Драгоценные камни издавна являлись предметом воспроизведения, однако только в конце XIX в. достижения химии и физики позволили создать синтетические драгоценные камни, не отличающиеся по своим свойствам от природных камней, а часто и превосходящие их. Археологическими исследованиями установлено, что в Древнем Египте (около 3 тыс. лет до н.э.) изготавливали цветные стекла, которые использовали как украшения и амулеты. Имитации драгоценных камней из стекла были широко распространены в Древнем Риме.

В "Естественной истории" Плиний Старший писал, что карбункулы (рубины) "подделываются из стекла так же, как и другие драгоценные камни, познаются они по пленкам внутри и по тяжести, а иногда по пузырькам, светящимся подобно серебру". Он же описал трехслойный сардоникс, называемый триплетом. Этот материал подгонялся и склеивался из трех слоев – черного, белого и красного.

Позже стали применять дублеты, состоящие из двух различных камней – сверху драгоценный, а снизу менее дорогой: горный хрусталь или стекло и т.п. В 1758 году австралийский химик Иозеф Штрасс разработал способ изготовления стеклянного сплава, чистого и бесцветного с относительно высоким показателем преломления. Сплав, состоящий из кремния, окиси железа, окиси алюминия, извести и соды, прекрасно гранился и шлифовался и после огранки напоминал бриллианты. Такой искусственный камень называется "стразом" по фамилии ученого.

Настоящий переворот в получении синтетических драгоценных камней был произведен французским химиком М. А. Вернейлем, который в 1892 г. разработал способ получения синтетического рубина. В промышленности этим методом стали пользоваться для выращивания синтетических рубинов, а затем и для синтеза других драгоценных камней – сапфира, шпинели, александритоподобного корунда и других камней. По мере развития и совершенствования техники выращивания монокристаллов были разработаны другие способы, которые позволяли получить ряд других синтетических камней – аналогов природного рутила, кварца, алмаза, изумруда. В последние годы созданы и новые виды кристаллов, аналогов которых нет в природе, – фабулит, иттрий-алюминиевый гранат, фианит.

Таким образом, в настоящее время существуют следующие виды синтетических ювелирных камней и их имитаций: 1) синтетические ювелирные камни, имеющие природные аналоги: корунды – рубин и сапфир, шпинель, рутил, алмаз, изумруд, кварц, александрит, опал, бирюза; 2) синтетические материалы, не имеющие природных аналогов: титанат стронция – фабулит, ниобат лития, иттрий-алюминиевый гранат, фианит и др.; 3) имитации ювелирных камней: стекла, дублеты и триплеты.

Синтетические ювелирные камни представляют собой искусственные кристаллы, полученные химическими или физическими методами, имеющие свойства, аналогичные природным камням тех же названий. Г.В. Банк пишет о том, что новые номенклатурные предписания специальной комиссии от 1970 г. установили более четкие определения синтетических камней: "Синтетические камни – суть окристаллизованные продукты, получение которых полностью или частично является делом рук человека. Их химический состав, кристаллическая структура и физические свойства в широком диапазоне совпадают с таковыми их природных прототипов (подлинных драгоценных и поделочных камней)".

Глава 1. Основные методы выращивания синтетических ювелирных камней

В настоящее время существует ряд способов изготовления синтетических камней.

Синтез драгоценных ювелирных и технических камней по способу М.А. Вернейля считается классическим и является первым промышленным методом выращивания кристаллов корунда, шпинели и других синтетических кристаллов. В мире ежегодно выпускается около 200 т синтетического корунда и шпинели. Метод Вернейля заключается в следующем: к горелке с направленным вниз соплом через внешнюю трубу подводится водород, а через внутреннюю – кислород. В ток кислорода подается измельченный порошок окиси алюминия зернистостью около 20 мкм, полученный прокаливанием алюмоаммиачных квасцов, который при этом 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 кристаллоносителя. На него стекает расплавленная окись алюминия, образуя шарик расплава. Стержень кристаллоносителя постепенно опускается со скоростью 5 – 10 мм/ч, при этом обеспечивается постоянное нахождение расплавленной растущей части корунда в пламени. На рисунке показана принципиальная схема установки для выращивания кристаллов этим методом. Диаметр образовавшихся кристаллов ("булек") обычно достигает 20 мм, длина 50 – 80 мм, иногда их размер гораздо больше. Бульки представляют собой поликристаллы. Для получения монолитного монокристалла бульку оплавляют путем подачи кислорода. При этом на оплавленной поверхности бульки часть кристаллов остается неразрушенной и они при последующем охлаждении бульки начинают расти за счет оплавленных разрушенных кристаллов.

Для получения рубина к порошку окиси алюминия добавляют окись хрома, для синтеза сапфира – окись железа и титана, для синтеза александритопо-добного корунда – соли ванадия. Этим же методом выращивают синтетический рутил и титанат стронция.

Рис. 1. Схема аппарата Вернейля:

1 – шихта; 2 – дозатор; 3 – кристаллизационная камера; 4 – кристаллодержатель; 5 – кристалл; 6,8 – подача кислорода; 7 – подача водорода.

Второй распространенный метод выращивания синтетических кристаллов драгоценных камней – способ Чохральского. Он 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 вытягивают вверх со скоростью 1 – 50 мм/ч с одновременным выращиванием при частоте вращения 30 – 150 об/мин. Вращают вал, чтобы выровнять температуру расплава и обеспечить равномерное распределение примесей. Диаметр кристаллов до 50 мм, длина до 1 м. Методом Чохральского выращивают синтетический корунд, шпинель, гранаты, ниобат лития и другие искусственные камни.

Часто применяется метод кристаллизации из раствора в расплаве с использованием флюсов. При этом камни кристаллизуются из смешанного расплава, состоящего из раствора соединения и флюсов – молибдатов, боратов, фторидов, окиси свинца и др. Кристаллизуют вещества обычно в платиновом тигле при температуре от 600 до 1300 °С (в зависимости от вида кристаллов). В расплав опускают затравку, а затем его охлаждают со скоростью 0,1 – 1 °С/ч. На затравке постепенно наращивается кристалл. Скорость роста невелика – за несколько недель кристалл вырастает на 3 – 4 см. Этот метод по эффективности не может конкурировать со способом Чохральского и применяется в тех случаях, если кристалл плавится инконгруэнтно или испытывает деструктивное фазовое превращение в твердом состоянии.

Очень эффективен гидротермальный способ выращивания кристаллов драгоценных камней. Процесс осуществляется в автоклавах при давлении 7 • 107 – 14 • 107 Па и температуре 300 – 900 °С. Автоклав заполняют раствором соответствующего минерала. В нижней части автоклава температура более высокая; когда насыщенный раствор поднимается вверх и попадает в условия с пониженной температурой, вещество осаждается на затравку природного кристалла. Нижняя и верхняя части автоклава разделены диафрагмой.

Последние два метода применяют для выращивания синтетических изумрудов, бериллов. Гидротермальным методом синтезируют разновидности кварца и корунда, а методом флюса – иттрий-алюминиевые гранаты, корунды, шпинель.

Сверхтвердые синтетические минералы и материалы получают другими способами. Для выращивания алмаза необходимы давление 50 • 108 –100 • 108 Па и температура более 1600 °С. Процесс синтеза алмазов осуществляется из графита в присутствии катализаторов-металлов. В зависимости от времени синтеза получают кристаллы алмазов различных размеров. Такими же методами синтезируют другие сверхтвердые материалы: гексанит, эльбор, СВ и др., которые широко применяются в технике. В ювелирном деле синтетические алмазы и сверхтвердые материалы до сих пор не применяются.

Глава 2. Синтетические корунды

Год рождения синтетического рубина – 1910. В лаборатории французского химика А. Е. Александра были получены искусственные рубины ювелирного качества по методу, предложенному Вернейлем в 1891 г. С этого времени этот метод стал промышленным. Сырьем для синтеза корунда служит тонкоизмельченный порошок окиси алюминия, получаемый при кальцинации аммоний-алюминиевых квасцов. Для окрашивания кристаллов добавляют окислы переходных металлов в концентрациях 0,1 – 2,0 %: окись хрома для рубина, окиси железа и титаната для сапфира, окиси никеля для желтого корунда, окиси кобальта для зеленого корунда и окиси ванадия для псевдоалександрита. Некоторые зарубежные фирмы ("Линде" в США, "Видерс Карбидвекр" в ФРГ) с 1947 г. начали промышленное изготовление "звездчатых" сапфиров и рубинов. Эффект астеризма получается при добавке в исходное сырье небольшого количества (около 0,3 %) окиси титана. После синтеза полученные кристаллы отжигают длительное время в окислительной среде при температуре от 1100 до 1500 °С; при этом происходит пересыщение окисла титана и выделение тонких ориентированных игл рутила, которые обеспечивают известный эффект шестилучевой звезды.

Способ выращивания синтетических корундов по методу М. А. Вернейля до 1940 г. был распространен только в Европе. Им занимались такие фирмы, как "Sodem Dj evahirdjian" ("Содем Дьевайрдиан") в Швеции, "Baikowski" и "Rubis Synthdes" ("Банковский" и "Рубис синтез") во Франции, "Wieders Carbidwerk" ("Видерс Карбидверк") в ФРГ. С 1940 г. этот метод распространился в США, когда фирма "Линде" начала промышленный выпуск синтетических корундов.

Методом Чохральского можно получить синтетические корунды любой формы – трубчатые, стержневые, ленточные и др. Такие профилированные изделия из корундов широко применяются в технике.

Синтезируя рубины по методу флюса или гидротермальным способом, возможно получить ювелирные камни весьма высокого качества. Этими методами фирма "Чатэм" (США) изготавливает ювелирные рубины размером до 60 мм.

В СССР методы выращивания синтетических корундов были освоены еще в 20-х годах. В настоящее время в Институте кристаллографии АН СССР разработаны и применяются новые методы синтеза корундов, при помощи которых получают изделия из корундов самой различной формы. В институте были созданы установки "Сапфир-ІІІ" и "Сапфир-2М", в которых синтезируются корунды методом направленной кристаллизации, предложенной Х.С. Багдасаровым. Этот способ позволяет выращивать кристаллы лейкосапфира в виде пластин больших геометрических размеров с определенной заданной кристаллографической ориентацией.

Суть нового метода заключается в том, что молибденовый контейнер, заполненный исходным материалом, помещается в вакуумную печь, где его нагревают до температуры более 2000 °С. При этом расплавляется окись алюминия. Контейнер с расплавом медленно перемещается в зоны с более низкой температурой и при снижении температуры до определенного значения расплав кристаллизуется. В настоящее время этим способом получают кристаллы массой более 4 кг. Весь процесс автоматизирован, за соблюдением режимов наблюдают датчики, дающие информацию на ЭВМ, которая управляет синтезом кристаллов.

В настоящее время в СССР освоено промышленное производство ювелирных и технических корундов. Прозрачные, тонкие, легкие трубки различного сечения и длины, полые трех-, четырех- и шестигранные призмы, нитеводители, швеллеры и уголки разных размеров из корунда – эти изделия применяются в лазерной технике, радиоэлектронике, светотехнике, химической промышленности, приборостроении. Там, где другие материалы не выдерживают высоких температур и действий агрессивных сред, используются изделия из корундов. Резцы из корунда позволяют без дополнительной заточки обработать в несколько раз большее число деталей, чем твердосплавные резцы. Сапфиры применяются даже в пищевой промышленности в виде датчиков для контроля состава сиропов, соков, жидких веществ. При этом срок работы датчика из сапфира увеличился до 2 – 3 лет против 3 – 4 месяцев работы датчика из стекла.

Глава 3. Синтетические ювелирные камни разной природы.

В наше время синтезируется в лабораториях мира довольно большое количество ювелирных камней, и кроме ювелирных разновидностей корунда. Например в наше время получают синтетические шпинель, кварц, янтарь и другие камни.

3.1. Синтетическая шпинель.

Синтезируется этот красивый драгоценный камень способом М.А. Вернейля, практически так же, как и корунды.

Для изготовления шпинели используют смесь окисей алюминия и магния, получаемые соответственно из аммоний-алюминиевых квасцов и сульфата магния. Форма выращиваемых кристаллов – параллелепипед с квадратным сечением.

Шпинель применяется в основном в ювелирных изделиях (рис. 2). В связи с этим в состав смеси вводят различные окрашивающие примеси металлов, в том числе трехвалентный хром, который придает камням красный или сочный густой зеленый цвет. Зеленую шпинель ювелиры называют бразильским турмалином, также иногда называют голубовато-зеленую шпинель, очень похожую на аквамарин.

Рис. 2. Вставки из синтетической шпинели

3.2. Синтетический берилл (изумруд)

В середине прошлого века при нагревании порошка природного изумруда в боросиликатном расплаве получили несколько кристаллов изумруда призматической формы. Дальнейшие работы в области синтеза изумруда связаны с исследованием метода кристаллизации из расплавов компонентов, составляющих изумруд, с применением различных флюсов – окисей лития, молибдена и др. До 50-х гг. XX в. синтез изумрудов исследовался в лабораторных условиях. Первый коммерческий изумруд был изготовлен К.Ф. Чатэмом (США), а позже П. Жильсоном (Франция).

В настоящее время известен ряд промышленных методов выращивания синтетических изумрудов, применяемых в СССР, США, Японии, Франции, ФРГ и других странах. Известны синтетические изумруды типа – "Эмерита" или "Симеральд", изготовляемые в Австрии. Они представляют собой ограненные вставки из светлого берилла, на которые наращен слой синтетического изумруда толщиной 0,3 мм. Цвет их бледно-зеленый.

Фирмы "Чатэм" (США) и "Жильсон" (Франция) выпускают синтетические изумруды типа "Эмеральз", выращенные из раствора в расплаве с флюсом на затравку из пластин берилла. В качестве флюса применяют окиси лития и вольфрама или окиси лития и молибдена. Процесс синтеза протекает очень медленно – в течение месяца наращивается слой толщиной в 1 мм.

Рис.3. Схема установки для выращивания изумрудов:

1 – растворитель; 2 – цилиндрический платиновый стакан; 3 – смесь из двух компонентов; 4 – затравочное устройство; 5 – платиновая отбойная пластина; 6 – третий компонент; 7 – платиновый тигель.

Страницы: 1, 2, 3

Новости

Мои настройки

Наверх