擴散處理剛玉，即添加物質經熱擴散處理，表面增色或產生了星光效應的剛玉寶石。
基本介紹
- 中文名：擴散處理剛玉
- 外文名：diffusion treated corundum
- 學科：其他實用礦物與岩石
- 包括：擴散藍寶石、擴散黃色藍寶石等
簡介,釋文,詳情,改色機理,鑑別特徵,
簡介
擴散紅寶石（diffusion-treated ruby）是利用高溫使鉻離子（Cr+）進入淺紅色剛玉表層晶格，形成幾微米到近百微米厚的紅色擴散層；擴散藍寶石（diffusion-treated sapphire）是在高溫條件使鐵和鈦或鈷離子進入無色或淺藍色剛玉表層晶格，形成幾微米到幾百微米的灰藍色或藍色擴散層；所添加的致色離子為鉻和鎳時，在氧化條件下可形成橙色擴散層。由於有外來物質（致色離子）加入，表面擴散剛玉屬於處理，在貿易中必須聲明。
釋文
即添加物質經熱擴散處理，表面增色或產生了星光效應的剛玉寶石。
詳情
分為擴散藍寶石、擴散黃色藍寶石、擴散紅寶石、擴散處理星光紅寶石、擴散處理星光藍寶石。擴散紅寶石（diffusion-treated ruby）是利用高溫使鉻離子（Cr+）進入淺紅色剛玉表層晶格，形成幾微米到近百微米厚的紅色擴散層；擴散藍寶石（diffusion-treated sapphire）是在高溫條件使鐵和鈦或鈷離子進入無色或淺藍色剛玉表層晶格，形成幾微米到幾百微米的灰藍色或藍色擴散層；所添加的致色離子為鉻和鎳時，在氧化條件下可形成橙色擴散層。由於有外來物質（致色離子）加入，表面擴散剛玉屬於處理，在貿易中必須聲明。
在鑑定時可藉助擴散層的顏色特徵來鑑別，如腰圍及交棱處顏色加深，邊緣裂隙中及台面凹坑上有著色不均勻的深色紋或色斑等；而發光性異常現象，如紅色擴散層在短波紫外線下可有斑塊狀藍白色磷光，藍色擴散層在短波紫外線下可有藍、綠、橙色螢光等，可供參考；它們的吸收譜特徵則隨工藝方法而不同，也是輔助的鑑別依據。表面擴散處理的星光剛玉星光完美、星線均勻，但僅限於樣品表面，放大後卻見不到定向排列的針狀包裹體，僅見由細小的白點組成一薄層絮狀物（即擴散層）；樣品底部或裂隙中可見擴散充填物。
改色機理
1. 含鐵離子剛玉從無色、淺黃綠色到黃色、橙色的互變
在藍寶石（Al2O3）中的鐵，常以二價態Fe2+或三價態Fe3+存在。在高溫晶體生長的條件下，鐵一般以Fe2+或FeO出現。當這樣一種Fe2+在取代剛玉中的Al3+時，為保持晶體電中性，每兩個Fe2+的存在就會出現一個氧空位，這樣可以產生幾乎無色的剛玉晶體、或者略帶一點綠色調。
其組成為：（1-x）Al2O3+2xFeO→Al2-2x Fe2x O3-x
在高溫下，氣體中的氧可以通過擴散將Fe2+氧化成Fe3+4Fe2+ +O2→4Fe3++2O2-在剛玉藍寶石中，這時沒有氧空位了，相當於Al2O3中存在著Fe2O3雜質，電荷是平衡的，依Fe3+濃度的不同，寶石可以出現淺到中等的黃色。
若在還原氣氛中加熱，比如在H2或CO的條件下，就會產生相反的作用
Fe2O3+ H2→2FeO+ H2O或Fe2O3+ CO→2FeO+ CO2
如果更強烈的加熱，Fe2O3可能會聚集形成多分子顆粒，從而產生更深的黃到褐的顏色。
也就是說，當鐵離子以二價的形式存在於剛玉中時，寶石是無色略帶一點綠色調。在高溫下，通過氣體擴散Fe2+可以氧化成Fe3+，隨Fe3+含量的多少，寶石可以出現不同程度的黃色。相反當有還原氣氛存在時Fe3+又可以轉為Fe2+，寶石又可恢復原來的顏色，但較氧化反應難進行。氧化成Fe3+的反應甚至在有鈦存在時才可能。當寶石中鐵的含量遠遠超過鈦的含量時，鐵離子之間的電荷轉移占主導地位，寶石仍可呈現出黃色，但含鈦所形成的黃色比不含鈦所形成的黃色暗得多。當鐵離子和鉻離子共存，鐵為二價時，寶石為粉色，經氧化加熱鐵變為三價，寶石成橘紅色。
這些熱處理的溫度很高，常接近剛玉熔點（2050℃）的溫度，即1500℃以上。因此，必須具有良好的控溫系統，否則會使寶石部分或全部熔化。實驗中，為將Fe2+氧化為Fe3+常採用敞開坩堝的方法，一般不需要使用可引起化學反應的化學藥品。為了防止寶石炸裂，緩慢升降溫和填入緩解溫度的化學藥品很有必要。這種方法得到的寶石顏色十分穩定，對光和熱均不退色。
2.含鐵和鈦離子的無色或淺藍色剛玉顏色加深及深藍色剛玉顏色變淺
這是兩個相反的過程，實現這兩個過程的理論基礎是：鐵和鈦的的電荷轉移是引起藍寶石顏色的主要原因。
這種電荷轉移，涉及到如下作用：
Fe2+→Fe3++e- Ti4++e-→Ti3+ 得： Fe2++Ti4+→Fe3++Ti3+
方程右邊的兩項比左邊的兩項具有更高的能量狀態。當光照射到寶石上時，單電子吸收光能從鐵轉移到鈦，使方程向右進行。由於右邊的能量高於左邊，但電子吸收能量就形成從黃色到紅色寬闊的吸收帶從而產生了人們熟知的寶石藍的藍色。這種電荷轉移產生顏色的特點是具有很高的吸收率，對光產生強吸收，所以呈現的顏色很鮮艷。
第一個過程淺顏色加深，淺色或無色的含鐵和鈦的剛玉中一般鐵是以二價形式存在，鈦是以化合物TiO2的形式存在為使方程進行，必須使TiO2的鈦以離子形式存在於剛玉中，就需要進行高溫處理。典型的例子是斯里蘭卡的“Geuda”的熱處理。這種剛玉是一種乳白至褐黃色或帶有藍色調的牛奶色的剛玉。這種剛玉經高溫處理可以得到不同程度的藍色，有的可以達到藍寶石的極品色。在熱處理中最重要的是要防止寶石炸裂，因此，必須首先是將寶石原料修整好，去掉一些表面的裂隙和較大的包裹體，然後進行熱處理。隨熱處理時間以及加入化學藥品的不同，其作用被認為是防止在加熱炸裂和加快顏色改變的速度。加熱的溫度也有差別，一般在1500-1700℃也有採用1900℃的。較低的溫度需要加長恆溫時間，採用較高的溫度時只需短時間恆溫。從經濟實用的觀點看，高溫短時間加熱的成本高，燃料的費用也大。整個熱處理過程可以從幾個小時至長達幾天不等。從理論上看，還原環境有助於鐵元素以Fe2+的形式存在。
第二個過程，含鐵和鈦的深顏色變淺。這是第一個過程的反作用，主要是改變和調整形成藍寶石深藍甚至黑藍色的雜質元素，如鐵和鈦的含量和比率。典型的例子是玄武岩產狀的藍黑色剛玉。例如中國山東、海南島及澳大利亞產出的剛玉。這種剛玉顏色的改善在理論上是行得通的，但在實踐中尚未找到一個理想的方法。
3.紅寶石紫色調和藍色調的消除
對於那些含紫色調和藍色調的紅寶石，人們也普遍使用熱處理。其目的是改變引起紅寶石籃紫色調雜質，在寶石中的含量和賦存狀態，讓這些雜質不呈現顏色，從而使寶石中的鉻離子呈現的紅色鮮艷。這種處理的溫度低得多，常在1000℃左右。但若以消除紅寶石中絲狀包裹體為目的而增加透明度的處理，則需要較高的溫度。
4.星光和絲狀包裹體的消除、析出和再造
許多晶體在一定溫度下可與其所含的雜質共同結晶形成固體。當溫度降至一定程度，這些雜質在晶體中過飽和，則會以雛晶或微晶的形式析出，而使晶體產生乳狀包裹體。
剛玉中，能出現這種析出現象的主要是其中所含的鈦。人工合成剛玉的實驗表明，在Al2O3中加入0.2%的TiO2，在高溫下合成剛玉後以較快的速度冷卻，結晶出的剛玉晶體仍為藍色透明，無任何第二相存在的痕跡。但將這塊晶體在1100-1500℃的溫度下重新加熱，維持一周左右，會有細小的絲狀或針狀包裹體出現。這種大量的極細小的金紅石包裹體，呈針狀定向排列，在平行剛玉晶體底面形成三角形互為120的定向包裹體。寶石冷卻到室溫後定向加工成素麵，可出現清晰的六射星光。
