第三章　焰熔法生长宝石晶体

焰熔法生长宝石晶体的方法是在人们探索红宝石的合成技术基础上发展起来的。早在1819年，E.D.克拉克（E.D.Clarke）博士用新发明的氢氧吹管进行试验，将两颗天然红宝石放在木炭上，使其熔化成一个小球。当时他认为小球是玻璃质而不是晶质的。到了1837年，法国化学家M.高丁将含有痕量重铬酸钾的明矾和硫酸钾饱和溶液蒸发，而后用氢氧火焰吹管熔化其残留物，在高温下排出二氧化硫气体后，得到了氧化铝。痕量的重铬酸钾将氧化铝染成了红色，氧化铝随着冷却而产生结晶。但是高丁也未认识到获得的是合成红宝石晶体，而误认为是红宝石玻璃。1885年弗雷米、费尔和瑞士人乌泽一起，将天然产的红宝石碎屑用氢氧火焰熔化，并加入少量重铬酸钾试剂以加深其红颜色，制成了一种再生的红宝石，就是所谓“日内瓦红宝石”。直至1902年，法国化学家维尔纳叶在弗雷米等人的基础上改进了焰熔技术，成功地用此方法合成出了数克拉美丽而较为完美的合成红宝石，这成为人工合成宝石发展史上的一个分水岭，因此焰熔法也被命名为维尔纳叶法。在此之后，焰熔法便成为人工合成宝石中最主要的合成方法之一。

随着近代科学技术的发展，焰熔法生长宝石晶体技术也在不断发展与完善。除了用此方法合成红宝石外，人们还通过改进此技术成功地获得了合成蓝宝石、合成彩色尖晶石、合成金红石、人造钛酸锶、合成星光红以及人造钇铝榴石（YAG）、人造钇铁榴石（YIG）等宝石晶体。1926年，有人用氢氧焰熔融氧化镁和氧化铝（1∶1）的混合粉末，意外得到了合成尖晶石，但生长出的晶体很容易炸裂。之后，通过改变混合粉末的比例［（1.5～3.5）∶1］，同时添加少量着色剂，成功合成出了各种颜色的合成尖晶石，并有效克服了炸裂现象。1947年，美国的林德公司将氧化钛加入铝粉中，用氢氧焰将这种混合物熔融，晶体生长后进行热处理，得到了合成星光蓝宝石。之后，该公司将这种产品推向商业化。到现在，德国和日本的许多公司也具备这种生产工艺。1948年，美国的公司用焰熔法合成出了强色散的合成金红石，作为钻石的代用品进行应用。1951年，美国的迈克用焰熔法生长出了人造钛酸锶，但生长出的晶体易裂，很难形成大块。到了1955年，人造钛酸锶晶体的生长技术已成熟并可进行商业化生产了。

继焰熔法合成红宝石商业化生产之后，人们开始用这种方法合成大量低成本且具有宝石价值的合成红宝石和合成蓝宝石。

20世纪50年代末，我国从前联引进了焰熔法合成刚玉宝石的设备和技术，60年代正式投产后，产品主要用于手表轴承工业。随后，我国出现了20多家焰熔法合成宝石工厂，能生长出合成星光红、蓝宝石和十几种颜色的合成刚玉、合成尖晶石、合成金红石以及人造钛酸锶等系列人工宝石。然而，采用老工艺（用电解水的方法获得氢气和氧气）进行焰熔法合成宝石的生产，成本很高，没有市场竞争力。从1995年起，人们利用化工厂废弃的氢气与氧气代替电解水工艺建起了焰熔法合成宝石厂，取得了良好的经济效益。例如，采用该工艺的浙江省某公司，拥有260多台生产设备，年产量可达25t。此外，贵州省某地利用当地廉价的小水电站建设的焰熔法合成刚玉厂，年产量可达17t。我国其他焰熔法生产合成刚玉的工厂主要分布在陕西省宝鸡市、山东省烟台市、江苏省苏州市以及浙江省杭州市。2000年统计数据显示，我国焰熔法合成刚玉类宝石年产量可达103t（生产能力为128.5t），生长的合成刚玉宝石直径大多数可达到15～20mm，只有少数厂家可生产出直径达32mm的合成刚玉宝石，产品主要用于钟表工业。

大直径的刚玉晶体因其耐高温、耐摩擦、全透明的特性，不但可作为宝石饰品应用，还可作为摄影机的窗口材料或用于无人驾驶飞机、人造卫星、宇宙飞船等航空航天设备的观察窗口。因此，有必要将先进的生产工艺推广到更多的生产厂家，以此来提高我国合成刚玉晶体的粒度和质量，一方面能弥补合成刚玉类宝石市场高质量产品的供应不足，另一方面，也能大大提高我国国防工业和科学技术水平。2012年至今，我国已建成焰熔法合成刚玉类宝石的约有十家大中型企业，总生产规模约400多台烧结机（每台10头），年产量在1000～1500t，其中约50%合成产品为用于仪器、仪表的无色蓝宝石，约10%为合成彩色宝石，其余的合成纯白蓝宝石，经破碎后供泡生法合成LED晶体的材料，目前行业供需基本处于平衡状态。合成刚玉类宝石的晶体大小也取得了飞跃，达到长120mm，直径42mm；还生产出了扁状的晶体，宽33mm，直径9mm（见彩色图版），此晶体加工的出料率显著提高，将有效扩大使用范围，在价格上也高出许多。焰熔法合成晶体的品种也有所增加：除常见的红宝石晶体外，可以合成20种颜色5个品种的晶体（无色蓝宝石、蓝色蓝宝石、变色蓝宝石、合成尖晶石、合成金红石），且已加工出100多个款式（见彩色图版），有效地增加了适应范围。

这些合成刚玉除在宝石领域中应用外，还用于手表和机械的轴承、手表表皿、唱机的唱针等一般工业，也可应用于LED（发射蓝、白光）、固体激光、光导纤维接头、集成电路外连基层等高科技领域，这一切使得焰熔法在工业上得到了大规模的推广和应用。