El desarrollo de la investigación sobre piedras preciosas artificiales

Zhang Daobiao

Acerca del autor: Zhang Daobiao, primer y segundo vicepresidente del Comité Profesional de Piedras Preciosas Artificiales de la Asociación de Joyería de China, tercer consultor senior, ex Shanghai Silicate Research Director de la Academia China de Ciencias e investigador del Instituto de Investigación en Cristalografía.

1. Historia de la investigación y el desarrollo de piedras preciosas artificiales

La investigación sobre piedras preciosas artificiales tiene una historia de seiscientos a setecientos años desde la producción de piedras preciosas de vidrio con plomo en Egipto en el siglo XV. . Al principio, debido a que la ciencia y la tecnología aún no se habían desarrollado completamente (hasta finales del siglo XIX), su progreso fue relativamente lento y los productos de vidrio incoloros y coloreados seguían siendo los principales productos. Desde que Auguste Verneuil en Francia sintetizó por primera vez rubíes y zafiros utilizando el método de fusión por llama en 1902, el desarrollo de piedras preciosas artificiales ha entrado en una nueva etapa. En 1907, el método de fusión por llama para sintetizar rubíes podía producir 5 millones de quilates por año, lo que marcó un hito. punto de inflexión. Las piedras preciosas sintéticas investigadas con éxito se revelaron una tras otra, y el desarrollo de las piedras preciosas artificiales entró en una etapa de rápido progreso.

El cristal monocristalino se sintetizó por primera vez en 1908. En 1920, el cristal monocristalino sin cristales dobles se producía en masa para la industria electrónica. Al mismo tiempo, también se cultivaron e industrializaron algunos cristales de colores.

En 1920 se sintetizaron espinelas incoloras, rojas y azules.

El monocristal de rutilo se sintetizó en 1948.

El monocristal de titanato de estroncio se sintetizó en 1955. Ese mismo año, la General Electric Company de Estados Unidos sintetizó por primera vez cristales de diamante de grano fino (0,15 mm). En el futuro, continuaron estudiando grandes diamantes. En 1970, se sintetizaron con éxito por primera vez diamantes con calidad de gema.

En 1960 se desarrolló con éxito el granate de itrio-aluminio (YAG) artificial, incoloro y verde. Posteriormente, se desarrollaron cristales artificiales de granate de gadolinio y galio (GGG) y crisoberilo sintético.

En los años posteriores a 1960, se desarrollaron el método del flujo y el método hidrotermal para sintetizar cristales de esmeralda y cristales de rubí de grano grande.

En 1976, la Unión Soviética sintetizó grandes piedras preciosas de circonita cúbica, que eran un mejor sustituto de los diamantes. Después de un desarrollo exitoso, rápidamente se pusieron en producción y se desarrollaron rápidamente, formando una industria.

A finales de la década de 1980, la empresa estadounidense Calhag desarrolló con éxito la imitación de cristal del ojo de gato de crisoberilo. Posteriormente, se desarrolló rápidamente en mi país y formó una industria de ojos de gato de vidrio con una producción anual de casi 1200 toneladas.

A partir de los años 80, todas las piedras preciosas importantes del mundo podían sintetizarse artificialmente. Se han establecido condiciones de producción de apoyo para la fabricación de materias primas, métodos de crecimiento de cristales y procesos de estos cristales de gemas artificiales. En particular, las piedras preciosas sintéticas relacionadas con la ciencia y la tecnología, la economía y la defensa nacional tienen una cierta escala de producción. Por ejemplo, los diamantes sintéticos, los zafiros sintéticos, los cristales sintéticos, la circona cúbica sintética, el cristal artificial y sus productos han formado una industrialización de diferentes escalas, promoviendo el progreso científico y tecnológico y el desarrollo económico del país.

Los cristales de gemas como YAG artificial, GGG artificial, titanato de estroncio artificial y niobato de litio sintético, tantalato de litio y rutilo se utilizan principalmente en tecnología electrónica y tecnología láser en términos de decoración, desde la síntesis de circonita cúbica; en grandes cantidades Después de su lanzamiento al mercado, su papel como diamantes de imitación disminuyó gradualmente, porque estos cristales de gemas son mucho menos rentables que la circonita cúbica sintética, por lo que han desaparecido del mercado de gemas. Sin embargo, su aplicación en tecnología electrónica y optoelectrónica todavía se está desarrollando rápidamente y la gente todavía está explorando y sintetizando muchos cristales nuevos.

Aunque se han sintetizado muchas gemas, los indicadores de calidad de las gemas aún son insatisfactorios porque no son consistentes con la estructura petrográfica, las franjas de crecimiento, las burbujas y las inclusiones de las gemas naturales. La brecha sigue siendo relativamente grande. Es fácil decir que es un producto artificial y que no tiene suficiente sabor a gemas naturales.

2. Avances de la investigación sobre piedras preciosas artificiales en la última década

En la última década, el trabajo de investigación sobre piedras preciosas artificiales se ha dividido básicamente en dos categorías: una es para decoración; se utiliza en series de ingeniería de ciencia y tecnología. La investigación sobre piedras preciosas artificiales para decoración se centra básicamente en mejorar la calidad de diversas piedras preciosas sintéticas, centrándose en simular y aproximarse a las piedras preciosas naturales. La investigación sobre piedras preciosas utilizadas en series de ingeniería científica y tecnológica se centra en mejorar la pureza, la integridad de la estructura cristalina y el gran tamaño de un solo cristal; enfatizando las propiedades funcionales de la piedra preciosa. Estos dos tipos de investigación son muy diferentes en términos de contenido y objetivos de investigación, rutas técnicas y equipos. Este artículo analiza principalmente el progreso de la investigación de piedras preciosas artificiales para decoración.

1. Los diamantes sintéticos han logrado grandes avances

Los diamantes sintéticos de partículas grandes fueron sintetizados con éxito por primera vez en 1970 por la General Electric Company de Estados Unidos. , Rusia, Sudáfrica, Suiza y otros países también. Se ha anunciado uno tras otro que han sintetizado diamantes de gran calidad con calidad de gema, pero debido a la baja eficiencia de producción y el alto costo, no han podido ingresar al mercado y solo están productos experimentales. Después de más de 20 años de mejorar los equipos y hacer crecer la tecnología, la empresa estadounidense Gemesis ha desarrollado con éxito equipos y tecnología que pueden producir de manera estable diamantes amarillos y azules de 1 a 2 quilates (Figura 1). El volumen de producción es de 600 quilates. mercado, y la fabricación y el número de Gemesis están grabados con láser en la cintura de cada diamante para proteger los derechos e intereses de los consumidores. Sudáfrica y Rusia también han anunciado sucesivamente que pueden producir grandes diamantes amarillos y azules de 1 a 4 quilates (Figura 2) y comercializarlos.

El desarrollo exitoso de este proceso de síntesis de diamantes de calidad gema, estable y producido en masa, marca un gran avance en los diamantes sintéticos de calidad gema, rompiendo el viejo concepto de que los diamantes sintéticos de calidad gema son demasiado caros para ingresar al mercado. En el futuro, los diamantes sintéticos con calidad de gema grande estarán disponibles en mayores cantidades.

Figura 1 Gemesis Company sintetiza grandes diamantes amarillos y diamantes sintéticos de colores

Figura 2 Grandes diamantes sintetizados por Debyer Company en Sudáfrica

En proceso de síntesis industrial -Diamantes de calidad Por otro lado, todos los países han hecho grandes esfuerzos para mejorar la calidad y la producción. Como dice el refrán, "Si no tienes diamantes, no puedes trabajar con porcelana". Las herramientas y las herramientas de perforación geológica utilizan diamantes de calidad industrial en grandes cantidades, y los diamantes sintéticos de calidad industrial se utilizan en grandes cantidades. La producción de diamantes se ha convertido en uno de los indicadores del nivel industrial de un país. Aunque aún es necesario mejorar la calidad de los diamantes de grado industrial sintetizados en nuestro país, su producción ocupa el primer lugar en el mundo, con una producción anual de más de 1.200 millones de quilates.

Método de deposición química de vapor CVD para cultivar diamantes y películas de diamante

En la última década, el método de deposición química de vapor CVD ha sido muy activo en el cultivo de diamantes. La empresa estadounidense Apollo utiliza CVD homoepitaxial. La tecnología no solo puede hacer crecer películas gruesas de cristales individuales de diamante, sino que también puede hacer crecer diamantes de cristal único y ha pulido diamantes de 0,25 quilates (Figura 3, Figura 4). A medida que aumenta el espesor de deposición de películas gruesas, en un futuro próximo se harán realidad grandes bloques de diamantes monocristalinos, lo que supone una nueva tecnología atractiva.

Figura 3 Horno CVD de Apollo para diamantes sintéticos

Figura 4 Diamante sintético CVD de 0,25 quilates de Apollo

2. Moissanita sintética de partículas grandes (Moissanite)

Durante más de diez años, el monocristal grande de carburo de silicio sintético se ha desarrollado rápidamente. Es un material importante para el sustrato semiconductor de tercera generación con banda prohibida amplia y es un material importante para la producción de sustrato de alto voltaje y resistencia a altas temperaturas. Los materiales necesarios para dispositivos de baja pérdida de energía y de alta potencia han recibido atención y apoyo a nivel nacional. En la actualidad, los lingotes de cristal de (75 ~ 80) mm × 50 mm se producen en masa y se utilizan principalmente en la industria de semiconductores. Algunos de los lingotes de cristal no cumplen con los requisitos de nivel de TI e inevitablemente se destinarán a la industria de las gemas. Puede pulir hermosos diamantes de imitación de moissanita sintética, que se parecen más a los diamantes que la circonita cúbica sintética y son más populares entre la gente. Este es un nuevo miembro de las piedras preciosas sintéticas desde 1996. Es un nuevo avance importante en las piedras preciosas sintéticas. Sin embargo, debido a los altos requisitos de la tecnología de crecimiento de cristales y la pequeña producción de un solo horno, el rendimiento de costos de los diamantes de imitación es muy inferior. al de la circonita cúbica sintética no se utilizará en un futuro próximo. Cambiando el predominio de la circonita cúbica sintética por los diamantes de imitación.

3. Síntesis hidrotermal de rubíes, gemas estrella sintéticas y esmeraldas sintéticas

La síntesis hidrotermal de rubíes, gemas estrella sintéticas y esmeraldas sintéticas se realiza en laboratorio desde hace más de diez años. El trabajo en Gem es mucho, intermitente y nunca se detiene. En primer lugar, para lograr una mayor simulación y superar las evidentes franjas de crecimiento en forma de arco y burbujas en forma de hilo en los rubíes sintetizados mediante el método de fusión por llama y el método Czochralski, se utilizó un método hidrotermal de alta temperatura y alta presión para Estudiar el crecimiento. El método hidrotermal simula principalmente las condiciones de mineralización de piedras preciosas naturales, utilizando obleas de piedras preciosas naturales como semillas (esto es diferente de la nucleación espontánea de rubíes cultivados mediante el método fundente). Los grandes cristales de rubí cultivados tienen franjas de crecimiento hexagonales y la ilusión de la estructura petrográfica de las piedras preciosas naturales. Estos cristales se pueden pulir para producir anillos de rubí de 5 a 8 quilates o incluso más. Muchos países, como Rusia, Estados Unidos, India y Suiza, enumeran constantemente rubíes y zafiros amarillos obtenidos mediante métodos hidrotermales. Ahora algunas empresas planean construir hachas de alta presión resistentes a la corrosión de 70 a 100 mm para cultivar rubíes de 50 a 60 mm. , y están desarrollando gradualmente más La perspectiva de simular y acercarse a rubíes naturales, zafiros azules y amarillos, piedras preciosas estelares, etc., y crear capacidades de producción en masa es optimista.

Del mismo modo, el crecimiento hidrotermal de esmeraldas sintéticas también ha tenido éxito. Se pueden cultivar esmeraldas grandes en Estados Unidos, Suiza, Rusia y China. Sin embargo, la demanda actual del mercado no es fuerte y es difícil extraerlas. Por lo tanto, el método hidrotermal de cultivo de cristales de esmeralda avanza lentamente y no se ha puesto en práctica. en producción en masa.

4. Utilice el método de extracción de fusión, el método de remojo de fusión y el método de intercambio de calor de fusión para desarrollar zafiro incoloro.

En la actualidad, la investigación y el desarrollo de zafiro incoloro en varios países están avanzando a pasos agigantados. y límites Tiene las características de alta transmitancia infrarroja, alta resistencia y resistencia a altas temperaturas. Tiene un buen espacio de aplicación en la industria de defensa y puede usarse como material para ventanas y cubiertas de cabezas de misiles; se usa como recubrimiento de nitruro de galio (GaN); en tecnología optoelectrónica. El sustrato es un material importante en la ingeniería de iluminación de semiconductores. Los requisitos de calidad deben alcanzar el nivel de TI. La demanda es enorme y empresas relevantes en muchos países están trabajando arduamente para desarrollarlo. En la actualidad, el método Czochralski se puede utilizar para cultivar grandes monocristales de zafiro incoloro con un diámetro de 120 a 200 mm; el método de la burbuja se puede utilizar para cultivar un zafiro incoloro con un diámetro de 200 a 250 mm y un peso de 25; a 30 kg (Figura 5); el método de intercambio de calor se ha utilizado para hacer crecer el cristal individual de zafiro incoloro más grande del mundo. El zafiro más grande del mundo tiene un diámetro de 34 cm y pesa 68 kg (Figura 6). Aunque muchas empresas en nuestro país están desarrollando activamente cristales de zafiro de gran diámetro y han logrado grandes avances, aún no tienen la escala para la producción en masa y los sustratos para LED son básicamente importados.

5. Gemas luminosas artificiales de resplandor largo sintético

Las gemas luminosas artificiales de resplandor largo fueron desarrolladas con éxito por Beijing Hualong Yayang Company en mi país en 1996 y se denominaron "gemas luminosas de Qinglong". patentes de invención de China, Estados Unidos, Corea del Sur y otros países. Tiene un rendimiento excelente, no tiene radioactividad, un alto brillo residual y un efecto duradero, que es mejor que la "perla nocturna" natural.

Se ha desarrollado jade luminoso artificial en colores como verde, azul verdoso, blanco lechoso, rojo y morado. Se pueden utilizar grandes piezas de jade luminoso artificial para tallar artesanías a gran escala. En la actualidad se ha producido en masa y la oferta supera la demanda, y se espera que se industrialice.

6. Turquesa y malaquita sintéticas

La investigación y el desarrollo de turquesa y malaquita sintéticas en Estados Unidos y Rusia nunca se han detenido. Actualmente, las grandes piezas de malaquita sintetizadas pueden llegar a pesar entre 8 y 10 kilos, y existe cierto mercado para la realización de esculturas y muebles.

7. Piedras de imitación de vidrio

Aunque las piedras de imitación de vidrio son muy antiguas, también son un tipo de piedras de imitación que avanzan y se desarrollan constantemente con los tiempos. Aunque se trata de una piedra preciosa de imitación de gama baja a media, las joyas y artesanías de vidrio actuales son mucho más hermosas que las de hace más de diez años. La calidad y el sabor de los "pedrería" de diamantes de imitación de vidrio han mejorado enormemente y su cuota de mercado no es pequeña. Especialmente hoy en día, cuando los conceptos de decoración de las personas han cambiado y requieren moda, alta calidad y bajo precio, y el reemplazo frecuente de joyas, los nuevos productos de vidrio se han convertido en la primera opción, como las series de decoración de imitación de cristal y diamantes de imitación de vidrio de plomo austriaco Swarovski. Las joyas con piedras preciosas de vidrio coloreado y de tierras raras, las joyas de ópalo de imitación, las artesanías de vidrio con plomo, los premios, los recuerdos y los muebles están todos de moda y son muy populares. Las piedras preciosas de imitación de vidrio se han ganado el reconocimiento de la gente y se han desarrollado rápidamente en los últimos años.

En los últimos años, se han logrado avances en el desarrollo de líneas de producción automatizadas para diamantes de imitación de vidrio. No solo promueve la producción industrial de diamantes de imitación de vidrio con plomo, sino que también promoverá significativamente la industria de procesamiento de otros. efecto de piedras preciosas artificiales.

Dado que el plomo, metal pesado, es tóxico para el cuerpo humano, las joyas de vidrio con alto contenido de plomo estarán estrictamente restringidas. La gente está realizando investigaciones sobre cristal de alto índice de refracción sin plomo y reduciendo el costo de las tierras raras. Se deben tomar en serio medidas importantes en relación con el vidrio con plomo.

3. Investigación y desarrollo en profundidad de piedras preciosas artificiales industrializadas

Los diamantes sintéticos, los cristales sintéticos, la moissanita sintética y el zafiro incoloro sintético de gran tamaño se utilizan principalmente en ciencia y tecnología, y están relacionados con Los requisitos de la industria de las gemas son diferentes y no se discutirán aquí.

1. Síntesis de rubíes y zafiros mediante el método de fusión por llama

Actualmente, el crecimiento de rubíes y zafiros mediante el método de fusión por llama ha alcanzado una escala considerable. La producción anual mundial alcanza más del 20%. 1.000 toneladas, y la producción de China es de más de 300 toneladas, lo que representa aproximadamente 1/3 de la producción mundial. Sin embargo, es necesario mejorar la calidad de los cristales y el costo de producción sigue siendo alto. Si queremos impulsar la industria, debemos aprovechar al máximo el excedente de energía del gas hidrógeno y oxígeno en las plantas químicas relevantes y esforzarnos por aumentarlo. la producción diaria de un solo horno.

El uso del excedente de hidrógeno de las plantas químicas cambia directamente el problema del alto consumo de energía. Según la pasada electrólisis del agua para obtener hidrógeno, se necesitaban 1100 kW·h de electricidad para producir 1 kg de rubí. En los precios de la electricidad, el coste de producción es muy alto. Al utilizar el excedente de hidrógeno de las plantas químicas, el ahorro de electricidad puede ser considerable. Sin embargo, es necesario mejorar la purificación del hidrógeno, de lo contrario se verá afectada la calidad y el rendimiento de las gemas.

El contenido de investigación y desarrollo para aumentar la producción diaria de un solo horno se refiere a cambiar la estructura del equipo y el proceso de producción. Sobre la base de la producción diaria actual de 6 rubíes de 70-80 g en un solo horno, el diámetro del cristal debe aumentarse ligeramente y la longitud del cristal debe alargarse. Por ejemplo, el horno debe ampliarse para mejorar. la capacidad de conservación del calor del horno, ampliar adecuadamente el diámetro de la boquilla de gas y garantizar la estabilidad de las propiedades del suministro de gas, mejorar la distribución de la temperatura de la llama, aumentar la pureza y finura de la materia prima, etc. Esta es una parte importante del trabajo de I+D. Es una investigación y desarrollo de ingeniería sistemática. Se espera que mejore la calidad del cristal y aumente la producción diaria de un solo horno aproximadamente 2 veces. Se puede ver que tiene un gran potencial y merece atención, especialmente si el. El producto debe estar estrechamente integrado con los requisitos del mercado.

2. Investigación y desarrollo en profundidad de la circona cúbica sintética.

La circona cúbica sintética ha formado una industria en mi país y su producción actual ocupa el primer lugar en el mundo. Debido a los precios de mercado relativamente bajos, los fabricantes se encuentran bajo una mayor presión.

En la actualidad debemos dar gran importancia a la investigación y desarrollo de nuevas variedades con alto valor añadido y reducir la producción de algunos productos de bajo valor. El color del producto es importante. La circonita cúbica sintética verde esmeralda, azul Londres, azul océano y rojo carmín son muy populares y sus precios también son más altos, por lo que se desarrollan nuevos colores de circonita cúbica que gustan a la gente. guía el desarrollo continuo de la producción de circonio cúbico sintético, porque el circonio cúbico tiene un alto índice de refracción, gran dispersión, alta dureza y es fácil de producir a gran escala, en particular, es rentable y está mucho más allá de la comparación de otros. Piedras preciosas artificiales sobre esta base, la introducción de colores que la gente ama seguramente durará para siempre.

Figura 7 Esmeralda YZrO2

La producción de circonio cúbico sintético es un gran consumidor de electricidad. El problema del consumo de electricidad siempre ha preocupado a los fabricantes, y las plantas de producción se han trasladado a zonas remotas. Hay electricidad a bajo costo disponible en las zonas montañosas, esta es una solución temporal, pero no es una solución a largo plazo. La investigación sobre la reducción del consumo de energía por unidad de producción es un tema que no se puede ignorar. El consumo de energía en la producción inicial era de aproximadamente 200 kW·h/kg de cristal, y recientemente el consumo de energía ha disminuido a aproximadamente 80 kW·h/kg de cristal. Ahora se espera que baje a menos de 60 kW·h/kg de cristal. La reducción del consumo de energía es el resultado integral de muchos factores que desempeñan un papel importante la reforma del equipo, especialmente el uso de generadores de transistores de alta frecuencia.

Referencias

He Xuemei, Shen Caiqing.2005. Tecnología de síntesis de piedras preciosas. Beijing: Chemical Industry Press.

Chandra P.Khattak, Frederick Schmid.2001. Crecimiento de los cristales de zafiro más grandes del mundo. Diario de crecimiento de cristales. 225,572～579.

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/html/simulants.htm