人造水晶是指在人为控制的理想环境中,即物理、化学条件都符合水晶生长条件的状况下,人工合成的水晶,也称为“养晶”、“压电水晶”。主要为满足日益增长的通信、电子及军事方面的应用。
1、人造水晶的历史
1880年法国P.居里发现石英晶体的压电效应,直到第一次世界大战期间,石英晶体的压电效应才得到应用。由于天然石英资源短缺,人们研究用人工方法进行培育。1905年意大利学者用水热温差法制造出合成人造水晶,日本早稻田大学于1953年开始人造水晶的研究。1960年美国西方电气公司建立了第一个人造水晶工厂,人造水晶进入工业化生产阶段。现在用水热温差法培育的人造石英,质量已可与天然石英媲美,其理化指标甚至超过天然水晶,满足了电子产品的技术需要。水晶进入工业化生产归功于高压釜(圆筒状压力容器,上部采用可拆卸结构,从下部装填水晶原料,内部压强可达1000多个大气压)的发明,高压釜的出现使得人造水晶得以大批量生产。1973年,高压釜的最大容量已经达到一立方米以上。现在最大的高压釜高14m,内径650mm,重量100吨,一次可制造重2kg的人造水晶约1300颗。
2、人造水晶生长的特点
人造水晶生长一般采用水热温差法,在特定的高压釜内经高温、高压,由二氧化硅过饱和溶液结晶而成。高压釜内下部为溶解区,上部为结晶区。生产时,在溶解区放入作为培养体的石英,结晶区悬挂籽晶架,高压釜内填充一定浓度的溶剂介质(一般用NaOH溶液),上、下部保持一定的温差(结晶区为325-350℃,溶解区为360-380℃),内部压强为1000个大气压左右(视高压釜性能而定),温差产生的溶液对流将培养区的饱和溶液带到籽晶区形成过饱和溶液而结晶。通过冷却析出部分溶质后的溶液又流向下部,溶解石英培养体。如此循环往复,使籽晶得以连续不断地长大。
这种条件下水晶的生长速度约是每天0.8MM。一般,工业用途的人造水晶,其厚度约需3CM左右,需要约40天左右的时间来成长,若要供作珠宝业来磨成十公分(100MM)以上的水晶球,通常约需120~180天。但是,这都是在人为控制下最理想的环境中,才有可能有这种速度,在自然界中,因为原料、水质、温度、压力等等的条件一直在变化当中,很难得达到理想状况,通常都需要数万倍、或是数百万倍的时间,才能达到相同的生长。这也是为什么“地质年龄”动辄以“百万年”为计算基数,也是“天然水晶”之所以珍贵之处。