火焰熔融法生长宝石晶体
除了合成红宝石，合成蓝宝石，合成尖晶石和合成钛酸锶也是通过火焰熔炼生产的。在人工制品行业，这种方法及其培育的产品占据着非常重要的地位。
一、工作原理及装置
火焰熔化法也叫火焰法，或沃纳叶法。顾名思义，是用火焰将原料熔化成熔体，然后生长晶体的方法(见图4-1-1)，是生长宝石的重要方法。
图4-火焰熔融法晶体生长装置示意图(1-1)
火焰熔融法生长宝石的装置由进料系统、燃气燃烧系统、炉体和下降系统组成。
加料系统将原料粉末加入筛状平底容器中，在振动器的有规律振动下，粉末通过筛底均匀、均等地落入氧气流中。
气体燃烧系统这是熔化粉末的主要部分。氧气和氢气通过燃烧器燃烧时，温度可高达2400 ~ 2500℃，最高可达2900℃。
炉体的作用是创造保温条件，使晶体温度缓慢下降，炉子要求流线型，便于气体流动，不积粉。
下降过程中，旋转平台下降均匀，平均平台每小时下降1cm。
火焰熔化法已有100多年的历史。它在人工制品行业中占有非常重要的地位，是产量和规模最大、使用历史最长的一种方法。
二、原材料的准备
用于生长宝石的原料准备是生长高质量晶体的第一步。现在以合成刚玉为例来说明。
国内外多年火焰熔融法合成宝石的实践经验证明，颗粒纯净、均匀、分散性高、堆积密度适宜、流动性好的γ-Al2O3粉体是生长和合成刚玉宝石晶体最理想的原料。根据不同的用途和性能要求，在γ-Al2O3中加入不同的着色剂和改性剂，可以得到不同颜色和性能的刚玉宝石。因此，为了获得所需的粉体理化性能，如何选择合理的掺杂剂以及如何确定宝石原料的焙烧程度是γ-Al2O3粉体制备过程中的两个关键环节。
1.原材料的掺杂
对于不同颜色和用途的宝石，需要掺杂不同的金属离子，金属离子的掺杂量根据以下因素确定:①对宝石不同颜色、光电性能和用途的要求；(2)对宝石结构和物理性能(如硬度、韧性)的要求；③宝石粉末和晶体生长过程中掺杂离子的烧失量。
表4-1-1列出了合成刚玉原料中掺杂剂与颜色的关系。控制掺杂量很重要，太少颜色太浅；太多会使宝石容易破裂。
掺杂是在硫酸铝铵明矾中加入不同的试剂。用于掺杂的试剂见表4-1-2。
合成红宝石在熔融结晶过程中铬离子的烧损非常明显。从一组铬离子损失实验数据可以看出，当铬离子质量分数为0.875%时，焙烧后铬离子质量分数降低到0.80% ~ 0.82%左右，烧失量约为7.4%。火焰熔融结晶后，铬离子的质量分数降至约0.388%，烧失量约为55.7%。因此，在确定原料中的掺杂量时，必须充分考虑掺杂剂在火焰熔融结晶过程中的烧失量。
表4-1至1合成刚玉中使用的掺杂剂和掺杂量
表4-1-2用于各种掺杂剂的试剂
2.铝铵矾的分解过程
γ-Al2O3的制备过程是铝铵明矾的热分解过程。其基本工艺是将铝铵明矾反复结晶除去杂质，在200℃脱水形成无水多孔铝铵明矾，然后烘烤挥发H2O、SO3、NH3等。以形成Al2O3。
铝铵明矾完全分解后，首先形成无定形氧化铝，然后逐渐转化为γ-Al2O3粉末，其中必须精确控制铵明矾完全分解为氧化铝的温度。中国科技人员对此进行了系统的测定。试验结果表明，焙烧温度低于950℃，保温时间为2h。
第三，晶体生长
晶体生长前，应按要求准备好籽晶，籽晶必须定向切割(用定向仪或偏振光定向)。对于宝石晶体，生长方向主要考虑生产效率和晶体质量。合成刚玉晶体一般生长轴与光轴的夹角在60°左右，因此生长出的晶体成品率高，不易开裂。
宝石晶体的生长过程可分为四个阶段:①初始晶芽生长在籽晶上。在早期过程中，晶种通常是由粉末烧结的陶瓷体或结晶晶体的一部分。目前已经用籽晶法代替自发生长的晶芽。比如生长合成红宝石时，籽晶采用合成红宝石。②扩大籽晶的面积或直径。③等通道生长:晶体放大到一定尺寸后，处于等通道生长阶段，并维持到生长结束，成为倒梨形，即梨形晶体。在等通道生长中，梨晶的生长面应始终处于最适宜的生长温度区，即所谓的结晶焦点。最佳结晶条件是在梨晶顶部留一层2 ~ 3 mm厚的熔化层，使落在这层上的粉末完全熔化，然后在晶棒下降时在熔化层下凝固结晶。(4)退火处理:将合成晶体按规定放入高温炉后，将炉温缓慢升至预定温度，然后进行长时间恒温退火。由于未经退火的合成宝石晶体热应力大，如果加热速度过快，晶体往往会因加热过程中的热冲击而开裂。通常供暖时间为5 ~ 10小时。温度升至预定温度后，保持该温度数十小时，然后慢慢冷却至室温。熔点附近的高温退火要严格控制温度，防止晶体回流。
四、火焰熔化晶体生长过程的特点
1)这种方法不需要坩埚，既节省了坩埚材料，又避免了晶体生长过程中对坩埚的污染。
2)H2-O2燃烧可以达到很高的温度(2500℃以上)，非常适合难熔氧化物晶体的生长。
3)生长速度快，有利于规模化生产，可以降低成本。
4)生长设备比较简单，可以生长大尺寸的晶体。比如一颗宝石梨水晶的宽度可以达到10 ~ 30mm，长度是500 ~ 10~30mm。当然，这种方法也有一些缺点，如生长过程中温度梯度大，晶体应力大，容易开裂等。
动词 （verb的缩写）用火焰熔化法生长其他宝石
火焰熔融法不仅用于生长彩色刚玉系列宝石，还用于生产合成尖晶石、合成金红石、人造钛酸锶等氧化物晶体，这里只简单介绍一下。
1.人造钛酸锶
人造钛酸锶曾经作为钻石替代品出现在宝石市场，但由于人造立方氧化锆的出现而逐渐减少。人造钛酸锶属于等轴晶系(结构上为钙钛矿族)，六方八面体对称型。
1951年，美国的Merker等人首先用火焰熔融法生长了钛酸锶晶体，但由于这种晶体的脆性，长期以来一直无法生长出大而完整的光学晶体。
钛酸锶晶体生长原料的制备:首先合成草酸锶和草酸钛的复盐，然后将复盐高温焙烧得到SrTiO3粉体。
为了使晶体在还原环境中生长，需要过量的H2。在成核过程中，H2:氧气=7:1，在生长过程中，H2:氧气=5:1。生长出来的晶体因缺氧而呈黑色有光泽，然后在1600℃被氧化成无色透明。
在SrO-TiO _ 2二元相图上，SrO与TiO _ 2之比为1:1。实践中发现Sr比Ti更易挥发，所以在生长原料中多加入一点Sr，使最终晶体达到SrO: TiO _ 2 = 1: 1的比例。
2.合成尖晶石的火焰熔融生长
合成的尖晶石MgO∶Al2O3的比例变化很大，从1: 1到1: 2.5不等，最大为1:4。
生长合成尖晶石的原料是碳酸镁和硫酸铝铵，按比例混合焙烧形成Al2O3-MgO混合物，然后加入相应的着色剂。无色合成尖晶石的折射率为1.728，相当稳定，可以作为校准折射仪的标准块。合成尖晶石在950 ~ 1050℃热处理可以消除热应力，提高硬度。
合成尖晶石除红色外其他颜色都容易生长，其中蓝色(共诱导色)和浅蓝色比较常见。红色的合成尖晶石必须严格按照1:1的比例，任何偏差都会变成其他颜色，所以很难生长。合成尖晶石的掺杂和颜色见表4-1-3。
表4-1-3合成尖晶石的颜色和掺杂
合成尖晶石常被用来仿制海蓝宝石、橄榄石、碧玺，但由于其性质与仿制的宝石相差甚远，所以很容易鉴别。
3.人造金红石的火焰熔融生长
人造金红石一度作为钻石的替代品而闻名。
人造金红石属于四方晶系，熔点1840℃，密度4.26g/cm3，莫氏硬度6 ~ 7，折射率2.616 ~ 2.903，色散0.33，作为钻石替代品太强。
用来合成金红石的原料是H2SO4、TiCl4和(NH4)2SO4的复盐，比例为(NH4)2so 4:h2so 4:TiCl 4 = 2:1.6:1。将复合盐煅烧分解得到二氧化钛。因为TiO2在生长过程中容易脱氧，所以在生长过程中与O2混合以保持其在炉中。即使如此，仍然不能保证TiO2 _ 2在熔点不失去氧，所以生长出来的晶体要在1000℃左右的氧化条件下退火，使晶体变成淡黄色透明。
20世纪50年代，美国国家铅公司和联合碳化物与碳公司曾生产过这种晶体，并作为钻石替代品出售，年产量一度达到150kg。但是在人造立方氧化锆(CZ)出现之后，人造金红石已经很少出现在珠宝市场了。向TiO2中添加掺杂剂也可以生长彩色晶体，但很少使用。
不及物动词火焰熔融法合成宝石的鉴定特征
1)气体包裹体可见于火焰熔融法生长的宝石中。这些气泡大小不一，或单独出现，或成群出现。气泡形状多为球形，也有拉长的、锯齿状的变异气泡。有时大量小气泡密集出现，形成云雾状夹杂物。
2)在火焰熔融法生长的晶体横截面上，可见密集的弧形生长带或唱片状条带，常伴有垂直于条纹方向的细长气泡。
3)在晶体生长过程中，未熔化的粉末有时被包裹在晶体中，形成碎屑状夹杂物。
4)火焰熔融法生长的梨形晶体易从中间开裂，易出现位错，导致镶嵌结构和晶向畸变等严重缺陷。
5)火焰熔融法生长的宝石晶体尺寸大、均匀、色泽鲜艳。