Синтез сапфира

Южный Федеральный Университет

Химический Факультет

Курсовая на тему:

 

 

 

 

 

СИНТЕЗ САПФИРА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студентки 1-го курса Походун Юлии

Руководитель: Кандюшева Елизавета Андреевна

Ростов-на-Дону 2013 г.

 

Оглавление

 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………3

 

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР….............……..............………………………...………...4

 

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ…………………………………………………………11

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ……………………………………................................…11

 

РАСЧЁТЫ....................................................................................11

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.............................................................................13

 

ВЫВОДЫ......................................................................................13

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

B настоящее время остро  стоит проблема синтеза материалов  с заданными физико-химическими свойствами. В ряде случаев эти свойства очень сильно зависят от выбранного метода синтеза, температурного режима, атмосферы, в которой ведется синтез и т.д. Особенно важны материалы с определенными физическими и химическими свойствам в прецизионной, оптической и ядерной технике. Одним из таких материалов является сапфир, монокристаллы которого применяются в лазерной технике в качестве активных элементов лазеров.

 

Сапфир, камень изумительного синего цвета, считался в древности камнем

невинности, его носила будущая невеста. Носили его и молодые монахини, так как считалось, что он охлаждает страсть и очищает душу в часы молитвы. Сапфир, носимый на левой руке, помогал от астмы, болезней сердца, невралгии. Некоторые лекари полагали, что сапфир способен исцелить даже проказу. Сапфир любили не только за красоту, но и потому, что верили в его способность оберегать от клеветы. Сапфир был талисманом мудрецов и философов, он благотворно действовал на память, укреплял благоразумие, делал владельца более уравновешенным и рассудительным.

 

 Голубой сапфир – (TixAl1-x)2O3 – относится к драгоценным  камням

первого порядка (наряду с алмазом, рубином, изумрудом и пр.). Кроме того,

сапфиры имеют большое значение в технике благодаря своим физическим

свойствам. Одно из наиболее важных применений сапфиров состоит в

использовании их в качестве рабочих тел в лазерах.

 

Сапфир (греч. sappheiros, от древнеевр. саппир - синий камень, сапфир), разновидность минерала корунда (Al2O3); отличается синей или голубой окраской, обусловленной одновременным присутствием примесей Ti. Драгоценный камень 1-го класса.

Сапфир - прозрачная , блестящая, окрашенная в синий цвет примесями титана

разновидность очень твердого минерала корунда - оксида алюминия Аl203. По твердости сапфир уступает только алмазу.

Кристаллы сапфира применяют в качестве опорных элементов в часах и других

Точных приборах. Ювелирная промышленность использует не только природные сапфиры, но всё больше и синтетические. Поэтому освоение методов получения синтетических сапфиров – важная и актуальная задача.

 

 

 

 

 

 

 

 

Литературный обзор

 

Оксиды А1203 и Ti2О3 кристаллизуются в структуре корунда, в которой атомы кислорода образуют почти не искаженную гексагональную плотнейшую упаковку. Ионы алюминия или титана занимают 2/3 октаэдрических пустот. Несмотря на простую формулу, структура этих соединений довольно сложна, потому что в ней  группы МО6 сопряжены не только по вершинам, или ребрам, но и по граням.

Вследствие существования общих граней у пар октаэдров МО6 наблюдается два набора расстояний М-0: для оксида алюминия 1,89 и 1,93 Å; для оксида Ti 1,97 и 2,01 Å. В связи с этим энергия кристаллической решетки А1203 больше, чем у Ti2О3 (15916 и 15276 кДж/моль соответственно). Прозрачные разновидности корунда известны как рубин и сапфир.  В природе корунд встречается в виде прозрачных, просвечивающихся и непрозрачных кристаллов. По твердости он занимает второе место среди всех природных камней. В этом отношении он уступает только алмазу. Корунд хрупок и легко раскалывается.

Общую формулу сапфира можно записать в видеА12-хTiхОз, где х =[0;2]. При промежуточных  значениях ионы Al3+ и Ti3+ распределены по тем октаэдрическим позициям, что заняты в структуре чистых компонентов так, что в каждом конкретном узле решетки может существовать Al3+ или Ti3+. Причем вероятность их нахождения зависит от х. Если рассматривать структуру в целом, то можно усреднить занятость этих позиций и полагать, что каждая из них занята «усреднённым» ионом, который имеет какие-то промежуточные свойства между Al3+ и Ti3+. Есть также и другие модификации оксида алюминия, включая и метастабильные.

 

 

 

 

 

 

Физико-химические свойства сапфира.

Сапфир - Драгоценная разновидность корунда.

Класс минерала: Оксиды

Формула химически чистого корунда - Al2O3.

Цвет: синий, голубой, розовый, желтый, зелёный,

бесцветный, красно-оранжевый, фиолетовый.

Цвет обусловлен примесями металлов:

титана, хрома, марганца, железа, ванадия.

Блеск: стеклянный

Прозрачность: прозрачный до непрозрачного

Светопреломление: 1,766-1,774:

Твёрдость по шкале Мооса - 9.

Плотность - 4,0 г/см.  

Минерал хрупкий?: Нет

Спайность: отсутствует

Сингония: тригональная

Излом: раковистый

 

Название на английском 
Sapphire 
 
Цвет камня сапфир 
Основные цвета от насыщенно синего до светло-голубого. Также встречаются камни желтого, оранжевого ,зеленого и розового цветов.  
 
Химическая формула сапфира 
Разновидность минерала корунда  Al2Oз  
 

История сапфира  
Свое название сапфир получил за свой цвет, от греческого слова голубой. В древней Персии, считалось, что земля покоиться на огромном сапфире и голубое небо его отражение.  
Сапфир, как и рубин, является корундом и занимает одно из главных мест на Олимпе ювелирных камней. 
Этот камень был ценен с древнейших времен и естественно имеет богатую историю и мифологию. Про него сложено много преданий, и он наделен многими лечебными и целебными свойствами.  
Ему приписывают способность защитить своего владельца от отравлений и зависти. Сапфир поможет в размышлениях и во время путешествий. В древние времена сапфир часто использовался во врачебных целях и помогал при многих недомоганиях.  
 
Основные месторождения сапфира

Самые ценные сапфиры добываются на островах Шри-Ланка и Мадагаскар. Также ценятся камни, добытые в Мьянме и Кашмире, но сейчас камни из этих регионов очень редко появляться на ювелирном рынке. Другие крупные месторождения находятся в Таиланде, Танзании, Австралии, США, Камбоджи и Кении.

 
Ювелирная оценка сапфира 
Твердость сапфира составляет 9 единиц по шкале Мооса. Наиболее ценны сапфиры, которые обладают насыщенным и глубоким синим цветом. Отсутствие включений, приводит к увеличению стоимости камня.  
 
Основные виды огранки сапфира 
Сапфиры гранят различными формами. Наиболее популярные огранки это - овал, подушка и круглая. Также популярны огранки сердце и изумруд. Огранкой кабошон гранят сапфиры, в которых присутствует эффект звезды.

 

 

 

 

 

Технологии получения сапфира

Методы выращивания кристаллов 
 
Классификация методов выращивания кристаллов в той или иной степени основываются на фазовом состоянии, составе исходных материалов, условий протекания процесса. В зависимости от этих факторов можно выделить следующие группы методов выращивания:

• выращивание кристаллов из газовой фазы при градиенте давления;

• выращивание кристаллов из растворов при градиенте концентрации на границе раздела кристалл-раствор;

• выращивание кристаллов из расплава при температурном градиенте;

• выращивание кристаллов в твердой фазе.

 
Сапфир можно выращивать из всех фаз: газовой, жидкой и твердой. 
 
Наиболее перспективными оказались методы выращивания из расплава, позволяющие получать кристаллы больших размеров при относительно больших скоростях роста. 
 
Отметим, что кристаллизация из расплава – сложный многофакторный процесс: фазовый переход жидкости в твердое тело сопровождается структурными изменениями, одновременно изменяются свойства расплава: вязкость, плотность, электропроводность и т. д. 
 
Расплавные методы можно разделить на две группы: 
 
методы выращивания из большего объема расплава: методы горизонтальной направленной кристаллизации, Киропулоса, Чохральского, Стокбаргера – Бриджмена; 
методы выращивания из малого объема расплава: метод Вернейля и зонной плавки. 
 
Объем расплава влияет на характер и интенсивность ряда физико – химических процессов, происходящих в расплаве. Так расплав может диссоциировать, а продукты диссоциации испарять в атмосферу. Чем меньше объем расплава, тем меньше кристалл будет загрязняться продуктами взаимодействия с окружающей средой. 
 
В большом объеме расплава конвективные потоки развеиваются свободно, и конвективный перенос веществ играет заметную роль. В малом объеме конвекция не может играть такой роли, и масса переносится, в основном, путем диффузии. По-разному происходит и распределение примеси в кристаллах. 
 
Также методы получения кристаллов делятся на тигельные и безтигельные. 
 
На получение кристаллов из расплава и его свойства оказывают влияние физико-химические аспекты выращивания: свойства расплава, температура плавления и кристаллизации, оптические свойства расплава, электропроводность расплава, диффузия в расплаве, теплопроводность, термическая диссоциация, скорость испарения, взаимодействие с тугоплавкими материалами, взаимодействие расплава и материала контейнера с атмосферой кристаллизации, перенос тепла. 
 
Рассмотрим тигельные (контейнерные) методы выращивания из расплава. 
 
Выбор материала контейнера ограничен несколькими металлами и их сплавами, стойкими в расплаве Al2O3. 
 
Подробнее остановимся на методе Киропулоса. 
 
Метод Киропулоса

Суть метода, разработанного Киропулосом в 1926 – 1930 гг., заключалась в том, что кристаллы выращивают путем плавного и медленного снижения температуры расплава и изменения теплоотвода от кристалла с помощью охлаждаемого штока. Вначале в расплав, нагретый примерно на 150°С выше  Тпл, постепенно вводился холодильник, представляющий собой охлаждаемую металлическую трубку. Затем расплав медленно охлаждался и при достижении температуры, несколько превышающей Тпл, холодильник продувался воздухом. В результате на конце холодильника начиналась кристаллизация с образованием полусферолита. Сферолит извлекался из расплава настолько, чтобы оставшаяся в расплаве часть, была примерно равна диаметру холодильника. В результате создавались благоприятные условия для геометрического отбора зародыша, на котором затем доращивался монокристалл  (рис. 1.1). Этот метод характеризовался малыми температурными градиентами, не превышающими 7 – 10 град/см.

Полукристаллический  полусферолита (1)  и выступающий из него  монокристалл (2).

 

 

Вначале методом Киропулоса выращивали кристаллы галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов, а затем в модификации, разработанной в России в Государственном оптическом институте, начали выращивать сапфир. В этой модификации совмещено снижение температуры с одновременным незначительным вытягиванием кристалла, в результате чего кристалл почти полностью растет внутри тигля в условиях малых градиентов температур (рис 1.2).

Рис. 1.2. Метод Киропулоса:  а - растущий кристалл,   б - выросший кристалл в тигле.  1 - затравка, 2 - растущий кристалл,   3 - тигель, 4 - расплав,   5 - граница кристалла,   6 - фронт кристаллизации.

Соотношение между скоростью охлаждения и вытягивания на различных стадиях выращивания определяет в значительной степени форму и качество кристалла. Линейный характер снижения температуры и постоянство скорости вытягивания приводит к образованию кристаллов грушевидной формы с несколько повышенной плотностью пор в носовой и хвостовой зонах кристалла. На кривой, характеризующей увеличение веса кристалла в единицу времени, наблюдаются два максимума (рис. 1.3.б).    Первый максимум на начальной стадии роста связан с увеличением лучистого теплоотвода от разрастающейся затравки. Увеличение лучистого теплоотвода от торцевых и боковых поверхностей затравочного кристалла приводит к формированию в расплаве острого конуса, направленного в глубь расплава. Ускоренный рост конуса обуславливает увеличение плотности макро- и микродефектов, поэтому на этой стадии снижают скорость роста. Как только диаметр кристалла становится соизмеримым внутренним диаметром тигля, картина кристаллизации изменяется, снижается уровень расплава в тигле.

 

Скорость снижения уровня расплава в тигле υd связана с диаметром кристалла d, диаметром тигля d c, а также со скоростью вытягивания кристалла υn: 
 
υn/ υd = 1- (d/ d c)2 
 
Для поддержания d = const необходимо, чтобы υn/ υd = const. На финальном участке условия роста вновь изменяются. Увеличивается скорость кристаллизации, меняется ее направление, кристаллизация идет от центра к периферии. На кривой (рис 1.3 б) появляется второй максимум. 
 
Сапфир обычно выращивают в вакууме без вращения.

Рис. 1.3. а - схема установки для выращивания кристаллов методом Киропулоса с датчиком веса: 1 - растущий кристалл, 2 - расплав, 3 - тигель, 4 -нагреватель, 5 - экраны, 7 - суппорт (подставка), 8 - сильфон, 9 - стержень, 10 - индикатор веса кристалла, 11 - пружина, 12 - шарнир; б - относительное увеличение веса кристалла в зависимости от времени кристаллизации; в - стадии роста.