Аппарат вернейля для выращивания кристаллов

Выращивание сапфиров

В настоящее время существует возможность получать драгоценные камни, которые в естественных условиях образуются не одну тысячу лет, меньше чем за полмесяца. Это действительно впечатляет! Синтетические камни находят своё применение в научных и промышленных целях. Детали из сапфиров отличаются высокой прочностью и прозрачностью. Из них в основном делают инструменты, линзы и стекла.

Благодаря искусственному синтезированию сапфиров, в лабораторных условиях можно менять условия роста кристаллов, придавая камням нужные характеристики. Например, можно синтезировать полностью прозрачный кристалл, который также называют лейкосапфиром.

История получения искусственных сапфиров начинается с 1904 года, когда французский химик О. Верней придал огласке метод получения кристаллов с помощью вертикальной горелки, глинозёма и прямого потока воздуха.

Значительный вклад в дальнейшее развитие методов получения искусственных самоцветов внесли советские учёные Института кристаллографии. Получение синтетическиих камней с эффектом астеризма стало возможным лишь к середине XX века.

Способы

Сапфиры в большинстве получают тремя способами: методами Вернейля, Чохральского либо методом зонной плавки. Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных методов.

Метод Вернейля

Как вы могли, наверное, заметить в названии метода фамилия «Вернейль» звучит очень похоже на «Верней». Огюст Верней – тот самый химик, который впервые обнародовал способ получения искусственных сапфиров. Именно в честь французского учёного и назван данный метод. Фамилия в методе немного изменена, но название закрепилось исторически, и с этим ничего не поделать.

Аппарат Вернейля или Аппарат Вернейля включает в себя вертикальную кислородную горелку, дозатор порошкообразного оксида алюминия и основание (чаще всего керамическое). Порошок глинозёма под воздействием специального вибратора перемешивается в струе кислорода. Под воздействием температуры он плавится, и капли расплавленного оксида алюминия собираются в основании печи (на штифте).

Со временем порошок твердеет, но он еще мягок и хрупок. Массу из расплавившегося порошка перемещают в горелку, его верхушка со временем расплавляется. В итоге получается некоторое количество кристаллов сапфира, один из которых будет ориентирован в сторону максимального роста.

Этот кристалл будет ингибировать прирост остальных и послужит началом для роста конечного кристалла (кристалла Були). По мере наращивания кристаллической массы ускоряют высыпание глинозёма и скорость выхода струи кислорода (чем больше кислорода, тем больше температура). Верхушка растущего кристалла будет округлой, так как капли расплавленного глинозёма будут стекать с неё, падая сверху. Основание печи можно опускать по мере увеличения самоцвета.

Метод Чорхальского

Метод также называют методом вытягивания из расплава. Технология получения кристалла сапфира данным методом основана на том, что расплавленный оксид алюминия помещают в большую термоустойчивую ёмкость из тугоплавких металлов. Например, молибдена или родия. Затем расплав нагревают с помощью высокочастотного индуктора больше температуры плавления, и опускают в него затравочный кристалл. Для равномерного роста кристалла затравку медленно поднимают вверх и вращают. Кристалл наращивается вниз вокруг затравки и вытягивается в монолитный цилиндр.

Метод зонной плавки

В настоящее время метод зонной плавки становится всё популярнее. Этому методу посвящено множество научных статей. Существует две разновидности метода: горизонтально направленный и вертикально направленный. Метод определяет наличие нагревателя, который перемещается вдоль субстрата (горизонтально или вертикально), благодаря чему нагревается зона, где и будет происходить прирост кристалла.

Несущественным, но всё же недостатком метода является то, что в силу резкого изменения температур при извлечении кристалла, он часто трескается на две части. Однако этот факт нисколько не мешает ювелирным мастерам.

Технология получения звездчатых сапфиров

В 1949 году американская компания «Линде» под руководством компании «Union Carbide» запатентовала метод получения сапфиров с эффектом астеризма. Суть метода заключается в добавлении в порошок оксида алюминия небольшого количества рутила (от 0,1% до 0,3%). Сложность метода заключается в том, что рутил без специальной технологии распределяется в структуре кристалла неравномерно. Без равномерного распределения рутила звезда на сапфире не будет занимать всей поверхности камня, что существенно снизит его ценность.

Чтобы добиться равномерного распределения микрокристаллов рутила в периферии минерала, был предложен метод перемешивания путём периодического изменения температуры. Этого можно добиться, если неравномерно подавать кислород. Таким образом можно наслаивать слои рутила в растущем кристалле. Практика показала, что наиболее ценные экземпляры получаются, если слои чередуются с периодичностью в 1 мм.

Технология выращивания звездчатых кристаллов является ярким примером того, как можно изменять конечный облик синтезированного кристалла через контроль условий его получения.

Источник

Метод Вернейля при выращивании кристаллов

На сегодняшний день это один из самых популярных и массовых в мире способов создания драгоценных камней. С его помощью получают:

сапфиры (синие, желтые, зеленые, оранжевые, белые, фиолетовые);
двухцветные сапфиры;
рубины (с середины XX века также звездчатые сапфиры и рубины);
корунды нехарактерных цветов (например, имитирующие александрит или кунцит);
шпинель (голубую, зеленую, розовую);
фабулит (ранее популярная имитация бриллианта);
рутил (камень с самой сильной игрой цвета).

В англоязычной литературе этот способ называется газопламенной кристаллизацией («flame fusion») – наиболее привычный международный вариант.

Как и в более дорогих технологиях, в методе Вернейля также используют натуральное сырьё низкого качества и затравку – маленький фрагмент природного минерала. Однако в основе метода не горячий расплав, а измельчённый сухой порошок – шихта.

Её постепенно сыпят в специальную печь, оснащённую горелкой. При участии водородно-кислородной термической реакции шихта плавится и в таком виде оседает вниз на затравку. При соприкосновении с затравкой шихта охлаждается и превращается в кристалл. По мере роста кристалла затравку опускают, формируя так называемую «булю» (англ. «boule») – сужающийся книзу цилиндр. Диаметр були может меняться от нескольких миллиметров до 25-30 см в зависимости от материала и оборудования.

Схема установки для выращивания кристаллов по методу Вернейля:

1 — механизм опускания кристалла
2 — кристаллодержатель
3 — растущий кристалл
4 — муфель
5 — горелка
6 — бункер
7 — механизм встряхивания
8 — катетометр

У каждого выращенного кристалла своя специфика: например, шпинель будет иметь немного квадратную форму и чуть больший размер; кристаллы фабулита и звездчатых корундов — самые маленькие диаметры (до 18 мм), а були синтетического сапфира требуется раскалывать на 2 части сразу на фабрике, чтобы в дальнейшем при огранке не возникали трудности. из-за высокого внутреннего напряжения.

Существует также модернизированная версия этого метода, с помощью которой можно получать целиковые були, не имеющие существенного внутреннего напряжения. Плюс в том, что это позволяет выполнять крупные огранки или резьбу.

Метод Вернейля уникален тем, что в своём первоначальном виде крайне прост. Он позволяет выращивать сотни килограмм кристаллов в весьма короткие сроки (месяц). При этом себестоимость невысока, а ассортимент цветов, напротив, велик. Кроме того, Вернейль позволяет синтезировать красный рубин — цвет, который недоступен или дорог в других синтетических исполнениях.

Однако есть ряд значительных минусов.

Во-первых, это неравномерный цвет в рамках одного кристалла. Шихта высыпается, плавится и опускается на кристалл довольно хаотично. Красители-металлы, входящие в состав шихты, могут весьма сильно влиять на её поведение. Она может стекать, группироваться и кристаллизоваться в удобном направлении. И на выходе в некоторых цветах корунда мы получаем градиент красителя от центра к краям и иногда островки цвета – пятна, снижающие качество продукции.

Кроме того, из-за непредсказуемого хаотичного поведения шихты, в кристаллах часто присутствуют пузыри и трещины, свидетельствующие о высоком внутреннем напряжении. Всё это уменьшает полезный объём для огранки, увеличивая потери сырья.

В-третьих, малый размер буль. Из-за неравномерной окраски в синем сапфире Вернейля площадка камня (наибольшая ровная поверхность, которая при закрепке находится сверху изделия) всегда располагается только от внешнего края були. При этом помним, что буля является только половинкой от целой. Таким образом, высота и общие размеры камня будут сильно ограничены.

Метод Вернейля относится к разряду «недорогих методов», в мире существует несколько крупных производителей данного материала, сегодня камни гранятся в основном машинным способом. Именно такие камни являлись ювелирными вставками в золотых и серебряных украшениях в СССР. К сожалению, натуральные камни почти не продавались, а разнообразия синтетики Вернейля было достаточно.

Преимущества метода:

отсутствие флюсов и дорогостоящих материалов тиглей,
отсутствие необходимости точного контроля температуры,
возможность контроля за ростом,
высокая скорость роста (несколько часов).

Недостатки:

нарушения и деформация кристаллической решётки,
внутренние напряжения в булях,
неоднородность состава,
неравномерная окраска,
наличие посторонних примесей и частиц нерасплавившейся шихты.

Источник

Аппарат Вернейля — выращивание кристаллов рубина в домашних условиях

Рубин – один из самых дорогих драгоценных камней, который не только добывают в индии и Шри-Ланке, но и активно выращивают в лабораторных условиях. Синтетический вариант ничем не отличается от натурального и очень любим ювелирами, так как обладает безупречной чистотой и окрасом.

Натуральный минерал часто непригоден для использования в украшениях, так как обладает невысокой прозрачностью, в нем встречаются многочисленные включения.

Любители выращивают драгоценные кристаллы рубина самостоятельно при помощи простых методов в домашних условиях. Такое хобби не противоречит законодательству, а при наличии постоянных источников сбыта может стать выгодной бизнес-моделью.

Выращивание кристаллов рубина в домашних условиях с помощью аппарата Вернейля

Если вы начнете изучать рынок драгоценных металлов, то рано или поздно придете к очень интересному заключению, что во всех наших магазинах по продаже ювелирных изделий множество драгоценностей искусственного происхождения. И это, самое интересное, совсем не обман!

Натуральные камни совсем не отличаются по своих химическим и физическим характеристикам от искусственно-произведенных драгоценных камней. И если мы пойдем дальше, то отметим, что большинство природных драгоценностей имеют достаточно идеальную частоту и характеристики, чтобы иметь честь быть проданными в магазинах ювелирных изделий.

К тому же преимущество синтетических изделий над природными проявляется в том, что качество первых можно с помощью производства в лабораториях производства улучшить настолько, что качество этих изделий будут настолько близки к оригинальным, а процесс нетрудоемким, что отношение прибыли к затратам будет настолько высоким, что несомненно выращивание драгоценных камней в домашних условиях заинтересует вас.

Выращивание искусственных рубинов в домашних условиях производят несколькими методами: можно использовать поваренную соль, медный купорос или алюминиевые квасцы, либо воспользоваться аппаратом Вернейля. Сахар непригоден из-за низкой стойкости и сильной подверженности к деформации, но из него можно сделать интересные сладкие сувениры.

Лучше всего начинать с малых объемов. Постепенно, по мере накапливания опыта, кристаллы будут получаться все более прозрачными и высококачественными.

Перед тем, как приступить к работе, важно позаботиться о производственном процессе и технике безопасности:

Все вещества, используемые для изготовления рубинов, следует хранить в затененном прохладном месте без доступа света или влаги. Дети не должны иметь доступа к этим веществам, так как они могут обладать высокой токсичностью.
Посуда для изготовления рубинов должна использоваться только для этих целей и не применяться при сервировке пищи.
Во время работы с компонентами будущих кристаллов следует использовать перчатки и защищать лицо и глаза при помощи маски и очков.

Все эти меры предосторожности помогут сделать работу безопасной и предотвратят возникновение несчастных случаев.

Ниже описан алгоритм, как вырастить кристалл рубина самостоятельно из поваренной соли. Этот компонент найдется в каждом доме, он безопасен для окружающих, а синтетический камень получается особенно прочным.

Нужно делать следующее:

Подготовить емкость с горячей водой. Для начала достаточно пол-литра кипятка, в котором растворяют несколько столовых ложек соли, после чего раствор тщательно перемешивают. Соль добавляют до тех пор, пока она не перестанет растворяться. На этом же этапе необходимо внести пищевой краситель
Отфильтровать полученный раствор. Делается это при помощи нескольких слоев марли. В процессе очистки из жидкости удаляются все примеси и мелкие кусочки мусора. Это поможет сделать кристалл прозрачным, уберет мутность. После того, как раствор профильтровали, его наливают в емкость и оставляют на сутки для формирования кристалла. Он станет заготовкой будущего рубина.
Формирование искусственного камня. После того, как на дне образовался соляной камень, к нему необходимо привязать леску. Затем ее наматывают на деревянную палочку или карандаш таким образом, чтобы он была слегка натянута, и располагают над емкостью с соляным раствором. Кристалл должен находиться в растворе в подвешенном состоянии, чтобы обеспечить свободное формирование рубина.
Добавление воды по мере испарения. Чтобы обеспечить бесперебойный рост кристалла, в емкости всегда должно быть определенное количество жидкости. Ее необходимо осторожно подливать не реже 1 раза в 14 дней.

Аппарат Вернейля для работ на дому

Вырастить красный кристалл достаточно быстро и просто при помощи аппарата Вернейля. Главный плюс этого устройства – быстрый рост кристалла. Образец весом до 30 карат можно получить за 3 часа. Кроме этого, при помощи аппарата легко вырастить искусственные сапфиры и топазы.

Если раньше этот прибор использовали исключительно в промышленных условиях, то в настоящее время его можно собрать дома самостоятельно.

Аппарат Вернейля состоит из таких компонентов, как растущий кристалл, кристаллодержатель, горелка для расплавления порошка, катетометр, механизм встряхивания, механизм опускания кристалла для более равномерного нарастания, муфель и бункер, куда изначально подается смесь из солей.

Для получения рубина этим способом потребуется использование смесь из соли двуокиси алюминия и оксида хрома.

Процесс получения кристалла выглядит следующим образом:

порошок помещается в бункер;
огонь подается к нижней части бункера;
пролетая через огонь, частицы расплавляются и попадают в тонкую пленку расплава;
так как кристалл по мере образования медленно опускается, то это позволяет поддерживать постоянную скорость роста искусственного камня.

Экономические расчеты

Производство рубинов в домашних условиях очень экономично. При выращивании кристаллов из соли нужно посчитать стоимость всех компонентов. Немного дороже может стоить использование аппарата Вернейля, так как потребуется прибавить расходы на изготовление самого агрегата и траты на электроэнергию. В обоих случаях синтетические рубины стоят гораздо дороже, поэтому их производство является рентабельным.

Отдельно стоит упомянуть такой момент, как законодательство в сфере оборота драгоценных камней. В России осуществляется строгий контроль за производством и продажей природных минералов, а искусственно созданные образцы при этом не упоминаются. Если удастся найти рынки сбыта и поставить изготовление рубинов на поток, лучше всего зарегистрировать предпринимательскую деятельность в установленном порядке, чтобы избежать проблем с налоговой.

Теперь осталось утрясти ваше изделие с законодательством РФ «О драгоценных металлах и драгоценных камнях». А там написано, что объектом этого закона являются «драгоценные камни», и к ним относятся природные янтарные образования. И самое интересное, что синтетических камней среди них нет! Так что работайте спокойно и прибыльно!

Источник