完全,结晶程度较好,且其硬度、密度及折射率等常规宝石学参数也与天然翡翠一致。 mLaCkn  
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关键字:合成翡翠;原料配製;高温高压处理 w5(yCyNp~  
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翡翠是以硬玉矿物為主的多矿物集合体,岩石学上称為硬玉岩。硬玉是由Si-O四面体构成的链状结构硅酸盐,由於其特殊结构,在常压下很难合成,作為一种高压矿物,近年来一直引起科学家们的极大兴趣。 C=[Ae,  
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1963年,Bell和Roseboom等人曾就影响硬玉合成的压力与温度关系进行了研究[1],发现人工合成翡翠的成矿模拟实验只能在高温高压下进行,至此开始了真正意义上的翡翠合成研究工作,但得到的都只是一些微晶粉末。20世纪80年代,美国通用电气公司(GE)开始了合成翡翠的研究。2002年,GIA首次对GE宝石级合成翡翠作了简要的报导。中国科学院长春应用化学研究所[2,3]和中国科学院地球化学研究所[4]也先后进行了合成翡翠的实验,但由於实验条件和设备所限,难以实现硬玉由非晶质向晶质体的全面转化,仅得到了不等量的硬玉微晶和玻璃体的混合物,同时致色离子Cr3+难以进入晶格中,最终合成的硬玉样品為非宝石级品质[5-7]。 z<h|#@\  
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在参考前人研究成果的基础上,本文实验研究模拟天然翡翠成矿的物理、化学条件,以翡翠组分氧化物為主要原料,採用高温固相法和溶胶-凝胶法两种方法分别配製具有硬玉组分的非晶质玻璃料,再利用高压固相转变的原理,在人工合成金刚石的高温高压设备上进行结构转化处理,使具有硬玉组分的玻璃料在翡翠稳定区内结晶,获得了人工合成翡翠的阶段性成果。 e96#2A5f  
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(图1) 合成翡翠样品1 8W$L:{ez  
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(图2) 合成翡翠样品2 XmlIj8%9[&  
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1 实验部分 P9s_2KOF  
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1.1 合成原料的配製 1lsLG+Rpxi  
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1.1.1 高温固相法配製合成原料 vzcz<i )  
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高温固相法,操作简单,便於批量生產。实验参照硬玉的各元素理论含量[w(Na2O)=15.34%,w(Al2O3)=25.21%,w(SiO2)=59.45%],选用分析纯的氧化物為原料,添加微量的致色剂Cr2O3,经过充分混合,在1400~1500℃下熔融后淬火,可以得到具有硬玉组分的非晶玻璃。将带有顏色的非晶玻璃烘乾、粉碎成细小的颗粒或粉末,在嵌样机上加压预成型為Φ15 mm×8 mm的圆片,為了减少样品中的空隙使其有最大的密度,成型压力越高越好[4]。 qCQu^S' iD  
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1.1.2 溶胶—凝胶法配製合成原料 SBz/VQ  
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在合成原料的製备过程中,除了採用传统的高温固相法配製合成原料外,还首次尝试採用溶胶-凝胶法配製非晶质翡翠成分玻璃料。溶胶-凝胶法最大特点是在合成过程中能实现材料组份的分子级混合,提高组份的均匀性,特别是在实现微量致色剂的均匀添加上,具有其它方法无法比拟的优点。 +dM.-wW  
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将提前配製好的正硅酸乙酯(TEOS)的乙醇混合溶液,硝酸钠、硝酸铝的水溶液按硬玉NaAlSi2O6物质的量化学计量比Na∶Al∶Si = 1∶1∶2称量、混合,并加入少量作為致色剂的硝酸铬的水溶液,加入适量水调节H2O/TEOS摩尔比,促进水解过程的进行,使用磁力搅拌器进行强力搅拌,混合均匀后缓慢滴加氨水调节溶液pH值,搅拌后在中温水环境下静置形成凝胶。将湿凝胶乾燥、高温烧结后水淬,得到具有硬玉组成的非晶玻璃。再将玻璃料烘乾、粉碎、预成型為圆片。 E[ 0Sst x  
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  (图3) 合成翡翠样品3 nNu[c[V  
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(图4) 合成翡翠样品4 #<UuI9  
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1.2 高温高压合成 K#@K"N =  
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翡翠的高温高压合成实验在CS-IV-D型铰链式6×14000 KN六面顶超高压设备上完成。合成原料经过一系列组装,将其放入六面顶金刚石压机的压腔内,啟动压机使六面顶的6个顶锤合拢;随后先加压,升至所需的压力4.0~6.0 GPa;再加电流升温至合成温度1300~1600℃,保持25~60 min;然后,断电进行高压淬火至环境温度,再释放压力,打开6个顶锤取出叶蜡石块;冷却后将叶蜡石块打碎,取出合成样品,不同条件下合成分层的部分样品如上图1~4所示。 O/$ v69:  
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2 测试结果与讨论 5c)wZ  
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2.1 常规宝石学特徵 N" ;^S  
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合成样品的外观特徵,大致可以分為以下三种情况: }FZp 840  
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(1) 顏色淡绿,略有黄色调,光泽较弱,结晶不均匀、不透明,易碎裂(图1)。 1&}G+y  
IQ#So]9~Y  
(2) 顏色浅绿~豆绿,玻璃光泽,有黑色斑点,不透明,聚结成块,外观均匀,有一定的强度。但少量样品经放置后常出现内部的微裂,并有白色的粉末状物质析出,表现出较差的稳定性(图3)。 <9 T [yg  
bu;vpNa  
(3) 顏色深绿~墨绿,微透明~不透明,具有较好的强度和韧性,抛光后的样品色泽温润,质地细腻,具有良好的稳定性,但少量黑色包裹体的存在影响了观赏性(图2,4)。 ypxC1E  
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测试合成样品的常规宝石学参数,结果见表1 uQ-WTz|*  
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wH#Lb@cfZ0  
2.2 物相鉴定 1/!nV  
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2.2.1 X射线衍射 dfnX!C~6\  
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本实验採用X Pert-PRO型X射线衍射仪对合成样品进行了测试。测试条件為:Cu-Ka射线,Ni滤波,λ=0.15406 nm,管压為40 kV,管流為40 mA。 cS+?s=d  
通过对合成样品进行扫描,得到其X射线衍射图谱(图5),根据其衍射峰位元及峰强可以确定合成样品中的结晶矿物均為硬玉(PDF卡片72-0174),没有显示其它相的衍射峰,纯度很高,且衍射峰高而窄,峰形尖锐。 g}^4^88=a  
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(图5) 合成样品的XRD图谱2.2.2 红外吸收光谱 [ @jp9D H  
P"U>tsHK:  
红外吸收光谱分析是利用红外线照射样品,使被分析矿物中的原子、离子或原子基团共振,產生共振吸收光谱。通过与标準矿物的红外吸收光谱进行比较,其主要特徵峰出现,则可证明被分析矿物与标準矿物一致。採用美国Nicolet公司產Magna-IR-550型傅立叶变换红外光谱仪测试了样品。测试条件:反射法,扫描32次,解析度為8 cm-1,扫描范围為2000~400 cm-1,室温。 yZQ1] '^31  
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将抛光好的合成样品与天然绿色翡翠一同进行红外吸收光谱测试。图6為测得的天然翡翠和合成样品的红外吸收光谱。 9 <y /Wv  
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(图6) 天然翡翠和合成翡翠的红外吸收光谱天然翡翠的红外吸收光谱的特徵峰分佈於400~1300 cm-1,即為指纹峰特徵[8]。 QJb7U5:B+  
iLc)"L-i  
(1)在900~1200 cm-1:Si-O四面体的振动频率较高,在此波数范围主要有3个频带:1165,1070,936 cm-1,其中位於1070 cm-1的频带最强;(2)在400~600 cm-1:在600 cm-1以下的吸收峰由Si-O弯曲振动和M-O伸缩振动引起,其中M代表不同的阳离子,在此波数范围主要有4个频带:585,531,469,431cm-1。 qFB9,cUqh  
ZK W@pW]U  
合成样品的红外吸收光谱中均出现了天然翡翠的7个主要特徵峰,在 1167 cm-1处仅显示弱肩峰,最强谱带主要出现在 1084 cm-1处。吸收峰峰位的略微变化是因為天然翡翠中由於Ca与Mg等杂质元素不等量地替代Al,易导致其红外吸收谱带的漂移。经过以上对照分析,合成样品的红外吸收光谱与天然翡翠的基本一致,这表明两者有著相同的振动模式,说明本实验条件下合成的样品与天然翡翠矿物相一致。 Z:W')Nd(  
上述测试结果表明,本实验所得合成样品為以硬玉矿物為主的合成翡翠,初步达到了实验目的。2.3 结构特徵 bL6L-S  
将样品磨成薄片,在偏光显微镜下观察发现,合成样品是由结晶质和玻璃质物质组成,结晶矿物為自形至半自形的柱状硬玉;玻璃质区域在偏光镜下表现為全消光,為均质体。因模拟的实验条件不同,少量样品结晶程度较低,虽已经出现少量细小的短柱状晶粒,但晶粒周围存在著大量的无规则形状的非晶玻璃物质,為鬆散的不等粒粒状结构(图7),结晶转化率大约30%。 {b\Y?t^>f  
大多样品的结晶程度高,无规则的非晶玻璃已经基本不见,针柱状的晶体清晰可辨,晶粒呈放射状整齐排列,不均匀分佈,形成特徵的束状结构(图8),结晶转化率高达90%以上,物相转化和结晶过程基本完成。 ayB=|*Q"  
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(图7) 不等粒粒状结构 T<w*dX7F0K  
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(图8) 束状结构3 p7?CeyZ-V  
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结论笔者针对合成翡翠成分配方的选择、合成工艺的条件以及品质研究进行了系列探索实验,进一步论证了利用化学试剂高温高压合成翡翠的可行性,為今后高温高压合成优质翡翠奠定了良好的基础。经过系列实验和测试分析,获得的阶段性成果有: &VtWSq-)  
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(1)高温固相法和溶胶-凝胶法均可以配製合成原料。两种方法各有长处,高温固相法操作简单,便於批量生產;而溶胶-凝胶法在实现微量致色剂的均匀添加上,具有其它方法无法比拟的优点。 d|D'&&&c  
0 %(4G83gw  
(2)本实验获得了少量合成翡翠,色泽鲜艳,光泽温润,观赏性较好。顏色多呈浅绿色~墨绿色,不透明~微透明,玻璃光泽,质地细腻,可见黑色包裹体。合成翡翠在主要矿物组成、结构、硬度、相对密度、折射率等各方面与天然翡翠基本一致。 _"FbjQ"  
g~i''lng  
(3)在4.0~6.0GPa,1300~1600℃,25~60min条件范围内,可以实现由具有硬玉组分的非晶体向晶体的转化。合成样品由结晶质和玻璃质物质组成,其中结晶质矿物為硬玉晶体,实现了由具有翡翠成分的非晶体向晶体的转化。大部分样品的结晶程度高,结晶转化率高达80~90%以上,针柱状、纤维状晶体清晰可辨,晶粒呈放射状整齐排列。虽然合成翡翠在主要矿物组成、结构、硬度、相对密度、折射率等各方面与天然翡翠一致,但是其顏色变化比较宽,透明度较低,品质还未达到较好的宝石级。目前,合成翡翠的实验仍在进行中,研究重点在於改善合成翡翠的顏色与透明度,使其品质特徵更接近天然中高档翡翠。 k}+MvGq  
ePIly)=X  
参考文献 soFvrl^Ql+  
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