宝石优化处理技术进展

宝石优化处理技术进展陈若曦张翰蕾杨晓宇141132盐浴法红宝石离子扩散1高频溅射法镀膜处理2离子注入技术3目录part11热扩散处理是一种热化学处理方法，目前主要用于刚玉宝石的增色和减色处理，刚玉宝石经离子扩散也可产生星光效应盐浴法盐浴法离子扩散可能是一种比较理想的红宝石优化处理方法。它可有效降低处理温度，增加离子活性，样品表面扩散离子浓度恒定，可有效缩短宝石处理时间。热扩散处理热扩散处理是一种热化学处理方法，目前主要用于刚玉宝石的增色和减色处理，刚玉宝石经离子扩散也可产生星光效应宝石离子扩散处理需要在高温下长时间进行加热处理，对设备要求较高，且能耗大，功效低。人们一直在寻找一种降低能耗，缩短时间，提高效率的处理方法。1淡红色微透明，经表面打磨半球面状、半椭球面状天然红宝石颗粒，粒径在1.2㎝左右。（样品经50%盐酸溶液浸泡48小时，清除样品表面和裂隙中的氧化铁等杂质。样品经流动清水冲洗2小时后置于烘干箱中，105℃烘干5小时备用。）实验样品实验一将样品置于助熔剂、三氧化二铝粉末、二氧化钦粉末按照2：2：1：5比例混合的试剂中，用高温烧结炉加热至1600℃。恒温170个小时，缓慢降至室温。实验设备实验加热设备为KSL1700X箱式高温炉。炉膛最高温度为1750℃。恒温精度达到士1℃。加热容器为氧化铝陶瓷增锅。实验二将样品置于助熔剂、三氧化二铝粉末、二氧化钛粉末与盐类物质按照2：2：1：5的比例混合的试剂中，用高温烧结炉加热至1350℃,恒温120个小时，缓慢降至室温。1微镜下观察，样品表面形成密集的三组定向排列的金红石针状晶体。将红宝石样品整形，磨成弧面形，并抛光后，样品表面出现微弱星光效应。实验二实验一助熔剂表面出现透明玻璃状物质，加热温度过高，显微镜下观察，可见样品浅表层有一组平行排列，较细小且稀疏的针状晶体包裹体，结晶不完全。结论通过比较，可以看出，与传统热扩散方法比较，盐浴法热扩散实验，效果比较好，加热温度低，加热时间短。1实验结果分析•本实验采用的盐类物质，其成分类似于大理岩型红宝石矿床的围岩成分，且盐类物质的熔点低于实验最高温度，因此盐类物质在高温下处于熔融状态，粘度低、挥发性小、流动性良好、与助熔剂无不良反应。•传统热扩散实验，红宝石样品扩散界面上，外部钛离子进入晶格中，浓度减小，而内部钛离子浓度增加，一定时间后，内外部的钛离子浓度达到动态平衡，不利于扩散的继续进行。而使用盐浴法，由于外部钛离子在液态熔融环境中不断对流补充，外部钛离子浓度始终大于样品表层内部的离子浓度，扩散作用持续进行，加快了扩散速度，扩散层厚度也增加。钛离子更容易进入红宝石晶体中，与氧离子结合形成密集的金红石针。•浴盐的高热传导能力，使热量在宝石内部快速传递，有利于宝石受热均匀。•在离子扩散剂中加入助熔剂，有利于降低热扩散处理的有效温度，还可增强宝石表面活性，加强与钛离子的界面反应，加速扩散。1扫描电镜与能谱的测试分析利用Philips公司生产的XL-30ESEM型扫描电镜，配备EDAX公司生产的phoenix系列能谱仪，对盐浴法扩散处理样品进行了分析测试。样品表面出现大量针状晶体密集定向排列。并且能谱图所示，针状物钛含量很高，确定为钛离子扩散形成的金红石针状晶体。实验结果证明，采用盐浴法进行热扩散处理，钛离子的扩散效果好，能够形成较理想的金红石针状晶体。1总结与传统的热扩散法相比，采用盐浴法，以助熔剂、三氧化二铝粉末、二氧化钦粉末与盐类物质，按照2:2:1:5的比例混合作为试剂，在1350℃的温度下恒温120小时，使红宝石在盐相物质的液相熔融环境中，离子的扩散作用持续进行，扩散速度加快，扩散层厚度增加，有利于金红石针的形成。part22高频溅射法镀膜•高频溅射镀膜的手段对宝石进行表面处理，这一方法在国内外行业内几乎没有任何报道。•目的是为了增强宝石表面光泽，适当修复宝石表面损伤，以此使宝石更具美观的价值。镀膜的靶材选取了二氧化错，而非市场上运用的金属材料和有机膜。通过镀膜后使得宝石光泽均上升至金刚一亚金属光泽，膜的牢度也远胜于其他表面处理方法，硬度可以达到7一8。而且由于膜层厚度可控，不会在宝石表面产生彩虹效应和其他变彩效果，从而影响宝石自身色彩。•镀膜材料均为高纯度靶材，纯度在99.99%以上，膜层呈透明状，不会引起宝石颜色的改变。此种镀膜手段在宝石外观性能的改善方面较其他处理手段要先进完善，能大幅度提高宝石表面光泽，在一定程度上修复宝石表面损伤。2原理高频溅射镀膜是指用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在基片上。样品装在接地的电极上，靶材则装在对面的电极上。高频电源一端接地，一端通过匹配网络和隔直流电容接到装有绝缘靶的电极上。接通高频电源后，高频电压不断改变极性。等离子体中的电子和正离子在电压的正半周和负半周分别打到绝缘靶上。由于电子迁移率高于正离子，绝缘靶表面带负电，在达到动态平衡时，靶处于负的偏置电位，从而使正离子对靶的溅射持续进行。实验设备为ANELV入922一95O2B高频溅射仪实验设备镀膜过程•选取的镀膜部位为宝石的冠部台面。这样做更能展现出宝石光泽的美感，同时掩盖表面的瑕疵。•样品放妥后，关闭阀门对溅射腔体抽真空，真空度至2.6x10一6帕时充入溅射气体，溅射气为为高纯度氛气，充气直至达到5x10一2帕的工作压强。在压强稳定后方可进行镀膜，镀膜时间一般为10一巧分钟(按膜层厚度需要而不同)，镀膜完成待腔体完全冷却后，打开阀门取出样品。2•所有镀膜宝石样品在经过处理之后都具有更强的光泽感，宝石自身颜色没有发生变化，但随着镀膜厚度的增加，其透明度会随之降低。还发现通过利用常规的检测手段，如密度测量和折射率测量，难以对镀膜宝石与天然宝石进行严格区分和鉴定。•镀膜宝石的密度与天然宝石相比改变不是很大，对有些种类样品甚至没有改变。这是因为镀膜宝石只是在宝石表面镀上一层纳米量级的膜层，其重量和体积比起样品自身可以忽略不计。•高频溅射镀膜法对宝石的折射率的改变不明显，因为宝石表面膜层厚度在几个至几十纳米的范围，远远小于可见光波长的范围，因此对宝石的折射属性不会有太大的影响。•分别对镀膜样品和其同类的天然宝石进行反射率的测量，各种天然宝石反射率皆在4一10%之间，属于天然的玻璃光泽，而镀膜后的宝石在反射率上均有相当大的提升，其反射率可高达19一25%，属于金刚一亚金属光泽。这么高的反射率值是天然宝石(除钻石)所不具有的，因此通过测量比对这一光学性质可以给鉴定镀膜宝石提供可靠的依据。实验结果2•扫描电子显微镜(简称SEM)具有分辨能力高、图像立体感强，放大倍数变化范围大等优势，很适合于地质学、宝石学等学科领域的应用。•先用SEM对紫水晶镀膜样品进行形貌观察，在放大100倍的情况下，发现样品表面平整光滑且一些微小的裂隙也被填平，在放大200000倍的情况下，隐约观察到有规则鱼鳞片状结构，此片状结构中每个颗粒单位大小约占直径20一30nm，分析其为二氧化错膜层晶体结构以及靶材分子在宝石表面的堆积情况，图中规则的结构排列说明分子堆积均匀。SEM&EDS测量2运用高频溅射法对一些中高档宝石进行镀膜，可以大幅提升其外在美观性和耐久性。同时镀膜宝石也是目前宝石检测中的热点和难点问题，因为镀膜并不会影响宝石自身物理属性，改变的只是宝石的表面特征，镀膜前后的宝石在折射率和密度等属性方面均无大的差异。本文所采用的检测手段(摩氏硬度法，反射率测量法和SEM&EDs)为宝石鉴定法中的首次尝试，因其具有定量和定性的检测结果，因此为镀膜宝石的鉴定提供了更新、更有效的方法总结part33原理通过离子注入机把要求掺杂的离子加速成具有足够能量的载能束注入固体材料的表面层。离子注入可以引起材料表层成分和结构的变化，材料中原子环境和电子组态等微观状态的扰动，导致材料的各种物理、化学或力学性能的变化，达到优化和增加材料性能的目的LＣ－４型高能离子注入装置实验装置3Be•颜色较以前变得更深了，这说明Ｂｅ离子对样品的颜色有较明显影响，表现为对可见光产生普遍的吸收。•表面光泽明显增强，甚至出现半金属光泽；表面光洁度很好，较实验前几乎没有任何变化。Ti•较注入前蓝色变鲜艳了，灰色调明显减少，说明Ｔｉ离子进入蓝宝石后，其中的Ｆｅ与Ｔｉ离子间的电荷转移增加了，这与蓝宝石颜色呈色机理相一致3Cr•样品普遍表面光泽明显增强甚至出现半金属光泽。•表面光洁度很好，较实验前几乎没有变化。•无色刚玉变成带有褐色调Ti•表面光泽普遍增强，这对于宝石美观是有利的,样品的表面光洁度很好，较实验前几乎没有任何变化；•无色刚玉变成褐色调，没有出现预计的红色调，可能与注入强度低，没有深入晶格内部有关；•钻石经注入Ｈ元素后颜色显著变为深褐色，说明处理后样品中产生了成色色心。31宝石经过离子注入处理后，表面光泽明显增强，表面光洁度很好，几乎没有任何变化2山东蓝宝石注入Ｂｅ离子后，颜色较以前变深，说明Ｂｅ离子可对其颜色产生明显影响。注入Ｔｉ离子后，山东蓝宝石的颜色变鲜艳，证明山东蓝宝石的颜色深是由于其Ｆｅ离子的质量分数高、Ｔｉ离子相对低所致3钻石注入Ｈ离子处理以及热处理后，颜色明显变为黄褐色，其成色机理有待进一步研究确认4宝石颜色的优化处理不必局限于仅改变致色元素，其它元素可通过改变色心而改色总结Thanks