冷坩堝法?原理

冷坩堝法是一種從熔體中生長法晶體的技術，僅用于生長合成立方氧化鋯晶體。其特點是晶體生長不是在高熔點金屬材料的坩堝中進行的，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。

冷坩堝技術用高頻電磁場進行加熱，而這種加熱方法只對導電體起作用。冷坩堝法的晶體生長裝置采用"引燃"技術，解決一般非金屬材料如金屬氧化物MgO、CaO等電阻率大，不導電，所以很難用高頻電磁場加熱熔融的問題。某些常溫下不導電的金屬氧化物，在高溫下卻有良好的導電性能，可以用高頻電磁場進行加熱。氧化鋯在常溫下不導電，但在1200℃以上時便有良好的導電性能。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，金屬鋯片升溫熔融為一個高溫小熔池(圖5-4)，氧化鋯粉末就能在高頻電磁場下導電和熔融，并不斷擴大熔融區(qū)，直至氧化鋯粉料除熔殼外全部熔融為止，此技術稱為"引燃"技術。

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。

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院列別捷夫固體物理研究所的科學家們研制出來的，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者的歡迎。

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，進行高頻加熱。約8小時后，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大熔區(qū)。在此過程中，鋯金屬與氧反應生成氧化鋯。同時，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。

整個生長過程約為20小時。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℃進行還原處理，還能得到深黑色的合成立方氧化鋯晶體。