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合成翡翠的實驗探索及進展    

 

陳美華     李慧         ( 中國地質大學珠寶學院,湖北 武漢 430074 )                                                        2010年11月25日

 

( 陳美華  教授/博士,中國地質大學珠寶學院副院長,中國大陸研究合成鑽石著名學者 )

  要:類比天然翡翠成礦的物理、化學條件,參照硬玉各元素的理論品質分數,選用合適的化學試劑配製原料,採用高溫固相法或溶膠-凝膠法分別配製非晶質的、具有翡翠成分的玻璃料,再利用高壓固相轉變的原理,在高溫高壓設備上進行結構轉化處理,使具有翡翠成分的玻璃料在翡翠穩定區內結晶。X射線粉末衍射、傅立葉變換紅外光譜、偏光顯微鏡下結構分析表明:合成樣品中的主要結晶礦物為硬玉,與天然翡翠的基本一致,部分樣品的結構轉化較完全,結晶程度較好,且其硬度、密度及折射率等常規寶石學參數也與天然翡翠一致。

關鍵字:合成翡翠;原料配製;高溫高壓處理

Experiment Study on Synthetic Jadeite Jade

CHEN Meihua   LI Hui

(Gemmological Institute China University of GeosciencesWuhan 430074China)

AbstractThe study on the mechanism of the synthetic jadeite jade are carried out by using the solid translation with the chemical material at high pressure and temperature. The synthetic samples got in the experiment are analysed by using X-ray powder diffraction, infrared reflectance spectrum and polarizing microscope. The results show that the main crystal phase is jadeite, and the gemmological characteristics of the synthetic jadeite jade are very similar to that of the natural one.

Key wordssynthetic jadeite jadematerial preparationHTHP treatment

        翡翠是以硬玉礦物為主的多礦物集合體,岩石學上稱為硬玉岩。硬玉是由Si-O四面體構成的鏈狀結構矽酸鹽,由於其特殊結構,在常壓下很難合成,作為一種高壓礦物,近年來一直引起科學家們的極大興趣。

1963年,BellRoseboom等人曾就影響硬玉合成的壓力與溫度關係進行了研究[1],發現人工合成翡翠的成礦模擬實驗只能在高溫高壓下進行,至此開始了真正意義上的翡翠合成研究工作,但得到的都只是一些微晶粉末。20世紀80年代,美國通用電氣公司(GE)開始了合成翡翠的研究。2002年,GIA首次對GE寶石級合成翡翠作了簡要的報導。中國科學院長春應用化學研究所[2,3]和中國科學院地球化學研究所[4]也先後進行了合成翡翠的實驗,但由於實驗條件和設備所限,難以實現硬玉由非晶質向晶質體的全面轉化,僅得到了不等量的硬玉微晶和玻璃體的混合物,同時致色離子Cr3+難以進入晶格中,最終合成的硬玉樣品為非寶石級品質[5-7]

在參考前人研究成果的基礎上,本文實驗研究模擬天然翡翠成礦的物理、化學條件,以翡翠組分氧化物為主要原料,採用高溫固相法和溶膠-凝膠法兩種方法分別配製具有硬玉組分的非晶質玻璃料,再利用高壓固相轉變的原理,在人工合成金剛石的高溫高壓設備上進行結構轉化處理,使具有硬玉組分的玻璃料在翡翠穩定區內結晶,獲得了人工合成翡翠的階段性成果。

(圖1) 合成翡翠樣品1

(圖2) 合成翡翠樣品2

1  實驗部分

1.1  合成原料的配製

1.1.1  高溫固相法配製合成原料

高溫固相法,操作簡單,便於批量生產。實驗參照硬玉的各元素理論含量[w(Na2O)=15.34%w(Al2O3)=25.21%w(SiO2)=59.45%],選用分析純的氧化物為原料,添加微量的致色劑Cr2O3,經過充分混合,在14001500℃下熔融後淬火,可以得到具有硬玉組分的非晶玻璃。將帶有顏色的非晶玻璃烘乾、粉碎成細小的顆粒或粉末,在嵌樣機上加壓預成型為Φ15 mm×8 mm的圓片,為了減少樣品中的空隙使其有最大的密度,成型壓力越高越好[4]

1.1.2  溶膠-凝膠法配製合成原料

在合成原料的製備過程中,除了採用傳統的高溫固相法配製合成原料外,還首次嘗試採用溶膠-凝膠法配製非晶質翡翠成分玻璃料。溶膠-凝膠法最大特點是在合成過程中能實現材料組份的分子級混合,提高組份的均勻性,特別是在實現微量致色劑的均勻添加上,具有其它方法無法比擬的優點。

將提前配製好的正矽酸乙酯(TEOS)的乙醇混合溶液,硝酸鈉、硝酸鋁的水溶液按硬玉NaAlSi2O6物質的量化學計量比NaAlSi = 112稱量、混合,並加入少量作為致色劑的硝酸鉻的水溶液,加入適量水調節H2O/TEOS摩爾比,促進水解過程的進行,使用磁力攪拌器進行強力攪拌,混合均勻後緩慢滴加氨水調節溶液pH值,攪拌後在中溫水環境下靜置形成凝膠。將濕凝膠乾燥、高溫燒結後水淬,得到具有硬玉組成的非晶玻璃。再將玻璃料烘乾、粉碎、預成型為圓片。

(圖3) 合成翡翠樣品3

(圖4) 合成翡翠樣品4

1.2  高溫高壓合成

翡翠的高溫高壓合成實驗在CS-IV-D型鉸鏈式6×14000 KN六面頂超高壓設備上完成。合成原料經過一系列組裝,將其放入六面頂金剛石壓機的壓腔內,啟動壓機使六面頂的6個頂錘合攏;隨後先加壓,升至所需的壓力4.06.0 GPa;再加電流升溫至合成溫度13001600℃,保持2560 min;然後,斷電進行高壓淬火至環境溫度,再釋放壓力,打開6個頂錘取出葉蠟石塊;冷卻後將葉蠟石塊打碎,取出合成樣品,不同條件下合成分層的部分樣品如上圖1~4所示。

2  測試結果與討論

2.1  常規寶石學特徵

合成樣品的外觀特徵,大致可以分為以下三種情況:

(1) 顏色淡綠,略有黃色調,光澤較弱,結晶不均勻、不透明,易碎裂(1)

(2) 顏色淺綠~豆綠,玻璃光澤,有黑色斑點,不透明,聚結成塊,外觀均勻,有一定的強度。但少量樣品經放置後常出現內部的微裂,並有白色的粉末狀物質析出,表現出較差的穩定性(3)

(3) 顏色深綠~墨綠,微透明~不透明,具有較好的強度和韌性,拋光後的樣品色澤溫潤,質地細膩,具有良好的穩定性,但少量黑色包裹體的存在影響了觀賞性(2,4)

測試合成樣品的常規寶石學參數,結果見表1

1  合成樣品與天然翡翠的寶石學特徵

 

測試方法

合成樣品

天然翡翠

  

摩氏硬度計

67

6.57

相對密度

靜水稱重法

3.313.34

3.303.40

折 射 率

折射儀點測法

1.651.66

1.66

從表1可知,合成樣品的硬度、相對密度、折射率與天然翡翠的常規寶石學參數十分相近

 

2.2  物相鑒定

2.2.1  X射線衍射

本實驗採用X Pert-PROX射線衍射儀對合成樣品進行了測試。測試條件為:Cu-Ka射線,Ni濾波,λ=0.15406 nm,管壓為40 kV,管流為40 mA

通過對合成樣品進行掃描,得到其X射線衍射圖譜(5),根據其衍射峰位元及峰強可以確定合成樣品中的結晶礦物均為硬玉(PDF卡片72-0174),沒有顯示其它相的衍射峰,純度很高,且衍射峰高而窄,峰形尖銳。

(圖5) 合成樣品的XRD圖譜

2.2.2  紅外吸收光譜

紅外吸收光譜分析是利用紅外線照射樣品,使被分析礦物中的原子、離子或原子基團共振,產生共振吸收光譜。通過與標準礦物的紅外吸收光譜進行比較,其主要特徵峰出現,則可證明被分析礦物與標準礦物一致。

採用美國Nicolet公司產Magna-IR-550型傅立葉變換紅外光譜儀測試了樣品。測試條件:反射法,掃描32次,解析度為8 cm-1,掃描範圍為2000400 cm-1,室溫。

將拋光好的合成樣品與天然綠色翡翠一同進行紅外吸收光譜測試。圖6為測得的天然翡翠和合成樣品的紅外吸收光譜。

(圖6) 天然翡翠和合成翡翠的紅外吸收光譜

天然翡翠的紅外吸收光譜的特徵峰分佈於4001300 cm-1,即為指紋峰特徵[8]

(1)9001200 cm-1Si-O四面體的振動頻率較高,在此波數範圍主要有3個頻帶:11651070936 cm-1,其中位於1070 cm-1的頻帶最強;

(2)400600 cm-1:在600 cm-1以下的吸收峰由Si-O彎曲振動和M-O伸縮振動引起,其中M代表不同的陽離子,在此波數範圍主要有4個頻帶:585531469431cm-1

合成樣品的紅外吸收光譜中均出現了天然翡翠的7個主要特徵峰,在 1167 cm-1處僅顯示弱肩峰,最強譜帶主要出現在 1084 cm-1處。吸收峰峰位的略微變化是因為天然翡翠中由於CaMg等雜質元素不等量地替代Al,易導致其紅外吸收譜帶的漂移。

經過以上對照分析,合成樣品的紅外吸收光譜與天然翡翠的基本一致,這表明兩者有著相同的振動模式,說明本實驗條件下合成的樣品與天然翡翠礦物相一致。

上述測試結果表明,本實驗所得合成樣品為以硬玉礦物為主的合成翡翠,初步達到了實驗目的。

2.3  結構特徵

將樣品磨成薄片,在偏光顯微鏡下觀察發現,合成樣品是由結晶質和玻璃質物質組成,結晶礦物為自形至半自形的柱狀硬玉;玻璃質區域在偏光鏡下表現為全消光,為均質體。

因模擬的實驗條件不同,少量樣品結晶程度較低,雖已經出現少量細小的短柱狀晶粒,但晶粒周圍存在著大量的無規則形狀的非晶玻璃物質,為鬆散的不等粒粒狀結構(7),結晶轉化率大約30%

大多樣品的結晶程度高,無規則的非晶玻璃已經基本不見,針柱狀的晶體清晰可辨,晶粒呈放射狀整齊排列,不均勻分佈,形成特徵的束狀結構(8),結晶轉化率高達90%以上,物相轉化和結晶過程基本完成。

(圖7) 不等粒粒狀結構

(圖8) 束狀結構

3  結論

筆者針對合成翡翠成分配方的選擇、合成工藝的條件以及品質研究進行了系列探索實驗,進一步論證了利用化學試劑高溫高壓合成翡翠的可行性,為今後高溫高壓合成優質翡翠奠定了良好的基礎。經過系列實驗和測試分析,獲得的階段性成果有:

(1)高溫固相法和溶膠-凝膠法均可以配製合成原料。兩種方法各有長處,高溫固相法操作簡單,便於批量生產;而溶膠-凝膠法在實現微量致色劑的均勻添加上,具有其它方法無法比擬的優點。

(2)本實驗獲得了少量合成翡翠,色澤鮮豔,光澤溫潤,觀賞性較好。顏色多呈淺綠色~墨綠色,不透明~微透明,玻璃光澤,質地細膩,可見黑色包裹體。合成翡翠在主要礦物組成、結構、硬度、相對密度、折射率等各方面與天然翡翠基本一致。

(3)4.06.0GPa13001600℃,2560min條件範圍內,可以實現由具有硬玉組分的非晶體向晶體的轉化。合成樣品由結晶質和玻璃質物質組成,其中結晶質礦物為硬玉晶體,實現了由具有翡翠成分的非晶體向晶體的轉化。大部分樣品的結晶程度高,結晶轉化率高達8090%以上,針柱狀、纖維狀晶體清晰可辨,晶粒呈放射狀整齊排列。

雖然合成翡翠在主要礦物組成、結構、硬度、相對密度、折射率等各方面與天然翡翠一致,但是其顏色變化比較寬,透明度較低,品質還未達到較好的寶石級。目前,合成翡翠的實驗仍在進行中,研究重點在於改善合成翡翠的顏色與透明度,使其品質特徵更接近天然中高檔翡翠。

參考文獻

[1] 郭穎,熊寧,宋功保,等.翡翠成因與人工合成的研究[J].西南工學院學報,200015(2)4648.

[2] 趙延河,崔碩景,閻學偉.鈉鋁輝石由非晶態到晶態的轉化研究[J].物理化學學報,199410(7)604609.

[3] 馬賢峰,閻學偉.人造翡翠晶化區的研究[J].無機材料學報,199611(4)591596.

[4] 朱成明,金志升,蔡恩照,等.人工合成寶石級翡翠的研究[J].礦物學報,199717(3)245249.

[5] 曹姝旻,亓利劍,郭清宏,等.GE合成翡翠的寶石學特徵[J].寶石和寶石學雜誌,20068(1)14.

[6] 崔碩景,趙延河,閻學偉,等.人造聚晶翡翠寶石[J].高壓物理學報,19948(2)99106.

[7] 沈才卿.翡翠的高溫超高壓法人工合成實驗[J].中國寶玉石,2006(1)4651.

[8] 李勤美.翡翠紅外光譜譜學研究[D].昆明:昆明理工大學,2004.

 

補充說明:有關翡翠的高溫高壓合成實驗在CS-IV-D

鉸鏈式6×14000 KN六面頂超高壓設備的介紹

 

(以下內容由全球寶石鑑定研習中心提供--

只包括圖片及參數,不標示製造商)


序號No

名稱

單位

基本參數

CS-IV(HD)

CS-VI(HD)

CS-VII(HD)

CS-X(HD)

CS-XII(HD)

1

公稱壓力

 

單缸

 

kN

14000

20000

25000

32000

44000

六缸

kN

84000

(6 X 14000)

120000

150000

192000

264000

2

工作壓力

高壓

MPa

14.2

13.5

13.5

12.6

13

超高壓

MPa

102

104

104

97

100

3

活塞空行程速度

單缸

mm/s

5.45

3.8

3.2

2.3

2.1

三缸

mm/s

2.1

1.9

1.9

1.3

1.0

4

油缸直徑

mm

φ420

φ500

φ560

φ650

φ750

5

活塞最大行程

mm

75

80

90

100

100

6

開口高度

mm

205

225

250

280

310

7

閉口高度

mm

130

145

160

180

210

8

增壓器增壓比

 

7.3:1

7.7:1

7.7:1

7.7:1

7.7:1

 
 
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