핑크 사파이어의 합성

진황

제 1 저자 소개: 진, 중보협 인공제품전문위원회 제 1 회, 제 3 회 고위 고문, 서남기술물리학연구소 연구원.

I. 소개

천연 사파이어, 광물명은 강옥이고, 기체는 산화 알루미늄 (Al2O3), 모씨의 경도는 9 로 금강석 다음으로 높다. 그것은 지구상에서 가장 좋은 광물 보석 중의 하나이다. 순강옥 보석은 무색이며, 미량의 불순물에 따라 다양한 색깔을 나타낼 수 있다. 역사적인 이유로 레드 커런덤 보석은 일반적으로 루비라고 불리며, 다른 색상의 커런덤 보석은 일반적으로 무색 사파이어, 블루 사파이어, 옐로 사파이어, 핑크 사파이어, 오렌지 사파이어, 그린 사파이어, 보라색 사파이어와 같은 (컬러) 사파이어라고 불린다.

각종 컬러 사파이어 중에서' Padparadsha' 사파이어가 가장 소중하다. 국제컬러보석협회 (ICA) 중국어망 () 은 2004 년 천연분홍색 사파이어 생산량이 제한되어 수요가 왕성해 2 ~ 3 캐럿의 천연핑크 사파이어 국제시장 가격이 원래 캐럿당 300 ~ 400 달러에서 600 달러로 올랐다고 보도했다.

최근 2 년 동안 보석 시장은 분홍색 소재를 점점 더 선호하고 있으며 이탈리아의 보석 디자인도 분홍색 톤으로 가득 찬 것으로 알려졌다. 핑크 보석에 대한 소비자의 사랑은 핑크 사파이어의 가격 상승으로 직결된다. 현재 시장에는 대형 핑크 사파이어가 급히 필요한데, 공급원이 부족하다. 국제 보석 시장에는 인공적으로 합성된 분홍색 사파이어가 나타났다. 이 글은 이런 합성 분홍색 사파이어의 성장, 제비 방법 및 보석학의 특징을 토론할 것이다.

둘째, 핑크 사파이어 착색 메커니즘

순강옥 보석 결정체는 무색으로 알려져 있으며, 강옥보석 결정체에 소량의 착색 원소를 넣어 다양한 색깔을 연출할 수 있다. 흔히 볼 수 있는 강옥보석의 색깔은 빨강, 파랑, 녹색, 노랑, 오렌지, 보라색이다. 강옥보석의 색깔은 불순물 원소의 종류, 함량, 조합과 관련이 있다. 표 1 은 천연 사파이어의 색상과 불순물 요소 및 가격 상태 간의 관계를 보여줍니다.

표 1 천연 커런덤 보석의 색상과 착색이온 또는 착색이온의 조합

앞서 언급했듯이 커런덤 결정에 소량의 Cr (크롬) 과 Ti (티타늄) 를 첨가하면 빨간색이 됩니다. 크롬 (Cr) 이 단독으로 섞여 있을 때 강옥보석은 매우 순수한 붉은색을 띠고 있다. Cr (크롬) 이 Fe (철), Ti (티타늄)] 또는 다른 색심을 섞으면 커런덤 보석은 오렌지색에서 오렌지 핑크, 즉 핑크 커런덤 보석을 포함한 다른 붉은색으로 변한다. 하지만 천연 핑크' Padparadsha' 사파이어의 진정한 색채이온은 여전히 분명하지 않다.

이 글에서 논의한 합성 핑크 사파이어는 천연' Padparadsha' 사파이어와 비슷한 색으로 3 가 티타늄 이온이 섞인 사파이어입니다. 사실 우리가 레이저 재료 Ti: 사파이어를 개발할 때 얻은 부산물이다. 이 티타늄 사파이어 레이저 결정체는 하이테크 분야에서 조정 가능한 레이저 (첸 등, 1993) 를 생산하는 데 사용된다.

티타늄 사파이어 결정체에 각종 원자가 상태의 티타늄 이온이 존재하는 것으로 알려져 있다. 원칙적으로 결정체 성장 조건이나 열처리 조건에 따라 2 가, 3 가, 4 가의 티타늄 이온이 나타날 수 있으며 티타늄 이온의 가격상태가 다르면 사파이어에 다른 색이 나타날 수 있다.

실험에 따르면 성장 조건이나 열처리 조건을 변경함으로써 티타늄 사파이어 결정에서 서로 다른 가격대의 티타늄 이온의 상대 비율을 바꿀 수 있는 것으로 나타났다. 티타늄 이온은 쉽게 변하는 이온이다. 단일 티타늄 사파이어가 섞인 성장 과정에서 티타늄 이온의 원자가 상태와 성장 환경에서 산소의 분압은 다음과 같은 가역화학 평형 반응을 보였다.

인조제품, 중국

위의 두 가지 화학 균형 방정식에서 알 수 있듯이 반응의 방향 (또는 티타늄 이온의 원자가 상태) 은 보석 성장 환경의 산소 분압과 관련이 있다. 환경에서 산소 분압이 떨어지면 반응이 양수 (또는 오른쪽) 방향으로 진행되고, 그렇지 않으면 반대 방향으로 진행됩니다.

3 가 티타늄 이온의 존재 하에서, 위의 두 화학식의 분해 온도 또는 그에 상응하는 균형산소 분압은 다음과 같은 관계 (Shigeo Kimura 등, 1998) 로 표현될 수 있다.

Lgp (O2) = t/200-22 3 (3)

여기서 p(O2) 는 3 가 티타늄 이온이 존재할 때의 균형산소 분압으로, 단위는 atmlatm= 10 1325Pa 입니다.

을 눌러 섹션을 인쇄할 수도 있습니다 T 는 용융 온도, 단위는 ℃입니다. 당김법으로 자란 사파이어의 성장 온도는 약 2050 C 이다. 상식에 따르면 3 가 티타늄 이온의 균형산소분압은10-9 ~10-15 ATM 입니다. 그러나 이 산소 분압 범위 내에서는 3 가 티타늄 이온 외에 4 가 티타늄 이온이나 2 가 티타늄 이온도 동시에 존재할 수 있다. 또한 실험 결과 (목촌무행 등, 1998) 에 따르면 3 가 티타늄 이온이 주로 존재하는 최적의 균형산소 분압 범위는10-12-/KLOC 여야 한다. 티타늄 보석의 성장 후 열처리의 경우, 상기 공식을 사용하여 열처리 온도는 약1950 C 이고, 3 가 티타늄 이온의 균형 산소 분압도 약10-9 ~10-/0 입니다. 따라서 3 가 티타늄 이온만 존재하는 최적의 균형산소 분압 범위는 약10-12 ~10-13ATM 입니다.

정상 중성 분위기 성장 조건에서 통기 전 결정체 성장로의 진공도는 약 10-8atm 으로 인해 난로 내 산소분압과 진공도가 기본적으로 같은 양급이기 때문에 난로 내 산소분압도 약 10-8atm 으로 간주될 수 있다. 앞서 논의한 바에 따르면 이런 조건에서 자란' 원생태' 티타늄 사파이어는 3 가 티타늄 이온과 4 가 티타늄 이온을 모두 함유하고 있다. 실험에서 이 조건에서 자란 티타늄 사파이어는 연홍색을 띠고 보라색을 띠고 있다 (그림1); 앞서 논의한 바와 같이 성장이나 열처리 조건을 바꿔 난로 내 산소분압을 위에서 언급한 3 가 티타늄 이온만 존재하는 최적의 범위 내에서 사파이어의 4 가 티타늄 이온은 대부분 3 가 티타늄 이온으로 전환될 수 있다. 이런 공정을 거쳐 얻은 티타늄 사파이어는 아름다운 분홍색을 드러낸다 (그림 2, 오른쪽, 그림 3, 그림 4).

셋째, 실험은

분홍색 사파이어의 구체적인 제비 방법 (진 등 1993) 을 간단히 소개하겠습니다.

1. 조미료

우리가 자라야 할 것은 3 가 티타늄 이온 착색의 사파이어이다. 다른 색색 원소가 강옥보석의 색깔에 영향을 주지 않도록 순도가 99.999% 인 오산화 알루미늄 (Al2O3) 과 순도가 99.99% 인 사산화 티타늄 (Ti2O3) 의 고순도 원료를 사용했습니다. 순도가 99.999% 인 Al2O3 은 중외합자기업 대련렐 정밀 도자기 유한회사에서 구매했습니다. 직접 만든 고온순수소 분위기로에서 상해화학 시약 총공장에서 생산된 순도가 99.99% 인 이산화 티타늄으로 순도가 99.99% 인 이산화 티타늄을 복원했다.

재료를 배합할 때 먼저 고순삼산화 티타늄 (Ti2O3) 가루를 질량점수 0.5% ~ 2% 에 따라 고순산화 알루미늄 (Al2O3) 가루에 섞은 다음 골고루 섞어서 유압기로 눌러서 덩어리로 만든 다음 65438 0300 C 에서 24 시간 동안 소결시켜 만든다

2. 보석이 자란다

분홍색 사파이어를 자라기 위해 우리는 표준 직라파 결정체 성장 공예를 채택했다. 수정로는 Xi 이공대에서 생산한 SJ-763 레이저 단결정성장로로, 중주파 전력 (4kHz) 은 Xi 안 전력전자연구소에서 생산해 50kW 의 정격 수출을 하고 있다. 이리듐 도가니로 재료를 충전하여 중간 주파수 감지 가열을 하다. 도가니 크기는 φ 120 RNM× 120 mm 이고 충전 시간은 약 4 ~ 5 kg 이고 가열 전력은 약12 ~1입니다 사파이어 결정체의 성장 방향은 C 축과 90 도로, 사파이어의 당김 속도는 약 0.4 ~ 2 mm/h 로, 성장로 안의 분위기는 질소와 헬륨이다. 티타늄 사파이어 레이저 결정체를 키우는 데는 보통 25 일이 걸리며, 티타늄 사파이어 결정체의 크기는 약 60mm ×120mm 입니다.

그림 1' 원생태' 티타늄 사파이어가 섞여 분홍색으로 뚜렷한 보라색 톤을 띠고 있다.

3. 열처리

위에서 언급한 방법으로 자란' 원생태' 티타늄 사파이어는 분홍색으로 뚜렷한 보라색 톤을 띠고 있다 (빨간색 음영은 티타늄을 섞은 양과 양의 상관관계가 있다. 그림 1 왼쪽 2 참조). 흡수 스펙트럼은 그림 5 의 곡선 a 에 나와 있습니다.

또한, 우리는' 원생태' 의 티타늄 사파이어를1920 ~1950 ℃의 순수소 복원 분위기에 넣고 48 시간 동안 항온열처리를 하여 아름다운 분홍색 사파이어를 얻었다 (그림 2 오른쪽 참조) 흡수 스펙트럼은 그림 5 의 곡선 b 에 나와 있습니다.

넷. 토론

원생태' 티타늄 사파이어를 섞은 것은 분홍색으로 뚜렷한 보라색 톤이다. 흡수 스펙트럼은 보라색-블루-그린 지역에서 약 400 ~ 580 nm 에 강하고 넓은 흡수봉이 있고, 꼬리는 노란색-오렌지-레드 영역에서 약 580 ~ 700 nm 까지 확장되고, 근적외선 지역에서는 700 까지 뻗어 있다

위에서 언급한 열처리 이후' 원생태' 사파이어의 흡수 스펙트럼은 보라색-파란색-녹색 영역에서 약 400 ~ 580 nm 의 흡수봉이 향상되었다. 피크가 750nm 안팎인 넓은 흡수대는 기본적으로 제거되어 약 580 ~ 700 nm 의 황오렌지색 영역 투과율이 높아지고 700 ~ 900 nm 의 근적외선 영역 넓은 흡수대도 크게 약화됐다. 또한 400nm 이하의 자외선 흡수도 감소했다. 이에 따라' 원생태' 는 티타늄 사파이어 컬러의 보라색을 섞어서 기본적으로 제거되어 매우 순수한 분홍색으로 변했다 (그림 2 오른쪽, 그림 3).

그림 2 열처리 전후의 분홍색 사파이어의 색상 변화

왼쪽은 열처리 전 색상 (보라색 톤 포함), 오른쪽은 열처리 후 색상 (보라색 톤 제거) 입니다.

그림 3 열처리 후 핑크 사파이어 크리스털 블랭크 (표면 미광택)

그림 4 핑크 사파이어 블랭크 (표면 마감) 와 가공된 폴리면 보석.

그림 5 합성 티타늄 사파이어 열처리 전후의 흡수 스펙트럼의 변화

(Kokta 에 따르면 1986)

동사 (verb 의 약어) 보석학 특징의 동정과 토론

이 글의 인조 핑크 사파이어는 이미 중국 지질대학 (우한) 보석학원과 베이징 국가보석품질감독검사센터의 보석학 검증을 거쳤다. 결과는 다음과 같습니다.

매트릭스 결정은 사파이어입니다. 색상은 분홍색 (핑크-오렌지 핑크) 으로 투명하며 강한 유리 광택을 가지고 있습니다. 모스 경도 9, 상대 밀도 4.023; 광학 비등방성체입니다. 원뿔 아래에서 일축 결정체의 흑십자 간섭도를 볼 수 있습니다. 굴절률은 1.764 ~ 1.758 이고 복굴절은 0.006 입니다. 높은 굴절률은 그대로 유지되고 낮은 굴절률은 이동합니다. 강한 이색성, 연분홍색/핑크 오렌지, 필터 아래 연한 황록색, 핑크 플래시. 휴대용 분광기 아래 무특징흡수 스펙트럼은 장파 자외선 아래에서 타성을 띠고 단파 자외선 아래에서 중간 청색 백색광을 띠고 있다.

또한 현미경으로 분산되어 있는 작은 변형 기포 (미크론 수준) 를 관찰할 수 있습니다 (그림 6).

그림 6 이 글에서 합성한 분홍색 사파이어가 현미경으로 관찰한 분산된 작은 기포 (왼쪽) 와 확대 변형된 작은 기포 (오른쪽) 입니다.

추가적인 에너지 스펙트럼 분석에 따르면 합성된 분홍색 사파이어 소재에는 그림 7 에서와 같이 미량의 S (황) 와 Ti (티타늄) 가 함유되어 있다.

감정 결론: 합성 핑크 사파이어는' Padparadsha' 사파이어 색상과 비슷하다.

합성 핑크 사파이어의 에너지 스펙트럼.

감사합니다: 중국 지질대학 (우한) 보석학원 안 교수는 이 글의 글쓰기에 많은 도움을 주었습니다. 중국 지질대학 (우한) 보석학원과 베이징 국가보석품질감독검사센터는 이 글에서 합성한 분홍색 사파이어에 대해 보석학 테스트를 실시했다. 감사합니다!

참고

첸 등. 티타늄 보석의 결정체 성장과 성능. 레이저 기술, 볼륨 17, 2 호, P 107 ~ 1 1.

무흥목촌 등 1988. 고품질 티타늄 사파이어 단결정의 성장 방법. 일본 특허, 조 63-274694.

Kokta M R. 1986. 어닐링을 통해 Ti:al2o 3 티타늄산 알루미늄 레이저 결정체 형광을 강화하는 방법, OUS 특허 4,587,035.