冷坩堝法是生產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製出來的，並於1976年申請了專利。由於合成立方氧化鋯晶體良好的物理性質，無色的合成立方氧化鋯迅速而成功的取代了其它的鑽石仿製品，成為了天然鑽石良好的代用品。合成立方氧化鋯易於摻雜著色，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。
基本介紹
- 中文名：冷坩堝法
- 類型：方式方法
- 作用：合成立方氧化鋯晶體
- 領域：化學
原理,晶體生長工藝,
原理
冷坩堝法是一種從熔體中生長法晶體的技術，僅用於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。內部已熔化的晶體材料，依靠坩堝下降脫離加熱區，熔體溫度逐漸下降並結晶長大。
冷坩堝法的冷卻管和加熱裝置
冷坩堝法的冷卻管和加熱裝置合成立方氧化鋯的熔點最高為2750℃。幾乎沒有什麼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，紫銅管用於通冷卻水，杯狀“坩堝”（圖5-2）內堆放氧化鋯粉末原料。高頻線圈處於固定位置，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採用“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。為了使冷坩堝內的氧化鋯粉末熔融，首先要讓它產生一個大於1200℃的高溫區，將金屬的鋯片放在“坩堝”內的氧化鋯材料中，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，並不斷擴大熔融區，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，呈現不同的相態。自高溫相向低溫相，氧化鋯從立方相構型向六方、四方至單斜鋯石轉變。常溫下立方氧化鋯不能穩定存在，會轉變為單斜結構相。所以在晶體生長的配料中必須加入穩定劑，才能使合成立方氧化鋯在常溫下穩定。通常選用Y2O3作為穩定劑，最少加入量為10%的摩爾數。過少則會有四方相出現，表現為有乳白狀混濁;過多則晶體易帶色，並且造成不必要的成本上升，還會降低晶體的硬度。
晶體生長工藝
首先將生O2與穩定劑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鋯片或鋯粉用於"引燃"。接通電源，進行高頻加熱。約8小時後，開始起燃。起燃1-2分鐘，原料開始熔化。先產生了小熔池，然後由小熔池逐漸擴大熔區。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"。待冷坩堝內原料完全熔融後，將熔體穩定30-60分鐘。然後坩堝以每小時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形成多核結晶中心，晶核互相兼併，向上生長。只有少數幾個晶體得以發育成較大的晶塊。
晶體生長完畢後，慢慢降溫退火一段時間，然後停止加熱，冷卻到室溫後，取出結晶塊，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於晶體生長。生長出的晶塊呈不規則柱狀體，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於著色，對於彩色立方氧化鋯晶體的生長，需要在氧化鋯和穩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。
