Войти
Круглая бриллиантовая огранка кубический цирконий Кубический диоксид циркония (CZ) представляет собой кубическую кристаллическую форму диоксида циркония (ZrO 2). Синтезированный материал твердый и обычно бесцветный, но может быть разных цветов. Его не следует путать с цирконием, 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 алмазов с момента промышленного производства. началось в 1976 году. Его основным конкурентом в качестве синтетического драгоценного камня является недавно обработанный материал, синтетический муассанит.
Кубический диоксид циркония кристаллографически изометричен, что является важным атрибутом потенциальный имитатор алмаза. В процессе синтеза оксид циркония естественным образом образует моноклинные кристаллы, которые устойчивы в нормальных атмосферных условиях. Стабилизатор требуется для кубических кристаллов (принимающих структуру флюорита ) для образования и сохранения стабильности при обычных температурах; обычно это оксид иттрия или кальция, количество используемого стабилизатора зависит от множества рецептов отдельных производителей. Следовательно, физические и оптические свойства синтезированного CZ различаются, все значения являются диапазонами.
Это плотное вещество с удельным весом от 5,6 до 6,0 - по крайней мере в 1,6 раза больше, чем у алмаза. Кубический цирконий относительно твердый, 8–8,5 по шкале Мооса - немного тверже, чем большинство полудрагоценных природных драгоценных камней. Его показатель преломления высокий - 2,15–2,18 (по сравнению с 2,42 для алмазов), а его блеск - стекловидный. Его дисперсия очень высока и составляет 0,058–0,066, что превышает дисперсию алмаза (0,044). Кубический диоксид циркония не имеет скола и демонстрирует раковинный излом. Из-за своей высокой твердости он обычно считается хрупким.
. При коротковолновом УФ кубический диоксид циркония обычно флуоресцирует желтым, зеленовато-желтым или «бежевым». Под длинноволновым ультрафиолетом эффект значительно уменьшается, иногда наблюдается беловатое свечение. Цветные камни могут иметь сильный, сложный редкоземельный спектр поглощения.
Желтоватый моноклинный минерал бадделеит, обнаруженный в 1892 году, является естественной формой. оксида циркония.
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 введен стабилизированный диоксид циркония в виде синтетического продукта. Несмотря на кубическую форму, он имел форму поликристаллической керамики : это было использовался как огнеупорный материал, обладающий высокой стойкостью к химическому и термическому воздействию (до 2540 ° C или 4604 ° F).
В 1937 году немецкие минералоги М. В. Штакельберг и К. Чудоба открыли встречающийся в природе кубический диоксид циркония в виде микроскопических зерен, включенных в циркон метамикт. Считалось, что это побочный продукт процесса метамиктизации, но двое ученых не считали минерал достаточно важным, чтобы дать ему официальное название. Открытие было подтверждено с помощью дифракции рентгеновских лучей, доказавшей существование натурального аналога синтетическому продукту.
Как и в случае с большей частью выращенного алмаза заменители, 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 алюминий гранат ) и GGG (гадолиний галлий гранат).
Некоторые из самых ранних исследований контролируемого роста монокристаллов кубического циркония проводились в 1960-х годах во Франции, большая часть работы была проделана Ю. Руленом и Р. Коллонгом. Этот метод заключался в том, что расплавленный диоксид циркония содержался в тонкой оболочке из еще твердого диоксида циркония с ростом кристаллов из расплава. Процесс получил название холодный тигель, отсылка к используемой системе водяного охлаждения. Хотя эти попытки были многообещающими, в результате были получены только мелкие кристаллы.
Позже советские ученые под руководством В.В. Осико в Физическом институте им. П.Н. Лебедева в Москве усовершенствовали технику, которая затем получила название тигель черепа ( намек на форму емкости с водяным охлаждением или на форму иногда выращиваемых кристаллов). Жемчужину назвали Фианит в честь института ФИАН (Физический институт Академии наук), но за пределами СССР это название не использовалось. Их прорыв был опубликован в 1973 году, а коммерческое производство началось в 1976 году. В 1977 году на ювелирном рынке корпорация Ceres начала массовое производство кубического циркония, кристаллы которого были стабилизированы 94% оксида иттрия. К другим крупным производителям относятся Taiwan Crystal Company Ltd, Swarovski и ICT inc. К 1980 году годовое мировое производство достигло 60 миллионов каратов (12 тонн) и продолжало расти, достигнув примерно 400 тонн в год в 1998 году.
Потому что естественная форма кубического циркония такова. Редко, весь кубический цирконий, используемый в ювелирных изделиях, был синтезирован или создан людьми.
Рабочий контролирует плавление оксида циркония и оксида иттрия в «холодном тигле» с индукционным нагревом для создания кубического диоксида циркония. В настоящее время основным методом синтеза кубического диоксида циркония, используемым производителями, остается метод плавления черепа. Этот метод был запатентован Josep F. Wenckus и соавторами в 1997 году. Это в значительной степени связано с процессом, позволяющим достичь 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 получаемых кристаллов и невозможность контролировать процесс кристаллизации путем изменения температуры.
Устройство, используемое в этом процессе, состоит из тигля в форме чашки, окруженного Медные змеевики, активируемые радиочастотой (RF), и система водяного охлаждения.
Диоксид циркония, тщательно смешанный со стабилизатором (обычно 10% оксид иттрия ), подают в холодный тигель. Металлическая стружка либо циркония, либо стабилизатора вводится в порошковую смесь компактным слоем. ВЧ-генератор включается, и металлическая стружка быстро нагревается и быстро окисляется до оксида циркония. Следовательно, окружающий порошок нагревается за счет теплопроводности и начинает плавиться, которое, в свою очередь, становится электропроводящим, и, таким образом, он также начинает нагреваться через высокочастотный генератор. Это продолжается до тех пор, пока весь продукт не расплавится. Благодаря системе охлаждения, окружающей тигель, образуется тонкая оболочка из спеченного твердого материала. Это приводит к тому, что расплавленный диоксид циркония остается содержащимся в собственном порошке, что предотвращает его загрязнение из тигля и снижает потери тепла. Расплав оставляют при высоких температурах на несколько часов для обеспечения однородности и испарения всех примесей. Наконец, весь тигель медленно снимается с катушек RF, чтобы уменьшить нагрев и дать ему медленно остыть (снизу вверх). Скорость, с которой тигель удаляется из катушек RF, выбирается в зависимости от стабильности кристаллизации, продиктованной диаграммой фазового перехода. Это вызывает начало процесса кристаллизации и образование полезных кристаллов. После полного охлаждения тигля до комнатной температуры образующиеся кристаллы представляют собой несколько удлиненно-кристаллических блоков.
Причина такой формы продиктована концепцией, известной как вырождение кристаллов по Тиллеру. Размер и диаметр полученных кристаллов зависят от площади поперечного сечения тигля, объема расплава и состава расплава. На диаметр кристаллов сильно влияет концентрация стабилизатора Y 2O3.
При соблюдении фазовой диаграммы кубическая фаза будет кристаллизоваться первой по мере охлаждения раствора независимо от концентрации из Y 2O3. Если концентрация Y 2O3недостаточно высока, кубическая структура начнет разрушаться до тетрагонального состояния, которое затем распадется на моноклинную фазу. Если концентрация Y 2O3составляет 2,5-5%, полученным продуктом будет PSZ (частично стабилизированный диоксид циркония), в то время как монофазные кубические кристаллы будут формироваться примерно от 8-40%. Ниже 14% при низких скоростях роста наблюдается тенденция к непрозрачности, что указывает на частичное разделение фаз в твердом растворе (вероятно, из-за диффузии в кристаллах, оставшихся в области высоких температур в течение более длительного времени). Выше этого порога кристаллы, как правило, остаются прозрачными при разумных скоростях роста и поддерживают хорошие условия отжига.
Из-за изоморфной способности кубического диоксида циркония его можно легировать несколькими элементами, чтобы изменить цвет кристалл. Список конкретных легирующих добавок и красок, получаемых при их добавлении, можно увидеть ниже.
| Добавка | Символ | Цвет (а) |
|---|---|---|
| Церий | Ce | желто-оранжево-красный |
| Хром | Cr | зеленый |
| Кобальт | Co | сиренево-фиолетово-синий |
| Медный | Cu | желто-голубой |
| Эрбий | Er | розовый |
| европий | Eu | розовый |
| железо | Fe | желтый |
| гольмий | Ho | Шампанское |
| Марганец | Mn | коричнево-фиолетовый |
| Неодим | Nd | фиолетовый |
| Никель | Ni | желто-коричневый |
| Празеодим | Pr | янтарь |
| Тулий | Tm | желто-коричневый |
| Титан | Ti | золотисто-коричневый |
| Ванадий | V | зеленый |
| Цветовой диапазон | Используемая легирующая добавка |
|---|---|
| желто-оранжево-красный |  ,  |
| желто-янтарно-коричневый |  |
| розовый |  |
| зелено-оливковый |  |
| сиренево-фиолетовый |  |
Фиолетовый кубический диоксид циркония с шахматной огранкой
Многоцветный кубический диоксид циркония
Трехцветный кубический диоксид циркония
Желтый кубический диоксид циркония
Подавляющее большинство кристаллов YCZ (иттрийсодержащий кубический диоксид циркония) прозрачны с высоким оптическим совершенством и с градиентами показателя преломления ниже 
, хотя эффект этого может быть уменьшен путем отжига при 2100 ° C с последующим с помощью достаточно медленного процесса охлаждения.Благодаря своим оптическим свойствам YCZ (кубический цирконий иттрия) был используется для окон, линз, призм, фильтров и лазерных элементов. В частности, в химической промышленности он используется в качестве оконного материала для мониторинга агрессивных жидкостей из-за его химической стабильности и механической прочности. YCZ также использовался в качестве подложки для полупроводниковых и сверхпроводниковых пленок в аналогичных отраслях промышленности.
Механические свойства частично стабилизированного диоксида циркония (высокая твердость и ударопрочность, низкий коэффициент трения, высокая химическая и термическая стойкость, а также высокая износостойкость). и сопротивление разрыву) позволяют использовать его в качестве очень специфического строительного материала. В частности, в биоинженерной индустрии он использовался для изготовления надежных сверхострых медицинских скальпелей для врачей, совместимых с биотканями и имеющих более гладкую кромку, чем у стальных.
В последние годы производители искали способы отличить свой продукт, якобы «улучшая» кубический цирконий. Покрытие готового кубического циркония пленкой из алмазоподобного углерода (DLC) является одним из таких нововведений, процесс, использующий химическое осаждение из паровой фазы. Получающийся в результате материал якобы тверже, более блестящий и в целом больше похож на алмаз. Считается, что покрытие гасит избыток пламени кубического диоксида циркония, одновременно улучшая его показатель преломления, делая его более похожим на алмаз. Кроме того, из-за высокого процента алмазных связей в аморфном алмазном покрытии готовый имитатор покажет положительную алмазную сигнатуру в спектрах комбинационного рассеяния.
Другой метод, впервые примененный к кварцу и топаз также был адаптирован для кубического циркония: распыление в вакууме чрезвычайно тонкого слоя драгоценного металла (обычно золота ) или даже некоторых оксидов или нитридов металлов среди других покрытий на готовых камнях создает переливающийся эффект. Многие дилеры позиционируют этот материал как «мистический». В отличие от алмазоподобного углерода и других твердых синтетических керамических покрытий, декоративное покрытие из драгоценных металлов не обеспечивает стойкий эффект из-за их чрезвычайно низкой твердости по сравнению с подложкой, а также плохих свойств абразивного износа.
Существует несколько ключевых особенностей кубического диоксида циркония, которые отличают его от алмаза:
Одна грань неограненного октаэдрического алмаза, показывающая тригоны (положительного и отрицательного рельефа)), образованный естественным химическим травлением Кубический цирконий, как имитатор алмаза и конкурент драгоценного камня, потенциально может снизить спрос на конфликтные алмазы и повлиять на споры вокруг редкости и ценности алмазов.
Что касается стоимости, парадигма, согласно которой алмазы являются дорогостоящими из-за их редкости и визуальной красоты, была заменена на искусственная редкость, приписываемая практике фиксации цен компании De Beers, которая владела монополией на рынке с 1870-х до начала 2000-х годов. Компания признала себя виновной по этим обвинениям в суде штата Огайо 13 июля 2004 г. Однако, хотя De Beers имеет меньшую рыночную власть, цена на алмазы продолжает расти из-за спроса на развивающихся рынках, таких как Индия и Китай. Появление искусственных камней, таких как фианит, с оптическими свойствами, аналогичными алмазам, могло бы стать альтернативой для покупателей ювелирных изделий, учитывая их более низкую цену и бесспорную историю.
Проблема, тесно связанная с монополией, заключалась в появлении конфликтных алмазов. Кимберлийский процесс (КП) был учрежден для предотвращения незаконной торговли алмазами, которая финансирует гражданские войны в Анголе и Сьерра-Леоне. Однако КП не так эффективен в уменьшении количества конфликтных алмазов, попадающих на европейские и американские рынки. Его определение не включает условия принудительного труда или нарушения прав человека. Исследование, проведенное в 2015 году в рамках проекта Enough Project, показало, что группы в Центральноафриканской Республике ежегодно получают от 3 до 6 миллионов долларов США от конфликтных алмазов. Отчеты ООН показывают, что с момента создания КП было незаконно вывезено алмазов из зон конфликтов на сумму более 24 миллионов долларов США. Симуляторы алмазов стали альтернативой бойкоту финансирования неэтичных практик. Такие термины, как «экологически чистые ювелирные изделия» определяют их как бесконфликтное происхождение и экологически устойчивые. Однако такие горнодобывающие страны, как Демократическая Республика Конго, опасаются, что бойкот закупок алмазов только ухудшит их экономику. По данным Министерства горнодобывающей промышленности Конго, 10% населения страны зависит от доходов от алмазов. Таким образом, кубический цирконий является краткосрочной альтернативой для уменьшения конфликта, но долгосрочным решением будет установление более строгой системы определения происхождения этих камней.
