第1章　绪论
　　1.1 合成宝石晶体水热法生长的意义
　　人工晶体包括人工功能晶体和人工宝石晶体等种类。人工功能晶体，是指采用熔体法、助熔剂法、溶液法、水热法和化学气相沉积法等人工方法合成出来的，具有光、电、声、磁、热、力等特殊物理效应的晶体材料。这些人工功能晶体包括半导体晶体、激光晶体、非线性光学晶体、闪烁晶体、压电晶体、光学晶体、电光晶体、磁光晶体和声光晶体等，它们被广泛地应用于光电子、激光、通信、能源和生物等高新技术领域，对高新技术的快速发展具有巨大的，甚至是决定性的影响和推动作用。人工宝石晶体则是一类非常重要的、与天然宝石晶体相对应的人工晶体，是采用人工晶体的生长方法和技术合成出的，用作首饰及装饰品的人工晶体材料。其中，水热法合成宝石晶体是专指采用水热法技术生长出来的、与天然宝石晶体相对应的块状单晶体，如水热法合成的祖母绿和海蓝宝石、红宝石和蓝宝石、水晶和紫晶等。合成宝石晶体主要用于珠宝首饰业，其饰品具有丰富和美化人们的物质生活、文化生活和精神生活等功能。本书主要阐述合成宝石晶体水热法生长的原理、方法、技术和工艺，以及水热法合成宝石晶体的宝石学特征和鉴定特征等。
　　从实际应用的角度考虑，合成宝石晶体水热法生长的意义主要体现在以下三个方面。
　　（1）合成宝石晶体及其饰品在珠宝首饰业的发展中越来越重要。早在20世纪60年代初全世界就掀起了“宝石热”浪潮，从此国际珠宝首饰业得到了迅速的发展，并逐步发展成为世界上产业规模较大、从业人员较多、对经济社会发展产生较大影响的行业之一。合成宝石晶体在国际珠宝首饰业的发展中起到了重要的作用，并越来越受到人们的重视和青睐，这是因为以下几点。
　　首先，在“天然宝石”“优化宝石”“合成宝石”这三类宝石资源中，“合成宝石”资源日趋重要。一方面，天然宝石资源是一种不可再生的矿产资源，不仅在自然界产出稀少，而且长期被开采利用，因而它们中的大多数品种已面临枯竭。其中，优质的天然名贵宝石（如钻石、红宝石、蓝宝石、祖母绿和猫眼石等）更为稀少，质优粒大者更为罕见，有的甚至几乎绝迹，如产于克什米尔地区的名贵的“矢车菊”蓝宝石，20世纪90年代初在国际珠宝市场上就已经绝迹了。另据资料统计，即使在产量最高的宝石矿山中，其可供利用的宝石数量仅占该矿床中宝石矿物总量的5%左右，而优质宝石的数量则更少，仅占宝石矿物总量的0.25%左右。由此可见，天然宝石，尤其是天然名贵宝石非常稀少，弥足珍贵。另一方面，人类文明的进步，经济社会的发展，生活水平的提高，又使国际珠宝首饰的需求量年年增长。因此，优质天然宝石，特别是优质名贵宝石及其饰品在国际珠宝首饰市场的供需矛盾就日益突出，不仅价格很高［例如，一颗2 ct（1 ct = 200 mg）重、优质的天然“鸽血红”红宝石刻面饰品近些年在国际珠宝首饰市场上的单价就超过2万美元/ct］，而且还年年上涨，其年上涨率为5%～10%。
　　为应对国际珠宝首饰业所面临的天然宝石资源日益枯竭与宝石原料需求量日益增长供需矛盾的日益突出以及市场价格逐年上涨等挑战，增加宝石品种、开辟供应渠道和扩大供给量是必将采取的三项主要措施。对于“天然宝石”资源：在充分开发利用已知的天然宝石品种及宝石资源的同时，必须积极寻找、开发和利用新的天然宝石品种及新的宝石资源。对于“优化宝石”资源：大力研究、开发和应用人工优化处理技术，即采用珠宝行业普遍使用的、宝石学界认可的、广大消费者也接受的物理处理方法，如高温热处理或辐照处理等，将颜色不好的、透明度低的天然低档宝石改善成颜色漂亮的、透明度高的高档宝石，甚至将非宝石级的原石改变成可供利用的宝石级原料。因此，天然宝石的优化处理不仅极大地提高了它们的档次级别及经济价值，而且还相当大地扩大了宝石原料的供应来源。例如，全世界80%～85%的天然蓝色蓝宝石晶体、75%～80%的天然红宝石晶体都是人工优化处理的产物。对于“合成宝石”资源：全面深入地研究开发、推广应用合成宝石晶体，以弥补与之对应的天然宝石资源的不足。在当今国际珠宝首饰业的快速发展中，“天然宝石”“优化宝石”“合成宝石”等三类宝石晶体都在发挥各自的作用，彼此不可取代，但可以互相弥补。另据报道，合成彩色宝石的世界年消费额占彩色宝石（包括天然和合成的彩色宝石）世界年消费额的14%左右，且逐年增长。由此可见，合成宝石晶体，包括水热法合成宝石晶体将越来越重要。
　　其次，合成宝石晶体在缓解供需矛盾、促进市场繁荣的过程中起到不可替代的作用，这是因为：其一，合成宝石晶体，在化学组成、晶体结构、理化性质和宝石学特征等方面不仅与其对应的天然宝石晶体基本相同或非常相似，而且它们的花色品种更多，完美程度更好，化学纯度更高，晶体颜色更漂亮。而“相似性准则”对于合成宝石晶体是非常重要的，合成宝石晶体的化学成分、晶体结构、物理性质、化学性质和宝石学特征等越相似于天然宝石晶体，就越受到人们的喜爱，其价值也就越高。其二，合成宝石晶体在国际珠宝首饰市场上的价格一般只有对应的、同级别的天然宝石晶体价格的十分之几甚至几十分之几，因而它们不仅是对应的天然宝石的一种很好的补充品，而且物美价廉，越来越受到人们的喜爱。其三，珠宝首饰加工业已从手工加工业发展成现代制造业，因而不仅要求宝石晶体原料供应充足稳定，而且还要求它们的品种、形状、规格和大小等也充足稳定，以利于珠宝首饰的设计制造，而天然宝石几乎不可能满足这些要求。由此可见，合成宝石晶体在相当大的程度上缓解了国际珠宝首饰市场的供需矛盾，满足了珠宝首饰加工制作行业的需要，促进了市场的繁荣和发展，充分显示出它们的不可替代作用，同时也为合成宝石晶体自身的研究开发提供了宝贵的发展机遇及广阔的发展空间。
　　最后，珠宝消费观念的变化促进了合成宝石晶体需求量的增长。随着经济的发展，特别是在经济发达的国家和地区，人们的珠宝首饰消费观念已发生了深刻的变化。其中，追求宝石的文化品位及首饰的时尚款式就是这一深刻变化的主要特征。除收藏者外，人们已不再把珠宝首饰当作财富保值和增值以及展现身份地位的一种载体，而主要是把它们当作丰富和美化精神生活和文化生活的物品，因而也就不再刻意地去考虑宝石究竟是天然产出的，还是人工合成的。例如，当今畅销的珍珠饰品，大多数消费者已不再过多地考虑它们到底是天然产出的还是人工养殖的，而主要考虑它们是海水养殖的，还是淡水养殖的，以及它们的质量、大小、等级和价格等。也就是说，在大体相同的文化背景下，消费者对珠宝首饰的考虑也同其他商品一样，主要看它们。显然，这是珠宝首饰消费观念发展的必然趋势，也是珠宝首饰消费趋于成熟的标志。因此，随着人们的珠宝消费观念的变化，国际珠宝首饰市场对合成宝石晶体，特别是水热法合成宝石晶体的需求量逐年增长，其年递增率为5%左右。
　　（2）合成宝石晶体水热法生长的研究成果在天然宝石矿床的研究开发中将越来越重要。如上所述，水热法合成宝石晶体与其对应的天然宝石晶体在物理性质、化学性质和宝石学特征等方面都极为相似，同时它们在生长环境和生长机制等方面也很相似。因此，人们不仅能够在一定的范围内和相当大的程度上通过实验来模拟或再现天然宝石晶体的生长，而且还能够根据实验资料来查明天然宝石晶体的生长条件和生长机制，从而阐明其成因，这对深入研究天然宝石矿床的成矿条件、成矿规律和成因机制以及勘查和利用等都具有十分重要的理论意义和实际意义。例如，仲维卓（1994）利用水热法生长人工水晶的实验资料及其晶体的结晶习性、表面微形貌以及晶体缺陷的分布规律等来深入研究和阐明优质天然水晶矿床形成时的物理化学条件及其生长机制和成因机制，迄今已取得了比较好的应用效果，积累了比较丰富的实践经验。可以相信，今后水热法合成宝石晶体的实验研究与其对应的天然宝石矿床的地质研究之间必将更加有机地、紧密地结合起来，相互促进、共同发展。
　　（3）人工功能晶体是发展高新科学技术及其产业的关键材料。水热法是生长高质量、大尺寸人工功能晶体的一种非常重要的、行之有效的方法，甚至是某些人工功能晶体生长的唯一方法，如人工水晶（SiO2）等；或是诸多方法中更好的方法，如磷酸氧钛钾（KTP）等。已开发应用的人工功能晶体中，人工水晶是一种非常重要的、性能优异的压电晶体和光学晶体，人工水晶工业及其相关产业目前已成为世界上发展快、规模大、应用广、效益高的产业之一，而彩色水晶则是重要的水热法合成彩色宝石晶体之一。毫无疑问，水热法合成宝石晶体的研究开发成果，如新的生长方法、新的生长技术和新的生长工艺以及新的专用仪器设备等均可供人工功能晶体的水热法生长借鉴，因而也将在相当大的程度上推动其发展。
　　综上所述，合成宝石晶体水热法生长的研究和开发成果对珠宝首饰产业的快速发展、天然宝石矿床的研究开发、人工功能晶体的生长应用等都具有十分重要的意义。
　　1.2 合成宝石晶体水热法生长的原理
　　所谓晶体水热法生长就是在高温高压的条件下，将常温常压下不溶或难溶于水的物质溶解或通过水热反应生成该物质的溶解产物，在高温高压的水溶液中形成饱和溶液，再通过技术措施（如升高或降低温度、设置温差等）使饱和溶液达到一定的过饱和度而进行结晶的晶体生长方法。通常为增大物质的溶解度，会在水溶液中加入一定量的酸、碱、盐等形成所谓的矿化剂溶液。这样，合成宝石晶体水热法生长的过程就可以表述为：将合成宝石晶体所需要的原料溶解在高温高压下的矿化剂溶液中形成饱和溶液，通过采取适当的技术措施将此饱和溶液转变为过饱和溶液，于是溶质便从过饱和溶液中结晶析出，并逐渐长大最终形成可供利用的块状宝石晶体。
　　实际上，晶体的水热法生长与溶液的过饱和程度有密切关系。溶解度-温度曲线表示的是溶解度随温度变化的情况，如图1.1中S线所示。溶解度一般随着温度的升高而升高，但也有少部分物质的溶解度会随着温度的升高而降低。溶解度温度曲线也表示了溶液此时的状态是饱和溶液，溶解度-温度曲线下方的区域则表示溶液的状态是不饱和溶液（稳定区），如图1.1中A所示。而溶解度-温度曲线上方的区域则表示溶液的状态是过饱和溶液（包括亚稳区和不稳区），如图1.1中B、C和D所示。

目录
序
第1章 绪论 1
1.1 合成宝石晶体水热法生长的意义 1
1.2 合成宝石晶体水热法生长的原理 4
1.3 合成宝石晶体水热法生长的分类 5
1.4 合成宝石晶体水热法生长的特点 8
1.5 合成宝石晶体水热法生长的发展简史 9
1.6 合成宝石晶体水热法生长的发展趋势 14
参考文献 16
第2章 合成宝石晶体水热法生长中的影响因素 19
2.1 水的性质和作用 19
2.1.1 水分子的结构特征、成键特征和水的优异性质 20
2.1.2 水在合成宝石晶体水热法生长中的重要作用 21
2.2 合成宝石晶体水热法生长中的热力学因素 29
2.2.1 合成宝石晶体水热体系的相状态和包裹体判别 30
2.2.2 合成宝石晶体水热体系的p -V-T特性 34
2.2.3 合成宝石晶体在水热体系中的溶解度 37
2.2.4 合成宝石晶体在水热体系中的相平衡 52
2.3 合成宝石晶体水热法生长中的动力学因素 59
2.3.1 概述 59
2.3.2 过饱和度与晶体生长 60
2.3.3 籽晶选择与晶体生长 62
2.3.4 原料与晶体生长 69
2.3.5 矿化剂与晶体生长 73
2.3.6 结晶温度及温差与晶体生长 78
2.3.7 压力（或填充度）与晶体生长 84
参考文献 86
第3章 合成宝石晶体水热法生长的技术和工艺 89
3.1 高压釜及其配套的温差井式电阻炉的设计制造 89
3.1.1 概述 89
3.1.2 Ф60 mm×1100 mm型高压釜的设计制造 91
3.1.3 温差井式电阻炉的设计制造 102
3.1.4 专用设备的性能和效果 106
3.2 测温控温技术的改进完善 108
3.2.1 概述 108
3.2.2 改进完善的技术措施 109
3.3 溶解度测试技术 113
3.3.1 测试前的准备 113
3.3.2 测试溶解度的技术细节 114
3.4 挡板及其开孔率 116
3.5 氧化-还原调控技术 118
3.5.1 概述 118
3.5.2 镍离子的价态及Ni3+/Ni2+量比的调节控制 118
3.5.3 铁离子的价态及Fe2+/Fe3+量比的调节控制 119
3.6 色彩混合技术 120
3.6.1 概述 120
3.6.2 致色剂呈色效果及其色彩混合 122
3.7 体积测量技术 124
3.8 合成宝石晶体水热法生长的工艺 125
3.8.1 封装高压釜前的准备 125
3.8.2 高压釜密封、晶体生长及其取出 129
参考文献 130
第4章 合成祖母绿晶体的水热法生长和宝石学特征 131
4.1 概述 131
4.2 Tairus水热法合成祖母绿晶体及其宝石学特征 133
4.2.1 Tairus合成祖母绿晶体的水热法生长 133
4.2.2 Tairus水热法合成祖母绿晶体的宝石学特征 137
4.3 桂林水热法合成祖母绿晶体及其宝石学特征 145
4.3.1 桂林合成祖母绿晶体的水热法生长 145
4.3.2 桂林水热法合成祖母绿晶体的宝石学特征 146
参考文献 158
第5章 合成彩色刚玉宝石晶体的水热法生长和宝石学特征 159
5.1 概述 159
5.2 天然及合成彩色刚玉宝石晶体的品种分类及其致色成因 160
5.3 Tairus水热法合成彩色刚玉宝石晶体及其宝石学特征 162
5.3.1 Tairus合成彩色刚玉宝石晶体的水热法生长 163
5.3.2 Tairus水热法合成彩色刚玉宝石晶体的宝石学特征 166
5.4 桂林水热法合成彩色刚玉宝石晶体及其宝石学特征 177
5.4.1 桂林合成彩色刚玉宝石晶体的水热法生长 177
5.4.2 桂林水热法合成彩色刚玉宝石晶体的宝石学特征 179
参考文献 189
附录 纯水的p-V-T表（Kennedy，1950） 191