冷坩埚熔壳法合成宝石技术（三）

沈才卿/核工业北京地质研究院

陆太进/国家珠宝玉石首饰检验集团有限公司

沈 湄/台湾宝石学协会理事长

刘结文/原中恒誉资产评估公司

编者按：

此文记录了中国老一辈宝石科技工作者们鲜为人知的付出与努力，基于沈才卿老师等多年专业研究的积淀，阐明了冷坩埚熔壳法合成技术的基本原理与技术，与时俱进地修正了由作者本人编写的1994年《人造宝石学》和2021年《宝石人工合成技术》（第三版）中的熔壳法原理图，介绍了中国人工宝石发展现状。应作者要求，文章未经改动，内容保持了作者的观点原貌。文章将在本刊分三期发表，敬请关注。

沈才卿简介：男，1942年出生，核工业北京地质研究院高级工程师。获部级科技进步奖二等奖1次，三等奖2次，北京市 “科学技术（科技专著）进步奖”三等奖1次。曾任“中国珠宝玉石首饰行业协会”常务理事、“中宝协人工宝石专业委员会”常务副主任委员兼秘书长；“亚洲珠宝联合会”常务理事兼副秘书长；2005年获得中国轻工珠宝首饰中心与亚洲珠宝联合会联合授予的“中国宝玉石专家”荣誉称号。1990年起，先后在中国地质大学（北京）等多所高校及职业学校开设并讲授《人造宝石学》、《宝石的人工合成与鉴定》、《珠宝玉石的优化处理与鉴定》等课程，出版教材多部，为珠宝教育和普及珠宝知识作出了一定的贡献。

作者按语：

国内外科技发展很快，中国和世界的人工合成珠宝玉石的方法也在不断发展。本文想介绍中国在2021年时“冷坩埚熔壳法合成宝石技术”已经达到的水平和状况；同时受国家将两弹一星有功人员及对国家作出贡献的人请到人民大会堂主席台上，由习近平主席亲自授予国家勋章的启示，作者想对那些在中国人工宝石事业发展过程中作出贡献的新老科技工作者以及中国珠宝玉石首饰行业协会人工宝石专业委员会的主要领导进行介绍（主任委员陈汴琨、常务副主任委员兼秘书长沈才卿、副秘书长于春敏和黄国强，让大家认识他们，记住他们作出的努力和贡献。在科技文章中表彰作出贡献者，比较少见，此文想作一个尝试！

第四节 合成立方氧化锆的品种不断增加

一、合成超白色立方氧化锆晶体的方法

超白色合成立方氧化锆晶体的生长采用补色法原理，消除原料和工艺过程中引入的杂质产生的颜色，使带很淡杂色的立方氧化锆晶体脱色成“超白”立方氧化锆晶体。例如，若为了使立方氧化锆稳定，加入Y2O3过多，使产品出现黄色调，此时要加入产生蓝色的试剂钕。只要加入量与黄色调的量相等，则根据颜色互补原理，可以消除黄色调，使产品为无色。

二、合成鲜艳的蓝紫色立方氧化锆晶体的方法

为了得到鲜艳的蓝紫色合成立方氧化锆晶体，可以采用对合成彩色立方氧化锆进行热处理的方法。其原理是通过热处理使着色剂价态变化，热处理还可以影响晶体的透射光谱，使晶体在蓝紫色波段的透过率提高。

三、黑色立方氧化锆晶体的发明专利和制作方法

《黑色立方氧化锆宝石及其制造方法》是由付林堂、刘卫国、张惠芳申请的发明专利，专利号为89 1 02170.1，申请日期为1989年4月15日，授权日期为1990年12月12日，由当时的国家专利局局长高卢麟签发，参见图47。其制作方法是：将无色合成立方氧化锆晶体放在真空条件下加热到2000°C进行还原处理，就能得到深黑色的立方氧化锆。其原理是ZrO2中的氧丢失，造成大量晶体的晶格缺陷，对可见光全部吸收而呈黑色。

第一发明专利人付林堂（1938年生人），国家建筑材料工业局人工宝石研究所高级工程师，人工宝石专业委员会副主任委员和高级顾问，是中国人工宝石研究者中少数获得发明专利者，他还在《人工晶体》杂志上发表过“稳定立方氧化锆晶体的生长”（1984年）和“稳定立方氧化锆晶体掺质生长与色泽研究”（1986年），为中国“冷坩埚熔壳法合成立方氧化锆”行业的发展作出重要贡献。沈才卿要到了付林堂2005年参加重要会议时，会议代表拍摄的一张照片，参见图46。

图46 黑色立方氧化锆第一发明专利人付林堂先生在参加会议中（付林堂提供照片）

图47 黑色立方氧化锆发明专利证书（付林堂提供资料）

该发明1988年参加瑞士国际展时获得三等奖，参见图48；参加1987年5月北京发明展览会，被中国发明协会和北京发明协会同时评为优秀发明并获得金牌，参见图49和图50。该研究项目还获得了部级科技进步二等奖，参见图51，国家级科技进步二等奖，参见图52。

图48 瑞士获奖证书（付林堂提供资料）

图49 优秀发明证书（付林堂提供资料）

图50 中国发明专利获金奖证书（付林堂提供）

图51 黑色立方氧化锆成果获部级科技进步二等奖（付林堂提供资料）

图52 国家级科技进步二等奖证书（付林堂提供资料）

在2019年，中华人民共和国成立70周年之际，付林堂先生还获得了国家发给的证书和奖章，参见图53和图54。

图53 建国70周年纪念证书（付林堂提供照片）

图54 建国70周年纪念章（付林堂提供照片）

黑色立方氧化锆晶体表面光洁度很高，有强烈的反光性，沈才卿收藏了三块黑色立方氧化锆晶体，有一块是带多晶体和粉料的，在处理成黑色时多晶体能变黑，但粉料不变，还是白的（在晶体的背面，拍照时看不到）。由李丽英工艺师刻磨成难度较高的S型戒面也反映出表面的反光性很强。参见图55和图56。

图55 黑色立方氧化锆晶体（沈才卿收藏）

图56 黑色立方氧化锆S型戒面（沈才卿收藏）

四、乳化立方氧化锆的制备方法

2012年前后，中国珠宝首饰市场上出现了乳化立方氧化锆晶体（市场上简称乳锆），主要用于仿玉石制品。然而，由于乳化立方氧化锆晶体本身的结构变化后产生的影响，几年后乳化立方氧化锆晶体逐步退出了市场。

本文开头就说明，在不同条件下，二氧化锆有不同的结构：单斜相、四方相、六方相和立方相。为了使立方相氧化锆结构稳定，必须加入起稳定作用的氧化钇（Y2O3），其量为10%至20%摩尔分数。稳定剂氧化钇（Y2O3）的含量小于10%摩尔分数时，立方相氧化锆处于不稳定状态，出现六方相和四方相。

上海何雪梅（1930年生人）等发表在《中国人工宝石》书上的“壳熔法技术发展及新应用”中说：要使彩色合成立方氧化锆混浊不透明，可通过降低氧化钇（Y2O3）的配入量来实现。研究性实验中曾出现过：氧化钇（Y2O3）摩尔数小于12%的透明合成立方氧化锆晶体，经900°C温度长时间热处理后出现失透混浊现象，这可以在图57-a中找到答案。图57-a是ZrO2-Y2O3相图，左下角当Y2O3含量为12%~4%（摩尔分数），在900°C至室温范围内，存在四方相氧化锆和立方相氧化锆，以及斜方相氧化锆和立方相氧化锆共存区。由于立方相氧化锆中共结晶了四方相和斜方相的二氧化锆，改变了立方氧化锆晶体的原有性质，故乳锆没有立方氧化锆晶体稳定。

图57-a相图与图10相图不同之处是左下角有一个产生乳锆的区域。相图10只想说明要使立方相ZrO2晶体稳定，必须加入稳定剂Y2O3的区域。

图57-a和图57-b中C1为CaF型的立方结构；C2为Tl2O3型的立方结构；H为六方晶体结构；T为正方晶型（四方相）结构；M为单斜晶系结构。

图57 a-ZrO2-Y2O3相平衡（1）(Srivastava et.，1974)b-ZrO2-Y2O3相平衡（2）（A Rouanct et.,1971)

图58至图61是沈才卿委托覃斌荣先生从广西梧州宝石商城拍摄的乳锆晶体照片。

图58 乳锆晶体-1（覃斌荣供图）

图59 乳锆晶体-2（覃斌荣供图）

图60 乳锆晶体-3（覃斌荣供图）

图61 乳锆晶体-4（覃斌荣供图）

为了得到稳定的立方相氧化锆，必须加入10%以上的三氧化二钇（Y2O3）。为了得到乳锆，人为地减少了Y2O3的放入量，一般只放3%~4%的Y2O3，使得乳锆中除了有立方相的氧化锆外，还存在四方相和斜方相的氧化锆结构，其直接后果是稳定性下降：一年还行，2~3年后易开裂。故乳锆及其饰品在珠宝首饰市场上流行了几年后，被慢慢淡化，逐渐退出了市场。2020年，乳锆晶体北京珠宝市场上找不到，只得委托广西梧州的覃斌荣校长到梧州宝石商城帮忙进行拍摄。

五、祖母绿色合成立方氧化锆晶体的生长和特点

中国最早进行冷坩埚熔壳法合成立方氧化锆实验的中国科学院上海硅酸盐研究所晶体生长实验室主任张道标研究员和何雪梅副研究员，在实验中获得下列认织：

1、 无色和彩色合成立方氧化锆晶体在稳定剂Y2O3加入量10%~20%之间是最稳定的。

2、增加稳定剂Y2O3的量到33%以后，结构要发生变化，尤其是Y2O3为40%以上，ZrO2为60%时，晶体并不是立方氧化锆单晶结构，而是共熔体。参考图57-b可见，此时形成立方晶体结构和六方晶体结构的共熔体，改变了原来立方氧化锆晶体的结构，使其不稳定性增加。

3、合成祖母绿色立方氧化锆时，致色剂为三氧化二钴（Co2O3），若Y2O3正常用量时为紫罗兰色，当Y2O3为40%以上时，颜色变绿。此时晶胞体积增大，比重减小，莫氏硬度也变小。由于硬度变小，比较容易加工。参见图62。

实验中得知，翠绿色合成立方氧化锆的配方：ZrO254.4%，Y2O344.8%，Co2O30.01%。

4、实际工作时，发现合成祖母绿色立方氧化锆晶体比较小，绿色均匀一致的产品成品率较低，所以，生产厂家较少。

图62 祖母绿色合成立方氧化锆（覃斌荣供图）

六、宝石蓝色合成立方氧化锆晶体的生长与特点

宝石蓝色的合成立方氧化锆与祖母绿色合成立方氧化锆的原理一样，也是在稳定剂氧化钇（Y2O3）超量使用的前提下获得的，晶体并不是立方氧化锆单晶结构，而是共熔体。此时晶胞体积增大，比重减小，摩氏硬度也变小。由于硬度变小，比较容易加工。参见图63。

实验中得知，宝石蓝色合成立方氧化锆的配方：ZrO254.72%，Y2O343.58% ，Co2O30.2%。

图63 蓝宝石色合成立方氧化锆晶体（覃斌荣供图）

覃斌荣（1966年生人）自1995年中宝协人工宝石专业委员会成立起，连续三届当选为委员，2000年受广西梧州市政府委托，建立“梧州市五洲宝石技术学校”，并任校长。学校对大量农民工进行宝石切磨加工和首饰镶嵌培训，对梧州经济的发展作出了重大贡献，对梧州后来被中国珠宝玉石首饰行业协会评定为“人工宝石特色产业基地”和“世界人工宝石之都”有特殊贡献。覃斌荣把陈汴琨主任和沈才卿聘为学校顾问，每年梧州国际宝石节期间都安排我们在梧州进行学术报告和人工宝石工厂参观。所以，沈才卿写书需要照片时，覃校长很快帮忙到梧州宝石商城进行拍照，十分感谢！覃斌荣校长的照片参见图15和图16。（见174 期 70、71 页）

七、切下来的粉料和多晶体熔融层重复利用问题

冷坩埚熔壳法合成立方氧化锆方法的特点之一是：可以将冷坩埚的粉料及粉料与晶体之间的多晶体熔融层（一般占整个冷坩埚重量的45%左右）重新利用，如果是彩色立方氧化锆晶体生长，必须是在相同颜色时才能当作加入粉料的一部分。2021年，沈才卿采访张道标研究员和何雪梅副研究员夫妇（图64）时，90岁和91岁高龄的他们毫无保留分享了他们在长期生产实践中发现的几个规律：

1、在冷坩埚熔壳法合成立方氧化锆时，温度高达2700°C，而Y2O3在1800°C时就会挥发，一个生产周期大约挥发3%左右，所以重复利用时必须另外加入Y2O3，多加入量大约3%。否则Y2O3偏少，会使稳定度降低，出现四方相或六方相，合成的晶体会有裂纹，有雾状，有时会裂，可见必须补Y2O3。

2、对于彩色合成立方氧化锆，由于晶体在结晶过程中都有自动排除杂质的本能，所以，合成立方氧化锆粉料中的杂质，都会被排挤到冷坩埚粉料与晶体之间的多晶体熔融层，这二者在行里通常被称为“炉碴”。这些“炉碴”重复利用的次数越多，杂质含量就越高，有时会高4~5倍。可见，重复利用“炉碴”的次数不能太多。

图64 张道标研究员（1931年生人）和何雪梅副研究员（1930年生人）（在2021年春节时的合影，何雪梅提供图片）

3、进行冷坩埚熔壳法合成立方氧化锆的粉料很细，在加入冷坩埚的操作中容易飞逸，所以必须考虑这个因素。

4、生产优质立方氧化锆晶体的装炉料要求：首先要制备优质的立方氧化锆晶种（晶芽）。由于生产所用原料的差别，分成两种装料的要求：

（1）用全新的ZrO2-Y2O3配料为原料：先在冷坩埚底部加入配好的粉料并夯实，约5~8 cm厚，作为冷坩埚与陶瓷壳层隔热层和熔体自发成核培育晶种层，上面继续加料（混有回炉料）至顶部附近，埋入或放入引熔剂（有时也称引燃剂）高纯石墨或金属锆，然后继续加入配好的粉料，开始通冷却水、通电引熔，直至原料全部熔化达到测算好的位置，即到达冷坩埚上下各2~3 cm处（通常不能把顶层和底层完全熔化掉，必须保证有一定厚度的粉层，也不能把其它粉层熔化掉）。之后开始保温（要注意熔池底层可能是不平的，所以宁可保守一些让底层厚一些），然后开始降坩埚或升高频线圈，让自发成核的晶种开始生长成晶体，直至熔体全部凝固成晶体，生长结束为止。

（2）用加入Y2O3新配料和部分回炉料作原料：可在冷坩埚底部先装入2 cm厚的回炉料作隔热层，然后再加一层全新的ZrO2-Y2O3粉料夯实后约5 cm厚，作为熔体自发成核培育晶种层，再在上面加入补充了Y2O3的粉料及回炉料的混合料，到装满时埋入引熔剂（引燃剂）高纯石墨或金属锆，通水通电开始引熔加热，直至熔化到育种层的中部，不要熔穿育种层。保温相当长时间后，开始将冷坩埚下降或高频线圈缓慢上升，让晶种慢慢长大，直到熔体全部长成晶体为止。使用回炉料时必须补充加入挥发掉的量的稳定剂Y2O3粉料。因为在合成立方氧化锆晶体过程中，存在稳定剂Y2O3的挥发问题（前面提到约3%），所以在使用回炉料再生产时必须补充这部分挥发掉的稳定剂Y2O3的量，否则所得的立方氧化锆晶体不能保证为完整的立方型结构，在加工使用过程中热稳定性差，容易开裂甚至破碎。

多么宝贵的资料，让我们再一次向张道标和何雪梅夫妇老前辈表示感谢！

第五节 合成立方氧化锆的应用

一、作为人工晶体观赏石欣赏

2008年沈才卿在广西桂林进行高温高压合成翡翠的研究时，受桂泰珠宝公司总经理何方县的邀请，访问桂泰珠宝公司在桂林的总部。在何方县总经理办公室里看到了如图35（见174期74页）中带粉料的粉红色立方氧化锆晶体，拿出来放在办公桌上，像有许多山峰的观赏石一样很好看。何方县总经理也是突然发现合成立方氧化锆晶体比一般的观赏石还漂亮，他看我喜欢就送我一些不同颜色的晶体作纪念品。回到北京后许多同行都很喜欢，我送给陆太进博士、何雪梅教授（北京）、郭海斌大夫等作纪念，只留了几个放在室内观赏。见图65和图66。

图65 人工宝石观赏石之一（沈才卿藏品）

图66 人工宝石观赏石之二（沈才卿藏品）

二、用合成立方氧化锆晶体雕刻成工艺品获得中国珠宝玉石首饰行业协会“天工奖”

原北京工艺美术大师王金兰（1942年生人）用摩氏硬度达到8.0~8.5的合成立方氧化锆进行雕刻（原料是桂泰珠宝公司用800公斤粉料、400公斤晶体的冷坩埚所产的立方氧化锆晶体），部分工艺品在2009年11月北京举办的中国国际珠宝展“天工奖”评比中获“最佳工艺奖”，参见图67，获奖证书见图68。

工艺美术大师王金兰（人工宝石专业委员会委员），福建鑫磊珠宝公司总经理钮天然（1937年生人，人工宝石专业委员会副主任委员），中宝协人工宝石专业委员会主任陈汴琨教授（1937年生人）和沈才卿（1942年生人）难得一起参加2010年11月在北京举办的“中国国际珠宝展”，留下了下面的珍贵合影照片，见图69。

图67 王金兰雕刻的合成立方氧化锆工艺品获“最佳工艺奖”

图68 “最佳工艺奖”获奖证书

图69 参加2010年11月中国国际珠宝展时合影（左起：王金兰，沈才卿，钮天然，陈汴琨）

三、用合成立方氧化锆晶体加工制作的工艺礼品和首饰

（一）用合成立方氧化锆晶体制作工艺礼品

广西梧州被中国珠宝玉石首饰行业协会评定为“人工宝石的特色产业基地”和“世界人工宝石之都”，是我国人工宝石交易的集散地，梧州由此雨后春笋般地出现了一大批人工宝石加工企业、首饰设计和制作企业，不仅带动了梧州的经济，也给珠宝首饰市场带来了活力。

黎蒙珠宝公司是梧州最早生产首饰的企业，也是梧州的龙头企业，总经理蒙英在沈才卿2010年10月参加梧州国际宝石节时，赠送给陈汴琨主任和沈才卿各一个橙色立方氧化锆制作的工艺礼品，见图70。

图70为合成立方氧化锆工艺礼品，底座上面是一个中国的传统吉祥鼎，鼎的最高处嵌一个直径48 mm的橙色圆钻型合成立方氧化锆，工艺品总高度150 mm，底座下宽上窄，下面长100 mm,宽80 mm；上面长90 mm，宽60 mm，高50 mm。鼎高130 mm，长100 mm，宽75 mm。鼎的四面都有图案和字，用金色显示（拍照不易看清楚）。前面大字是：“禄”字，背面大字为“福禄寿”，非常吉祥和喜气。

图71是蒙英柜台上的合成立方氧化锆工艺礼品，所用立方氧化锆晶体颜色是蓝色和红色，以示有不同颜色的合成立方氧化锆工艺礼品。

图70 立方氧化锆工艺品-1（蒙英赠送沈才卿礼品）

图71 不同色立方氧化锆工艺品-2（蒙英供图）

（二）多刻面人工宝石观赏品和饰品

一般的天然宝石或人工宝石磨成刻面时，绝大部分是57个面，而合成立方氧化锆的刻面在广西梧州出现了多刻面的观赏品（太大太重不能当饰品）和饰品（较小的可以当胸坠），“梧州市五洲宝石技术学校”校长覃斌荣告诉沈才卿，宝石大厦中见到最多刻面的合成立方氧化锆有961个刻面，直径130 mm。沈才卿保存的样品是好朋友李丽英加工刻磨的，直径50 mm，冠部193个刻面，亭部336个刻面，总共529个刻面，看起来非常漂亮，见图72、图73和图74。

最小的多刻面立方氧化锆通常用来制作胸坠，非常漂亮。

图72 有529个刻面的立方氧化锆正面（冠部）（李丽英刻磨，沈才卿收藏 NGTC北京实验室拍摄）

图73 有529个刻面的立方氧化锆（亭部）（李丽英刻磨，沈才卿收藏 NGTC北京实验室拍摄）

图74 不同大小多刻面立方氧化锆（沈才卿收藏品 NGTC北京实验室拍摄）

（三）丰富多彩的合成立方氧化锆首饰

因为合成立方氧化锆晶体的颜色丰富多彩，所以，可制作出丰富多彩的首饰来。广西梧州黎蒙珠宝公司总经理蒙英认为我们写书需要，又赠送给沈才卿用绿色立方氧化锆制作的一套礼品，很好看。见图75。

不同颜色的立方氧化锆刻面和首饰也很好看，参见图76。

2011年参加梧州国际宝石节时，中宝协人工宝石专业委员会的三位主要领导，参观了蒙英的黎蒙珠宝展台，并且应蒙英要求进行了合影留念，参见图77。

2021年4月，张道标和何雪梅夫妇又将收藏的直径为20 mm的不同颜色刻面立方氧化锆和项链坠拍摄后发给沈才卿，参见图78。

图75 绿色合成立方氧化锆首饰一套（项链、手链、耳钉一对，胸花）（蒙英送沈才卿赠品 NGTC北京实验室拍摄）

图76 不同颜色和刻面的立方氧化锆饰品（沈才卿收藏品 NGTC北京实验室拍摄）

图77 2011年参加梧州国际宝石节时参观蒙英的黎蒙珠宝摊位时合影（右起：蒙英、陈汴琨、沈才卿、于春敏）

图78 多种颜色的立方氧化锆刻面成品（张道标夫妇收藏并拍摄）

（四）合成立方氧化锆色板和样本

为了交易的正确和方便，很多珠宝公司都把本公司产品的品种及颜色做成色板或样本，以便双方在订货时根据样本的颜色、品种、大小、数量等确定下来，珠宝厂家发货时不会搞错。何方县的桂泰珠宝公司就有这样的样本，2005年梧州国际宝石节时，何方县总经理就送给沈才卿桂泰珠宝公司的样本，颜色超过15种，还有乳化立方氧化锆，可见颜色还是比较多的。参见图79。

图79 桂泰珠宝公司的样本（或称色板）（何方县2005年赠品）

第六节 冷坩埚熔壳法合成无色蓝宝石

中国科学院西南技术物理研究所陈庆汉研究员经过几年的研究，在200 mm直径的冷坩埚中实现了无色蓝宝石晶体达到2 cm的生长，此研究成果在2012年“中国地质大学（武汉）珠宝学院成立20周年”国际珠宝学术年会上作了学术报告，收集在会议论文集第11~15页里，并在《宝石和宝石学杂志》2012年14卷第3期第17~21页发表。现根据发表的论文介绍如下：

一、实验装置

实验装置如图80所示，高频电源频率0.8~1.8 MHz，最大输出功率100 kW，冷坩埚内径200 mm，放置在一个升降机座上可以以一定速度升降。冷坩埚外围是一个四匝的感应圈，其内径略大于冷坩埚外径，高频电源就加在感应圈上并通过它加到熔体上去。

内径为200 mm的冷坩埚一般装粉料15公斤，通电后粉料下塌再加料，最多能装27公斤粉料左右，所以，通常能获得7~13公斤左右晶体。

图80 冷坩埚熔壳法生长蓝宝石晶体的实验装置（据陈庆汉 2012）

二、无色蓝宝石晶体生长

用冷坩埚熔壳法生长无色蓝宝石晶体，其前提是先要将氧化铝原料（粉料）充分熔融。氧化铝熔体可以与射频电磁场直接耦合而被加热，但固态氧化铝粉料即使在熔点附近时的电阻率仍高达33欧姆厘米，所以即使加热氧化铝粉料到熔点附近，只要仍然是固态的，它依然不能与高频电磁场直接耦合而被加热。因此必须采取辅助加热方式，采用“小熔池”工艺先将氧化铝粉料熔融成熔体。

采用高纯金属铝片作为点火剂，先使高纯铝片与高频电磁场直接耦合而被加热，在空气中被加热的高温铝片因氧化而燃烧，纯铝的燃烧热值很高（据估算，1 mol铝片的燃烧热可以熔化约0.5~0.7公斤的氧化铝粉），使其先形成一个氧化铝熔池以作为与高频电磁场直接耦合吸收能量的媒介。

晶体生长过程采用典型的冷坩埚熔壳法技术工艺：在冷坩埚中装入4N6纯度①注 ：4N6 是指纯度为99.996% ，N是9 nine的第一个字母，4N是指4个9，故4N6为99.996%。的氧化铝粉料15公斤，其上放置一定数量的高纯铝片作为点火剂。启动高频电源，通过感应线圈向高纯铝片施加高频电磁场使之加热并与空气中的氧产生氧化燃烧反应，其产生的热量熔化铝片周围的氧化铝粉形成一个环状的氧化铝熔池。然后逐渐增加高频电源输出功率，使氧化铝熔池稳步扩大。操作中要再加入氧化铝粉，加功率，如此往复，使冷坩埚内氧化铝粉完全熔化，熔体液面达到预定的高度。保温二小时，然后以每小时3~10 mm速度下降冷坩埚，晶体从底部开始向上生长，到熔体基本移出感应圈时，停电自冷至室温，倾倒坩埚取出晶体。

三、结果与分析

采用冷坩埚熔壳法生长蓝宝石晶体，是利用高频电磁场与蓝宝石熔体直接耦合加热熔化的，但在晶体生长过程中，会出现熔体与电磁场的耦合效应自发地逐渐减弱的现象。2008年，我们在最初的实验中看到了这个“去耦合”（de-couple）现象：实验很容易熄火。后经试验发现，及时增加射频输入功率可以消除这种现象的发展，从而持续进行正常的定向结晶过程，时间长达十几个小时，但由于其它条件不是太合适，得到的还是由毫米级小晶粒组成的蓝宝石多晶体。

我们比较了立方氧化锆与氧化铝在各自熔点附近从固相到熔体相的电阻率变化曲线发现：立方氧化锆是一条连续平滑的曲线，而氧化铝是一条急剧徒变的（从33Ω·cm到0.1Ω·cm）几乎不连续的曲线。因此，可以预料到，在点火预热氧化铝粉料过程中，一旦氧化铝开始熔化，它对电磁场能量的吸收就会急剧增加。反之，在熔体下降定向结晶时，随着熔体凝固会引起系统对电磁场能量吸收的急剧减少，这将导致系统温度较大波动。因此，不太有利于晶体的缓慢长大。

据此改进了生长工艺，于2011年得到了最大直径2厘米左右的蓝宝石单晶，参见图81。

图81 壳熔法生长的蓝宝石晶体（陈庆汉 2012）

陈庆汉（1943年生人）毕业于中国科学技术大学物理化学系，后又进中国科学院研究生院读硕士研究生毕业，工作在中科院西南技术物理研究所，研究员职称。除了本职工作的研究成果外，在珠宝研究领域也有许多成果。是人工宝石专业委员会的委员副主任委员及高级顾问。除本文介绍的研究成果外，还在“粉红色蓝宝石的人工合成”和“仿祖母绿宝石的呈色原理与生长”方面有研究成果，被收录在《中国人工宝石》的第66~74页和81~84页，感兴趣的同志可以看看。

在冷坩埚熔壳法合成宝石方面有特出贡献的何雪梅、张道标、何方县和陈庆汉都参加了2004年11月在广西梧州举办的梧州首届国际宝石节。何方县的桂泰珠宝公司在梧州宝石大厦有办公室和销售专柜，人工宝石专业委员会主任陈汴琨和沈才卿也参加了这次会议，难得的机会，大家在何方县办公室拍照留念，参见图82。

图82 2004年梧州首届国际宝石节期间与何方县总经理合影（左起：沈才卿、陈汴琨、张道标、何方县、何雪梅、陈庆汉）

第七节 合成立方氧化锆宝石晶体的鉴别

由于立方氧化锆只发现于天然锆石的包裹体中，并且合成立方氧化锆通常用于仿钻石，所以对立方氧化锆晶体特征的描述，便是对其完整的鉴别。

一、合成立方氧化锆的晶体特征

由于冷坩埚熔壳法合成立方氧化锆晶体时不使用高温金属坩埚，而是用晶体原料本身作坩埚，因此不像其它熔体法生长的晶体那样在晶体中含有金属固体包裹体或者矿物包裹体，也不像焰熔法那样具弧形生长纹。一般来说，立方氧化锆的大多数晶体是很洁净的。多数沿〔110〕方向生长，也有沿〔100〕方向生长的。只有少数产品可能会因冷却速度过快而产生气态包裹体或裂纹。还有些靠近熔壳的合成立方氧化锆晶体内可能有未完全熔化的面包屑状的氧化锆粉末，偶见漩涡状内部特征。

二、合成立方氧化锆的结构及物理化学特征

（一）硬度

用维氏显微硬度计测量平均值为1384 kg/mm，莫氏硬度为8左右，且各向异性不明显，不同炉次的晶体有一定的差异，一般在莫氏硬度7.5~8.5之间。

（二）折射率与色散

在可见光区的折射率n6913=2.15889，n4047=2.23551，色散n4358-n6563=0.055，其折射率（2.18）略低于钻石(2.417)，色散略高于钻石(0.044)，金刚光泽。

（三）密度

用排液法测其密度为5.89 g/cm3，实际测量不同颜色的合成立方氧化锆晶体发现，其密度范围可以达到5.80~6.10 g/cm3。

（四）晶体结构

用X射线粉末衍射分析，确定为立方结构，晶格常数为5.147×10-10m。

（五）化学性质

一般单斜氧化锆易被无机酸溶解，但立方氧化锆有非常高的化学稳定性，耐酸、耐碱，抗化学腐蚀性良好。

（六）光谱性质

彩色合成立方氧化锆晶体对紫外光均有强烈的吸收作用；无色透明晶体在可见光区有良好的透过率；彩色晶体在可见光区均有特征吸收峰，如图83。

图83 不同合成立方氧化锆晶体透光率曲线(厚度2.0 cm)

（七）荧光特征

多数合成立方氧化锆晶体在长波紫外线照射下发出黄橙色荧光，在短波下发出黄色荧光。而有些晶体只在短波下有荧光反应，另一些甚至不产生荧光。

三、合成立方氧化锆与钻石的简易鉴别法

（一）热导仪测试

合成立方氧化锆的热导率远远低于钻石，用热导仪测试时没有钻石反应。

（二）凭手感区分

合成立方氧化锆的密度比钻石大得多，同样大小的晶体放在手心中，合成立方氧化锆有压手的感觉。

（三）油笔测试

钻石亲油疏水，用油笔在刻面上画线，线条连贯；而立方氧化锆晶体亲水疏油，用油笔在刻面上画出的线条断断续续，不连贯。

（四）成品刻面检验

在白纸上划一条红线，将刻面宝石的台面向下放置，从亭部观察，看不到红线者为钻石，能看到弯曲红线者为立方氧化锆。

（五）10×放大镜观察

一般钻石有细小包体，刻面之间的棱较锐利，有时腰围上可见天然晶面；而立方氧化锆则过于洁净，刻面之间的棱可有磨痕。

特别致谢：伊梦缘晶体有限公司经理饶首光经理，为本文提供了大量参观时看不到的操作图片，可以让读者形象地了解直径1.25米冷坩埚的最新操作工艺。同时，还要特别感谢人工宝石界老前辈张道标和何雪梅夫妇，他们把珍藏的知识和收藏品提供给作者，让广大读者了解市场上少见的立方氧化锆晶体的合成原理和优缺点，广大读者一定会感谢你们。