彩色玻璃仿钻石、仿宝石、仿玉石及琉璃的生产和应用

如题所述

印保忠　胡百柳

第一作者简介：印保忠，中宝协第三届人工宝石专业委员会高级顾问，原中国科学院上海硅酸盐研究所研究员。

一、引言

随着人们物质文明和精神文明的提高，人们对自身的形象要求相应地也越来越高，配备的饰物不再单纯地从保值或增值的角度考虑，而是逐步向与服饰、爱好、场合等因素匹配着眼，因此希望饰物、备件多样化。同时，天然的钻石、宝石、玉石等矿物资源日益稀缺，故价格更趋昂贵，而且色调、形状、均匀性均受到很大的限制。因而，人们对人工宝石的需求更为迫切，还希望品种丰富，绚丽多彩，形象逼真，价格低廉。目前，用无机非晶态材料或玻璃来仿制品类众多的无色或彩色天然宝石和玉石，已经可以达到以假乱真的程度，在外形和物化性能方面能通过组分的调节，使产品与天然矿石加工品难分伯仲，因为玻璃可以制成均相的非晶态，也能成为多相的含有液滴、微量金属颗粒的材料。这样，能使广大佩戴饰物的时尚人士温文儒雅，更显风范，自我感觉身心愉悦，满足了日益增长的爱美心理需求，品类选择的范围庞大，经济上的花费不多，使人民的生活质量更臻完美。

本文简单介绍玻璃仿钻石（民间俗称水钻）、仿各种彩色宝石、仿玉石和琉璃的工艺原理及市场上相应产品的应用。

二、工艺原理

玻璃不像人工合成宝石要求严格。众所周知，诸如合成红宝石、合成蓝宝石或合成水晶等，要求化学组成和物化性质同天然的一致。这些产品在人工控制的条件下，可使杂质含量降到极低，因此，有些人工合成产品的理化性能更优于天然品，应用于尖端科技与国防工业，像制造半导体芯片的基材合成水晶。如果用玻璃来仿制各类天然宝玉石，则偏重于表观相似，不要求化学组成相同，在密度、硬度等理化性能等方面只要求手感相近即可。制成同仿制对象表观相近的玻璃基块后，尚需要研磨成与天然宝石一样的多面体，在自然光下从各种角度观察比较，再在化学组成方面作些微调，就能制成与天然宝石非常相似的仿制宝石产品。

熔制仿制宝石产品的玻璃基材，可以在实验室用电炉，以及铂金或刚玉坩埚操作，质量易控制，性能优良，重复性好，但产量偏低，成本高。通常在工厂用大容量的甏或小型池炉生产，只要在操作流程中严格按照工艺要求，就能获得合格的基材。

对原料的选择，总的要求是铁等杂质含量尽可能低，方能使产品的色泽鲜艳，晶莹剔透。

材料中氧化物组分的引进，选择的矿物原料和化工原料需根据仿制对象和熔制时的气氛要求而变更，例如氧化铝可以分别由氧化铝、氢氧化铝和长石引进，但在特定条件下只能用其中的一种；红色或金黄色一般可选用硒和硫化镉为原料，但在高含量氧化铅的系统却不适用；同样，有些绿色的产品也只能从氧化铜、硫酸铜和氧化亚铜等选择一种或组合作为引进着色剂的原料。

熔制玻璃的温度大约1400℃，因材料的化学组成变更需作相应的调节，而熔制时间的长短将有更大范围的选择。

三、结果与讨论

1.玻璃仿钻石

常见的玻璃仿钻石是无色透明的，民间俗称“水钻”，也可以是彩色的。这些玻璃仿钻石品主要用作装饰品，价格低廉。对其材料的理化性能目前仅见是经过镀膜加金属基片后产品的综合数据，没有报道对玻璃基材的精确数值。去年，中国科学院上海硅酸盐研究所研究人员协助浙江省企业消化、吸收和国产化（创新）从捷克引进的半机械化玻璃仿钻石研磨设备和工艺技术以及玻璃材质。讨论中，捷克专家组对玻璃基材的性能也没有明确提出更高的要求。我们认为，熔制玻璃基材的原料中铁杂质含量要低，使制成的玻璃高度透明无色，并且没有条纹和小气泡，充分均匀一致达到光学玻璃即可，但化学稳定性需良好，因玻璃粒料研磨成17个面或其他形状的半成品后需经过酸、碱溶液处理后镀银膜等工艺过程。其工艺品见图1。

图1 玻璃仿钻石（俗称水钻）工艺品

如果品种单一，无色透明玻璃仿钻石的基材玻璃由于用量大，可以用工厂的窑炉，甚至是小型池炉生产。对生产多种彩色玻璃仿钻石的玻璃基材可以根据用量大小和颜色的多少选择窑炉或实验室的稍大电炉熔制，用量小或颜色品种多等都不适宜用小池炉生产，因炉内剩余的彩色玻璃要完全洗净是较困难的，因有些无机着色剂（印保忠等，1982;Baozhong Yin et al.,1982,1983）的着色能力是非常强的。

根据对玻璃仿钻石装饰的晶莹闪亮要求，应该使玻璃基材的折射率尽可能高些，但要保持一定的黏度使其易成形操作，料性要长又不能有析晶倾向，另外，成本也应考虑，毕竟玻璃仿钻石的价格不高，而是以数量大而获取丰厚利润的。

2.玻璃仿彩色宝石

用玻璃仿各类彩色宝石的工作，前后经历的时间很长，跨度很大，因其涉及的颜色系列丰富，每种色系内要按照颜色的深浅和明暗的实样要求作了很多细分。有的颜色系列产品对工艺过程中的熔制气氛非常灵敏，稍偏氧化气氛会使着色剂褪色甚至无色；相反，有的组分在稍偏还原的气氛中就不显色。若要产品的色彩具有良好的重复性，就需在工艺操作中严格按照规则进行。有些工厂觅得一些料单后，不知其所以然地照搬，以致产品每次的色系不同，无法重复，就以“超市”形式销售，制成品为一次性供应。

在实验室或工厂熔制成初步合适的无条纹和气泡的均匀玻璃块后，要请切割、研磨单位加工成由销售商提供的宝石同样规格和尺寸的仿制宝石，在自然光下从各个角度观察二者的细微差异，再作调整，力求一致。因此，除玻璃的材质同仿制对象具有相似密度、尽可能接近的硬度外，尚需精确调制着色剂的品种和数量。有时，一种彩色玻璃中需用着色剂的数量是很微小，但需三种以上组合才能达到仿制效果逼真的程度。图2是部分玻璃仿彩色宝石的戒面样品。

图2 彩色玻璃仿宝石戒面

经多年的努力，珠宝首饰市场上已经有很多玻璃仿彩色宝石品种，琳琅满目，美不胜收，形成了一定的商业规模。

美国一位著名艺术家对其工作小组制造大型玻璃艺术品时玻璃基质的要求是：瓷性彩色玻璃均匀无气泡、无条纹；颜色鲜艳，品种多；各种彩色瓷性玻璃之间的热膨胀相差小于±1，实际要求是近乎零；每锅玻璃都需附上膨胀系数应力示差偏光镜测定数据；玻璃材料的表面张力不能偏小，使玻璃间熔接面的边界清晰整齐，其他还有严格的尺寸和规格的技术要求。这些也是我们生产彩色玻璃仿宝石基质的要求。

我们在上述彩色玻璃仿宝石的工作基础上，在彩色玻璃生产料中增加了产生瓷性的组分，制成客户要求的产品，外商已在美、澳成立经销公司，向欧美国家市场提供我国生产的商品。

3.玻璃仿玉石

用玻璃仿玉石，首先要使玻璃乳化。欲使玻璃乳化，需要向玻璃生产料中引入一定数量的乳化剂组分，或利用化学组分之间彼此不相溶性（印保忠等，1984），随着熔体的温度下降而呈现分相，可因基体与分布其中的微分散相之间的折射率不同，制成不透明或半透明的乳浊玻璃。若要仿制玉石则要控制材料中微粒状乳化剂的数量和尺寸，不能太多更不能长大。

为了工艺操作方便，流程简单，一般采用添加少量的乳化剂和防止其微晶或微气泡长大的组分。在熔制工艺中需很好地控制温度不能过高，时间更不应过长，以免乳化剂在熔制中消失殆尽。

图3 仿玉石工艺品

这样制得的材料可仿制成仿玉石类品种（图3）。若要带有色彩（印保忠等，1992），就需在材料的组成中，预先添加微量的着色剂。我们曾经仿制过浅灰绿色新疆和田玉串珠，出口邻近国家。以上工艺在后加工操作中，要避免将材料中的乳化剂微晶或微气泡同玻璃材质一起被拉制成长纤维，因为二者的折射率相差较明显，即使是无规律性排列，也会使最后的商品在自然光的照耀下，在一定的角度出现猫眼效应。

4.琉璃

琉璃在我国古代就有，实际上就是现代的彩色含铅玻璃。我国的古代艺人在制作琉璃艺术品时具有高超的技艺，使琉璃艺术品非常精美。但在很长一段时间里，我们见不到这些琉璃艺术品在市场流通。在几位台湾艺人的倡导下，我们进行了研制，并取得了成功，使中国古时的琉璃艺术品得以重现，并且有了新的发展和新的创意。近年来，市场上已有很多琉璃艺术品在销售，有的成为馆藏品，有的作为贵宾的名贵礼品，其中，王侠军集团和杨惠珊、张毅集团制作的琉璃艺术品创意尤为突出。

图4 琉璃

生产琉璃的工艺要求是很高的，因为这类氧化铅组分含量很高的“水晶”玻璃，使稍具还原性气氛要求的常用着色剂无法使用，它会使彩色玻璃的颜色变暗甚至成灰色，经脱蜡铸造后色彩会更差。目前，对氧化铅组分的含量还在向高的方向发展，国内成熟的是铅含量稍低的一类，因为组分一变，相应的工艺参数要随之而动，诸如酸抛光处理的浓度和时间、烧结温度等都要变。

对琉璃材料的要求是线性膨胀系数一致，密度相近，使玻璃粉末在烧结过程中不至于出现不均匀性或呈现焊接面。

琉璃主要用作工艺品，但也可用来作加工成宝石等装饰品的原料，因其折射率较高，能使研磨后的产品晶莹明亮，也可充分利用边角琉璃料作其他用。琉璃原料见图4。

四、结论

1）用玻璃能制成品质优良的仿钻石（俗称水钻）、琉璃的基材，更可以仿制成逼真的天然彩色宝石和玉石，市场上早已有相应的商品和衍生商品，形成了相当规模的门类。在品质的改进方面，尚有很大的潜力。

2）应在玻璃的熔制和成型设备，玻璃仿钻石（俗称水钻）和宝玉石的研磨加工的技术研究和装备改良方面增加投资和创新开发，就会使产品的质量和成品率稳定在很高的水准，成本会更大幅下降，利润会更高。

参考文献

印保忠，郭常霖，陆昌伟.1986.金红玻璃显色过程的研究.硅酸盐学报，14（1）:88.

印保忠，黄熙怀.1984.渗碳玻璃的X射线研究.硅酸盐学报，12（3）:313.

印保忠，赵晓为，马礼敦 .1992.硒－砷玻璃结构的EX-AFS研究.无机材料学报，7（3）:281.

BaoZhong Yin.1982.The size of silver halide crystallites precipitated in photochromic glass.J.Non-crysta.Solids,52:567.

BaoZhong Yin,Juyun Shen.1983.Study of photochromic glass by SAXS.Glastech.Ber,56:986.