立方氧化锆

背景

宝石或宝石可以定义为为个人装饰而切割和抛光的宝石或半宝石。在美国和其他生产国生产的宝石分为三种类型；天然的、合成的和模拟的。天然宝石由绿柱石、刚玉和石英等结晶形式的矿物切割而成。 （钻石是纯碳的晶体。）琥珀、珊瑚、化石、象牙、珍珠母、天然和养殖淡水珍珠以及天然海水珍珠等有机材料也被视为天然宝石。

实验室培育的合成宝石与它们所代表的天然材料具有基本相同的外观、光学、物理和化学特性。美国生产的合成宝石包括变石、珊瑚、钻石、祖母绿、石榴石、石英、红宝石、蓝宝石、尖晶石和绿松石。也有没有天然对应物的合成宝石。

模拟物是实验室培育的宝石材料，其外观与天然宝石材料相似，但具有不同的光学、物理和化学特性。立方氧化锆 (CZ) 是钻石的替代品，属于这一类，并于 1976 年首次用于生产珠宝宝石。 在宝石的硬度等级上，真正的钻石为 10，而硬度范围为 8.5-9对于 CZ。 CZ 的折射率（将光线折射成红色、橙色、绿色、黄色、紫色和蓝色的能力）为 2.15-2.18，而真正的钻石为 2.42。

作为钻石仿制品的立方氧化锆的前身包括钛酸锶（于 1955 年推出）和钇铝石榴石。然而，钛酸锶对于某些类型的珠宝来说太软了。立方氧化锆变得更受欢迎，因为它的外观非常接近钻石作为切割宝石。

美国生产的宝石模拟物包括珊瑚、立方氧化锆、青金石、孔雀石和绿松石。此外，用于代表其他宝石的某些颜色的合成蓝宝石和尖晶石将被归类为仿品。 CZ 的有色和无色品种是生产的主要模拟物类型，已在市场上销售 30 多年。与真正的钻石一样，CZ 也有较高和较低的等级，从每克拉几十美元到较高等级的每克拉 100 美元不等。

在过去十年中，合成宝石和模拟宝石的使用和消费者接受度不断提高。这种增长在很大程度上是由于这些宝石本身的优点得到认可的直接结果，而不仅仅是作为天然宝石的廉价替代品。美国合成和模拟宝石的年产量目前约为 2000 万美元，而天然宝石的产量约为其两倍半。

原材料

立方氧化锆由镁和钙稳定的高纯度氧化锆粉末混合物制成。每种成分的用量都经过仔细控制，有时会使用某些添加剂来达到与真钻石相似的外观。

制造
过程

合成和模拟宝石生产商使用许多不同的生产方法，但可以将它们归为以下三种工艺之一：熔体生长、溶液生长或极高温、高压生长。制造合成宝石的解决方案技术包括祖母绿、红宝石、蓝宝石、尖晶石和亚历山大变石的熔剂方法。另一种解决方法是水热法，常用于绿柱石（祖母绿、海蓝宝石和摩根石）和石英的生长。这种方法使用称为高压釜的大型压力容器。

其他技术涉及翡翠和青金石的固态或液态反应和相变；红宝石和蓝宝石的气相沉积；用于绿松石、青金石和珊瑚的陶瓷；和其他蛋白石，或玻璃和塑料模拟物或仿制品。 Vemeuil、Czochralski 和头骨熔化工艺是最常用于宝石材料的熔化技术。

法国化学家 Edmond Fremy 于 1877 年通过熔体生长法生产了第一批商业合成宝石。这些是小的红宝石晶体，通过将含有氧化铝的混合物在粘土坩埚中融合在一起而生长，这个过程大约需要八天。这些被称为再造红宝石。 1885 年，较大的合成红宝石通过火焰熔合工艺和氧化铝粉出现。后来，蓝宝石、尖晶石、金红石和钛酸锶都采用这种技术（也称为 Vemeuil 方法）生长。

1917 年左右，一位同名科学家开发了直拉生长法，用于红宝石、蓝宝石、尖晶石、钇-铝-配子 (YAG)、钆-镓-石榴石 (GGG) 和翠绿宝石。在直拉法中，粉状成分在铂、铱、石墨或陶瓷坩埚中熔化。将晶种连接到旋转棒的一端，将棒降低到坩埚中，直到晶种刚好接触到熔体，然后将棒慢慢抽出。晶体随着种子从熔体中拉出材料而生长，材料冷却并固化。然而，由于熔体的表面张力，生长的晶体与熔融材料保持接触并继续生长，直到熔体耗尽。

通常，种子以每小时 0.0394-3.94 英寸（1-100 毫米）的速度从熔体中拉出。使用这种方法生长的晶体可以非常大，直径超过 1.97 英寸（50 毫米），长度超过 3.281 英尺（1 米），并且纯度非常高。每年使用这种方法的生产商都会生产数百万克拉的晶体。熔壳法用于立方氧化锆，将在下面更详细地描述。

某些宝石在尝试种植时会带来独特的问题。这些问题的出现是因为某些材料的反应性太强以至于即使在非反应性的铂和铱坩埚中也无法熔化，或者它们在高于坩埚材料所能承受的温度下熔化。因此，必须使用另一种熔化系统，称为颅骨熔化系统。立方氧化锆由于熔点高，必须使用这种方法生长。

融化

• 1 “头骨”是一个空心壁的铜杯。水通过空心壁循环以冷却头骨的内壁。杯子里装满粉状成分，并通过射频感应加热直到粉末融化。由于水冷却头骨壁，壁附近的粉末材料不会熔化，熔化的材料包含在未熔化材料的壳内。因此，反应性或高温熔体包含在其自身内。
• 2 当移除热源并让系统冷却时，晶体通过成核形成并生长，直到整个熔体凝固。使用该系统生长的晶体大小不同，具体取决于成核数。在生长立方氧化锆中，单个头骨每个周期产生约 2.205 磅（1 千克）的材料。

切割

任何石材的切割，无论是天然的还是仿制的，都取决于石材切割师的技能。切磨师必须仔细评估宝石晶体，以确定应该切掉多少晶体才能生产出具有良好净度的宝石。切磨师还必须确定哪种宝石形状可以最大限度地利用水晶。切割师必须尽可能多地使用水晶，因为钻石太宝贵了，不能浪费。

比例在钻石的切工中扮演着重要的角色。理想的石头被切割成数学规格，以允许最大量的光通过石头反射。这种类型的切工被称为 Brilliant 切工。这些设定比例的变化会降低宝石的亮度。在处理钻石时，切磨师可能会发现改变这些角度以去除瑕疵或内含物的成本更高，但仍保持最大克拉重量。由于假冒钻石晶体的成本更适中且净度几乎完美无瑕，因此可以将较大的钻石切割成正确的比例。

• 3 切割有几个步骤。首先，对宝石进行标记以指示解理面，然后解理以赋予宝石初始形状。由于立方氧化锆很容易沿平行于八面体晶面的方向分裂，因此可以使用浸有金刚石粉末的特殊工具对其进行切割。切割的替代方法是锯切，它用于使用边缘浸渍有金刚石的磷青铜小圆盘去除有缺陷的区域（仿石不会有那么多）。现在使用精密可编程机器将石头切割成预定的尺寸（称为校准），这样每块石头都可以生产成相同的尺寸、形状和深度。
• 4 下一步，称为粗磨或四舍五入，包括使切割边缘的角变圆。这是使用配备称为锐器的金刚石工具的机器完成的。
• 5 粗磨或四舍五入后，使用铸铁制成的切割轮对宝石进行刻面。抛光遵循二次刻面操作。
• 6 最后一步是彻底清洁，在酸中煮沸以去除所有油迹、污垢和金刚石粉末。在显微镜下检查宝石后，将它们包装在泡沫包装中。

质量控制

真石或仿石的质量由四个 C 决定：克拉、颜色、净度和切工。四个等级的组合决定了真钻和仿钻的最终质量和价值。真正钻石的克拉重量 0.0175 盎司（0.5 克）是钻石的克拉重量。合成宝石的克拉重量总是比真正的钻石重，因为它们的材料更致密。

钻石的颜色会影响其价值。完全没有颜色代表比例的高端，而苍白、颜色不均匀的宝石构成了低端。具有异常高成色的钻石被称为彩钻，并根据颜色的均匀度、稀有度和色调进行分级。真正的和立方氧化锆钻石都有各种颜色可供选择，从最浅的黄色到亮红色。

净度是指石头的净度或透明度。在真正的钻石中，净度是由自然、微小的矿物痕迹和可能使石头蒙上阴影的小瑕疵晶体决定的。石头越清晰，价值就越高。假冒钻石的净度可以在实验室中控制。然而，不良的熔体会产生带有小夹杂物的宝石。金属氧化物混合物的变化会改变宝石的颜色。仿冒钻石和真钻石的颜色不均一样令人不快。

在四个 C 中，切工是决定钻石亮度的最重要因素。 1919 年，出生于安特卫普的第三代钻石切割师兼机械工程专业学生马塞尔·托尔科夫斯基 (Marcel Tolkowsky) 确定了切割钻石的适当比例，以获得最大的火彩和亮度。这种被称为 Brilliant Cut 的理想切工是一个客观的可衡量标准。每颗明亮式切工钻石都有 58 个刻面，以精确的数学确定的角度切割，以反射和折射最大的光线。这保证了钻石已被切割成最佳比例以获得最佳美感，而不是简单地保持最大克拉重量。事实上，钻石的比例和光洁度等级是根据偏离这个标准的程度来定义的。 用颅骨熔化法生长立方氧化锆，在空心壁铜杯中装入粉末成分并加热通过射频感应直到粉末熔化。空心壁内的循环水冷却头骨的内壁。由于水冷却头骨壁，壁附近的粉末材料不会熔化，熔化的材料包含在未熔化材料的壳内。因此，反应性或高温熔体包含在其自身内。当移除热源并让系统冷却时，晶体通过成核形成并生长，直到整个熔体凝固。单个头骨每个循环可产生约 2.205 磅（1 公斤）的立方氧化锆。本标准也适用于由立方氧化锆制成的仿钻石。

尽管 58 切面明亮式切工在切工行业被称为质量的标准衡量标准，但也有特殊情况需要偏差。小区域内光线折射过多会降低净度，因此可能会切割出具有较少刻面的极小宝石。出于相反的原因，较大的宝石可能会被切割成更多的刻面。宝石的尺寸可能会增加刻面的宽度，从而失去光泽。以这种方式找到一克拉以上的钻石并不罕见。随着光芒四射、公主方和万亿等新切工的推出，对多面宝石的需求增加了。

有多种形状可以切割。该圆形可提供最大的亮度、色散、火彩，是所有真品和仿品钻石形状中最受欢迎的。椭圆形呈椭圆形，略微拉长。宝石顶部周围的刻面与圆形宝石上的刻面排列非常相似。因此，切割良好的椭圆形钻石会散发出闪闪发光的外观，捕捉并反射来自各个方向的光线。切割椭圆形所需的时间（一克拉需要 8 到 10 小时）大约是切割圆形宝石所需时间的两倍，因为需要更多时间进行初步成型。

其他测试方法用于测量光学和物理特性。双目显微镜用于寻找缺陷，如夹杂物。使用折射计测量折射率。石头的比重是通过观察它在已知比重的液体中是否会下沉、上浮或保持静止来确定的。

未来

据行业专家称，随着大众市场零售商继续向客户提供立方氧化锆首饰且价格继续下降，立方氧化锆首饰市场预计将保持稳定。立方氧化锆作为耳钉、单颗钻石和网球手链中真正钻石的替代品，也变得越来越有利可图。换句话说，它不再被认为只是一种廉价的仿制品，尤其是在亮度和反射方面的改进。因此，预计市场的整体增长率约为 10%。尽管最近推出了一种称为合成莫桑石（一种结晶碳化硅）的新钻石模拟物，但这种材料的更高价格和更困难的工艺将限制它与立方氧化锆的竞争。