Основные методы выращивания синтетических камней

В настоящее время существует ряд методов искусственного выращивания ювелирных камней. Они подробно описаны в специальной литературе. Мы кратко остановимся на основных из этих методов.

Синтез кристаллов из расплава. При этом методе кристаллизация камня происходит при охлаждении расплавленных веществ.

Рис. 8. Схема аппарата М. А. Вернейля: 1 - дозатор; 2 - шихта; 3 - кристаллизационная камера; 4 - кристалл; 5 - кристаллодержатель; А - подача кислорода; Б - подача водорода

Метод М. Вернейля впервые был применен в промышленных целях для искусственного выращивания рубинов в 1905 г., шпинели и сапфиров в 1910 г. В настоящее время этот метод используется также для синтеза рутила (с 1948 г.), титаната стронция (с 1955 г.) и др. Метод Вернейля заключается в следующем: к горелке с направленным вниз соплом через внешнюю трубу подводится водород, а через внутреннюю - кислород (рис. 8). В ток кислорода подается измельченный порошок оксида алюминия зернистостью около 20 мкм, полученный прокаливанием алюмоаммиачных квасцов: порошок нагревается до определенной температуры и затем попадает в водородно-кислородное пламя гремучего газа, где он расплавляется. Внизу под соплом располагается стержень из спеченного корунда, выполняющего роль кристаллоносца. На него стекает расплавленный оксид алюминия, образуя шарик расплава. Стержень кристаллоносца постепенно опускается со скоростью 5 - 10 мм/ч, при этом обеспечивается постоянное нахождение расплавленной растущей части корунда в пламени. Диаметр образовавшихся кристаллов ("булек") обычно достигает 20 мм, длина 50 - 80 мм, иногда их размер гораздо больше. Добавлением примесей различных хромофоров добиваются получения широкого спектра окрасок синтетических корундов (для получения красного цвета добавляют ионы Cr³⁺, синего Ti⁴⁺ и Fe²⁺ и т. д.)

Метод Чохральского заключается в следующем: расплав вещества, из которого предполагается кристаллизовать камни, помещают в огнеупорный тигель из тугоплавкого металла - платины, родия, иридия, молибдена или вольфрама - и нагревают в высокочастотном индукторе. В расплав на вытяжном валу опускают затравку из материала будущего кристалла, и на ней наращивается синтетический материал до нужной толщины. Вал с затравкой постепенно поднимают вверх со скоростью 1 - 50 мм/ч с одновременным вращением с частотой 30 150 об 1. Вращают вал, чтобы выровнять температуру расплава и обеспечить равномерное распределение примесей. Диаметр кристаллов до 50 мм, длина до 1 м. Методом Чохральского выращивают ИАГ (с 1968 г.), ГГГ (с 1975 г.), а также корунд, шпинель, хризоберилл ниобат лития и др.

Метод зонной плавки применяется для синтеза ИАГ, корунда и др. В процессе выращивания кристаллов этим методом с помощью нагревательного механизма расплавляется небольшая область - "зона", а затем нагреватель перемещается вдоль образца, в связи с чем происходит последовательный рост монокристалла. Существуют два варианта этого метода: в методе горизонтальной направленной кристаллизации используется длинная узкая лодочка (полученные кристаллы имеют форму пластин размером 220×100×20 мм и более в зависимости от величины лодочки); в вертикальном варианте "плавающая зона" - применяется спеченный стержень, закрепляемый в верхней и нижней частях.

Метод гарниссажа, или прямого высокочастотного плавления в холодном контейнере, использован для получения стабилизированного кубического оксида циркония - фианита. При его кристаллизации в качестве своеобразных стенок тигля используется кристаллическая оболочка самого полученного вещества.

Синтез кристаллов из раствора в расплаве флюсов (флюсовый метод) осуществляется при высоких давлениях способом обратного температурного перепада либо в изотермических условиях за счет испарения расплава. Этим методом получают алмаз, изумруд, хризоберилл, шпинель и др.

Гидротермальный метод применяется при изготовлении кварца, изумруда, корунда и т. д. Кристаллы вылащиваются в автоклавах на затравочных пластинках из растворов при температурах 250 - 600°С и давлениях десятки и первые сотни мегапаскалей.

При более низких температурах (∼180°С) из гидротермальных слабощелочных растворов выращивают малахит.

Концентрированием растворов получают сферические частицы кремнезема: при последующем длительном остывании их или центрифугировании и тепловой обработке достигается получение искусственных опалов, обладающих опалесценцией.

Метод газотранспортных реакций, осуществляемый в контейнерах из жаропрочных сплавов при высоких температурах в условиях перепада последних, использован для изготовления из газовой фазы хризоберилла, фенакита и др.

Существует и ряд других методов искусственного выращивания ювелирных камней.