Как вырастить кварц в домашних условиях

Затем автоклав на 85% заполняют слегка щелочной водой, в которой 1% объема за­нимает гидроксид натрия — минерализатор, повышающий растворимость кварца в воде. Автоклав нагревают, и, когда температура воды достигнет 200 о С, большая часть ее переходит в перегретый пар.

При температуре 300 °С дав­ление внутри автоклава составляет 138 Мпа (более чем в 1000 раз превыша­ет атмосферное давление), в связи с чем автоклав называют также бомбой! Без дополнительной минерализации воды ее температуру нужно было бы поднять еще выше, чтобы добиться необходимой растворимости кварца. Измельченный кварц на дне автоклава теперь растворяется в смеси пере­гретого пара и воды и начинает подниматься. В зоне, где находятся затра­вочные пластины, температура приблизительно на 40 °С ниже, чем в осно­вании сосуда, и, когда раствор кремнезема попадает в эту более прохладную область, он становится пересыщенным и начинается кристаллизация на за­травочных пластинах.

Кварц

Когда рост прекращают, поверхность кристалла имеет характерный вид булыжной мостовой, что делает возможным легко узнавать такие кристаллы до их огранки. Неровная поверхность кристалла связана с дефектами внутренней структуры кристалла, что позволяет идентифицировать синтетические кристаллы кварца даже после огранки, правда для уверенного обнаружения этих дефектов структуры могут понадобиться довольно сложные приборы. Сосуд высокого давления, используемый для гидротермального выращивания кварца, изготавливают из прочных стальных сплавов, так как он должен выдерживать давления примерно от 1000 до 2000 атмосфер при температуре 400°С. Он также должен быть стойким к химическому воздействию раствора и может быть футерован благородными металлами, такими, как золото, серебро или платина. Сосуды высокого давления, называемые автоклавами, могут иметь внутренний диаметр до 30 см или более, и в них в настоящее время выращивают кристаллы весом более десятка килограммов, необходимые для промышленных целей. [2,3,11,]

Вплоть до последнего десятилетия производство окрашенных кристаллов кварца испытывало трудности, связанные с тем, что соли многих металлов нерастворимы в щелочных растворах, а растущие кристаллы характеризуются сильной тенденцией «отторгать» примеси, которые поэтому в течение процесса роста остаются в растворе. Железо входит в состав кристаллов, когда для растворения кварца вместо натриевых в воде растворяют калийсодержащие соединения. В этом случае кварц приобретает зеленую или коричневую окраску. Эти цвета не особенно привлекательны, и их нельзя изменить на более желательный фиолетовый цвет аметиста.

Рисунок 2.27 Кварц зеленый (празиолит) (SiO2: Fe 2+ ), Выращен гидротермальным методом

Как вырастить КРИСТАЛЛЫ из Соли в домашних Условиях// Очень лёгкий способ//Growing crystals

Для промышленного выращивания бесцветного и дымчатого кварца используют автоклавы емкостью в сотни и тысячи литров. Процесс выращивания осуществляется методом температурного перепада. Нагрев автоклава ведется с помощью двух нагревателей, позволяющих поддерживать в зонах роста и растворения необходимую температуру.

В верхней зоне автоклава (зоне роста) на стальных рамках подвешиваются или закрепляются в специальных кристалло -держателях затравочные кварцевые пла­стины. В нижней зоне (зоне растворения), отделенной в средней части автоклава от зоны роста перфорированной диафрагмой с площадью отверстий поряд­ка 5 — 10%, помещается металлическая корзинка с шихтой — подробленным жиль­ным кварцем или каким-либо другим видом кремнезема. Необходимое давление в процессе роста кристаллов задается вели­чиной заполнения автоклава раствором. После загрузки и закрытия автоклава он вводится в рабочий режим путем медлен­ного (несколько градусов в час) нагрева обеих зон. В режиме устанавливается необходимый (обычно порядка 10— 40°С) температурный перепад между зонами растворения и роста, обеспечивающий непрерывность переноса растворенного вещества и его кристаллизации. Неизмен­ность скоростей роста кристаллов в цикле может сохраняться до тех пор, пока соот­ношение площадей поверхностей растворя­ющейся шихты и растущих кристаллов бу­дет больше 5.

С помощью ионизирующего облучения кристаллов выращенных в щелочных растворах, получают дымчатый цвет. Образование потенциальных центров дымчатой окраски в кристаллах кварца при выращивании их в щелочных растворах в той или иной степени происхо­дит всегда. Это связано с тем, что в исход­ном шихтовом кварце постоянно присут­ствует (пусть даже ничтожная) примесь алюминия. При растворении кварца-шихты этот алюминий вначале переходит в раствор, а затем захватывается растущим кристаллом. [2,17]

Рисунок 2. 28 Дымчатый Кварц, выращен гидротермальным методом

Также были получены кристаллы синтетического кварца с аметистовой окраской. Такие кристаллы были выращены на ромбоэдрических затравках путем изотермической перекристаллизации кварцевого стекла в растворе сложного состава, составленного из метасиликата натрия концентрацией 50 г/л и бифторида калия концентрацией 125 г/ л при темпе­ратуре 360° С и давлении ~ 1 00 Мпа. Не­значительный нарост бесцветного кварца под воздействием рентгеновских лучей приобрел аметистоподобную окраску, ко­торую авторы указанных работ были склон­ны связывать с вхождением в кварц мар­ганца, могущего поступать в раствор за счет коррозии внутренних стенок автокла­ва. Эти результаты были в какой-то степе­ни случайными, и опыты не получили даль­нейшего развития из-за бесперспектив­ности применяемого в то время самого метода выращивания кристаллов кварца в изотермических условиях. Однако бла­годаря им был установлен факт появле­ния аметистовой окраски в синтетических кристаллах кварца под воздействием ионизирующего рентгеновского облучения.

Впервые относительно крупные кристал­лы аметиста удалось получить Л. И. Циноберу и Л. Г. Ченцовой. Ими было по­казано, что аметист можно выращивать обычным гидротермальным методом температурного перепада подобно бесцвет­ным кристаллам кварца, но в качестве раст­ворителя следует использовать сильноще­лочные водные растворы карбоната калия и обязательно в присутствии железа.

Рост кристаллов осуществлялся на затравках, параллельных граням положительного и отрицательного ромбоэдров. Од­нозначно было установлено, что аметисто­подобная окраска так же, как в природных кристал­лах, связана со структурным вхождением в кварц железа, носит радиационный харак­тер и проявляется под воздействием ио­низирующего облучения. При этом наибо­лее интенсивно в фиолетовый цвет окра­шивается пирамида роста. Пирами­да роста пинакоида и косые срезы окрашиваются в этих условиях в первично бурый или зеленый цвета.

Рисунок 2.29 Аметист (SiO2: Fe 3+ ), выращен гидротермальным способом

Дальнейшие исследования, проведенные уже с учетом полученных данных об определяющем влиянии на формирование потенциальных центров аметистовой ок­раски окислительной обстановки, привели к разработке двух способов вы­ращивания густоокрашенных аметистов с использованием как сильнощелочных калиевых растворов, так и ранее неприменявшихся для этих целей близнейтральных растворив фторида аммония.

Выращивание кристаллов первым спосо­бом осуществляется в растворах карбоната или гидроокиси калия концентрацией от 0,3 до 1 г/л при температуре от 300 до 500° С и давлениях до 170 Мпа. Верхняя температура кристаллизации ог­раничивается температурной устойчиво­стью потенциальных центров аметистовой окраски. Рост кристаллов может проводить­ся на затравочных пластинках, ориенти­рованных параллельно отрицательному и положительному ромбоэдрам. Однако предпочтительнее выбор отрицательной затравки, поскольку они характе­ризуются более высокими скоростями роста, и выращенные на них кристаллы обладают аномальным плеохроизмом, обычным и ценимым в при­родных аметистах.

Другой способ выращивания кристал­лов аметиста основан на использовании в качестве растворителя водных раство­ров фторида аммония. Выращивание кристаллов аметиста в рас­творах фторида аммония осуществляется подобно тому, как это имеет место при выращивании кристаллов кварца и его окра­шенных разновидностей в щелочных рас­творах. Рост кристаллов может прово­диться при концентрации растворов 5— 30% NН4F в широком диапазоне темпера­тур (210—500°.С) и давлений (2—100 Мпа). При этом захват примеси структурного же­леза, образующего потенциальные центры аметистовой окраски, осуществляется не только гранями основных ромбоэдров, как это имеет место в щелочных растворах, но и базисным и близкими к нему по ориентировке срезами.[2,4,17],

Вхождение структурного железа в кри­сталлы, растущие в растворах фторида аммония на затравках такого среза, происходит вследствие того, что базисная поверхность растет не как истинная грань, а по типу регенерации, покрываясь мно­гочисленными мелкими трехгранными пи­рамидами с ориентировкой граней, соот­ветствующей тригональной дипирамиде. Однако скорость роста ее при этом, так же как и у кристаллов, растущих в щелочных растворах, резко преобладает над скоростью роста всех других граней.

При выращивании кристаллов аметиста в растворах фторида аммония железо вво­дится в систему не в виде металла, а в виде его окисных или гидроокисных соедине­ний. Это связано с тем, что при взаимо­действии металлического железа с раство­ром фторида аммония выделяется водо­род, создающий в системе восстановитель­ную обстановку, которая препятствует пе­реходу железа в трехвалентное состояние и формированию в кристаллах потенциаль­ных центров аметистовой окраски, которая проявляется также после их ионизирующе­го облучения.

Для получения кристаллов с плотной аметистовой окраской во всем объеме наросшего слоя в раствор необходимо также добавлять некоторое количество (до 3 г на литр раствора) щелочных ионов, особенно лития, предохраняющих потен­циальные центры аметистовой окраски от теплового разрушения во время роста в автоклаве.

Выращивают и желтую разновидность кварца. Желтые с различными оттенками кри­сталлы кварца можно получить при вы­ращивании в водном растворе 0,5 К2СО3 при температуре кристаллизации 340°С температурном перепаде 50°С, степени йразличных элементов — железа, кобальта никеля, ванадия, марганца и меди. Важное значение при этом имеет форме вводимого соединения.

В частности, лучшие результаты были получены в тех случаях когда в автоклав добавляли карбонаты и гидроокислы железа, марганца и хрома а не их окислы. Небольшие добавки такт соединений, как бихромат калия, перманганат калия и пятиокись ванадия, практиче­ски полностью прекращали рост кварце. Также известны синтетические кристаллы цитрина с желто-коричневой окраской. Окраска связана с вхождением в структуру кварца примеси галлия, и она возникает под воздействием ионизирующего облучения.

Рисунок 2.30 Цитрин (SiO2: Fe 3+ , Li), выращен гидротермальным способом

Синтетический окрашенный кварц для ювелирной промышленности получают, добавляя в раствор кобальт, который дает кварцу синюю окраску.[2,4,16,17,]

Рисунок 2.31 Кварц голубой (перунит) SiO2: Co 3+ , выращен гидротермальным способом

Источник: studopedia.org

Как человек научился делать искусственный кварц?

Человек с древнейших времен использует наблюдения над неживой природой. Огонь, без которого немыслим быт человека, сначала зажигался молнией в лесу, а потом переносился наблюдательным умельцем в костер — небольшую техническую или, как говорим мы сегодня, техногенную модель лесного пожара. Таким примерам нет числа. Мы упомянули об огне.

А магнитные явления, радиоактивность, электричество? Разве первые шаги этих могущественных областей физики, теперь развивающихся самостоятельно, не были оценены при изучении природы?

Наблюдение процессов, происходящих в неживой природе, давало и может дать основу для создания новых технологических процессов и новых приборов, а также для объяснения тех или иных явлений. В своей практической деятельности человек активно познавал их закономерности. Они используются для решения различных технических задач. Эту область знаний созвучно с бионикой можно назвать геоникой.

Кристалл и условия его роста. а — двойник кварца (по Д. П. Григорьеву): б — разрез кварцевоносного пегматита (по Е. Я. Киевленко). 1 — гранит, 2 — аплитовая оторочка; 3 — графический пегматит; 4 — пегматоидная зона; 5 — микроклин; 6 — кварцевое ядро; 7 — полость с кристаллами кварца

Кристаллы кварца — горного хрусталя научились выращивать в лаборатории только после того, как изучили процесс образования кварца в неживой природе. Горный хрусталь — чудесный камень. Им очень широко пользуются для самых различных целей.

Хороший проводник тепла, он обладает особыми электрическими свойствами, незаменим в производстве красивых вещей обихода, различных точных оптических приборов. Имеет значение его большая твердость, высокая тугоплавкость и замечательная чистота. Горный хрусталь применяется для изготовления разнообразных радиотехнических устройств.

Все упорнее человек стремится заменить природу своей лабораторией. Но получить искусственный горный хрусталь долгое время никак не удавалось. Тем не менее у тех, кто внимательно изучал природу, созревали мысли вырастить его кристаллы. И здесь был использован опыт изучения газово-жидких включений.

В начале 1900-х годов Г. Специа исследовал кварц, его водные и углекислые включения. Он считал, что включения в кварце характеризуют древние материнские первичные растворы, из которых кристаллизовался кварц и его разновидность — горный хрусталь.

Для кристаллизующих растворов в качестве основных компонентов он выбрал поваренную соль в количестве 12,7% и силикат натрия — 1,99%, которые типичны для жидких включений кварца. Был сделан важный вывод о том, что кварц образуется в углекисло-водном растворе при охлаждении. Повторяя проведенные опыты, пришли к выводу о возможности промышленного синтеза кварца.

Полученные искусственно кристаллы кварца были прозрачные, но очень небольшие, не больше полутора сантиметров в длину. Однако акад. А. Е. Ферсман уже тогда писал: «Я уверен, что через несколько лет на государственных заводах в закрытых сосудах с перегретыми растворами, при больших давлениях будут расти прозрачные камни горного хрусталя. На смену горнякам придут химики!» Предположения А. Е. Ферсмана сбылись: в настоящее время в СССР выращивают большие кристаллы горного хрусталя в промышленных масштабах.

На смену горнякам действительно пришли специалисты в области кристаллохимии, которые стали еще более глубоко изучать природные кристаллы кварца, стараясь понять их строение, особенности и условия образования, для того чтобы воспроизвести эти кристаллы в лабораториях. Кристаллохимики читали в каменных «летописях» природные рецепты.

Внимательные наблюдения за неживой природой: изучение жил, вмещающих пород, полостей, затравочных кристаллов и газово-жидких включений, познание этих природных миниатюрных автоклавов — позволили искусственно воссоздать процесс выращивания кварца в лабораторных условиях.

Ныне созданы большие автоклавы, продукция которых после одной загрузки сырьем составляет столько, сколько можно получить из кварцевой жилы в естественных, природных условиях. Предвидение А. Е. Ферсмана полностью оправдалось.

Источник: Г.С. Франтов. Геология и живая природа. (Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкостные включения). Изд-во «Недра». Ленинград. 1982

Источник: www.activestudy.info

Способ выращивания монокристаллов кварца

Изобретение относится к технологии выращивания оптических кристаллов, в частности монокристаллов кварца, используемого в радиоэлектронике, оптоэлектронике и оптике. Способ выращивания монокристаллов кварца в гидротермальных условиях в автоклаве путем перекристаллизации кварца из шихты на экранированные затравочные пластины, расположенные под углом к горизонтальной плоскости, при наличии температурного перепада между камерами роста и растворения, заключается в том, что перекристаллизацию ведут на затравочные пластины ZY ориентации, установленные радиально относительно вертикальной оси автоклава и под углом от 15 до менее 45° к горизонтальной плоскости, сторона затравочных пластин, направленная к камере роста, расположена выше, чем сторона пластин, направленная к оси автоклава, при этом экранируют верхние Z — поверхности и торцевые поверхности затравочных пластин. Изобретение позволяет выращивать монокристаллы высококачественного оптического кварца с повышенной скоростью. 3 ил.

Изобретение относится к способам выращивания кристаллов, в частности к способам выращивания монокристаллов кварца из гидротермальных растворов методом температурного перепада, и может быть использовано для выращивания монокристаллов высококачественного оптического кварца, используемого в радиоэлектронике, оптоэлектронике и оптике.

Известен способ выращивания в автоклаве монокристаллов кварца в гидротермальных условиях при температурном перепаде между камерами роста и растворения, включающий синтез кварца из гидротермальных щелочных растворов путем перекристаллизации кварцевой шихты из шихтового контейнера, размещенного в нижней части автоклава — камере растворения, на горизонтально расположенные в камере роста затравочные пластины, верхние ростовые поверхности которых экранированы (см. заявку Великобритании №1443835, МПК В01J 17/04, 1974).

Этот известный способ выращивания монокристаллов кварца является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату.

Однако при выращивании монокристаллов известным способом невозможно поддержать на протяжении всего цикла кристаллизации постоянный, интенсивный и равномерный по всей камере кристаллизации конвекционный тепломассообмен, вследствие чего скорость роста монокристалла в центре камеры кристаллизации меньше, чем на периферии. Кроме того, при перекристаллизации скорость тепломассобмена растущей поверхности ниже, чем при вертикальной установке затравочных пластин, из-за увеличения толщины «кристаллизационного дворика», в результате чего скорость выращивания монокристаллов поддерживается низкой из-за риска ухудшения технических характеристик выращиваемых монокристаллов.

Технической задачей предлагаемого способа выращивания монокристаллов кварца является создание такого способа, при реализации которого обеспечивалась бы повышенная скорость выращивания монокристаллов и при этом выращенные монокристаллы были бы однородными и имели стабильное качество, что позволило бы использовать их в современных оптоэлектронных устройствах.

Поставленная задача в предлагаемом способе выращивания монокристаллов кварца в автоклаве в гидротермальных условиях путем перекристаллизации кварца из шихты на экранированные затравочные пластины при наличии температурного перепада между камерами роста и растворения решается за счет того, что перекристаллизацию ведут на затравочные пластины ZY-ориентации, установленные радиально относительно вертикальной оси автоклава и под углом от 15 до менее 45° к горизонтальной оси последнего, при этом сторона пластин, направленная к стенке камеры роста автоклава, выше, чем сторона пластин, направленных к центру автоклава, а экранируют верхние Z-поверхности и торцевые Х-поверхности.

Экранирование верхней и торцевых Х-поверхностей затравочных пластин обеспечивает наращивание монокристаллов одним сектором роста по нижней основной Z-поверхности затравочных пластин, что полностью исключает процесс формирования дефектной половины монокристалла и сохраняет постоянным свободный объем в автоклаве, обусловленный отсутствием разрастания торцевых граней затравочных пластин.

Наклонное расположение затравочных пластин обеспечивает равномерный тепломассообмен между минералообразующей средой и растущей поверхностью монокристалла, необходимый для синтеза высококачественных монокристаллов. Для предотвращения трещин между экраном и затравочной пластиной устанавливают прокладку из стальной ленты.

Предлагаемый способ выращивания монокристаллов осуществляется следующим образом.

Пример 1. Выращивание монокристаллов осуществляют на затравочных пластинах ZY-ориентации (см. Фиг.1) из монокристаллического кварца, верхняя Z-поверхность и торцевые Х-поверхности которых экранированы стальным экраном (см. Фиг.2). В нижнюю часть автоклава 1 емкостью 1500 л (см.

Фиг.3) — камеру растворения 2 — помещают шихту — жильный кварц 3 с размером кусков 10-50 мм, предварительно загруженную в перфорированную шихтовую корзину 4. Общий вес загружаемого жильного кварца составляет около 500 кг. После установки в камере растворения корзины с жильным кварцем над ней помещают перфорированный диск — «диафрагму» 5 с размером отверстий 16-25 мм, которая разделяет автоклав на камеру растворения и камеру роста 6 и предназначенную для создания оптимального температурного перепада между камерами растворения и роста. В верхнюю зону автоклава — камеру роста — помещают контейнер 7 с затравочными пластинами ZY ориентации, установленными радиально относительно вертикальной оси автоклава и наклонно под углом 15° к горизонтальной плоскости, верхняя растущая и торцевые поверхности которых экранированы 8.

После загрузки в камеру растворения шихты, установки диафрагмы и размещения в камере роста затравочных пластин автоклав заполняют на 80% от свободного объема растворителем, например водным раствором Na2СО3, герметично закрывают его, включают электронагревательные элементы и разогревают до термобарических параметров, необходимых для проведения кристаллизации: температура кристаллизации 347°С, температура растворения шихты 350°С, давление 120 МПа. При достижении указанных параметров ведут процесс выращивания монокристаллов в течение 100-300 суток.

Далее начинают вывод автоклава из режима кристаллизации путем постепенного снижения мощности электрического тока, подаваемого на электронагреватели. Скорость охлаждения 8-10°С/час. В процессе охлаждения снижается также и давление в автоклаве. При достижении температуры 270°С и давления 10 МПа проводят окончательное стравливание раствора при той же скорости охлаждения. При достижении температуры 60°С автоклав вскрывают и извлекают выросшие монокристаллы.

Пример 2. Выращивание монокристаллов осуществляют на затравочных пластинах ZY-ориентации (см. Фиг.1) из монокристаллического кварца, верхняя Z-поверхность и торцевые Х-поверхности которых экранированы стальным экраном (см. Фиг.2). В нижнюю часть автоклава 1 емкостью 1500 л (см.

Фиг.3) — камеру растворения 2 — помещают шихту — жильный кварц 3 с размером кусков 10-50 мм, предварительно загруженную в перфорированную шихтовую корзину 4. Общий вес загружаемого жильного кварца составляет около 500 кг. После установки в камере растворения корзины с жильным кварцем над ней помещают перфорированный диск — «диафрагму» 5 с размером отверстий 16-25 мм, которая разделяет автоклав на камеру растворения и камеру роста 6 и предназначенную для создания оптимального температурного перепада между камерами растворения и роста.

В верхнюю зону автоклава — камеру роста — помещают контейнер 7 с затравочными пластинами ZY ориентации, установленными радиально относительно вертикальной оси автоклава и наклонно под углом 44,5° к горизонтальной плоскости, верхняя растущая и торцевые поверхности которых экранированы 8. После загрузки в камеру растворения шихты, установки диафрагмы и размещения в камере роста затравочных пластин автоклав заполняют на 80% от свободного объема растворителем, например водным раствором Na2СО3, герметично закрывают его, включают электронагревательные элементы и разогревают до термобарических параметров, необходимых для проведения кристаллизации: температура кристаллизации 347°С, температура растворения шихты 350°С, давление 120 МПа. При достижении указанных параметров ведут процесс выращивания монокристаллов в течение 100-300 суток.

Далее начинают вывод автоклава из режима кристаллизации путем постепенного снижения мощности электрического тока, подаваемого на электронагреватели. Скорость охлаждения 8-10 С/час. В процессе охлаждения снижается также и давление в автоклаве. При достижении температуры 270°С и давления 10 МПа проводят окончательное стравливание раствора при той же скорости охлаждения. При достижении температуры 60°С автоклав вскрывают и извлекают выросшие монокристаллы.

Проведенные испытания показали, что при выращивании монокристаллов предлагаемым способом на 8-15% повышается скорость выращивания монокристаллов, кристаллы имеют повышенную однородность по толщине и стабильное качество.

Способ выращивания монокристаллов кварца в гидротермальных условиях в автоклаве путем перекристаллизации кварца из шихты на экранированные затравочные пластины, расположенные под углом к горизонтальной плоскости, при наличии температурного перепада между камерами роста и растворения, отличающийся тем, что перекристаллизацию ведут на затравочные пластины ZY ориентации, установленные радиально относительно вертикальной оси автоклава и под углом от 15 до менее 45° к горизонтальной плоскости, сторона затравочных пластин, направленная к камере роста, расположена выше чем сторона пластин, направленная к оси автоклава, при этом экранируют верхние Z-поверхности и торцевые поверхности затравочных пластин.

Источник: findpatent.ru