山东褐色蓝宝石的热处理研究

郑郁竹，唐雪莲，赵昆渝，段云彪

（昆明理工大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650093）

山东褐色蓝宝石的热处理研究

郑郁竹，唐雪莲，赵昆渝，段云彪

（昆明理工大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650093）

山东蓝宝石主要产于山东潍坊地区的昌乐县和五图县，因含铁量高，多呈近于炭黑色的靛蓝色、绿色和褐黄色，因而影响其商业价值。本论文针对褐色系列的山东蓝宝石采用传统热处理和热扩散处理方法进行试验对比研究，认为热处理对改善山东蓝宝石的透明度有所帮助，但是不能产生理想的颜色，对其内部特征也无明显效果；而添加TiO2后进行扩散处理的样品可以得到较为理想的颜色，即蓝绿色到蓝色，且透明度和深色矿物包体得到改善。

山东蓝宝石；热处理；扩散处理；分光光度计

1 引言

20世纪70年代末80年代初，在中国新生代碱性橄榄玄武岩及超基性岩体内的刚玉斜长岩中发现了蓝宝石，目前成规模开采的主要是山东潍坊地区的昌乐县和五图县，以粒度大、晶体完整而著称[1]。

通常热处理蓝宝石销售时不需特别指出，而扩散处理蓝宝石则需明确指出。扩散处理蓝宝石的外观特征与天然蓝宝石更相似，国内许多学者对山东昌乐蓝宝石的改色进行了多方面研究。如陈涛等[2]研究了未处理、热处理和Be扩散处理昌乐双色蓝宝石的紫外可见吸收光谱和红外吸收光谱的差异。张世宏等[3]初步的试验表明运用低温等离子体改色工艺对深颜色山东蓝宝石的改色是有效的，这是新的物理技术在宝石学上的尝试。帅长春等[4]对焰熔法合成无色刚玉和山东天然蓝宝石进行Be扩散处理，研究了试剂浓度、试验温度和Mg离子的作用。程佑法等[5]用离子(Be2+和Ti4+)注入技术优化处理山东蓝宝石，比较了处理前后的外观，阐述了Be2+的影响及山东蓝宝石的颜色成因。

本文针对山东昌乐蓝宝石中的褐色品种进行不同温度、不同保温条件下的热扩散处理，处理后其外观发生较大改变，另外由处理前后样品的紫外—可见吸收光谱的对比分析可推测这种外观改善的原因。

2 试验

2.1 试验条件及设备

2.2 检测设备

试验前后的样品利用紫外可见分光光度计进行吸收光谱测试，型号为：TU-1221型。

2.3 试验样品及试验过程

2.3.1 试验样品

本次选择了3颗蓝宝石原石，褐色，将其中一颗较大的褐色蓝宝石原石切成两块，以作对比试验之用，其他原石均磨平为约5mm厚的片状样品，依次编号为S1-1、S1-2、S2、S3(如图1)。样品的外观特征见表1。

图1 试验样品及编号

表1 样品的外观特征

2.3.2 试验试剂

试验中所用到的试剂见表2。

表2 主要的试验试剂

2.3.3 试验方案及过程试验方案见表3。

从被动接受厂商条款到主动寻求需方权益，从断档管理到医学装备的全生命周期管理，从单一医疗机构实践到行业协会共同推行，这是省医院以“大型进口医疗设备维保服务规范化招标采购”案例为突破口，带动整个地区医疗机构现代医院管理升级的典型路径。

表3 热扩散处理试验方案

试验采用高温炉在氧化气氛下对山东深褐色蓝宝石样品进行处理，采用硝酸进行预处理，刚玉粉(Al2O3)作为保护剂，采用渗剂TiO2对样品进行不同温度下的热扩散处理试验，同时以硼砂作为活化剂加入添加剂中。工艺流程如下：原料分类→切片、制样→预处理→称量、研磨添加剂→热处理→降温、释放应力→取样、清洗样品→测试。

3 试验结果分析

3.1 处理前后样品外观对比

试验前后样品对比见图2、图3。

图2 试验前的样品

图3 试验后的样品

试验后，除S3外，样品均由褐色转变为蓝色，颜色更加趋于均匀，色带减弱，透明度提高，裂隙中富集的颜色被消除。

3.2 结果分析

(1) 试验前对样品进行硝酸清洗可以使裂隙中的杂质变得疏松，使杂质在热处理过程中被分解。但裂隙过多，则可能在酸洗过程中使裂隙扩大，影响宝石的耐久性。

(2) 山东蓝宝石热处理温度应当控制在1 400℃以上。试验温度为1 200℃时，处理褐色蓝宝石(S3)没有明显的颜色改变，这与所查到的文献资料的记载吻合。

(3) 试验过程中的保温时间对处理结果基本没有影响。

(4) 相比单纯的热处理，添加TiO2后进行的热扩散处理可以得到较为理想的颜色，即蓝绿色到蓝色，且透明度和深色矿物包体得到改善。

(5) 氧化气氛能够去除蓝宝石的黑色调，间接地说明山东蓝宝石的总铁中Fe2+的比例偏高，即Fe2+是蓝宝石的黑色调形成的原因。

3.3 紫外—可见吸收光谱对比

将处理前后的样品进行紫外—可见吸收光谱的检测，结果如图4所示。

样品S1-1、S1-2和S2都是对黄褐色蓝宝石进行Ti扩散处理，试验后都呈现蓝色。图4表明褐色蓝宝石试验前后对200～240nm之间的吸收率发生较大改变。可以推测，经过热扩散处理之后，样品内部元素组成或价态发生了变化。样品S3在试验中并没有表现明显的颜色变化，但试验后的吸收率明显低于试验前的吸收率，可知该样品的透明度有了很大的提高。

4 结论

通过对多个山东蓝宝石褐色样品进行多组不同温度的热扩散处理试验，并对各组试验前后的样品进行紫外可见吸收光谱的测定后，综合前人试验结果，得出结论如下：

(1) 氧化气氛有利于去除山东蓝宝石中的深色色心及褐色调，提高其透明度。

(2) 1 200℃会使样品产生灰色调，1 400～1 500℃下，渗剂对于山东褐色蓝宝石热扩散处理效果明显。保温时间在8h以上，对于蓝宝石颜色改善有效果，其时间长短对色调改善没有明显的影响。

(3) 热处理对改善山东蓝宝石的透明度有所帮助，但是不能产生理想的颜色，对其内部特征也无明显效果；而添加TiO2后，增加Ti的含量，进行扩散处理的样品可以得到较为理想的颜色，即蓝绿色到蓝色，且透明度和深色矿物包体得到改善。

[1]张蓓莉.系统宝石学(第二版)[M].北京：地质出版社，2006.

[2]陈涛，杨明星.Be扩散处理、热处理和天然双色昌乐蓝宝石的宝石学特征与鉴别[J].光谱学与光谱分析，2012，32(3)：651-654.

[3]张世宏，丘志力.等离子体技术在山东蓝宝石改色中的应用[J].中山大学学报(自然科学版)，2003，42(3)：124-126.

[4]帅长春，薛秦芳.刚玉的铍扩散处理实验研究[J].宝石和宝石学杂志，2009，11(3)：30-33.

图4 样品处理前后紫外可见吸收光谱对比

[5]程佑法，王继扬，田亮光，等.离子注入技术在山东蓝宝石优化处理中的应用[J].人工晶体学报，2009，38(6)：1472-1476.

[6]杨良峰.山东蓝宝石(刚玉)热处理改善研究[J].地球学报，1998，19(1)：68-76.

[7]李广惠，韩丽，何文.山东蓝宝石的呈色机制及改色实验[J].岩石矿物学杂志，2002，21(1)：89-92.

[8]张培强，马宇.山东蓝宝石的主要致色因素[J].地质找矿论丛，2006，21(2)：115-119.

[9]邹进福，元奎荣.山东昌乐新生代玄武岩中蓝宝石宝石学特征在岩浆中保存条件的探讨[J].珠宝，1990(2)：6-9.

Heating Treatment of Brown Sapphire of Shandong

ZHENG Yu-zhu, TANG Xue-lian, ZHAO Kun-yu, DUAN Yun-biao
(Faculty of Materials Science and Engineering of Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

Shandong sapphire is mainly produced in Changle and Wutu of Weifang area, because of their high iron content, most of them are indigo blue, which is the color close to the carbon black, green and brown yellow, thus influence their commercial value. This thesis aimed at brown series of Shandong sapphire with traditional heat treatment and thermal diffusion treatment to have an experiment comparison research. The results showed that heat treatment was helpful to improve the transparency of Shandong sapphire, but couldn't produce the ideal color, and it also had no obvious effect on its internal features. However, samples' diffusion treatment after adding TiO2could get comparatively ideal color, which is blue-green to blue. And transparency and dark mineral inclusions were improved.

Shandong sapphire; heat treatment; diffusion treatment; spectrophotometer

P619.281；TD927

A

1007-9386(2014)01-0034-03

2013-11-12