【百度百科】立方氧化锆

2014-04-03 09:46阅读：

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天然立方氧化锆罕见，一般为人工合成
人工合成的立方氧化锆是一种坚硬、无色及光学上无瑕的结晶。因为其成本低廉，耐用而外观与钻石相似，故此在1976年起至今都是最主要的钻石（金刚石）的代替品。近年开始亦有用性质更为接近钻石的人工培养碳化硅（Silicon Carbide）与立方氧化锆竞争代替钻石。

1 理化性质
自从20世纪70年代中期制成立方氧化锆后，立方氧化锆随之取代所有的磨制假钻石的原料，是由于它有着与真钻石非常相近的性质。首先，立方氧化锆的折光率为2.17，色散0.06，与钻石很接近，又与钻石同属均质性。立方氧化锆的硬度高达8.5，这使它琢磨成宝石后，可以镶嵌在首饰上长期佩戴，不会被划伤磨毛而失去光泽。立方氧化锆可以制出透明度极佳、完全无色的产品。这样，将它磨成宝石后，外观与钻石非常相似。据说在刚生产出来的那几年，用它冒充真钻石使一些有经验的宝石界人士也上过

当。
立方氧化锆与钻石仍有不少差别；首先是硬度，什么物质也比不上钻石，立方氧化锆也不例外的低于它。此外，立方氧化锆的比重高达5.6—6，是钻石的1.6—1.7倍。有条件用仪器测一下比重，立即可以区别。立方氧化锆的商品代号为CZ，因此，用它磨成的假钻石也常叫做“CZ钻”。CZ钻由于价格非常低廉，可外观又极像钻石，因此获得了广大顾客的欢迎，不仅一般人常戴镶CZ钻的首饰，就是拥有真钻石首饰的人，平时为了安全，也佩戴镶CZ钻的首饰。立方氧化铬的产量也与日俱增，仅美国的年产量已超过l0亿克拉，即200吨立方氧化锆造成的“宝石”立方氧化锆（Cubic Zirconia，简称 CZ），亦被称作“方晶锆石”、“苏联钻”或“苏联石”，是二氧化锆（Zirconia，ZrO2）晶体的一种。氧化锆天然存在时大部份为单斜晶体（mono-clinic），主要以矿物“钭锆石”（Baddeleyite）存在。以立方单晶体存在的氧化锆在天然中极为罕有，但现时经常以人工方法合成，被广泛用作钻石的代替品。因为这种人工合成方法在苏联发明及最先使用，故此立方氧化锆亦被称为“苏联钻”或“苏联石”。立方氧化锆有时被称作“方晶锆石”，但这名称并不完全正确；因为锆石（Zircon）是天然存在宝石的一种，其化学成份为硅酸锆（Zirconium Silicate，ZrSiO4），与合成的立方氧化锆为两种不相同的物质；而且氧化锆的方晶相其实还分为立方晶（Cubic）及正方晶（Tetragonal）两种。
2 特质
立方氧化锆与钻石一样，都为立方晶体。在正常压力之下，二氧化锆的稳定晶体为单斜晶体（mono-clinic），因此在合成立方氧化锆的过程中，需要加入份子量为10至15%的金属氧化物（通常氧化钇或氧化钙）作为安定剂。不同的生产方法会加入不同份量的安定剂，故此立方氧化锆的物理及光学特质会稍为有所不同。
立方氧化锆的密度颇高，比重为5.6至6.0。其硬度达8.5，虽低于钻石，但已超过大部份天然宝石。其折射指数为2.15至2.18，表面有金刚光泽。色散指数达0.058至0.066，超过钻石。立方氧化锆无解理（Cleavage），断口为贝壳状（Conchoidal fracture），属于易碎。在短波紫外线下呈黄、黄绿萤光，于长波紫外线下萤光不明显。
3 历史
氧化锆在1892年首次被发现以后，一直以为只有天然存在的单斜晶体“钭锆石”一种。由于钭锆石藏量不多，因此并未有广泛的应用。而且氧化锆的溶点高达2,750°C，难以透过溶解结成单晶体。1930年发明加入安定剂造成的“安定氧化锆”，是立方多晶体或正方多晶体，都是属于多晶体陶瓷。安定氧化锆主要被用作耐火材料，能抵受高达2,540°C的高温及化学品。之后1937年德国圹物学家 M. V. Stackelberg 及 K. Chudoba 首次在蜕晶质化（metamictization）钭锆石中发现微细的单晶立方氧化锆。1960年代，法国科学家 Y. Roulin 及 R. Collongues 开始研究培养单晶立方氧化锆。他们使用的方法是将镕解的氧化锆放在有固体氧化锆表面的坩埚之内，令其结晶。这种方法称之为“冷坩埚”法。不过这种方法只能生产很小的单晶体。
苏联科学家 V. V. Osiko之后在莫斯科列别捷夫物理研究所（Lebedev Physical Institute）改良了这一种技术。他的发明被称为“颅坩埚”法，其出产的人工宝石在苏联内被称为“Fianit”。这种发明在1973年首次披露，并在1976年开始商业生产。至1980年，以这一方法生产的立方氧化锆年产量已超过5千万卡拉（10,000公斤）。
4 合成方法
苏联发明的“颅坩埚”法至今仍是主要的合成方法。首先以铜管绕成杯状，铜管内注入冷却水。在杯内加入少量锆金属片，中间加入氧化锆及安定剂粉末，并加以压紧。整个设备以无线电频感应线圈包围。当感应线圈通电时，锆金属因感应产生电流，被加热至高温镕化，并传热至内部的氧化锆将其镕化。冷却水使杯中接近表面1-2mm的氧化锆维持固态。经过数小时加热后，逐渐减少热力，无瑕的柱状晶体开始形成。之后在1,400°C用长时间退火，消除晶体中的应力。经退火后的晶体通常为5cm长，2.5cm阔，便可以被切割成宝石。
若果在原料内加入不同的金属氧化物，可以获得不同颜色的晶体。例如：
铈：黄、橙、红
铬：绿
钕：紫
铒：粉红
钛：金棕
部分生产商亦有以不同方法改良产品，最常见的是在立方氧化锆表面以蒸气凝结加上一层类金刚石碳（diamond-like carbon, DLC）。得出的产品比普通氧化锆更硬，看起来亦更为似钻石。另一种方法是在表面上以真空喷上一层金属氧化物，使其出现晕彩。但是与镀上类钻石碳不同，这种加工是可以被磨损的。
5 与钻石比较
立方氧化锆在光学上与钻石（金刚石）非常接近，一般人未必能分别两者。但是在显微镜下二者仍然有一定分别：
色散：立方氧化锆的色散为0.060，高于钻石的0.044。因此立方氧化锆看来比钻石更为熣灿。
硬度：立方氧化锆的摩氏硬度为8.5至9.0，钻石为10。
比重：立方氧化锆比钻石重1.7倍。但是这特点只能用来分别未镶嵌的宝石。
瑕疵：生产的立方氧化锆基本上是内外完美无瑕的。而天然钻石极少是完全内外无瑕。
折射率：立方氧化锆的折射率为2.176，稍低于钻石的2.417。
切割：由于折射率不同，立方氧化锆的切割与钻石会稍有不同，在放大镜下小心观察可以发现。
颜色：完全无色的钻石非常罕有，通常钻石都带有浅黄色。但立方氧化锆可以被造成钻石最高级别，即D级颜色。
传热：立方氧化锆与钻石的导热性为两个极端。立方氧化锆是上佳隔热材料，可被用作喷射引擎隔热。而钻石则是最佳导热体之一，其导热能力超越铜。只要使用适合的器材，这性质最能分辨两者。

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