[发明专利]天然蓝宝石的改色方法

说明书

本发明属于天然晶体的改性。具体来说，本发明属于晶体的热处理，将天然晶体经过处理使其改色。

我国华东、华南等地蕴藏大量的天然蓝宝石，但其颜色过深，在普通光照射下，一般厚度大于3毫米的样品则不透明，呈蓝黑色或褐色，故而其观赏价值和经济价值不高。自1990年以来，已有一些关于天然蓝宝石，特别是关于山东、江苏天然蓝宝石的呈色机制和改色研究的文献报告陆续出现。传统的天然蓝宝石的退色方法是1700℃下的退火处理，此种方法要求高温，故而不便，且处理后的宝石几乎失去蓝色而呈灰色。一种改进的技术是使用电解熔盐产生强烈的氧化气氛，使蓝宝石中Fe²⁺离子部分氧化，导致蓝宝石增透和呈现蓝色（Wang Chuanfu et al.，J.Geomol.，1992，23（4），195-7）。此种方法同样存在设备和操作方面的缺点，并且此种单纯的氧化处理，将使天然蓝宝石的色调变化，失去其原有的为人们所喜爱的矢车菊蓝色调，处理后的蓝宝石极易被肉眼识别。

本发明的目的是提供一种热处理天然蓝宝石的方法，使其退色增透，并具有矢车菊蓝色调。该方法主要为氧化气氛下的扩散加还原气氛下的退火的两步热处理过程，包括热处理焙料和气氛、温度及保温时间等条件的优化选择。

图1为本发明方法中的第二步热处理所用装置的示意图。图1中各部分为：1-炉膛，2-发热体，3-坩埚，4-保温层，5-炉门，6-机械泵，7-压力表，8-三通，9-气体流量计，10-减压阀，11-氮气瓶，12-氢气瓶，13-排气阀门。

成分分析表明，上述天然蓝宝石（特别是山东蓝宝石）的含杂量（特别是含铁量）偏高，二价铁离子对（Fe²⁺-Fe²⁺）的电子跃迁造成中心波长为580纳米（nm，以下同）的宽广吸收峰，Fe²⁺-Ti⁴⁺离子对间的电荷转移也在这一波段形成光吸收，多种机制的迭加，是造成天然蓝宝石色深的基本原因。未经处理的天然蓝宝石的吸收光谱见图2之曲线1。

本发明的第一步热处理是氧化气氛下的热扩散处理。以粒径为10～100微米的纯刚玉（Al₂O₃）粉末为焙料，在空气或氧化气氛中，加热到1100～1600℃，保温4～100小时，断电后随炉自然冷却至室温。经过这种处理，可使天然蓝宝石中的杂质通过扩散而有效地减少，并使Fe²⁺离子部分氧化为Fe³⁺离子，从而使宝石的颜色变浅，并成为透明。用作焙料的Al₂O₃粉末越细，则扩散与退色的效果越好，但粉末越细，要求其纯度越高，否则将导致焙料烧结而不易从宝石上剥离。优选的焙料粒径为50微米，此时用分析纯即可。优选的恒定温度为1250℃，此时退色效果最为明显。对于重量为5克以下的天然蓝宝石，优选的保温时间为24小时，保温时间过短，则退色效果不明显，而保温时间过长，效果并无明显改进。上述第一步热处理，可使天然蓝宝石有效地退色，但其色调一般呈蓝灰色。在经过第一步热处理的山东蓝宝石的吸收谱上，450纳米的吸收峰有所增强，见图2之曲线2。

本发明的第二步热处理是还原气氛下的退火处理，其目的是使改色的天然蓝宝石具有矢车菊蓝色调。第二步热处理可在非封闭系统中用氢、氮混合气氛（其中氢气所占体积比为5～10%），或在封闭系统中用氢气或氢、氮混合气氛（炉膛内气压为120～150千帕），加热至800～1200℃，保温4～100小时，然后断电并随炉自然冷却至室温。优选条件为气压140千帕，温度1000℃，保温24小时。第二步热处理可使蓝宝石形成矢车菊蓝色调，在经过氧化扩散和还原退火的两步热处理后的山东蓝宝石的吸收光谱（参见图3）上，450纳米和580纳米的两吸收峰的相对强度与未经处理的山东蓝宝石（参见图2之曲线1）接近。

使用氢气作还原气氛的退火热处理，应注意安全操作，绝对禁止在有明火时的氢、氧混合，这些都是本领域内普通技术人员所熟知的。

为了实施本发明的第二步热处理（即还原气氛下的退火处理），还可采用其他的与Al₂O₃不发生反应的含氢物质为焙料作退火处理。在加热时，这些焙料分解并释放出氢离子而进入蓝宝石。例如，将经过第一步的氧化扩散热处理后的山东蓝宝石浸渍在盛于硬玻璃皿中的苯甲酸内，加热至200～250℃，并保温1～24小时，可达到同样目的。总之，根据本发明的精神和发明构思，本领域技术人员可作许多改进，这些改进皆在本发明范围之内。