立方氧化鋯(ZrO2)具有高折射率(2.15~2.23)、高硬度(莫氏8.0~8.5)、色散大(0.06)、耐磨損、耐腐蝕等特性,是一種重要的寶石材料。立方氧化鋯曾發現于天然鋯石的包裹體中,但數量極少,光澤也不理想。作為人工寶石的立方氧化鋯是典型的人工晶體,它通常含有一定量的氧化釔成分,用來緩沖晶體降溫時結構相變引起的晶體破碎,因此市售立方氧化鋯寶石都是氧化釔摻雜的,也稱釔穩定立方氧化鋯。早期立方氧化鋯作為鉆石的替代品曾經一度風靡,價格昂貴。因為蘇聯科學家最早開發出這種仿鉆石寶石,歷史上也稱其為“俄羅斯鉆石”。
珠寶市場上的立方氧化鋯是由單斜相的氧化鋯(天然鋯石)轉變而成。實現這一轉變的方法叫冷坩堝法。氧化鋯從單斜相轉變為原子最緊密堆積的立方相,其體積變化較大,晶體易裂,所以在晶體生長的配料中必須加入穩定劑,常用的穩定劑有: Y2O3, CaO,MgO,CeO2等。較大的立方氧化鋯單晶體主要用來仿寶石。
彩色立方氧化鋯的寶石學特征
光 澤 亞金剛光澤;
火 彩 粉紅色立方氧化鋯的火彩沒有其它顏色的明顯;
密 度 5.99~ 6.34 g /cm3;
硬 度 8~ 9;
光 性 除粉紅色立方氧化鋯表現出非均質性外,其余的均為均質性的;
多色性 粉紅色立方氧化鋯表現出弱的多色性,多色性為粉紅色-粉紫色;
紫外熒光 粉紅色立方氧化鋯在長波下有淺黃色熒光,在短波下有弱的黃色熒光;淺黃色立方氧化鋯在長波下有弱的不均勻的紫色、黃色熒光,在短波下有強的不均勻的紫紅色、黃色熒光;其余顏色的立方氧化鋯均無熒光;濾色鏡下 深紫色立方氧化鋯為紅色;粉紅色立方氧化鋯為淺黃色;其余顏色的立方氧化鋯均不變色;內含物 粉紅色立方氧化鋯內含定向排列的白色彎曲狀物,這些白色物質可能是沿某一晶面出溶的氧化鋯。其余顏色的立方氧化鋯在40倍顯微鏡下顯示內部潔凈。
冷坩堝熔殼技術生產立方氧化鋯
冷坩堝熔殼法晶體生長設備主要由熔殼蓋、石英管、冷卻水銅管、高頻線圈(RF)、熔體、晶體、未熔料、水冷卻座幾部分組成。在冷卻座上,焊接上通冷卻水的紫銅管(紫銅管排列成圓杯狀),里邊放入原料ZrO2粉末等。
立方氧化鋯的生長過程
在ZrO2粉末中按摩爾比9∶1加入穩定劑Y2O3混合均勻,放入紫銅管圍成的“圓杯”內,在粉末的上部放入一定量的金屬鋯片或鋯粉,接通高頻發生器電源,起燃1~ 2 min,原料開始熔化。待原料大部分熔化達到要求后,改變高頻發生器反饋關系,使熔體穩定加熱30~ 60min。然后“冷坩堝”以5~ 15mm/h的速度下降,熔體底部因降溫產生過飽和濃度而開始結晶,直至熔體全部結晶成晶體。生長完畢后,慢慢降溫退火一段時間,然后停止加熱。冷卻到室溫后,即可取出產品。生長一爐立方氧化鋯的總時間大約為20h,每爐的產量最高可達120 kg。沒有熔化的原料及殼體料仍可在下次使用。