基本信息
- 項目名稱：
- 粉體法再造翡翠的工藝過程研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 天然翡翠資源日趨枯竭，現(xiàn)有資源以緬甸翡翠為主，且大部分質地較差，本文通過利用天然緬甸翡翠邊角料及含雜質過多的低檔翡翠進行粉體法翡翠再造，對工藝過程,影響再造翡翠顏色、密度等主要因素進行了研究。實驗結果表明：放電等離子體(SPS)900℃，7.7KN作用下，所得樣品與天然翡翠較為接近，物相分析表明為NaAl[Si2O6]，硬度為700-1000(HV)。
- 詳細介紹：
- 粉體法再造翡翠工藝過程研究報告 1 實驗方法 實驗以緬甸翡翠中黑色物質多、透明度差和加工剩余邊角料為原料，將翡翠塊料進行初步碎化，用WCF-3型電磁分選儀進行分離，將磁選出的近無色翡翠粉體添加5wt%粘結劑(無鉛硼酸鹽玻璃)和1 wt %致色劑(天然富Cr硬玉)，按照20：1(大小球之比為1：3，大球直徑為3mm，小球直徑為1mm)的球料比放入瑪瑙球磨罐內，采用QM-ISP2型低溫(液氮冷卻至250K)高能球磨機進行粉末細化處理，轉速為500r/min，球磨時間為10h。將翡翠粉末用超聲波壓，100MPa，超聲波的功率調至4千瓦，頻率為20KHz，制得素坯的致密達到密度為理論密度的91.1%，通過LDJ420/1600-250YS 型等靜壓設備壓制樣品，通過SPS-515s型放電等離子體燒結設備和法蘭式高壓反應釜進行燒結。采用EQUINOX 55型傅立葉紅外光譜儀傅里葉紅外光譜儀，D8 ADVANCE X射線衍射儀，HX-1000型顯微硬度計，凈水稱重儀等設備進行檢測。 2 實驗結果 2.1粉體樣品制備與壓制 翡翠中的黑斑、黑帶是由堿性角閃石或者綠輝石造成，其具有弱磁性，嚴重影響材料的透明度和色澤，通過磁選的方法，將對100~200目、80~100目、60~80目的翡翠粉末進行分離，如圖1所示。分離前后粉體內角閃石能大部分去除，如圖1a,b所示。將不同粒度的顆?；旌虾蠹尤肱鹚猁}玻璃和含Cr硬玉，如圖1c所示。將經過超聲波活化的素坯通過SPS燒結Cr離子的擴散更為擴散，使得燒結后綠色較為均一，而通過水熱燒結由于其致密度較低，后期出現(xiàn)開裂，如圖2所示。 2.2 粘結劑及燒結工藝對材料致密度的影響 實驗中采用硼酸鹽玻璃作為粘結劑，測定其轉變溫度Tg=430℃，隨著燒結溫度的升高，不同玻璃含量使樣品致密度發(fā)生較大的變化， SPS在800℃，粘結劑含量為5wt%，壓力15KN燒結致密度達到最大值3.17，而后隨著粘結劑的增加致密度降低。而水熱燒結3wt%時出現(xiàn)極值，而后致密度下降。如圖3所示。圖4討論了不同溫度下SPS燒結壓力與致密度的關系，在粘結劑含量一定(5wt%)的情況下，致密度隨壓力在400-600℃溫度段增加明顯，而600-800℃變化不大，16KN后增加較緩慢，20KN達到理論致密度的96.7%，致密度的增加緩慢時由于存在玻璃相以及氣孔所致。將粘結劑含量5wt%的樣品在800℃，20KN進行SPS燒結，燒結的樣品的硬度約為1200HV，根據(jù)公式HV=3.25HM3[6]，換算成莫氏硬度約為7.2，大于天然翡翠(6.5-7)。這主要是由于高能球磨過的粉體晶粒細小，同時壓制過程中存在較大的應力，SPS燒結速度快，內部儲存的應力無法釋放所致。 3 結論 論文對粉體法再造翡翠的設備要求、工藝過程的研究，結論如下： 1. 800℃、壓強20KN、粘結劑5wt%進行SPS燒結的制品達到理論致密度的96%；400℃、20KN、粘結劑5wt%進行水熱燒結致密度低，不存在羥基振動峰。粘結劑含量大于5wt%，壓力、溫度的提高對致密度的影響不在明顯； 2. SPS燒結再造翡翠莫氏硬度為7.2：較天然翡翠(6.5-7)硬度高，是由于晶粒細化及粉體內部存在較大應力所致； 3. 燒結過程中壓力對硬玉結構轉變產生明顯的影響，壓力越大越有利于結構的穩(wěn)定性，同時SPS燒結速度、粉體內部高應變能及界面處粘結劑的擴散對物相的轉變亦產生影響；
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 本發(fā)明利用日益稀缺的天然翡翠資源，通過放電等離子燒結工藝將天然多晶集合體翡翠粘合，在不改變翡翠晶體結構的基礎上制備出體積大、透明度較高的仿天然翡翠材料。針對技術領域的不足，避免采用合成翡翠過高的壓力和溫度，通過將天然翡翠邊角料細化、磁選、壓制、燒結等工藝最終制得與天然翡翠相近的翡翠制品。
科學性、先進性
- 與共知技術相比所具有的優(yōu)點： 1. 與高溫高壓制備合成翡翠相比，原料準備簡單、工藝流程容易控制、生產周期短、可實現(xiàn)大批量生產，生產過程對環(huán)境無污染或少污染。低溫高能球磨、放電等離子體快速燒結使翡翠原料的晶體結構不被破壞。 2. 能夠有效提高天然稀缺翡翠原材料的利用率，由于目前翡翠加工過程的邊角料大多當做廢物進行處理，通過本技術，可以將所有廢棄邊角料進行回收利用。 3. 由于采用天然翡翠材料，溫度較低，沒有破壞翡翠的結構，同時加入致色元素亦為天然翡翠成分，能夠最大限度接近天然翡翠材料，通過加工可以制備成各種佛像、觀音、鏤空的掛件以及串珠、項鏈等制品。
獲獎情況及鑒定結果
- 本發(fā)明以論文形式于2010年10月21日至24日在江西景德鎮(zhèn)舉辦的第十六屆全國高技術陶瓷學術年會上參展。 該論文在《材料工程》雜志中發(fā)表，被EI檢索。
作品所處階段
- 產品開發(fā)階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 利用該發(fā)明制作的再造翡翠在顏色、顆粒均勻度、光澤、硬度等方面皆能達到寶石級翡翠的要求，從而解決低檔翡翠資源浪費問題。同時，該發(fā)明工藝既能制作小件飾品，也能制作成大型的擺件或家居用品等，造型多變，適用性十分廣泛。對于個人、家庭、大型酒店、娛樂場所以及室外等地都能具有非常大的裝飾和美化作用。在翡翠銷售、室內室外裝飾等方面有廣泛的應用前景和巨大的經濟效應。
同類課題研究水平概述
- 從上個世紀末開始，人們就已進行人工寶石材料的合成研究。在人工合成的眾多名貴的寶石中，由于翡翠所具有的特殊結構，直到1990才能人工合成，但是目前為止所合成的翡翠質地遠遠地不能商業(yè)化。 在過去的一個世紀里，科學工作者們就翡翠的構成原理及合成方面作了大量的工作，同時就性質方面進行了系統(tǒng)地研究，Yoder等人熱力學方面的工作，如翡翠的摩爾體積、熱膨脹、壓縮率及在低溫和高溫下的熱容、熱焓及熵等等，這些工作有非常重要的意義，為翡翠的人工合成提供了理論依據(jù)。 在此基礎上，又由Adams等人計算或用實驗方法測定了翡翠的壓力一溫度穩(wěn)定區(qū)域相圖，這就為翡翠的合成給予了很重要的指導。 近年來，隨著高壓技術的進一步發(fā)展，給人造寶石材料注入了活力，人們又開始探索合成尺寸及質量達到寶石級的人工翡翠。日本的齋藤正敏利用等離子噴鍍技術得到了半透明的翡翠，此方法得到的高品級翡翠可以商業(yè)化，但是成本太高，售價之貴無人問津。本世紀初吉林大學和長春應用化學研究所共同合作研制，在國內首次合成了8mm×3mm的寶石級翡翠，為我國的高壓合成化學領域增添了新內容。 考慮到高壓反應合成翡翠的難點在于晶體結構的轉化，致色元素無法進入晶格，壓力大等等技術難點，因此限制了人造翡翠的發(fā)展。因此本課題擬采用較差翡翠原材料，將其粉碎，通過磁選、酸洗等物理化學方法將其中影響翡翠顏色、透明度的物相分離出去，同時通過高能球磨的方法，將致色元素固溶到晶格內部去，再通過粉末壓制成型技術，制備特定形狀的翡翠制品，通過高壓水熱、放電等離子燒結的方法進行粉體材料的燒結。這樣不需對翡翠的晶體結構進行改變、能促進某些發(fā)揮呈色效果、同時水熱壓力下能避免翡翠材料內部水的缺失。對制備寶石級的翡翠材料具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
