阅读说明：本技术 一种大腔体压机制备宝石级矿物烧结体的方法 (Method for preparing gem-grade mineral sintered body by large-cavity press ) 是由 刘兆东 侯旭远 刘冰冰 姚明光 尚宇琛 陈陆瑶 沈方韧 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明的一种大腔体压机制备宝石级矿物烧结体的方法,属于功能材料制备的技术领域。制备方法包括微米级氧化物颗粒的混合、初始玻璃的制备、样品仓的特殊设计、利用大腔体压机的高温高压反应、淬火、抛光等步骤。本发明能够制备毫米尺寸宝石级矿物烧结体,制备的样品烧结完好致密,呈透明或半透明状,样品表明无裂缝,可稳定存在于常温常压环境中；本发明操作简单,无生物毒性,对于研究宝石级矿物的弹性、电导率等物理和化学性质以及工业应用具有重要意义。(The invention discloses a method for preparing a gem-grade mineral sintered body by using a large-cavity press, and belongs to the technical field of functional material preparation. The preparation method comprises the steps of mixing micron-sized oxide particles, preparing initial glass, specially designing a sample bin, utilizing a large-cavity press to perform high-temperature and high-pressure reaction, quenching, polishing and the like. The method can prepare the millimeter-sized gem-grade mineral sintered body, the prepared sample is well and compactly sintered and is transparent or semitransparent, and the sample shows no crack and can stably exist in the normal-temperature and normal-pressure environment; the method is simple to operate, has no biological toxicity, and has important significance for researching physical and chemical properties of the gem grade minerals such as elasticity, conductivity and the like and industrial application.)

一种大腔体压机制备宝石级矿物烧结体的方法

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，具体涉及一种大腔体压机制备宝石级矿物烧结体的方法。

背景技术

随着科学技术的发展以及人类物质水平的提升，人类对宝石的需求也逐渐增加，而且宝石可以广泛地应用于工业科技以及生活中，然而天然宝石的资源有限，因此人工合成宝石级矿物是一项重要的路径。研究发现大腔体压机可以通过在高温高压的极端环境下，使疏松材料在高压下压制致密，高温下重新成核生长烧结，因此是制备大尺寸宝石级矿物的重要的工具之一。目前，大腔体压机可以制备直径和高度为1cm的纳米聚晶金刚石以及2-3mm的聚晶立方氮化硼，而且可以应用到切割工具以及计算机行业。

目前，制备宝石级矿物烧结体主要是在低温低压的环境下烧结，虽然烧结的尺寸较大，但烧结体的颗粒尺寸较大，导致致密性较差，会出现裂痕，因此严重影响烧结体的物理性质，包括硬度、韧性和弹性等性质。大腔体压机的高温高压固体反应法可以克服上述缺点。目前利用大腔体压机的高压技术制备了几种烧结致密体(如纳米聚晶金刚石和立方氮化硼)，但在高压下合成高质量的宝石级矿物烧结体一直非常困难，高压会导致多余高压相的产生以及应力产生，由于应力的存在，高温高压烧结体非常容易碎裂，从而阻碍了样品的物性研究。因此，合成高质量、大尺寸和宝石级的矿物烧结体，并探索其与结构有关的新功能，对固体化学、物理以及材料科学都具有重要意义。

发明内容

为了克服背景技术中存在的不足，本发明提供一种利用大腔体压机制备大尺寸宝石级致密烧结体的方法。

本发明的技术方案如下：

一种利用大腔体压机制备宝石级矿物烧结体的方法，有以下步骤：

1)取晶粒尺寸为小于3μm的微米级别的氧化镁、二氧化硅和其它金属氧化物，按所要制备的目标矿物烧结体的化学计量比混合，在1700℃保温10～30分钟，淬火到水或者液氮中，获得初始玻璃材料；

2)将所得的初始玻璃材料研磨成微米粉，放入圆柱模具中，压制成圆柱体；

3)用金管或氮化硼做样品仓，将步骤2)所制备的圆柱体放入样品仓，利用大腔体压机加压到15～25GPa，加热到900～1700℃，保温保压1～2小时；

4)淬火到室温，或者快速降温到400～500℃，在室温或者400～500℃的温度保持下，卸压12～15小时至室压。

5)取出样品，样品表面用微米级金刚石抛光液抛光至晶面，得到宝石级矿物烧结体。

在步骤1)中，所述的其它金属氧化物优选Fe₂O₃和/或Al₂O₃。

在步骤5)中，所用的金刚石抛光液优选1～3μm的金刚石抛光液。

有益效果：

1、本发明能够制备宝石级矿物烧结体，所制备的样品为纯相，尺寸达到1～2毫米级别。

2、本发明制备的矿物烧结体，烧结完好致密，呈透明或半透明状，样品表明无裂缝。

3、本发明制备的矿物烧结体可稳定存在于常温常压环境中。

4、本发明操作简单，无生物毒性。

5、本发明对于研究矿物烧结体的晶体结构和与结构有关的物理性质，并探索其与结构有关的新功能具有重要意义。

附图说明

图1是本发明所使用的高温高压设备组装设计示意图。

图2是实施例1和实施例2制备的宝石级烧结矿物MgSiO₃和Mg₃Al₂Si₃O₁₂石榴石的光学照片。

图3是实施例3制备的宝石级烧结矿物MgSiO₃钙钛矿的光学照片。

图4是实施例4制备的宝石级烧结矿物(Mg_0.9Fe_0.1)(Al_0.1Si_0.9)O₃钙钛矿的光学照片。

图5是实施例5制备的宝石级烧结矿物Mg_0.95Al_0.1Si_0.95O₃秋本石的光学照片。

图6是实施例1和实施例2制备的烧结石榴石XRD光谱图。

图7是实施例3～5制备的烧结秋本石和钙钛矿的XRD光谱图。

图8是实施例1、2、4、5制备的石榴石、秋本石和钙钛矿相的二次电子扫描图。

具体实施方式

下面结合具体实施来进一步阐述本发明。

实施例1

合成MgSiO₃石榴石需用晶粒尺寸小于1μm的MgO、SiO₂，按1∶1的摩尔比或约1∶1.149的质量比制备初始混合物。放入金属铂锅，放置到高温炉中，加热到1700℃，保温30分钟，然后淬火到水里或者液氮中，获得玻璃。将玻璃充分研磨至微细的粉末，放入金的样品仓，放入氧化镁柱中，并装入热电偶，然后套上铼加热管，以及铬酸镧隔热管，最后放入棱长7或者10mm掺铬氧化镁八面体的传压介质中(如图1所示)。将整体放入组装块中，组装块是由八个截角边长为3或者5mm的碳化钨立方块组成，使用的设备为Walker-type 1000ton的大腔体压机。合成MgSiO₃石榴石所需的合成压力与温度为18GPa和1600℃，保温时间为3个小时。然后快速降温到400～500℃，12～15个小时内卸载压力，至低压淬火，后卸压到室压。

样品合成后，使用光学显微镜观察，如图2(左)所示，合成样品晶体烧结完好致密，透明。样品表面无裂缝。使用微区X射线衍射仪(XRD)(Co阳极工作电压和电流分别为40kV和500mA)鉴定合成样品的相，如图6所示，样品的XRD衍射图谱表明，所有衍射峰均可与理论的矿物相对应，都为单一的矿物相，没有其他杂质。使用JEOL JXA-8200扫描电子探针显微分析仪分析相组成，产物是单一相，矿物的颗粒尺寸1～5μm，如图8所示。

实施例2

合成Mg₃Al₂Si₃O₁₂石榴石需用晶粒尺寸小于1μm的MgO、SiO₂、Al₂O₃，按3∶3∶1的摩尔比或约1∶1.491∶0.843的质量比制备初始混合物。放入金属铂锅，放置到高温炉中，加热到1700℃，保温30分钟，然后淬火到水里或者液氮中，获得玻璃。将玻璃充分研磨至微细的粉末，放入金的样品仓，放入氧化镁柱中，并装入热电偶，然后套上铼加热管，以及铬酸镧隔热管，最后放入棱长7或者10mm掺铬氧化镁八面体的传压介质中(如图1所示)。将整体放入组装块中，组装块是由八个截角边长为3或者5mm的碳化钨立方块组成，使用的设备为Walker-type 1000ton的大腔体压机。合成Mg₃Al₂Si₃O₁₂石榴石所需的合成压力与温度为18GPa和1600℃，保温时间为3个小时。然后快速降温到400～500℃，12～15个小时内卸载压力，至低压淬火，后卸压到室压。

样品合成后，使用光学显微镜观察，如图2(右)所示，合成样品晶体烧结完好致密，透明。样品表面无裂缝。使用微区X射线衍射仪(XRD)(Co阳极工作电压和电流分别为40kV和500mA)鉴定合成样品的相，如图6所示，样品的XRD衍射图谱表明，所有衍射峰均可与理论的矿物相对应，都为单一的矿物相，没有其他杂质。使用JEOL JXA-8200扫描电子探针显微分析仪分析相组成，产物是单一相，矿物的颗粒尺寸1～5μm，如图8所示。

实施例3

合成MgSiO₃钙钛矿需用晶粒尺寸小于1μm的MgO、SiO₂，按1∶1的摩尔比或约1∶1.149的质量比制备初始混合物。放入金属铂锅，放置到高温炉中，加热到1700℃，保温30分钟，然后淬火到水里或者液氮中，获得玻璃。将玻璃充分研磨至微细的粉末，放入金的样品仓，放入氧化镁柱中，并装入热电偶，然后套上铼加热管，以及铬酸镧隔热管，最后放入棱长7或者10mm掺铬氧化镁八面体的传压介质中(如图1所示)。将整体放入组装块中，组装块是由八个截角边长为3或者5mm的碳化钨立方块组成，使用的设备为Walker-type 1000ton的大腔体压机。合成MgSiO₃钙钛矿所需的合成压力与温度为25GPa和1700℃，保温时间为2个小时。然后淬火，卸压到室压。

样品合成后，使用光学显微镜观察，如图3所示，合成样品晶体烧结完好致密，样品表面无裂缝。使用微区X射线衍射仪(XRD)(Co阳极工作电压和电流分别为40kV和500mA)鉴定合成样品的相，如图7所示，样品的XRD衍射图谱表明，所有衍射峰均可与理论的矿物相对应，都为单一的矿物相，没有其他杂质。

实施例4

合成(Mg_0.9Fe_0.1)(Al_0.1Si_0.9)O₃钙钛矿需用晶粒尺寸小于1μm的MgO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃按0.9∶0.9∶0.05∶0.05的摩尔比或约1∶1.491∶0.141∶0.220的质量比制备初始混合物。放入金属铂锅，放置到高温炉中，加热到1700℃，保温30分钟，然后淬火到水里或者液氮中，获得玻璃。将玻璃充分研磨至微细的粉末，放入金的样品仓，放入氧化镁柱中，并装入热电偶，然后套上铼加热管，以及铬酸镧隔热管，最后放入棱长7或者10mm掺铬氧化镁八面体的传压介质中(如图1所示)。将整体放入组装块中，组装块是由八个截角边长为3或者5mm的碳化钨立方块组成，使用的设备为Walker-type 1000ton的大腔体压机。合成(Mg_0.9Fe_0.1)(Al_0.1Si_0.9)O₃钙钛矿所需的合成压力与温度为25GPa和1700℃，保温时间为2个小时。然后淬火，卸压到室压。

样品合成后，使用光学显微镜观察，如图4所示，合成样品晶体烧结完好致密，样品表面无裂缝。使用微区X射线衍射仪(XRD)(Co阳极工作电压和电流分别为40kV和500mA)鉴定合成样品的相，如图7所示，样品的XRD衍射图谱表明，所有衍射峰均可与理论的矿物相对应，都为单一的矿物相，没有其他杂质。使用JEOL JXA-8200扫描电子探针显微分析仪分析相组成，产物是单一相，矿物的颗粒尺寸约1μm，如图8所示。

实施例5

合成Mg_0.95Al_0.1Si_0.95O₃秋本石需用晶粒尺寸小于1μm的MgO、SiO₂、Al₂O₃按0.95∶0.95∶0.05的摩尔比或约1∶1.491∶0.133的质量比制备初始混合物。放入金属铂锅，放置到高温炉中，加热到1700℃，保温30分钟，然后淬火到水里或者液氮中，获得玻璃。将玻璃充分研磨至微细的粉末，放入金的样品仓，放入氧化镁柱中，并装入热电偶，然后套上铼加热管，以及铬酸镧隔热管，最后放入棱长7或者10mm掺铬氧化镁八面体的传压介质中(如图1所示)。将整体放入组装块中，组装块是由八个截角边长为3或者5mm的碳化钨立方块组成，使用的设备为Walker-type 1000ton的大腔体压机。合成Mg₃Al₂Si₃O₁₂石榴石所需的合成压力与温度为22GPa和900℃，保温时间为1个小时。然后快速降温到400～500℃，12～15个小时内卸载压力，至低压淬火，后卸压到室压。

样品合成后，使用光学显微镜观察，如图5所示，合成样品晶体烧结完好致密，样品表面无裂缝。使用微区X射线衍射仪(XRD)(Co阳极工作电压和电流分别为40kV和500mA)鉴定合成样品的相，如图7所示，样品的XRD衍射图谱表明，所有衍射峰均可与理论的矿物相对应，都为单一的矿物相，没有其他杂质。使用JEOL JXA-8200扫描电子探针显微分析仪分析相组成，产物是单一相，矿物的颗粒尺寸约1～5μm，如图8所示。

由以上实施例可以看出，本发明通过大腔体压机的高温高压技术，制备了大尺寸、高质量、透明或者半透明且没有裂痕的宝石级烧结矿物。本发明操作简单，无生物毒性，为宝石级矿物的合成以及未来应用提供了一条新途径。