人造产品的一般概念

材料科学是现代文明的三大支柱(能源、信息、材料)之一，是人类文明的物质基础。晶体生长是材料科学研究的重要内容，各种新型功能晶体材料的合成与生长是21世纪高技术发展的前沿课题。随着对宝石材料需求的不断增加，人工制品的生长已经成为晶体生长的一个重要分支。毫无疑问，了解和掌握人工制品的生长原理、方法和鉴定特征，已经成为宝石学的重要组成部分。

人造晶体是在实验室或工厂里用科学方法人工制造的一种晶体。人们把那些可以用作宝石的人造晶体称为人造产品。人工制品主要分为两类，一类是合成宝石，其化学成分、晶体结构和物理性质与其对应的天然宝石相同，即在实验室中是天然宝石的复制品。比如红宝石和合成红宝石；祖母绿和合成祖母绿。这种宝石必须在宝石名称前加前缀“合成”。另一种是人造宝石，指的是纯人工研究的那种，自然界没有相应的晶体，但外观与天然宝石非常相似。在给人造宝石命名时，应直呼其名，不能与同类天然宝石的名称联想在一起。比如钛酸锶(SrTiO4)看起来像钻石，但一定不能叫“人造钻石”等误导性名称。在我国的“国标”中，劈开宝石和再造宝石也被列入人造制品。

人工晶体的发展史也是合成矿物的发展史。人类不仅可以在实验室里制造出和天然宝石一样的合成宝石，还可以制造出自然界没有的宝石矿物。远在1902年，法国化学家凡尔纳(Verneuil)发明了火焰熔化法生长红宝石，这是合成宝石的最早成果。然而，在接下来的40年里，人造晶体的发展缓慢。直到20世纪60年代，晶体和祖母绿的水热合成才出现。后来，随着电子、通信、航天工业的发展，多种新型功能晶体材料被合成和生长，进一步促进了晶体生长科学技术的进一步发展。实验证明，一些高科技科技的发展与晶体材料密切相关。

我国人工晶状体的研究始于20世纪50年代中期。50年来，该领域的研究从无到有，从零星的实验室研究到初具规模的产业，发展迅速。目前，我国的合成晶体、合成金刚石已经成为一项高新技术产业，立方氧化锆、合成刚玉等宝石和磷酸氧钛钾(KTP)等非线性光学材料已经全部进入国际市场。部分晶体的研制已达到国际先进水平。目前，中国的研究人员正在进行更广泛和更深入的探索。空间微重力下晶体生长的研究已经开始，由传统块体晶体发展而来的具有量子效应和超晶体结构的薄膜晶体材料越来越受到重视。总之，我国人工晶状体材料的成就和发展，促进了我国科学技术和人工产品的应用。

二、晶体生长的理论基础

晶体生长是一门综合性的跨学科科学。它的发展需要物理、化学、晶体学、晶体生长和工程技术方面的专家合作。所以学习晶体生长也要有一些相关的知识。

晶体生长的理论基础是晶体生长的热力学和动力学。可以认为，晶体生长是在一定的热力学条件下控制物质的相变过程，通过这个过程，物质可以达到所要求的状态和性质。通常晶体生长是将一种物质从液态(熔体或溶液)变成固态，结晶成单晶。也就是热力学中的相平衡和相变问题。相图(也叫相平衡图)是表示物质系统中各相随组成和温度(或压力)变化而可能出现的状态的一种图。它可以显示整个晶体生长过程的大致趋势。图9-1-1是水最简单的单位相图。在一个系统中，所有的相在平衡时都遵循相律规则。相律是表达多相平衡系统的自由度(f)与相数(ф)、组分分数(c)和影响平衡的外部条件数之间关系的方程。相(ф)是指系统的均匀部分，与其他部分有明显的分界线。例如，在大气压下，冰是一相，水是另一相。同一种物质的固态由于结构不同属于不同的相，比如金刚石和石墨就是两种相ф= 2。但是气态是单相的，即使是不同成分的气体。组分(c)是在体系中可以独立变化的元素和化合物。图9-1-1。这个系统由水、冰和蒸汽组成。H2O的一个组成部分，c=1，称为单位制。盐水是NaCl的水溶液，成分c=2(NaCl和水)。自由度(f)是指可变因素(温度、压力、成分等)的数量。)在平衡系统中。在图9-1-1中，水域的温度和压力可以任意变化，不会产生水蒸气或冰，自由度为f=2。两相* * *存在于相图的三条线上，比如水蒸气和冰* * *在CA线上。因为温度和压力有对应关系，所以自由度为f=1。图中，C中的水、冰、水蒸气处于平衡状态，即这三相只在C的某一固定温度和压力下平衡存在，系统没有不变因素，自由度f=0，称为不变系统。人们可以根据相图中的相变来选择温度、压力等条件来生长晶体。

图9-1-1水相图

晶体生长是一个相变过程，但也是一个动态过程。为了得到完美的晶体，还必须考虑生长动力学因素，包括成核理论、界面动力学、输运过程等。这是晶体生长的一个重要内容，但已经超出了这个教材大纲的要求，这里就不详细介绍了。

三、晶体生长的方法

晶体生长的方法和技术有很多种，根据生长环境可以分为两大类:从熔体中生长和从溶液中生长。此外，还有气相生长法和固相生长法。

从熔体中生长晶体的方法有着悠久的研究历史。这类方法是指将无熔剂的原料加热到熔点以上，控制生长条件，从熔体中直接生长晶体的方法。熔体生长通常具有生长速度快、晶体纯度高、完整性好等优点，但往往需要过高的温度，并受到耐火材料和坩埚材料的限制。目前，熔体生长的工艺和技术已经发展得相当成熟。有许多用于熔体生长的技术和工艺。用于人造产品生长的主要方法有:火焰熔化法、冷坩埚法、直拉法、坩埚下降法等。一些材料包括高温高压法和区域熔化法。

从溶液中生长晶体有着悠久的历史。基本原理是将原料(溶质)溶解在溶剂中，采取适当措施使溶液过饱和，使晶体在此溶液中生长。这种方法可以在远低于熔点的温度下生长晶体，具有粘度低、晶体容易生长成大块、形貌比较完整等优点，因此这种方法发展很快。缺点是成分多，影响晶体生长的因素复杂，生长速度慢，周期长。溶液生长法的主体有三种:常压溶液法(水溶液法)、高压溶液法(水热法)和高温溶液法(熔剂法或熔盐法)。常压溶液法主要用于可溶性晶体在常压下的重结晶。比如盐、糖和一些化学物质。一般不用于宝石生长。水热法和助熔剂法是生长人工产物的重要方法，下面将详细讨论。