一種離子注入單晶體寶石呈色的製備方法
2023-07-14 14:10:41
專利名稱：一種離子注入單晶體寶石呈色的製備方法
技術領域：
本發明的一種離子注入單晶體寶石呈色的製備方法，屬於寶石單晶體材料領域。
背景技術：
自然界中許多有色寶石顏色品質較差，這主要受到內部致色元素含量及其他微量元素存在以及晶體本身缺陷所致。目前廣泛採用的方法是將其酸洗去除內部雜質、高溫熱處理使得致色元素通過高溫熱擴散進入寶石表層，但較高的溫度導致內部出現較大的裂隙，同時用致色元素包覆寶石，擴散速率較慢，其他雜質同時也會影響寶石致色；而通過染色處理的寶石，基本不可用，這是由於染色或電鍍鍍模的寶石僅僅存在於表面而不是表層，時間長會發生脫落、掉色等問題。珠寶市場上以天然寶石昂貴的主要原因是質地較差的寶石不能滿足需求，而經過處理過的寶石其質地、光澤、顏色等方面難以符合要求。
發明內容
本發明針對背景技術中的不足，提供一種離子注入單晶體寶石呈色的製備的方法，得到的寶石呈色穩定、著色均勻、色彩豐富，並不影響寶石的折射率、表面光澤和硬度， 同時能在寶石表面能得到特定的圖案、形狀。本發明的技術方案是是在注入前將包裹層上雕刻出特定的形狀，將寶石晶體表面包裹，使注入離子只在特定形狀的區域進行注入，然後進行熱處理。具體製備步驟包括如下
(1)預製寶石離子注入區域將鋁箔雕刻出寶石需要注入的形狀，然後將鋁箔包裹並壓制在待注入已拋光的寶石表面，外露的寶石表面就是預製的寶石離子注入區域；
(2)注入工藝採用MEVVA源強流金屬離子注入機對待注入的寶石進行飽和注入劑量的注入，(屬於現有技術，注入方式就是將樣品放入注入腔，抽真空後，把需要注入的元素電離成電子，決定要注入離子的種類和束流強度。經過質量分析器選出需要的離子，再經過加速器獲得較高能量後，進行離子注入)，將預製的寶石離子注入區域注入需要添加的金屬元素，注入寶石表面的深度為0. 1 0. 5 μ m，注入工藝的參數為注入電壓100 150KeV， 束流密度5 10mA，注入計量根據飽和注入劑量公式計算得到，注入腔保護氣氛為高純氬氣，通過包裹其它晶面而實現對某一晶面方向的注入，也可通過旋轉注入腔體內樣品託盤方向，對各個晶面方向進行注入。(3)燒結工藝將注入後的樣品在空氣氣氛下進行熱處理，溫度為寶石熔點的 0. 1 0. 2倍，保溫1 4小時後隨爐冷卻至室溫，即可得到呈色的離子注入單晶體寶石。所述鋁箔中鋁的純度為99wt%以上，鋁箔的厚度大於500 μ m。所述寶石為天然或合成寶石中近無色、或者色調淺的寶石，寶石內部成分之一為氧。所述添加的金屬為過渡族金屬元素i^e、Ti、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、V、Nb中的任意一種。所述步驟(2)中的注入計量為注入劑量為飽和注入劑量，該注入劑量的計算方法為
其中Π(1為基體的原子密度，Rf是平均投影射程，是標準偏差，Y表示濺射係數，是
指每個入射粒子所打出的靶原子數，可通過離子注入投影射程表查得。當需要整塊寶石呈現相同顏色，而沒有特定形狀時或特定晶面時，則不需要進行鋁箔包裹，只需要將寶石表面拋光後進行各個晶面方向的注入，然後依次進行步驟(2)和步驟(3)操作，即可得到呈色寶石。本發明的優點和積極效果
(1)、與常規寶石優化處理方法相比，不需要化學試劑浸泡，熱處理溫度低，工藝周期短，避免了過高溫度對寶石晶體的破壞，過程對環境無汙染或少汙染，離子注入設備能同時對大量寶石進行注入，成本低；
(2)先成型，後致色，避免了常規熱擴散處理後寶石再成型的所引起的顏色分布不均一、長時間使用易脫色等問題，避免了常規熱擴散處理寶石表面由於與擴散物質接觸，表面加工後產生的凹坑；
(3)可人為的摻雜進任何元素，能有效控制摻雜物的數量和純度，避免其他雜質在熱處理過程中進入寶石晶體，呈色穩定、著色均勻、色彩豐富，並不影響寶石的折射率、表面光澤和硬度，同時能在寶石表面能得到特定的圖案、形狀，可實現選區致色和呈現特定的圖案圖形。
圖1為本發明為特定形狀的鋁箔和寶石； 圖2為本發明為寶石注入後的特定圖案。
具體實施例方式
實施例1
(1)預製寶石離子注入區域將鋁箔雕刻出寶石需要注入的形狀，然後將厚度為 600 μ m的鋁箔包裹並壓制在待注入已拋光的寶石表面，外露的寶石表面就是預製的寶石離子注入區域；寶石為無色剛玉。(2)注入工藝採用MEVVA源強流金屬離子注入機對待注入的寶石進行飽和注入劑量的注入，將預製的寶石離子注入區域注入金屬元素Ti，Ti離子飽和注入劑量為 3X1015ion/Cm2。進行某一晶面的注入，注入寶石表面的深度為0. Ιμπι，注入工藝的參數為 注入電壓lOOKeV，束流密度8mA。(3)燒結工藝將注入後的樣品在空氣氣氛下進行熱處理，溫度為寶石熔點的0. 1 倍，保溫3小時後隨爐冷卻至室溫，即可得到呈色的離子注入單晶體寶石。(如圖1和圖2 所示)
實施例2
(1)預製寶石離子注入區域將鋁箔雕刻出寶石需要注入的形狀，然後將厚度為大於 500 μ m的鋁箔包裹並壓制在待注入已拋光的寶石表面，外露的寶石表面就是預製的寶石離子注入區域；寶石為天然色調淺水晶晶體。(2)注入工藝採用MEVVA源強流金屬離子注入機對待注入的寶石進行飽和注入劑量的注入，將預製的寶石離子注入區域注入金屬元素狗，狗離子飽和注入劑量 4X1015ion/cm2o進行某一晶面的注入，注入寶石表面的深度為0. 4 μ m，注入工藝的參數為 注入電壓120KeV，束流密度5mA。(3)燒結工藝將注入後的樣品在空氣氣氛下進行熱處理，溫度為寶石熔點的 0. 15倍，保溫4小時後隨爐冷卻至室溫，即可得到呈色的離子注入單晶體寶石。實施例3:
(1)預製寶石離子注入區域將鋁箔雕刻出寶石需要注入的形狀，然後將厚度為 700 μ m的鋁箔包裹並壓制在待注入已拋光的寶石表面，外露的寶石表面就是預製的寶石離子注入區域；寶石為天然色調淺的石榴石。(2)注入工藝採用MEVVA源強流金屬離子注入機對待注入的寶石進行飽和注入劑量的注入，將預製的寶石離子注入區域注入金屬元素Nd，Nd離子飽和注入劑量 2.5X1015ion/Cm2。進行某一晶面的注入，注入寶石表面的深度為0.5μπι，注入工藝的參數為注入電壓150KeV，束流密度10mA。(3)燒結工藝將注入後的樣品在空氣氣氛下進行熱處理，溫度為寶石熔點的0. 2 倍，保溫1小時後隨爐冷卻至室溫，即可得到呈色的離子注入單晶體寶石。實施例4
(1)注入工藝將預置寶石拋光，採用MEVVA源強流金屬離子注入機對待注入的寶石進行飽和注入劑量的注入，將預製的寶石離子各個晶面方向注入金屬元素Cr，Cr離子飽和注入劑量2. 5 X 1015ion/Cm2。進行各個晶面的注入，注入寶石表面的深度為0. 5 μ m，注入工藝的參數為注入電壓150KeV，束流密度10mA。寶石為天然色調淺的石榴石。(2)燒結工藝將注入後的樣品在空氣氣氛下進行熱處理，溫度為寶石熔點的0. 2 倍，保溫1小時後隨爐冷卻至室溫，即可得到呈色的離子注入單晶體寶石。實施例5 與實施例1步驟相同，實施例6: 與實施例2步驟相同，實施例7 與實施例3步驟相同，實施例8 與實施例4步驟相同，實施例9 與實施例1步驟相同，
權利要求
1.一種離子注入單晶體寶石呈色的製備方法，其特徵在於具體製備步驟包括如下(1)預製寶石離子注入區域將鋁箔雕刻出寶石需要注入的形狀，然後將鋁箔包裹並壓制在待注入已拋光的寶石表面，外露的寶石表面就是預製的寶石離子注入區域；(2)注入工藝採用MEVVA源強流金屬離子注入機對待注入的寶石進行飽和注入劑量的注入，將預製的寶石離子注入區域注入需要添加的金屬元素，進行某一晶面的注入或各個晶面的注入，注入寶石表面的深度為0. 1 0. 5 μ m，注入工藝的參數為注入電壓100 150KeV，束流密度5 IOmA ；(3)燒結工藝將注入後的樣品在空氣氣氛下進行熱處理，溫度為寶石熔點的0.1 0. 2倍，保溫1 4小時後隨爐冷卻至室溫，即可得到呈色的離子注入單晶體寶石。
2.根據權利要求書1所述的離子注入單晶體寶石呈色的製備方法，其特徵在於所述鋁箔的厚度大於500 μ m。
3.根據權利要求書1所述的離子注入單晶體寶石呈色的製備方法，其特徵在於所述天然或合成寶石中近無色、或者色調淺的寶石，寶石內部成分之一為氧。
4.根據權利要求書1所述的離子注入單晶體寶石呈色的製備方法，其特徵在於所述添加的金屬為過渡族金屬元素!^e、Ti、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、V、Nb中的任意一種。
5.根據權利要求書1所述的離子注入單晶體寶石呈色的製備方法，其特徵在於當需要整塊寶石呈現相同顏色，而沒有特定形狀時或特定晶面時，則不需要進行鋁箔包裹，只需要將寶石表面拋光後進行各個晶面方向的注入，然後依次進行步驟(2)和步驟(3)操作，即可得到呈色寶石。
全文摘要
本發明提出一種離子注入單晶體寶石呈色的製備方法，屬於寶石單晶體材料領域。採用離子注入和熱處理相結合對寶石單晶體進行顏色優化的方法，通過將寶石單晶體表面進行拋光、採用高能離子束注入致色元素，在寶石晶體表層0.1um-0.5um範圍內造成一種晶體色心缺陷，在寶石單晶體對應熔點溫度Tm的0.1-0.2倍範圍內進行熱處理。本發明能避免常規寶石單晶體顏色優化過程中所面臨的熱處理溫度高、使用過程中的表層易脫落的問題，是一種呈色穩定、著色均勻、色彩豐富的著色方法，並不影響寶石的折射率、表面光澤和硬度，同時能在寶石表面能得到特定的圖案、形狀。
文檔編號C30B29/20GK102492988SQ20111044907
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者於傑, 葉未, 唐雪蓮, 楊淼, 祖恩東, 陳敬超 申請人:昆明理工大學