水热法的合成原理和方法

    水热法的合成原理和方法

    一、水热法的合成原理和方法

    1.基本原理

    水热法是利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的物质溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制高压釜内溶液的温差使之产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体的方法。自然界热液成矿就是在一定的温度和压力下，成矿热液中成矿物质从溶液中析出的过程。水热法合成宝石就是模拟自然界热液成矿过程。

    2.合成装置

    水热法合成宝石采用的主要装置为高压釜，在高压釜中部悬挂籽晶，并充填矿化剂。水热法采用的高压釜是可承受1 100℃的温度和10⁹Pa的压力的钢制釜体，具可靠的密封系统和防爆装置，因为其潜在的爆炸危险，故又名“炸弹”(bomb)。高压釜的直径与高度比有一定的要求，对内径为100～120mm的高压釜来说，内径与高度比以1∶16为宜。高度太小或太大都不便控制温度的分布。由于内部要装酸或碱性的强腐蚀性溶液，当温度和压力较高时，在高压釜内要装有耐腐蚀的贵金属内衬，如铂金或黄金内衬，以防矿化剂与釜体材料发生反应。也可利用在晶体生长过程中釜壁上自然形成的保护层来防止进一步的腐蚀和污染。如合成水晶时，由于溶液中的SiO₂与Na₂O和釜体中的铁反应生成一种在该体系内稳定的化合物，即硅酸铁钠(锥辉石NaFeSi₂O₆acmite)附着于容器内壁，从而起到保护层的作用。

    水热法生长晶体时采用的溶剂称矿化剂，通常可分为碱金属及铵的卤化物、碱金属的氢氧化物、弱酸与碱金属形成的盐类、无机酸。其中碱金属的卤化物及氢氧化物是最为有效且广泛应用的矿化剂。矿化剂的化学性质和浓度影响物质在其中的溶解度与生长速率。合成红宝石时可采用的矿化剂有NaOH、Na₂CO₃、NaHCO₃+KHCO₃、K₂CO₃等多种。Al₂O₃在NaOH中溶解度很小，而在Na₂CO₃中生长较慢，采用NaHCO₃+KHCO₃混合液则效果较好。

    3.水热法的特点

    水热法合成宝石晶面热应力较小，内部缺陷少。其包裹体与天然宝石的十分相近。因为生长过程在密闭的容器中进行，所以不直观。此外，合成设备要求高、技术难度大、成本高且安全性能差。