宝石的合成、仿制品及优化处理要求：1.合成品、仿制品的有关概念2.★合成宝石的方法：合成方法和原理，合成材料名称、性质及特征3.★优化处理：各种优化处理方法、原理和名称一、基本概念⏹人工宝石artificial products⏹定义：完全或部分由人工生产或制造用作首饰及装饰品的材料统称为人工宝石。
包括合成宝石、人造宝石、拼合宝石和再造宝石。
⏹合成宝石synthetic stones⏹定义：完全或部分由人工制造且自然界有已知对应物的晶质或非晶质体，其物理性质，化学成分和晶体结构与所对应的天然珠宝玉石基本相同。
⏹例如，合成红宝石具有与天然红宝石基本相似的物理性质（颜色、RI、DR等）、化学成分（Al2O3）及晶体结构。
二、发展简史⏹1902 维尔纳叶法合成红宝石的商业生产⏹1920 维尔纳叶法合成尖晶石⏹1928 助熔剂法合成祖母绿⏹1943 水热法合成水晶⏹1955 合成工业级钻石出现⏹1960 水热法合成祖母绿⏹1970 合成宝石级钻石⏹1976 合成立方氧化锆⏹1995 合成SiC（莫伊桑石）（一）、焰熔法合成宝石及鉴定⏹焰熔法（flame fusion technique）——19世纪（1877）由E.弗雷米发明，19世纪末（1890）由其助手维尔纳叶推向市场，故又称维尔纳叶法（V erneuil furnace）。
⏹该方法可以生产各种品种的刚玉、尖晶石、金红石、钛酸锶、白钨矿等宝石晶体。
⏹基本原理：从熔体中生长单晶体的方法。
原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落的过程中冷却并在籽晶上固结逐渐生长形成晶体。
合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在维尔纳叶炉中进行的3. 生长过程（以红宝石为例）①供料：Al2O3＋Cr2O3（2-3％）②籽晶的选取：与C轴夹角成60o切出3-4cm的圆柱或四方柱③燃料、温度：H2＋O2燃烧产生的25000C的高温（Al2O3的熔点是20500C）④过程：Al2O3的粉末经振荡均匀洒落，通过一个向下变尖的内管下落，并与氧气混合到达n处，和氢气混合燃烧产生高温，将粉末熔化落到籽晶棒上经降温而结晶，籽晶棒一边旋转一边下落，经过接晶、扩肩、等径生长最后形成梨晶。
籽晶棒下落速度为1cm/h。
⑤应力释放（退火处理）：劈开或者恒温退火4.特点：a.生长原理设备简单，能生长尺寸大的晶体，适合大规模生产；b.不需要坩埚，节约了坩埚材料，又避免坩埚的污染问题，成本低，速度快（6小时长一炉）；c.适合合成难熔的氧化物晶体，合成品种多（红宝石、蓝宝石、金红石、尖晶石、钛酸锶）；d.温度梯度大，内应力大，晶体韧性差，缺陷多，容易识别5、焰熔法合成宝石的鉴定1）．颜色、原始晶形⏹焰熔法合成的宝石原始晶形都是梨形、个体大，颜色均匀而鲜艳。
而天然宝石的晶体形态为一定的几何多面体。
2）.包裹体：⏹合成红、蓝宝石中常可见气泡和未熔粉末出现，一般气泡小而圆，或似蝌蚪状；可单独或成群出现；⏹合成尖晶石中气泡和未熔粉末较少出现，偶尔出现的气泡多为异形。
3）色带：合成红宝石中常常为细密的弧形生长纹，类似唱片纹；合成蓝宝石中色带较粗而不连续；合成黄色蓝宝石很少含有气泡，也难见色带。
天然红宝石和蓝宝石都显示直或角状或六方色带。
合成尖晶石很少显示色带。
4）．吸收光谱：⏹合成蓝宝石的光谱见不到天然蓝宝石通常可以见到的蓝区的吸收，或450nm的吸收带十分模糊。
⏹合成蓝色尖晶石显示典型的钴谱（分别位于540、580、635nm的三条吸收带），天然蓝色尖晶石显示的是蓝区的吸收带，为铁谱。
5）．荧光⏹合成蓝宝石有时显示蓝白色或绿白色荧光，天然的为惰性；⏹合成蓝色尖晶石为强的红色荧光，而天然的也为惰性。
⏹合成红宝石通常比天然红宝石的红色荧光明显强。
6）．帕拉图法⏹将刚玉浸于盛有二碘甲烷的玻璃器皿中，在显微镜下沿光轴方向，加上正交偏光片下，合成刚玉可以观察到两组夹角为120°的结构线7）．焰熔法合成星光刚玉：8）．合成红、蓝宝石的加工质量⏹合成红、蓝宝石加工质量通常较差，常见火痕。
在台面通常都可见多色性，而天然的则不然。
5.合成品种：1）．合成刚玉：⏹合成红宝石：加入致色元素Cr2 O31-3%⏹合成蓝宝石：加入致色元素TiO2和Fe2O3，但Ti和Fe的逸散作用，使合成蓝宝石常常有无色核心和蓝色表皮, 颜色分布不均匀；⏹粉红色和紫红色：加入致色元素Cr、Ti、Fe；⏹黄色：加入致色元素Ni和Cr；⏹绿色：Co、Ni、V⏹变色刚玉：加入V和Cr；显紫红色到蓝紫色的变色效应。
※除祖母绿色外，任何颜色的刚玉都可以合成。
⏹星光刚玉：合成星光刚玉需要在上述原料中再添加0.l一0.3%的TiO2，这样长成的梨晶中，TiO2 呈固熔体分布于刚玉晶格中，并没有以金红石的针状矿物相析出。
必须在1300℃恒温24小时，让金红石针沿六方柱柱面方向出溶，才能产生星光效应。
2）.合成尖晶石⏹市场上所见到的合成尖晶石几乎全是由焰熔法生产，MgO：Al2O3可以在1：1～2：7范围内变化，但也可用助熔剂法生产。
原料：⏹红色：MgO：Al2O3==1：1，致色元素Cr2 O3；⏹其它颜色的用1:1的比例难以合成，但红色尖晶石只有以1：1的比例才能合成。
由此合成的红色尖晶石性脆，所以市场上少见。
⏹蓝色：MgO：Al2O3 ===1：1.5-3.5，致色元素Co；⏹绿色：MgO：A Al2O3 ==1：3⏹褐色：MgO：Al2O3 ==1：5⏹粉红色：MgO：Al2O3 ===1：1.5-3.5 致色元素Cu；⏹有月光效应的无色品种：1：5，过多的氧化铝未熔形成无数细小针状包体导致月光效应，有时甚至形成星光。
⏹烧结蓝色尖晶石：由钴致色，并加入金粉，用来仿青金岩。
尖晶石和合成品的鉴别天然合成成分MgO：Al2O3==1：1 MgO：Al2O3＝1：1～2：7RI 1.71-1.73 1.727包体八面体尖晶石的负晶气泡、未熔粉末吸收光谱天然蓝色的显铁谱（蓝区有吸收线） Co谱（橙、黄、绿区有三条吸收带）偏光仪一般为全暗常见栅格状、斑状异常消光SG 3.6 3.64荧光多数无多数有3）合成金红石⏹天然的金红石为细小针状，大晶体多为褐红色而且多裂，很少有宝石级材料。
⏹合成金红石的目的：仿钻石，但是CZ出现以后，就很少生产。
⏹因为TiO2在燃烧时易脱氧，所以需要充足的氧，在合成刚玉的装置上多加了一个氧管。
TiO2的熔点为1840℃，粉末熔化，再在支座的种晶上结晶。
⏹获得的梨晶为蓝黑色，这是因为高温下形成了Ti33+ 和相应的氧空位。
通过在高温氧化环境中退火处理，退火温度为800-10000C，即可去除蓝黑色，变为淡黄色到近无色的透明晶体。
如果在原料中掺入Sc2O3 ，则可直接获得近无色的晶体。
这是因为掺入的Sc2O3在晶体中形成的氧空位会提高晶体中的氧的扩散系数，使晶体在降温过程中就完成氧的扩散和退色。
⏹合成金红石具有极高的色散值使其泛出五颜六色的火彩。
这种特征使之不易与其他任何材料相混淆。
⏹此外，其极高的双折射率使其刻面棱重影异常清晰。
⏹4）．钛酸锶⏹钛酸锶早在1955年人们就利用焰熔法生产出来，当时在自然界还没有发现天然的对应物。
尽管，1987年在俄罗斯发现了其天然对应物，矿物名为Tausonite，人们仍习惯把它归为人造宝石材料。
⏹最初人们生产钛酸锶主要用于模仿钻石。
但自从立方氧化锆合成成功后，这种仿钻材料在宝石市场上很少见得到了。
但它透红外线的能力强，仍有生产用作红外光学透镜等。
⏹必须在还原环境下（过量的H2)生长，长出的晶体是乌黑的，需要在氧化条件下退火（温度16000C），才能变成近无色的透明晶体。
⏹所采用的原料为：SrO ：TiO2 =1：1钛酸锶的宝石学性质⏹等轴晶系⏹光泽：亚金刚－金刚光泽；⏹透明度：透明；⏹颜色：无色为主，偶见红、黄、蓝、褐色材料；⏹硬度：5.5-6；⏹比重：5.13；⏹断口：贝壳状；⏹折射率：2.41，单折射；⏹色散：0.19，极强；⏹内含物：气泡；(二)、提拉法⏹提拉法（pulling technique）——此法是Czochralski于1918年发明的，故又称为“丘克拉斯基法”（Czochralski technique）。
1.基本原理提拉法是将构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使籽晶和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。
2.装置、条件、过程及特点1.装置：坩锅、原料、高频线圈、种晶、屏蔽装置2.要求：坩锅内温度比熔点略高一些3.过程：首先将待生长的晶体的原料放在耐高温的坩埚中加热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部处于过冷状态；然后在籽晶杆上安放一粒籽晶，让籽晶接触熔体表面，待籽晶表面稍熔后，提拉并转动籽晶杆，使熔体处于过冷状态而结晶于籽晶上，经过调节功率，实现接种－缩颈－放肩－等径生长－收尾的全部过程。
4.生长速度：一般提拉速率为6-15mm/h。
3、特点1.晶体生长过程直观，便于观察2.短时间内可长出高质量的大晶体3.可以定向等径生长，但是受坩埚材料污染4、合成品种⏹ 1.合成刚玉晶体⏹ 2.合成金绿宝石（变石）晶体AL2O3和BeO的粉末按l:1混合，加入致色剂Cr2O3和V2O5。
⏹ 3.人造钇铝榴石Y AG（Y 2O3：AL2O3=3：5 ）⏹ 4.GGG(原料贵)YAG⏹钇铝榴石是人造宝石，可根据其物理性质和光学性质将其与相似宝石区分开：⏹成分：Y 3AL5O12⏹晶系：等轴晶系⏹ SG：4.57⏹摩氏硬度：8-8.5⏹折射率：1.83⏹色散:0.028⏹致色元素：紫-Nd；蓝-Co³；绿-Ti³（+Fe）；红-Mn³；⏹其他：某些绿色、蓝色钇铝榴石在强光照射下显强红色，即显示红光效应。
GGG⏹RI：1.97⏹色散：0.045⏹H:6⏹在太阳暴晒时易变成黄棕色5、鉴定特征1.包体：内含物很少，偶见拉长状、哑铃状、不规则状气泡2.弯曲生长纹3.贵金属包体（铱、钼等）4.未熔粉末、不规则熔滴5.合成变石中有定向的针状包体6.籽晶的痕迹7.电子探针或x－荧光能检测出金属包体（三）、冷坩锅法⏹冷坩埚法（skull melting process）——又称“壳熔法”。
此法最初由法国科学家Roulin发明，后由前苏联的列别捷夫物理研究所完善于1972年获得美国专利。
1、原理⏹是用拟生长的晶体材料本身作坩埚，高频加热使其内部熔化，外部则装有冷却装置，从而使表层形成一层未熔壳，起到坩埚的作用，内部已经熔化的晶体材料依靠坩埚下降，温度下降，晶体自发成核结晶并长大。
⏹适用：合成立方氧化锆（CZ）晶体。
（ZrO2 的熔点为2750℃）2.装置1.熔壳盖2.石英管3.水冷用铜管4.高频线圈（RF）5.熔体6.晶体7.未熔料8.水冷座3.原料、生产方法1.原料：ZrO2；稳定剂：Y2O3或CaO2.生产方法：首先将ZrO2 与稳定剂Y2O3按摩尔比9：1的比例，加入一定量杂质元素，混合均匀，装入冷坩埚中，投入4-6g锆片用于“引燃”，高频加热，原料熔化。