Jump to content

Кубический цирконий

Кубический цирконий
Круглый бриллиантовой огранки. кубический цирконий
Общий
Категория
Кристаллическая система Кубический
Идентификация
Цвет Различный
шкала Мооса твердость 8.0–8.5
Удельный вес 5,6–6,0 г/см3
Показатель преломления 2.15–2.18

Кубический цирконий (сокращенно CZ ) представляет собой кубическую кристаллическую форму диоксида циркония (ZrO 2 ). Синтезированный материал тверд и обычно бесцветен, но может быть изготовлен в различных цветах. Не следует путать его с цирконом , который представляет собой силикат циркония (ZrSiO 4 ). Иногда его ошибочно называют кубическим цирконием .

Из-за своей низкой стоимости, долговечности и близкого визуального сходства с алмазом синтетический кубический цирконий остается наиболее геммологически и экономически важным конкурентом бриллиантов с момента начала коммерческого производства в 1976 году. Его основным конкурентом в качестве синтетического драгоценного камня является недавно выращенный материал, синтетический муассанит .

Технические аспекты

[ редактировать ]

Кубический цирконий кристаллографически изометричен и является важным атрибутом будущего имитатора алмаза . При синтезе оксид циркония естественным образом образует моноклинные кристаллы , устойчивые при нормальных атмосферных условиях. Стабилизатор необходим для формирования кубических кристаллов (принимающих структуру флюорита ) и остающихся стабильными при обычных температурах; обычно это оксид иттрия или кальция , количество используемого стабилизатора зависит от множества рецептов отдельных производителей. Поэтому физические и оптические свойства синтезированного CZ варьируются, причем все значения находятся в пределах диапазона.

Это плотное вещество с плотностью от 5,6 до 6,0 г/см. 3 — примерно в 1,65 раза больше, чем у алмаза. Кубический цирконий относительно твердый, 8–8,5 по шкале Мооса — немного тверже, чем большинство полудрагоценных природных драгоценных камней . [1] Его показатель преломления высокий — 2,15–2,18 (по сравнению с 2,42 у алмазов), а блеск адамантиновый . Его дисперсия очень высока и составляет 0,058–0,066, что превышает дисперсию алмаза (0,044). Кубический цирконий не имеет спайности и имеет раковистый излом . Из-за высокой твердости его обычно считают хрупким .

Под действием коротковолнового УФ-излучения кубический цирконий обычно флуоресцирует желтым, зеленовато-желтым или «бежевым». Под длинноволновым УФ-излучением эффект значительно снижается, иногда наблюдается беловатое свечение. Цветные камни могут иметь сильный и сложный редкоземельных элементов спектр поглощения .

Обнаруженный в 1892 году желтоватый моноклинный минерал бадделеит представляет собой природную форму оксида циркония. [2]

Высокая температура плавления диоксида циркония (2750 °C или 4976 °F) препятствует контролируемому росту монокристаллов. Однако стабилизация кубического оксида циркония была реализована на раннем этапе, когда в 1929 году был представлен синтетический продукт, стабилизированный диоксид циркония. Несмотря на кубическую форму, он имел форму поликристаллической керамики : он использовался в качестве огнеупорного материала, обладающего высокой устойчивостью к химическим и термическим воздействиям. атака (до 2540 °C или 4604 °F). [3]

В 1937 немецкие минералоги М. В. Штакельберг и К. Чудоба открыли природный кубический цирконий в виде микроскопических зерен, входящих в состав метамиктного циркона. Считалось, что это побочный продукт процесса метамиктизации, но двое ученых не считали этот минерал достаточно важным, чтобы дать ему официальное название. Открытие было подтверждено с помощью рентгеновской дифракции , доказав существование природного аналога синтетического продукта. [4] [5]

Как и в случае с большинством выращиваемых заменителей алмазов , идея производства монокристаллического кубического циркония возникла в умах ученых, ищущих новый и универсальный материал для использования в лазерах и других оптических приложениях. Его производство в конечном итоге превысило производство более ранних синтетических материалов, таких как синтетический титанат стронция , синтетический рутил , YAG ( иттрий -алюминиевый гранат ) и GGG ( гадолиний- галлиевый гранат).

Некоторые из самых ранних исследований по контролируемому росту монокристаллов кубического циркония были проведены во Франции в 1960-х годах, большая часть работы была проделана Ю. Руленом и Р. Коллонгом. Этот метод заключался в том, чтобы расплавленный диоксид циркония содержался внутри тонкой оболочки из еще твердого диоксида циркония с ростом кристаллов из расплава. Процесс получил название «холодный тигель» , намек на используемую систему водяного охлаждения. Несмотря на многообещающие результаты, эти попытки дали лишь небольшие кристаллы.

Позднее советские учёные под руководством В.В. Осико в Лаборатории лазерной техники ФИАН в Москве усовершенствовали методику, получившую тогда название черепного тигля (намек то ли на форму водоохлаждаемого контейнера, то ли на форму кристаллов, иногда выращиваемых ). Ювелир назвали «Фианит» по названию института ФИАН (Физический институт Академии наук), но за пределами СССР это название не использовалось. [ нужна ссылка ] В то время он был известен как Институт физики Российской академии наук. [6] Их прорыв был опубликован в 1973 году, а коммерческое производство началось в 1976 году. [7] В 1977 году корпорация Ceres Corporation начала массово производить кубический цирконий на ювелирном рынке с кристаллами, стабилизированными 94% иттрия. Среди других крупных производителей по состоянию на 1993 год — Taiwan Crystal Company Ltd , Swarovski и ICT inc. [8] [5] К 1980 году годовое мировое производство достигло 60 миллионов каратов (12 тонн) и продолжало расти, достигнув примерно 400 тонн в год в 1998 году. [8]

Поскольку природная форма фианита настолько редка, весь фианит, используемый в ювелирных изделиях, был синтезирован, один из методов которого был запатентован Josep F. Wenckus & Co. в 1997 году. [9] [10] [11]

Рабочий наблюдает за плавлением оксида циркония и оксида иттрия в «холодном тигле» с индукционным нагревом для создания кубического циркония.

Метод плавления черепа, усовершенствованный Хосепом Ф. Венкусом и его коллегами в 1997 году, остается отраслевым стандартом. Во многом это связано с процессом, позволяющим достигать температуры более 3000 градусов, отсутствием контакта между тиглем и материалом, а также свободой выбора любой газовой атмосферы. Основные недостатки этого метода включают невозможность предсказать размер образующихся кристаллов и невозможность контролировать процесс кристаллизации посредством изменения температуры. [3] [12]

Аппарат, используемый в этом процессе, состоит из тигля в форме чашки, окруженного медными катушками, активируемыми радиочастотой (РЧ), и системы водяного охлаждения. [3] [13]

Диоксид циркония, тщательно смешанный со стабилизатором (обычно 10% оксида иттрия ), подают в холодный тигель. Металлическая стружка циркония или стабилизатора вводится в порошковую смесь компактным слоем. Включается ВЧ-генератор, и металлическая стружка быстро начинает нагреваться и легко окисляется, образуя еще больше циркония. Следовательно, окружающий порошок нагревается за счет теплопроводности и начинает плавиться, который, в свою очередь, становится электропроводным и, таким образом, также начинает нагреваться с помощью ВЧ-генератора. Это продолжается до тех пор, пока весь продукт не расплавится. За счет системы охлаждения, окружающей тигель, образуется тонкая оболочка из спеченного твердого материала. Это приводит к тому, что расплавленный диоксид циркония остается внутри собственного порошка, что предотвращает его загрязнение из тигля и снижает потери тепла. Расплав оставляют при высоких температурах на несколько часов, чтобы обеспечить однородность и испарение всех примесей. Наконец, весь тигель медленно удаляют из ВЧ-катушек, чтобы уменьшить нагрев, и дают ему медленно остыть (снизу вверх). Скорость удаления тигля из ВЧ-катушек выбирается в зависимости от стабильности кристаллизации, определяемой диаграммой фазового перехода. Это провоцирует начало процесса кристаллизации и начинают образовываться полезные кристаллы. После полного охлаждения тигля до комнатной температуры образующиеся кристаллы представляют собой многочисленные удлиненно-кристаллические блоки. [12] [13]

Причина такой формы продиктована концепцией, известной как дегенерация кристалла, согласно Тиллеру. Размер и диаметр получаемых кристаллов зависят от площади поперечного сечения тигля, объема расплава и состава расплава. [3] На диаметр кристаллов сильно влияет концентрация стабилизатора Y 2 O 3 .

Фазовые отношения в твердых растворах диоксида циркония.

[ редактировать ]

При наблюдении фазовой диаграммы кубическая фаза будет кристаллизоваться первой по мере охлаждения раствора независимо от концентрации Y 2 O 3 . Если концентрация Y 2 O 3 недостаточно высока, кубическая структура начнет распадаться на тетрагональное состояние, которое затем распадается на моноклинную фазу. Если концентрация Y 2 O 3 находится в пределах 2,5-5%, полученным продуктом будет PSZ (частично стабилизированный диоксид циркония), тогда как монофазные кубические кристаллы будут образовываться примерно в пределах 8-40%. Ниже 14% при низких скоростях роста имеют тенденцию быть непрозрачными, что указывает на частичное разделение фаз в твердом растворе (вероятно, из-за диффузии в кристаллах, остающихся в области высоких температур в течение более длительного времени). Выше этого порога кристаллы имеют тенденцию оставаться прозрачными при разумных скоростях роста и поддерживать хорошие условия отжига. [12]

Из-за изоморфной способности кубического циркония его можно легировать несколькими элементами для изменения цвета кристалла. Список конкретных добавок и цветов, получаемых их добавлением, можно увидеть ниже.

легирующая примочка [12] [13] Символ Цвет(а)
Церий Этот желто-оранжево-красный
Хром Кр зеленый
Кобальт Ко сиренево-фиолетово-синий
Медь С желто-голубой
Эрбий Является розовый
европий Евросоюз розовый
Железо Фе желтый
Гольмий К шампанское
Марганец Мин. коричнево-фиолетовый
Неодим Нд фиолетовый
Никель В желто-коричневый
Празеодим Пр янтарь
Тулий Тм желто-коричневый
Титан Из золотисто-коричневый
Ванадий V зеленый
Цветовая гамма [12] [13] Используемая легирующая добавка
желто-оранжево-красный ,
желто-янтарно-коричневый
розовый
зелено-оливковый
сиренево-фиолетовый

Первичные дефекты роста

[ редактировать ]

Подавляющее большинство кристаллов YCZ (иттрийсодержащий кубический цирконий) прозрачны, имеют высокое оптическое совершенство и градиенты показателя преломления ниже . [12] Однако некоторые образцы содержат дефекты, наиболее характерные и распространенные из которых перечислены ниже.

  • Полосы роста: Они расположены перпендикулярно направлению роста кристалла и вызваны в основном либо колебаниями скорости роста кристалла, либо неконгруэнтной природой перехода жидкость-твердое тело, что приводит к неравномерному распределению Y 2 O 3 .
  • Включения светорассеивающей фазы: вызваны примесями в кристалле (в первую очередь осадками силикатов или алюминатов иттрия), обычно размером 0,03-10 мкм.
  • Механические напряжения: обычно возникают из-за высоких температурных градиентов в процессах роста и охлаждения, вызывающих формирование кристалла под действием внутренних механических напряжений. Это приводит к значениям показателя преломления до хотя эффект этого можно уменьшить отжигом при 2100 ° C с последующим достаточно медленным процессом охлаждения.
  • Дислокации. Подобно механическим напряжениям, дислокации можно значительно уменьшить путем отжига.

Использует внешние украшения

[ редактировать ]

Благодаря своим оптическим свойствам кубический цирконий иттрия (YCZ) использовался для изготовления окон, линз, призм, фильтров и лазерных элементов. В частности, в химической промышленности он используется в качестве материала для окон для контроля агрессивных жидкостей благодаря своей химической стабильности и механической прочности. YCZ также использовался в качестве подложки для полупроводниковых и сверхпроводниковых пленок в аналогичных отраслях. [12]

Механические свойства частично стабилизированного диоксида циркония (высокая твердость и ударопрочность, низкий коэффициент трения, высокая химическая и термическая стойкость, а также высокая износостойкость) позволяют использовать его в качестве весьма специфического строительного материала, особенно в биоинженерной промышленности. : он использовался для изготовления надежных и сверхострых медицинских скальпелей для врачей, которые совместимы с биологическими тканями и имеют гораздо более гладкую кромку, чем стальные. [12]

Инновации

[ редактировать ]

В последние годы [ когда? ] производители искали способы отличить свою продукцию, предположительно «улучшив» кубический цирконий. Покрытие готового кубического циркония пленкой алмазоподобного углерода (DLC) является одной из таких инноваций, процессом с использованием химического осаждения из паровой фазы . Полученный в результате материал якобы более твердый, более блестящий и в целом больше похож на алмаз. Считается, что покрытие гасит избыточное возгорание фианита, одновременно улучшая его показатель преломления, что делает его более похожим на алмаз. Кроме того, из-за высокого процента алмазных связей в аморфном алмазном покрытии готовый имитатор будет демонстрировать положительную характеристику алмаза в спектрах комбинационного рассеяния света .

Другой метод, впервые примененный к кварцу и топазу, также был адаптирован к кубическому цирконию: переливающийся эффект, создаваемый вакуумным напылением на готовые камни чрезвычайно тонкого слоя драгоценного металла (обычно золота ) или некоторых оксидов металлов, нитридов металлов или других металлов. покрытия. [14] Многие дилеры позиционируют этот материал как «мистический». В отличие от алмазоподобного углерода и других твердых синтетических керамических покрытий, переливающийся эффект покрытий из драгоценных металлов не является долговечным из-за их чрезвычайно низкой твердости и плохих свойств абразивного износа по сравнению с чрезвычайно прочной подложкой из кубического циркония.

Кубический цирконий напротив бриллианта

[ редактировать ]

Ключевые особенности фианита отличают его от алмаза:

Треугольная грань кристалла с треугольными ямками травления, самая большая из которых имеет длину основания около 0,2 мм.
Одна грань неограненного октаэдрического алмаза с тригонами (положительного и отрицательного рельефа), образованными в результате естественного химического травления.
  • Твердость: кубический цирконий имеет оценку примерно 8 по шкале твердости Мооса против 10 для алмаза. [1] Это приводит к тусклым и закругленным краям граней CZ; По сравнению с ними края граней алмаза намного острее. Кроме того, на алмазе редко наблюдаются следы полировки, а те, которые заметны, ориентированы в разных направлениях на соседних гранях, тогда как CZ повсюду имеет следы в том же направлении, что и полировка. [13]
  • или Удельный вес плотность фианита примерно в 1,7 раза больше, чем у алмаза. Это позволяет геммологам различать два вещества только по весу. Это свойство также можно использовать, например, бросив камни в тяжелую жидкость и сравнив их относительную скорость падения: алмаз будет тонуть медленнее, чем CZ. [13]
  • Показатель преломления : кубический цирконий имеет показатель преломления 2,15–2,18 по сравнению с 2,42 у бриллианта. Это привело к разработке других методов погружения для идентификации. В этих методах камни с показателем преломления выше, чем у используемой жидкости, будут иметь темные границы вокруг пояска и светлые края граней, тогда как камни с показателем преломления ниже, чем у жидкости, будут иметь светлые границы вокруг пояска и темные стыки граней. [13]
  • Дисперсия очень высока и составляет 0,058–0,066, что превышает 0,044 у алмаза.
  • Огранка: Драгоценные камни кубического циркония можно огранять иначе, чем бриллианты: края граней могут быть закругленными или «гладкими».
  • Цвет: только самые редкие алмазы действительно бесцветны, большинство из них имеют в некоторой степени желтый или коричневый оттенок. Кубический цирконий часто совершенно бесцветен: это соответствует идеальной букве «D» по шкале оценки цвета бриллианта . Тем не менее, можно получить фианиты желаемых цветов, в том числе почти бесцветные, желтые, розовые, фиолетовые, зеленые и даже разноцветные.
  • Теплопроводность: кубический цирконий является теплоизолятором, тогда как алмаз является самым мощным изолятором. [ нужна ссылка ] тепловой проводник. Это обеспечивает основу для канонического метода идентификации Венкуса , ставшего отраслевым стандартом. [12]

Влияние на алмазный рынок

[ редактировать ]

Кубический цирконий, будучи имитатором алмазов и конкурентом ювелирных изделий, потенциально может снизить спрос на алмазы из зон конфликтов и повлиять на разногласия вокруг редкости и ценности алмазов. [15] [16]

Что касается стоимости, парадигма, согласно которой бриллианты являются дорогостоящими из-за их редкости и визуальной красоты, была заменена искусственной редкостью. [15] [16] Это связано с практикой установления цен компанией De Beers , которая владела монополией на рынке с 1870-х до начала 2000-х годов. [15] [17] Компания признала себя виновной по этим обвинениям в суде штата Огайо 13 июля 2004 года. [17] Однако, хотя у De Beers меньше рыночной власти, цена на алмазы продолжает расти из-за спроса на развивающихся рынках, таких как Индия и Китай. [15] Появление искусственных камней, таких как фианиты с оптическими свойствами, близкими к алмазам, могло бы стать альтернативой для покупателей ювелирных изделий, учитывая их более низкую цену и непротиворечивую историю.

Проблема, тесно связанная с монополией, — это появление конфликтных алмазов. Кимберлийский процесс (КП) был создан для сдерживания незаконной торговли алмазами, которая используется для финансирования гражданских войн в Анголе и Сьерра-Леоне . [18] Однако КП не так эффективен в снижении количества конфликтных алмазов, попадающих на европейский и американский рынки. Его определение не включает условия принудительного труда или нарушения прав человека. [18] [19] Исследование, проведенное в 2015 году проектом Enough Project , показало, что группы в Центральноафриканской Республике ежегодно получают от алмазов из зон конфликтов от 3 до 6 миллионов долларов США. [20] Отчеты ООН показывают, что с момента создания КП контрабандой было вывезено алмазов из зон конфликтов на сумму более 24 миллионов долларов США. [21] Имитаторы алмазов стали альтернативой бойкоту финансирования неэтичных практик. [20] Такие термины, как «Экологичные ювелирные изделия», определяют их как бесконфликтное происхождение и экологически устойчивые. [22] Однако горнодобывающие страны, такие как Демократическая Республика Конго, обеспокоены тем, что бойкот закупок алмазов только ухудшит их экономику. По данным Министерства горнодобывающей промышленности Конго, 10% населения Конго зависит от доходов от продажи алмазов. [18] Таким образом, кубический цирконий является краткосрочной альтернативой для уменьшения конфликтов, но долгосрочным решением было бы создание более строгой системы определения происхождения этих камней.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Перейти обратно: а б «Твердость абразивов по Моосу» . Архивировано из оригинала 17 октября 2009 года . Проверено 6 июня 2009 г.
  2. ^ Баянова, ТБ (2006). «Бадделеит: многообещающий геохронометр щелочного и основного магматизма». Петрология . 14 (2): 187–200. Бибкод : 2006Петро..14..187Б . дои : 10.1134/S0869591106020032 . S2CID   129079168 .
  3. ^ Перейти обратно: а б с д Осико Вячеслав В.; Борик Михаил А.; Ломонова, Елена Евгеньевна (2010). «Синтез огнеупорных материалов методом черепной плавки». Справочник Springer по выращиванию кристаллов . стр. 433–477. дои : 10.1007/978-3-540-74761-1_14 . ISBN  978-3-540-74182-4 .
  4. ^ Штакельберг, М. фон; Чудоба, К. (1937). «Плотность и структура циркона; II». Журнал кристаллографии . 97 (1–6): 252–262. дои : 10.1524/zkri.1937.97.1.252 . S2CID   202046689 .
  5. ^ Перейти обратно: а б «Понимание большего о кубическом цирконии» . Шикарные украшения. 2013. Архивировано из оригинала 14 декабря 2013 года . Проверено 6 декабря 2013 г.
  6. ^ «Кубический цирконий» . РусГемс. Архивировано из оригинала 28 апреля 2021 года . Проверено 3 апреля 2021 г.
  7. ^ Гессен, Рейнер В. (2007). Ювелирное дело через историю: Энциклопедия . Издательская группа Гринвуд. п. 72. ИСБН  978-0-313-33507-5 .
  8. ^ Перейти обратно: а б Стюарт, Сэм (2013). «Стекло и драгоценные камни» . Цирконий . Эльзевир. стр. 91–93. ISBN  978-1-4831-9400-4 .
  9. ^ https://patentimages.storage.googleapis.com/ec/83/fa/99b2e5aab72f38/US4488821.pdf .
  10. ^ Чуурару, Иоана (2 февраля 2022 г.). «Кубический цирконий против циркона — 6 способов отличить их друг от друга» .
  11. ^ «Архив циркони | gioiellis.com» . gioiellis.com . 25 апреля 2024 г.
  12. ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Ломонова Э.Е.; Осико, В.В. (2003). «Выращивание кристаллов циркония методом черепной плавки». Технология выращивания кристаллов . стр. 461–485. дои : 10.1002/0470871687.ch21 . ISBN  978-0-471-49059-3 .
  13. ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Нассау, Курт (весна 1981 г.). «Кубический цирконий: Обновление». Драгоценные камни и геммология . 17 (1): 9–19. дои : 10.5741/GEMS.17.1.9 .
  14. ^ «Дизайнерские драгоценные камни» . Azotic Coating Technology, Inc. 2010 . Проверено 3 ноября 2010 г.
  15. ^ Перейти обратно: а б с д Дхар, Робин (19 марта 2013 г.). «Бриллианты — это чушь» . Ценаономика . Архивировано из оригинала 11 апреля 2018 года . Проверено 10 мая 2018 г.
  16. ^ Перейти обратно: а б Мюллер, Ричард (3 июля 2017 г.). «Почему умные люди покупают обручальные кольца с фианитом» . Форбс .
  17. ^ Перейти обратно: а б Йоханнесбург; Виндхук (15 июля 2004 г.). «Алмазный картель» . Экономист .
  18. ^ Перейти обратно: а б с Бейкер, Арын. «Кровавые бриллианты» . Время .
  19. ^ К., Грег (2 декабря 2014 г.). «Простой способ остановить кровавые алмазы» . Блестящая Земля .
  20. ^ Перейти обратно: а б «Почему незаконная торговля алмазами (почти) исчезла, но еще не забыта» . СКМП . 21 февраля 2017 г.
  21. ^ Флинн, Дэниел (5 ноября 2014 г.). «Золото и алмазы разжигают конфликт в Центральноафриканской Республике: комиссия ООН» . Рейтер .
  22. ^ Хоффауэр, Хиллари (21 апреля 2018 г.). «15 обручальных колец с муассанитом для экологичной невесты» . Невесты .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  • Нассау, Курт (1980). Драгоценности, созданные человеком . Книжная компания Чилтон. ISBN  0-8019-6773-2 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 0abfaa66e55436117d359a41dfb5cb6d__1719498060
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/0a/6d/0abfaa66e55436117d359a41dfb5cb6d.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Cubic zirconia - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)