珠寶知識287：珠寶考研考證篇（九十三）：水熱法合成寶石方法簡介

水熱法合成寶石方法是一種從溶液中結晶方法，合成寶石的原理主要是模仿自然界中的熱液成礦作用的，首先我們先簡單瞭解一下熱液成礦的基本過程。

【熱液成礦作用】

地球的內部具有很高的溫度，同時地球的深部也是含有水的，當地球深部的水受到一定的熱源（例如岩漿、斷裂活動等）溫度升高形成熱液，因此在溫度和壓力較高的環境中，水對於一些溶質的溶解度會大大的提升。但是岩石是存在有裂隙的（例如斷裂），熱液可以沿著這些裂隙會向地表運移，隨著溫度和壓力的下降，溶解度逐漸降低，溶質就會在合適的空間中沉澱下來形成晶體。這就是熱液礦床形成的大致過程，但是具體過程會更加複雜。

無論具體的成礦左右有多複雜，簡單來講，熱液成礦過程可以總結為【在高溫下溶解溶質，在低溫下沉澱結晶】，水熱法合成寶石同樣是根據這樣的原理合成寶石晶體的。也正是由於合成過程中模擬了寶石在自然界中的生長環境，因此寶石的質量也相對較好，與天然寶石有著較為相似的鑑定特徵。下圖為水熱法合成祖母綠原石。

【優點】

1、能生長存在相變(如α石英等) 的材料；

以石英為例，石英在不同的溫度壓力下會形成不同的晶體結構，從下面的相圖中我們可以很清楚的看到，石英在較低的溫度535℃時就會發生相變，因此在合成過程中是需要嚴格控制形成環境的，但是二氧化硅的熔點高達1700攝氏度以上，若採用熔體直接冷卻結晶的方法是無法直接得到α-石英（水晶的晶體結構）的，而是優先形成其他晶體結構的石英（例如β-方石英或β-石英），最終通過相變的方式轉化成為α-石英，在實驗室的環境中快速的發生轉化，必然會形成過大的內應力，不容易得到高質量的合成寶石。但是水熱法可以通過精確的控制溫壓條件，以得到目標寶石晶體。

2、可以生長在接近熔點時蒸汽壓高的材料（例如ZnO）。

材料的蒸汽壓高意味著材料在接近熔點時極容易發生揮發，若使用熔體直接冷卻形成礦物晶體的方法會導致原料大量的揮發，在腐蝕設備的同時，也會造成不必要的浪費，但是水熱法合成寶石是在高壓釜內進行，屬於一個較為封閉的環境；另外，水熱法是利用【溶質在不同溫度下溶解度的差異】進行合成寶石的，所使用的溫度遠低於材料的熔點，因此可以避免大量揮發的現象的發生。

3、在接近熔點時要分解的材料（例如VO2）

對於這樣的材料，在接近熔點時無法得到通組份的熔體，因此同樣是不適用於直接採用熔體直接冷卻的方式進行合成

4、能生長有較高完美性的優質大晶體；

與焰熔法合成寶石相比，水熱法中的合成寶石處在一個相對穩定的溫壓環境中，並且形成的環境與自然界相類似，但同時有沒有地質環境那樣複雜，因此合成出來的晶體相對較為完美，尺寸也相對較大。下圖利用水熱法合成的祖母綠。

【缺點】

1、需要較為特殊的高壓釜和相應的安全防護措施。

高壓釜的使用是必然要才用相應的安全措施的，利用水熱法生長寶石，其實就是在相對較高的溫壓條件（相對於常溫常壓）下生長寶石的過程，因此必須要使用能夠承受一定溫度和壓力的高壓釜，

高壓釜其實我們可以理解成為一個高級的高壓鍋，高壓鍋的使用就存在一定的"爆炸"風險，所以，在合成寶石的過程中必須要選擇符合條件的高壓釜，同時配備必要的安全防護措施。

2、需要大小適當、切向合適的優質籽晶。

其實這是幾乎所有合成寶石方法所面對的問題。籽晶首先不能有明顯的晶格缺陷，以防止遺傳給待生長的寶石；由於不同的晶面生長的速度不同，因此籽晶的切向需要合適，以保證寶石有合適的生長速度。不同的寶石所使用的籽晶的切向是不同的。下表為大家總結了不同合成寶石所使用的籽晶切向

3、整個生長過程無法觀察。

這是與"焰熔法"明顯不同的地方，焰熔法合成寶石可以通過窗口觀察寶石的生長狀況，在出現問題時可以及時的糾正，但是利用水熱法合成寶石是在高壓釜內進行的，因此無法觀察。

4、原料的投放是一次性的

生長晶體的尺寸受高壓釜容器大小的限制非常明顯。這一點毫無疑問，晶體是生長在封閉的空間的，在合成過程的中間也同樣是不能夠隨時打開高壓釜的，因此所有原料的投放都是一次性的，晶體生長尺寸的大小，是要受到這些原料的影響的。下圖為水熱法合成紅寶石"出鍋"之後的樣子。

【具體的合成方法】

合成寶石的具體方法包括等溫法、擺動法和溫差法，但是目前最常使用的是【溫差法】，下圖設備的示意圖，整個設備是可以分為兩大部分的，下半部分稱呼為溶解區，放置合成寶石所使用的原料，溫度相對較高，原料在該部分溶解形成飽和溶液；上半部分是生長區，該區域內掛有切向合適的籽晶，並且溫度相對較低，從而導致該部分的溶解度相對較低；溶解區和生長區分別屬於相對的部分，中間用一個擋板相隔，並且有一定的開孔度，以利於溶液之間的對流；由於下半部分的溫度較高，密度相對較低，溶液會通過擋板向生長區運移，由於溫差的變化，在溶解區形成的飽和溶液在到達生長區後形成"過飽和溶液"，溶質會從溶液中析出，並在籽晶上結晶。

【影響因素】

以上就是利用水熱法合成寶石的具體過程，那麼，影響寶石晶體生長的因素都有哪些呢？

第一、壓力與高壓釜（為了得到較高的溫度和壓力）

我們都知道，在常壓下水的沸點很低（僅有100℃），因此在合成寶石的過程中首先不能使用開放的體系，另外為了提高水的溫度，需要在一定程度上提高水所處的壓力，以增大沸點。由此我們會應用到一種儀器叫做高壓釜。高壓釜必須要能夠承受住所設計的溫度和壓力，並且由高強度由高強度、低蠕變鋼材製成，有足夠的壁厚經受住內壓

高壓釜除了要承受較大的壓力外，還承擔著一個"容器"的作用，即盛放原料溶液，由於外來的雜質對晶體的生長會有較大的影響，因此，作為"容器"的高壓釜必須要有非常穩定的化學性質，以避免與溶液發生反應。

針對不同種類的合成寶石，所應用的原料、溫度和壓力不同，會採用不同類型的高壓釜，例如水晶通常採用的是43CrNi2MoV鋼材製造的釜體，水熱法合成紅寶石則採用的是GH33高溫合金鋼材，相對於合成水晶所使用的高壓釜，它能夠承受更高的溫度和壓力。但是我們會發現，這些高壓釜所採用的金屬元素並不是化學性質最穩定的，因此為了避免不必要的汙染，通常會在高壓釜內配有貴金屬的襯套，一般為鉑金襯套。

第二、溫度與礦化劑（增大溶質在水中的溶解度）

剛才說到，利用水熱法合成寶石，必須要在密閉的環境中才可以，因此該合成方法並不像焰熔法一樣可以源源不斷的提供合成寶石的原料，因此在有限的空間內，另外，為了增大寶石的生長速度，需要儘可能的提高溶質的溶解度，但是我們知道，物質在純水中的溶解度往往相對較低，並且隨著溫度的變化也不夠明顯。

因此，為了顯著的提升原料在水溶液中的溶解度，除了升高水的沸點以增高水的溫度外，最重要的就是需要添加一定的礦化劑。下圖為在不同裝滿度時，石英在氫氧化鈉、碳酸鈉及純水中的溶解度與溫度之間的關係（虛線代表純水、實線代表氫氧化鈉溶液、實虛線代表碳酸鈉溶液），我們可以很清楚的發現，在相同的裝滿度（高壓釜內盛放溶液的體積佔比）、相同的溫度下，通過礦化劑的加入，石英的溶解度提升在30倍左右。

除了大大的增加了原料在水溶液中的溶解度以外，還在兩個方面起到了非常重要的改善

1、 提高溶質在水中的溶解度溫度係數，溶解度隨溫度的變化同樣會有顯著的變化；因此溫度極小的改變就會造成溶解度差異的變化，而過飽和度是影響晶體生長的重要因素之一；

2、 某些礦化劑能與結晶物質形成絡合物，加快晶體成核的速度。

但是不同的礦化劑對晶體生長同樣有著非常重要的影響，以水晶為例，當採用NaOH作為礦化劑時，自發的晶芽少，晶體的透明度也相對較好，但是生長的速度很慢；但是，當採用混合溶劑時，就可以得到快速生長的優質水晶，大大的降低成品率以及成本。對於剛玉來講KOH溶液要比NaOH溶液中生長的快。

另外，礦化劑的濃度也會對晶體的生長產生一定的影響，當礦化劑的濃度較小時，礦化劑的濃度增加生長速度也相應增加，但是當濃度超過一定範圍時，生長速度不再增加，反而下降。下圖是剛玉在不同濃度的礦化劑下的生長曲線圖。因此，整體上講，在合成寶石的過程中，不僅僅要選擇合適的礦化劑，同樣需要選擇合適的濃度。

第三、充填度與壓力

既然是一個封閉的空間，充填度同樣會成為影響晶體生長的一個重要因素了，充填度的大小會直接影響到晶體生長的速度。從下圖我們可以看到，不同的充填度，在相同的溫度下結晶速度可能會有非常明顯差異。因此可以通過調整充填度可以調整高壓釜內的壓力，從而調整晶體的生長速度速度。

另外，使用過高壓鍋的都會很清楚，鍋內所盛放的液體不能過多、過滿，否則會造成鍋內的壓力過大從而形成潛在的危險。高壓釜也是同樣的道理：充填度越大，高壓釜內的壓力越大，過大的溫壓會給高壓釜附體的材料選擇帶來一定的困難，另外，在高壓下，某些礦化劑也會對高壓釜產生較為嚴重的腐蝕，造成高壓釜冷卻後開啟不便，因此一般充填度不宜超過86%。

第四、雜質與致色

雜質有時候並不是一個壞東西，因為它是影響晶體顏色最重要的因素之一，因此為了獲得不同顏色或者不同品種的寶石，往往需要加入一定的著色劑。從晶體生長的角度講，雜質的加入會具體的影響到晶體的幾何外形。下圖為俄羅斯水熱法合成剛玉寶石的致色離子與顏色之間的關係。

第五、籽晶取向

晶體是具有意向性的，因此在不同的方向上的生長速度會較大的差異，而籽晶的取向則直接決定了合成寶石的生長速率。不同方向的籽晶也直接決定了晶體生長的外形。例如在合成水晶的過程中，一種是垂直於Z軸的籽晶，一種是長度平行與Y軸，寬度方向平行於X軸，利用前者生長出來的晶體外形和質量都較好；後者生長出來的晶體細長，受到溶液對流的影響較小，不容易產生後期的裂隙，易於加工。

第六、對流擋板

擋板的重要作用是保證生長區與溶解區為相對獨立的區域，從而保證兩者之間處在不同的溫度環境中，進而保證兩者之間有穩定的溫度差，但是溶解區的溶液需要向生長區擴散，而生長區的溶液同樣需要回流到溶解區，這就要求對流擋板有一定的開孔度，調整生長系統的質量交換，因此需要在擋板的中間有一定的開孔率；因此，開孔率的選擇需要同時【保證生長於與溶解區的相對獨立】以及【很好的控制溶液的對流】。不同口徑的高壓釜具有不同的開口率，小口徑的高壓釜在10%~12%左右，大口徑的高壓釜在5%~7%之間。

第七、溫度與溫差

溫度實際上是影響水熱法最重要的因素，溶解區的溫度首先影響的是原料在水溶的溶解度，從而決定了有多少原料從溶解區達到生長區；生長區的溫度則決定了溶液的過飽和度，進而決定了晶體是否可以生長以及晶體生長的速度；生長區與溶解區之間的溫度差異則是溶液產生對流的動力，溫差越大，溶質之間的交換量越大，寶石的生長速度越大；另外，當高壓釜上下溫差一定時，生長區的溫度越高，晶體的生長速度越快。但是生長的速度越快，晶體在生長後期會出現原料供應不足而造成裂隙或者其他類型包裹體的出現。下圖為合成水晶的原石晶體，我們可以發現，中間部分的淨度很乾淨，但是到了兩邊出現了非常明顯的麥苗狀包裹體。

好了，關於水熱法合成寶石的基本原理就分享到這裡，希望對大家有所幫助。

今我是艾昊，珠寶培訓師，十餘年從業經歷，用紮實的理論知識和豐富的實踐經驗，為大家分享專業的珠寶知識，如果你有珠寶方面的問題，歡迎私信、留言或關注。本人原創作品，轉載請註明出處【艾昊講珠寶】。