Verneuils metod
Verneuilmetoden (eller Verneuilprocessen eller Verneuiltekniken ), även kallad flammafusion , var den första kommersiellt framgångsrika metoden för tillverkning av syntetiska ädelstenar , utvecklad i slutet av 1883 av den franske kemisten Auguste Verneuil . Det används främst för att producera rubin- , safir- och padparadscha -varianterna av korund , såväl som diamantsimulatorerna rutil , strontiumtitanat och spinell. Principen för processen går ut på att smälta ett fint pulveriserat ämne med hjälp av en syreväteflamma och kristallisera de smälta dropparna till en boll . Processen anses vara grundsteget för modern industriell kristalltillväxtteknologi och är fortfarande i stor användning än i dag.
Historia
Sedan studierna av alkemi började har det gjorts försök att syntetiskt producera ädelstenar, och rubin , som är en av de uppskattade kardinalpärlorna , har länge varit en främsta kandidat. På 1800-talet uppnåddes betydande framsteg, med den första rubinen som bildades genom att smälta samman två mindre rubiner 1817, och de första mikroskopiska kristallerna skapade av aluminiumoxid (aluminiumoxid) i ett laboratorium 1837. År 1877 hade kemisten Edmond Frémy tagit fram en effektiv metod för kommersiell rubintillverkning genom att använda smältbad av aluminiumoxid, vilket ger de första syntetiska stenarna av ädelstenskvalitet. Den parisiske kemisten Auguste Verneuil samarbetade med Frémy för att utveckla metoden, men fortsatte snart med att självständigt utveckla flamfusionsprocessen, som så småningom skulle komma att bära hans namn.
En av Verneuils inspirationskällor för att utveckla sin egen metod var uppkomsten av syntetiska rubiner som såldes av en okänd köpman i Genève 1880. Dessa "Geneve-rubiner" avfärdades som konstgjorda på den tiden, men tros nu vara de första rubiner som producerats av flamfusion, som föregick Verneuils arbete med processen med 20 år. Efter att ha undersökt "Geneve-rubinerna" kom Verneuil till slutsatsen att det var möjligt att omkristallisera finmalen aluminiumoxid till en stor ädelsten. Denna insikt, tillsammans med tillgången på den nyligen utvecklade syrevätefacklan och den växande efterfrågan på syntetiska rubiner, ledde till att han designade Verneuil-ugnen, där finmald renad aluminiumoxid och kromoxid smältes av en låga på minst 2 000 °C (3 630 °C) F), och omkristalliserades på ett stöd under lågan, vilket skapar en stor kristall. Han tillkännagav sitt arbete 1902 och publicerade detaljer som beskriver processen 1904.
År 1910 hade Verneuils laboratorium expanderat till en produktionsanläggning med 30 ugnar, där den årliga ädelstensproduktionen genom Verneuil-processen hade nått 1 000 kg (2 200 lb) 1907. År 1912 nådde produktionen 3 200 kg (7 100 lb) och skulle fortsätta att nå 200 000 kg (440 000 lb) 1980 och 250 000 kg (550 000 lb) 2000, ledd av Hrand Djevahirdjians fabrik i Monthey , Schweiz , grundad 1914. De 9 mest anmärkningsvärda förbättringarna gjordes av SK1, Pop. som hjälpte till att etablera förmågan att producera högkvalitativa safirer i Sovjetunionen under de kommande 20 åren. En stor produktionskapacitet etablerades också i USA under andra världskriget , när europeiska källor inte var tillgängliga, och juveler var i hög efterfrågan för sina militära applikationer som för klockor.
Processen designades främst för syntes av rubiner, som blev den första ädelstenen som tillverkades i industriell skala. Men Verneuil-processen kunde också användas för produktion av andra stenar, inklusive blå safir , som krävde oxider av järn och titan för att användas i stället för kromoxid, såväl som mer utarbetade sådana, såsom stjärnsafirer , där titaniumoxid ( titandioxid ) tillsattes och boulen hölls i värmen längre, vilket tillät rutilnålar att kristallisera inuti den. 1947 Linde Air Products- avdelningen av Union Carbide banbrytande för användningen av Verneuil-processen för att skapa sådana stjärnsafirer, tills produktionen avbröts 1974 på grund av konkurrens från utlandet.
Trots vissa förbättringar i metoden förblir Verneuil-processen praktiskt taget oförändrad till denna dag, samtidigt som den behåller en ledande position inom tillverkning av syntetiska korund- och spinellädelstenar . Dess mest betydande bakslag kom 1917, när Jan Czochralski introducerade Czochralski-processen , som har hittat många tillämpningar inom halvledarindustrin , där det krävs en mycket högre kvalitet på kristaller än vad Verneuil-processen kan producera. Andra alternativ till processen dök upp 1957, när Bell Labs introducerade den hydrotermiska processen , och 1958, när Carroll Chatham introducerade fluxmetoden . 1989 utvecklade Larry P Kelley från ICT, Inc. också en variant av Czochralski-processen där naturlig rubin används som "matningsmaterial".
Bearbeta
En av de mest avgörande faktorerna för att framgångsrikt kristallisera en konstgjord ädelsten är att erhålla mycket rent utgångsmaterial, med minst 99,9995 % renhet. När det gäller tillverkning av rubiner, safirer eller padparadscha är detta material aluminiumoxid. Närvaron av natriumföroreningar är särskilt oönskad, eftersom det gör kristallen ogenomskinlig . [ Citat behövs ] Men eftersom bauxiten från vilken aluminiumoxid erhålls mest troligt sker genom Bayer-processen (vars första steg introducerar kaustiksoda för att separera Al 2 O 3 ) måste särskild uppmärksamhet ägnas åt råvaran.
Beroende på önskad färg på kristallen tillsätts små mängder av olika oxider , såsom kromoxid för en röd rubin, eller järnoxid och titanoxid för en blå safir. Andra utgångsmaterial inkluderar titanoxid för framställning av rutil, eller titanyldubbeloxalat för framställning av strontiumtitanat. Alternativt kan små värdelösa kristaller av den önskade produkten användas.
Detta utgångsmaterial pulveriseras fint och placeras i en behållare i en Verneuil-ugn, med en öppning i botten genom vilken pulvret kan komma ut när behållaren vibreras. Medan pulvret släpps ut syre till ugnen och färdas med pulvret ner i ett smalt rör. Detta rör är placerat i ett större rör, till vilket väte tillförs. Vid den punkt där det smala röret mynnar in i det större, förbränning , med en låga på minst 2 000 °C (3 630 °F) i dess kärna. När pulvret passerar genom lågan smälter det till små droppar, som faller på en lerstav som är placerad nedanför. Dropparna bildar gradvis en sinterkon på staven, vars spets är tillräckligt nära kärnan för att förbli flytande. Det är vid den spetsen som frökristallen så småningom bildas. När fler droppar faller på spetsen, börjar en enda kristall , kallad boule , att bildas, och stödet flyttas långsamt nedåt, vilket gör att basen av kulan kristalliseras, medan dess lock alltid förblir flytande. Bollen är utformad i form av en avsmalnande cylinder, med en diameter som breddar sig bort från basen och förblir så småningom mer eller mindre konstant. Med en konstant tillförsel av pulver och uttag av stödet kan mycket långa cylindriska bollar erhållas. När den väl har tagits bort från ugnen och tillåts svalna delas bollen längs sin vertikala axel för att lätta på det inre trycket, annars kommer kristallen att vara benägen att spricka när stjälken bryts på grund av ett vertikalt delningsplan .
När Verneuil inledningsvis beskrev processen angav ett antal villkor som var avgörande för goda resultat. Dessa inkluderar: en flamtemperatur som inte är högre än vad som är nödvändigt för sammansmältning; alltid hålla den smälta produkten i samma del av syreväteflamman; och reducering av kontaktpunkten mellan den smälta produkten och stödet till en så liten yta som möjligt. Den genomsnittliga kommersiellt producerade boule som använder processen är 13 mm (0,51 tum) i diameter och 25 till 50 mm (0,98 till 1,97 tum) lång och väger cirka 125 karat (25,0 g). Processen kan också utföras med en specialorienterad frökristall för att uppnå en specifik önskad kristallografisk orientering .
Kristaller som produceras av Verneuil-processen är kemiskt och fysiskt likvärdiga med deras naturligt förekommande motsvarigheter, och det krävs vanligtvis kraftig förstoring för att skilja mellan de två. Ett tydligt kännetecken är att Verneuil-kristallen bildas krökta tillväxtlinjer (krökta striae), eftersom den cylindriska boulen växer uppåt i en miljö med hög termisk gradient , medan motsvarande linjer i naturliga kristaller är raka. En annan utmärkande egenskap är den vanliga närvaron av mikroskopiska gasbubblor som bildas på grund av ett överskott av syre i ugnen; ofullkomligheter i naturliga kristaller är vanligtvis fasta föroreningar.
Se även
- Bridgman–Stockbarger-metoden
- Czochralski-metoden
- Float-zone kisel
- Kyropoulos metod
- Laseruppvärmd piedestaltillväxt
- Micro-neddragning
- Shelby Gem Factory
- Nassau, K. (oktober 1969). " Rekonstruerad" eller "Genève" rubin". Journal of Crystal Growth . 5 (5): 338–344. Bibcode : 1969JCrGr...5..338N . doi : 10.1016/0022-0248(69)90035-9 .
- Harris, DC (september 2003). Tustison, Randal W (red.). "En titt in i historien om safirkristalltillväxt" . SPIE:s förfarande . Fönster- och kupoltekniker VIII. 5078 : 1–11. Bibcode : 2003SPIE.5078....1H . doi : 10.1117/12.501428 . S2CID 109528895 .
- Levin, IH (juni 1913). "Syntes av ädelstenar". Journal of Industrial and Engineering Chemistry . 5 (6): 495–500. doi : 10.1021/ie50054a022 .
- Scheel, HJ (april 2000). "Historiska aspekter av kristalltillväxtteknologi". Journal of Crystal Growth . 211 (1–4): 1–12. Bibcode : 2000JCrGr.211....1S . doi : 10.1016/S0022-0248(99)00780-0 .
- Imel, D. (maj 2005). "Vad är det förfarande genom vilket syntetiska rubiner produceras?" (PDF) . Rocksamlaren . 105 (5): 6–8. Arkiverad från originalet (PDF) den 25 oktober 2005.
- RT Liddicoat Jr., Gem , McGraw-Hill AccessScience, januari 2002, sida 2.
- Hughes, RW; Koivula, JI (oktober 2005). "Dangerous Curves: A Reexamination of Verneuil Synthetic Corundum" .