第三章　焰熔法生長寶石晶體

焰熔法生長寶石晶體的方法是在人們探索紅寶石的合成技術基礎上發展起來的。早在1819年，E.D.克拉克（E.D.Clarke）博士用新發明的氫氧吹管進行試驗，將兩顆天然紅寶石放在木炭上，使其熔化成一個小球。當時他認為小球是玻璃質而不是晶質的。到了1837年，法國化學家M.高丁將含有痕量重鉻酸鉀的明礬和硫酸鉀飽和溶液蒸發，而后用氫氧火焰吹管熔化其殘留物，在高溫下排出二氧化硫氣體后，得到了氧化鋁。痕量的重鉻酸鉀將氧化鋁染成了紅色，氧化鋁隨著冷卻而產生結晶。但是高丁也未認識到獲得的是合成紅寶石晶體，而誤認為是紅寶石玻璃。1885年弗雷米、費爾和瑞士人烏澤一起，將天然產的紅寶石碎屑用氫氧火焰熔化，并加入少量重鉻酸鉀試劑以加深其紅顏色，制成了一種再生的紅寶石，就是所謂“日內瓦紅寶石”。直至1902年，法國化學家維爾納葉在弗雷米等人的基礎上改進了焰熔技術，成功地用此方法合成出了數克拉美麗而較為完美的合成紅寶石，這成為人工合成寶石發展史上的一個分水嶺，因此焰熔法也被命名為維爾納葉法。在此之后，焰熔法便成為人工合成寶石中最主要的合成方法之一。

隨著近代科學技術的發展，焰熔法生長寶石晶體技術也在不斷發展與完善。除了用此方法合成紅寶石外，人們還通過改進此技術成功地獲得了合成藍寶石、合成彩色尖晶石、合成金紅石、人造鈦酸鍶、合成星光紅以及人造釔鋁榴石（YAG）、人造釔鐵榴石（YIG）等寶石晶體。1926年，有人用氫氧焰熔融氧化鎂和氧化鋁（1∶1）的混合粉末，意外得到了合成尖晶石，但生長出的晶體很容易炸裂。之后，通過改變混合粉末的比例［（1.5～3.5）∶1］，同時添加少量著色劑，成功合成出了各種顏色的合成尖晶石，并有效克服了炸裂現象。1947年，美國的林德公司將氧化鈦加入鋁粉中，用氫氧焰將這種混合物熔融，晶體生長后進行熱處理，得到了合成星光藍寶石。之后，該公司將這種產品推向商業化。到現在，德國和日本的許多公司也具備這種生產工藝。1948年，美國的公司用焰熔法合成出了強色散的合成金紅石，作為鉆石的代用品進行應用。1951年，美國的邁克用焰熔法生長出了人造鈦酸鍶，但生長出的晶體易裂，很難形成大塊。到了1955年，人造鈦酸鍶晶體的生長技術已成熟并可進行商業化生產了。

繼焰熔法合成紅寶石商業化生產之后，人們開始用這種方法合成大量低成本且具有寶石價值的合成紅寶石和合成藍寶石。

20世紀50年代末，我國從前聯引進了焰熔法合成剛玉寶石的設備和技術，60年代正式投產后，產品主要用于手表軸承工業。隨后，我國出現了20多家焰熔法合成寶石工廠，能生長出合成星光紅、藍寶石和十幾種顏色的合成剛玉、合成尖晶石、合成金紅石以及人造鈦酸鍶等系列人工寶石。然而，采用老工藝（用電解水的方法獲得氫氣和氧氣）進行焰熔法合成寶石的生產，成本很高，沒有市場競爭力。從1995年起，人們利用化工廠廢棄的氫氣與氧氣代替電解水工藝建起了焰熔法合成寶石廠，取得了良好的經濟效益。例如，采用該工藝的浙江省某公司，擁有260多臺生產設備，年產量可達25t。此外，貴州省某地利用當地廉價的小水電站建設的焰熔法合成剛玉廠，年產量可達17t。我國其他焰熔法生產合成剛玉的工廠主要分布在陜西省寶雞市、山東省煙臺市、江蘇省蘇州市以及浙江省杭州市。2000年統計數據顯示，我國焰熔法合成剛玉類寶石年產量可達103t（生產能力為128.5t），生長的合成剛玉寶石直徑大多數可達到15～20mm，只有少數廠家可生產出直徑達32mm的合成剛玉寶石，產品主要用于鐘表工業。

大直徑的剛玉晶體因其耐高溫、耐摩擦、全透明的特性，不但可作為寶石飾品應用，還可作為攝影機的窗口材料或用于無人駕駛飛機、人造衛星、宇宙飛船等航空航天設備的觀察窗口。因此，有必要將先進的生產工藝推廣到更多的生產廠家，以此來提高我國合成剛玉晶體的粒度和質量，一方面能彌補合成剛玉類寶石市場高質量產品的供應不足，另一方面，也能大大提高我國國防工業和科學技術水平。2012年至今，我國已建成焰熔法合成剛玉類寶石的約有十家大中型企業，總生產規模約400多臺燒結機（每臺10頭），年產量在1000～1500t，其中約50%合成產品為用于儀器、儀表的無色藍寶石，約10%為合成彩色寶石，其余的合成純白藍寶石，經破碎后供泡生法合成LED晶體的材料，目前行業供需基本處于平衡狀態。合成剛玉類寶石的晶體大小也取得了飛躍，達到長120mm，直徑42mm；還生產出了扁狀的晶體，寬33mm，直徑9mm（見彩色圖版），此晶體加工的出料率顯著提高，將有效擴大使用范圍，在價格上也高出許多。焰熔法合成晶體的品種也有所增加：除常見的紅寶石晶體外，可以合成20種顏色5個品種的晶體（無色藍寶石、藍色藍寶石、變色藍寶石、合成尖晶石、合成金紅石），且已加工出100多個款式（見彩色圖版），有效地增加了適應范圍。

這些合成剛玉除在寶石領域中應用外，還用于手表和機械的軸承、手表表皿、唱機的唱針等一般工業，也可應用于LED（發射藍、白光）、固體激光、光導纖維接頭、集成電路外連基層等高科技領域，這一切使得焰熔法在工業上得到了大規模的推廣和應用。