冷坩堝法

冷坩堝法是一種從熔體中生長法晶體的技術(shù)，僅用于生長合成立方氧化鋯晶體。其特點(diǎn)是晶體生長不是在高熔點(diǎn)金屬材料的坩堝中進(jìn)行的，而是直接用原料本身作坩堝，使其內(nèi)部熔化，外部則裝有冷卻裝置，從而使表層未熔化，形成一層未熔殼，起到坩堝的作用。內(nèi)部已熔化的晶體材料，依靠坩堝下降脫離加熱區(qū)，熔體溫度逐漸下降并結(jié)晶長大。

合成立方氧化鋯的熔點(diǎn)最高為2750℃。幾乎沒有什么材料可以承受如此高的溫度而作為氧化鋯的坩堝。該方法將紫銅管排列成圓杯狀"坩堝"(圖5-1)，外層的石英管套裝高頻線圈，紫銅管用于通冷卻水，杯狀"坩堝"(圖5-2)內(nèi)堆放氧化鋯粉末原料。高頻線圈處于固定位置，而冷坩堝連同水冷底座均可以下降。

冷坩堝技術(shù)用高頻電磁場進(jìn)行加熱，而這種加熱方法只對導(dǎo)電體起作用。冷坩堝法的晶體生長裝置采用"引燃"技術(shù)，解決一般非金屬材料如金屬氧化物MgO、CaO等電阻率大，不導(dǎo)電，所以很難用高頻電磁場加熱熔融的問題。某些常溫下不導(dǎo)電的金屬氧化物，在高溫下卻有良好的導(dǎo)電性能，可以用高頻電磁場進(jìn)行加熱。氧化鋯在常溫下不導(dǎo)電，但在1200℃以上時(shí)便有良好的導(dǎo)電性能。為了使冷坩堝內(nèi)的氧化鋯粉末熔融，首先要讓它產(chǎn)生一個(gè)大于1200℃的高溫區(qū)，將金屬的鋯片放在"坩堝"內(nèi)的氧化鋯材料中，高頻電磁場加熱時(shí)，金屬鋯片升溫熔融為一個(gè)高溫小熔池(圖5-4)，氧化鋯粉末就能在高頻電磁場下導(dǎo)電和熔融，并不斷擴(kuò)大熔融區(qū)，直至氧化鋯粉料除熔殼外全部熔融為止，此技術(shù)稱為"引燃"技術(shù)。

氧化鋯在不同的溫度下，呈現(xiàn)不同的相態(tài)。自高溫相向低溫相，氧化鋯從立方相構(gòu)型向六方、四方至單斜鋯石轉(zhuǎn)變。常溫下立方氧化鋯不能穩(wěn)定存在，會轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡苯Y(jié)構(gòu)相。所以在晶體生長的配料中必須加入穩(wěn)定劑，才能使合成立方氧化鋯在常溫下穩(wěn)定。通常選用Y2O3作為穩(wěn)定劑，最少加入量為10%的摩爾數(shù)。過少則會有四方相出現(xiàn)，表現(xiàn)為有乳白狀混濁;過多則晶體易帶色，并且造成不必要的成本上升，還會降低晶體的硬度。

首先將生O2與穩(wěn)定劑Y2O3按摩爾比9:1的比例混合均勻，裝入紫銅管圍成的杯長合成立方氧化鋯晶體所使用的粉料Zr狀"冷坩堝"中，在中心投入4-6g鋯片或鋯粉用于"引燃"。接通電源，進(jìn)行高頻加熱。約8小時(shí)后，開始起燃。起燃1-2分鐘，原料開始熔化。先產(chǎn)生了小熔池，然后由小熔池逐漸擴(kuò)大熔區(qū)。在此過程中，鋯金屬與氧反應(yīng)生成氧化鋯。同時(shí)，紫銅管中通入冷水冷卻，帶走熱量，使外層粉料未熔，形成"冷坩堝熔殼"。待冷坩堝內(nèi)原料完全熔融后，將熔體穩(wěn)定30-60分鐘。然后坩堝以每小時(shí)5-15mm的速度逐漸下降，"坩堝"底部溫度先降低，所以在熔體底部開始自發(fā)形成多核結(jié)晶中心，晶核互相兼并，向上生長。只有少數(shù)幾個(gè)晶體得以發(fā)育成較大的晶塊。

晶體生長完畢后，慢慢降溫退火一段時(shí)間，然后停止加熱，冷卻到室溫后，取出結(jié)晶塊，用小錘輕輕拍打，一顆顆合成立方氧化鋯單晶體便分離出來。

整個(gè)生長過程約為20小時(shí)。每一爐最多可生長60kg晶體，未形成單晶體的粉料及殼體可回收再次用于晶體生長。生長出的晶塊呈不規(guī)則柱狀體，無色透明，肉眼見不到包裹體和氣泡。

合成立方氧化鋯晶體易于著色，對于彩色立方氧化鋯晶體的生長，需要在氧化鋯和穩(wěn)定劑的混合料中加入著色劑。將無色合成立方氧化鋯晶體放在真空下加熱到2000℃進(jìn)行還原處理，還能得到深黑色的合成立方氧化鋯晶體。

冷坩堝法是生產(chǎn)合成立方氧化鋯晶體的方法。該方法是俄羅斯科學(xué)院列別捷夫固體物理研究所的科學(xué)家們研制出來的，并于1976年申請了專利。由于合成立方氧化鋯晶體良好的物理性質(zhì)，無色的合成立方氧化鋯迅速而成功的取代了其它的鉆石仿制品，成為了天然鉆石良好的代用品。合成立方氧化鋯易于摻雜著色，可獲得各種顏色鮮艷的晶體，因此受到了寶石商和消費(fèi)者的歡迎。