人工合成翡翠研究进展

欧阳柳章，何 飞，邢莹莹

(1.华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510641；2.华南理工大学，广东省先进储能材料工程技术研究中心，广州 510641；3.广州城市理工学院珠宝学院，广州 510800)

0 引 言

自古以来，具有“玉石之王”美誉的翡翠就因其独特的质地与色泽而深受人们的喜爱。特别是近代以来，随着工艺技术以及珠宝行业的蓬勃发展，人们对于翡翠的需求量日益激增。翡翠(NaAlSi2O6)结构多为纤维状结构和粒状结构[1]，具有多晶质、多矿物、多种质等特点。针对天然翡翠形成条件极为苛刻、高品质翡翠产量较少，难以满足人们需求的缺点，探索其合成机制以及完善翡翠的人工合成方法，对于开拓翡翠市场具有重大意义。

与金刚石的合成方法类似[2-3]，高温高压法也是人工合成翡翠的主流方法。高温高压法合成翡翠指的是利用高温高压设备模拟天然翡翠的生长环境，使合成翡翠的前体在高温高压条件下发生相变和熔融，然后结晶生长出翡翠晶体的方法。从硬玉矿物的温度-压力关系中可以得知，随着压力的增大，硬玉存在的温度区间变大，且当压力为10 kPa以下时，对其进行中低温加热，翡翠会发生分解，分解的产物主要包括霞石(NaAlSiO4)和钠长石(NaAlSi3O8)。此反应引起的体积膨胀率为21%[4]。在此基础上，李新英等[5]通过实验证明了在压力为25～70 kbar(1 bar=100 kPa)时，合成翡翠的品质最好，此时温度对翡翠的制备影响最大，例如当温度降低时，所合成翡翠的品质得到了明显的提升。这一温度的临界值为900 ℃，当低于这个值时，翡翠的前驱体材料无法熔融，从而造成所制备翡翠的成分分布不均匀，翡翠的内部也会产生孔洞，导致其结构变得疏松。当温度升高到1 200～1 400 ℃，压力为30～45 kbar时，所制备的翡翠质地较为坚硬，抛光后呈现出细腻温润、半透明的状态，其断面则为线状微晶组成的编织结构。但是当温度升高到1 600 ℃，压力增大至60 kbar以上或温度和压力较低时，无法得到晶质集合体。除此之外，王方标等[6]在5.0 GPa的条件下，对硬玉合成的最佳温度进行了探索，发现当温度为1 450 ℃，可以得到形状完整，具有较高透明度的白色样品，并且随着温度升高到1 500 ℃，将得到完全透明的样品。之后他们[7]更是将经过煅烧、球磨和压制成的样品在压力为6.0 GPa，温度1 300～1 600 ℃的条件下保温30 min，最终得到了颜色翠绿、质地温润的翡翠。由此不难发现，高品质翡翠的获得都离不开高温和高压的条件。

随着翡翠制备技术逐渐走向成熟，国内外大多数学者发现在使用高温高压法合成翡翠时，不可避免地存在着一些问题。比如大多数产品质地粗糙、透明度差，达不到工艺要求；在制备翡翠前体的时候，熔体黏度很大，各种化学成分特别是致色剂分布不均匀，严重影响产品的质量等。为了解决这些问题，研究者们把自己的研究重点放在了翡翠前体的合成上，而找到一种条件相对温和的翡翠前体合成条件和方法，降低其合成难度和提高产品的质量是人工合成翡翠技术成熟的关键。

目前合成翡翠前体的主要方法包括固相烧结法、化学合成法和溶胶凝胶法等。虽然制备翡翠前体的工艺有所差异，但是在后续烧结的过程中高温高压法仍然是主流方法。以高温高压法合成的翡翠化学成分与天然翡翠基本一致，但其外观及部分谱学特征与天然翡翠仍然存在差异，且合成成本较高，导致其较难在市场上进行推广。本文简要介绍了人工合成翡翠的原理，并宏观简述了人工合成翡翠的研究进程以及所采用的各种工艺方法。

1 人工合成翡翠的研究进展

在过去的一个多世纪里，科学工作者们就翡翠的形成条件、成矿原理等方面进行了大量的研究工作[8-11]，大部分学者认同翡翠形成于高温、高压的环境中，故依此展开了人工翡翠的制备工作[12-14]。

迄今为止，国内外学者在天然翡翠形成原理的理论基础上，对翡翠的制备方法提供了两种方案：(1)按照翡翠的化学式(NaAlSi2O6)，将多种氧化物进行一定的配比混合，通过高温淬火而得到翡翠的非晶态玻璃料，随后将其置于高温高压设备(见图1)中，以实现从非晶态到晶态的转变；(2)省略了高温淬火这一步骤，即将所需的氧化物放置在高温高压设备的腔体中直接进行合成，从而得到所需要的翡翠样品[5,15-16]。

图1 (a)立方高压装置的腔体结构;(b)样品组装图[7]Fig.1 (a) Cavity structure of cubic high-pressure device; (b) sample assembly diagram[7]

人工合成翡翠的研究进程可分为以下三个阶段：

第一阶段，即是理论形成和初步进行翡翠制备的阶段。二十世纪初，Wien等[17]对翡翠的制备方法进行了探索，但由于缺乏翡翠合成的理论支撑，并没有成功制备出翡翠。随后众多学者对翡翠的形成机理进行了深入探索。当时主流的观点是翡翠的形成经过了3个阶段：成岩阶段、成玉阶段、后期改造阶段。接着，在1963年，Bell和Roseboom等[18]研究了硬玉、钠长石和霞石之间的温度-压力关系(见图2)。他们得到了翡翠只能在高温高压的环境中合成的结论。Ringword和Major[19]的研究发现，在900 ℃、18 GPa的温度和压力条件下，翡翠的结构没有发生转变。这为此后成功制备出高品质的翡翠提供了一定的理论指导。在前人的基础之上，Robertson等[20]成功实现了由翡翠玻璃料到翡翠的转化。除此之外，Griggs等[21]另辟蹊径，将方沸石与翡翠联系起来，通过方沸石的分解来进行翡翠的制备，但是合成出来的翡翠还完全不足以达到观赏的级别。另外虽然在这一阶段成功制备出了翡翠，不过所合成的翡翠晶体由于转化不完全，往往不具备像天然翡翠那样的收藏与鉴赏价值[14,22-23]。

图2 硬玉矿物的温度-压力关系[18]Fig.2 Temperature-pressure relationship of jadeite minerals[18]

第二阶段，从1984年开始，De Vries和Fleischer等[24-25]率先深入研究了温度和压力对于翡翠品质的影响，他们最终采用超高压高温技术进行实验，首次合成出了高品质的人工翡翠，取得了翡翠制备领域的重大突破。除此之外，吉林大学、中国科学院贵阳地球化学研究所等单位也对翡翠的制备技术进行了一定的探索和研究，在国内首次通过高温高压法成功制备出了φ8 mm×3 mm的接近宝石级品质的翡翠[26]。1985年，日本的斋藤正敏[27]以Na2O、Al2O3、SiO2以及Fe2O3为原料，通过等离子喷镀的方法制备出了较高品质的翡翠晶体，虽然在制备途径上具备了一定的创新之处，但是合成翡翠的成本过高，基本不能在实际中得到应用。在之后的一段时间内，赵延河等[28]以及朱成明等[29]分别对翡翠的制备进行了一系列实验，通过对所制备翡翠的硬度、折射率等性能进行测试，发现其各项参数与天然翡翠相差不大。不过由于很难实现翡翠晶质体的完全转变，所以制备出来的翡翠仍然达不到理想的水平，因而也不具备更大的现实意义。1991年，沈才卿等[30]对翡翠晶体的转化进行了模拟实验，实现了从玻璃质翡翠到晶质翡翠的转变。随后Akaogi等[31]在总结前人的基础上，更加深入地研究硬玉转变的机理，对其反应焓进行了测试，结果如表1所示。从测试结果中可以看出，常温常压下硬玉相是稳定的。虽然这一阶段制备的翡翠品质相较于第一阶段得到了大大的提高，但是这一时期报道的翡翠样品中往往存在着多种缺陷，并且纯度也不够高，仍然无法达到翡翠鉴赏和收藏的标准[23,30,32-33]。

表1 在298 K时用差示滴-溶液量热法测量的NaAlSi2O6、霞石型NaAlSiO4、铁酸钙型NaAlSiO4、α-和β-NaAlO2焓值[31]Table 1 Enthalpies measured by differential drop-solution calorimetry for jadeite, nepheline, calcium ferrite-type NaAlSiO4, α- and β- NaAlO2[31]

第三阶段，这一阶段开始于美国通用公司(GE)成功合成出了宝石级品质的翡翠。随着翡翠合成的理论知识日趋完善，GE对翡翠的制备产生了浓厚的兴趣，并对其进行了一系列的实验与性能测试。美国宝石研究院(GIA)于2002年报道了GE制备翡翠的技术途径，并概述了GE在实验基础上生产的绿色和淡紫色合成翡翠的宝石学性质，其折射率约1.66，比重为3.28～3.34。但在3 400～3 700 cm-1波数这个范围内，由于羟基伸缩振动，产生了与天然翡翠不同的红外吸收谱。此外，合成翡翠显示的3 373 cm-1、3 471 cm-1和3 614 cm-1吸收谱证实GE公司合成的翡翠是在高压环境下由水参与反应结晶而成[33,34-37]。这是第一次真正意义上合成出宝石级别的翡翠。接着Vagarali等[38]在GE制备翡翠的基础上，经过实验探索，在其专利中较详细地介绍了制备高品质宝石级翡翠的配方及高温、高压合成工艺。为了提高翡翠晶体的转化率，李慧等[39]尝试将翡翠分为两部分进行制备，首先在高温下通过翡翠的固相转变得到非晶玻璃料，然后根据翡翠的温度-压力图，在高温高压下使其结晶。虽然结晶度有所提高，但是合成出的翡翠在颜色与透明度上仍达不到像天然翡翠那样温润细腻的状态。随后于杰等[40]为了解决天然翡翠资源不足的问题，将品质较差的天然翡翠研磨成粉末，然后向其中加入黏结剂，经一段时间的预压制后，在温度为850～1 200 ℃，压力为15～20 kN的条件下，于放电等离子体反应合成炉中烧结后得到了品质较高的翡翠，这为节省天然翡翠资源，提升翡翠的品质提供了一条新的可行方案。此外，杨晔等[41]认为翡翠在固态转变的过程中，受其流动性差的影响，原料混合不均匀，于是尝试使用溶胶-凝胶法来弥补其流动性差的缺点。当时所合成翡翠的颜色多为绿色到翠绿色(见图3)，但存在透明度差、颜色暗沉、无荧光感的缺点，使其与高品质翡翠仍有很大差距。2020年，郭志超等[42]在常压下籽晶诱导翡翠玻璃化晶化，使翡翠在常压下合成成为可能。

图3 溶胶凝胶法制备的翡翠: E6(a), A2(b), A3(c), D1(d), H2(e)[41]Fig.3 Jadeite prepared by sol-gel method: E6 (a), A2 (b), A3 (c), D1 (d), H2 (e)[41]

2 人工合成翡翠工艺

根据现阶段对合成翡翠的研究来看，高温高压法仍然是国内外合成翡翠的主流工艺。无论是从翡翠的形成环境，还是其形成机理来说，高温高压都是必不可少的条件。除此之外，通过计算或实验测定的翡翠温度-压力曲线也进一步验证了这一观点。下文主要根据国内外对合成翡翠的研究现状，对几种制备翡翠的方法进行简述。

2.1 固相烧结法

固相烧结是指只有固相存在的烧结，包括单元系和多元系烧结两种类型。人工合成翡翠则属于多元系固相烧结，即有多种粉末体系参与的烧结。

李新英等[5]为合成翡翠提供了两条思路：第一种是一步合成法，即将相应比例的氧化物放置在高温高压设备中直接合成。第二种是分步合成法，即先合成具有硬玉成分(NaAlSi2O6)的非晶质玻璃体，然后将其置于六面顶压机腔体中，保温一段时间后即可得到晶质翡翠。

在1976年，Kuirsho的团队[43]对NaAlSi2O6熔体在高压下黏度和结构的变化进行了一定的探索。他们在实验的过程中发现，在温度为1 350 ℃，压力为5 kbar的条件下，NaAlSi2O6熔体的黏度为3.4×104P，当压力升高到24 kbar时，黏度降低到5.3×103P。Kuirsho认为熔体黏度显著降低主要是由于熔体中存在铝(Al)，因为熔体中的一部分Al在高压下会形成从四倍到六倍的配位变化。这也验证了天然翡翠在地幔更深处具有更高的密度和更低的黏度这一客观事实。与此同时，他也指出在实际制备翡翠时，熔体黏度高、混合不均匀这一问题仍然比较突出。因此要对翡翠的非晶质玻璃体进行长时间的保温或者反复熔融，使其尽量达到均质。然而在这个过程中，不可避免地会出现钠损失的情况。这个问题可以根据实际的烧结参数略微过量加入Na2CO3，以补偿钠损失。另外，在制备翡翠的过程中腔体内会存在一个温度梯度场，致使样品的四周先行结晶，结晶后导致进一步传热进程受阻，再加上翡翠本身转化不完全，会出现黑心或暗心现象[28]。若想解决这个问题，还需要进行进一步的研究。随后，赵廷河等[44]对制备翡翠的热稳定性进行了深入研究。他首先以Na2CO3、Al2O3和SiO2为原料，按翡翠的组成以一定的配比称料混匀，然后向混合粉料中加入少量Cr2O3致色剂。为了使熔体混合均匀，作者将粉料在1 350～1 550 ℃的温度下进行足够的时间保温。接着在不同的压力下，测定翡翠的熔化温度(见图4(a))。从图中可以看到，翡翠的熔点与压力呈非线性增加的关系，说明随着压力的升高，翡翠的热稳定性增强。接着对所制备的翡翠进行差热分析(DTA)测试，发现翡翠的DTA曲线(见图4(b))在1 000 ℃附近出现一个吸热峰，说明在这个温度下，存在着翡翠的相转变。这与之前报道的天然翡翠的熔点一致，且为使用固相烧结法来制备翡翠奠定了一定的理论基础。

图4 (a) 高压下人工翡翠的熔点曲线; (b) 人工翡翠差热分析曲线(DTA)[44]Fig.4 (a) Melting point curve of artificial jadeite under high pressure; (b) differential thermal analysis (DTA) curve of jadeite[44]

图5 通用公司合成的九种翡翠样品[34]Fig.5 Nine Jadeite samples synthesized by GE[34]

根据翡翠前体制备的途径不同，大致可以将其分为两类。第一类就是通过高温熔融得到翡翠的非晶质玻璃体。这种方法的代表就是1984年12月GE以Na、Al和SiO2为原料，经高温熔融、冷却后得到非晶质玻璃体。再向其中加入致色离子，将混合物研磨至粉末状，放置在高温高压设备中加热，于1 200～1 400 ℃的高温和30～50 kbar高压条件下进行0.5～24 h的处理。最终得到了九组具有不同颜色的翡翠样品(见图5)。但是制备出的翡翠颜色木讷，无“翠性”。随后，日本的斋藤正敏[27]在1985年为了能够更有效地合成翡翠晶体，以15.4%(质量分数)的Na2O、25.2%的Al2O3、59.4%的SiO2以及0.1%～1%的Fe2O3为原料，将其制成合适的形状并放置在进行烧结的设备中。在1 400～1 600 ℃的温度以及20～40 kg/mm2的压力下烧结200～500 h，通过X射线衍射确认所得的是半透明的翡翠晶体。随后，他以相同的原料在1 750～1 850 ℃的温度以及20～40 kg/mm2的压力下烧结50～100 h，也获得了半透明的翡翠晶体。虽然用此方法可以得到较高品质的翡翠，但是成本过高的问题成为了制约其应用的关键因素。对于非晶质玻璃体内存在的黑斑现象，2015年王方标等[45]以硅酸铝和硅酸钠为原料，按照1∶1的摩尔比进行称量取料，然后在1 100 ℃的温度下进行烧结，成功制备出不含黑斑的非晶质玻璃料。次年，四川大学的贺端威等[46]认为在将非晶质玻璃块体研磨的过程中会引入杂质，并且再烧结的过程中会产生气泡，从而造成结构疏松的问题。他们基于此方面的考虑，其团队研究了一种新的制备翡翠的工艺。该工艺以无水Na2SiO3、Al2O3和SiO2为原料，将其混合均匀后于1 200～1 800 ℃下反复熔融，并经长时间保温后，得到了结构致密的非晶翡翠块体。之后将得到的非晶翡翠块体直接放置在高温高压设备腔体中，于0.1～15 GPa， 1 300～2 300 ℃下保温保压0.1～48 h，然后淬火得到多晶翡翠。这种工艺虽然操作简单，看似可行性高，但是对设备的耐温抗压性能要求较高。如果能够降低翡翠的制备条件，对于合成高品质的翡翠，并向市场推广具有非常重要的意义。

第二类则是通过球磨和高温烧结相结合的方式获得翡翠的非晶质玻璃体，这能够进一步提高组分的均匀性。崔硕景等[28]通过球磨的方式对翡翠进行了制备。将Na2CO3、Al2O3和SiO2以一定的配比称料并放入球磨罐中，然后向其中加入丙酮，通过湿法球磨24 h，使原料混合均匀。将球磨后的粉料于1 150～1 550 ℃的温度下烧结2 h，得到翡翠的非晶玻璃体。然后将非晶玻璃体研磨至60～110目(135～250 μm)，于高温高压设备中进行长时间的保温，最终得到φ=12 mm的无裂痕翡翠。

2.2 溶胶凝胶法

溶胶凝胶法通过一系列的化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，待溶胶中的胶粒缓慢聚合后，形成凝胶。将所得的凝胶进行干燥、研磨、烧结后，即可得到翡翠的前驱体材料。

由于在使用高温固相法合成翡翠时，存在烧结温度高、熔体黏度大、流动性不好的特点，这些特点会造成所制备翡翠的组分分布不均，也会直接影响翡翠的品质。与之相比，溶胶凝胶法能够在液相中将原料均匀混合，因此可以提高组分的均匀性[47]，得到具有较高品质的翡翠前体。除此之外，溶胶凝胶法制备翡翠时所需的烧结温度也远远低于高温固相法[48]，可以极大地节约能源的损耗。但是溶胶凝胶法使用的原料可能对人体有害，并且形成凝胶的时间过长，不适宜短时间翡翠的制备。

溶胶凝胶法所需的实验原料包括NaNO3、Al(NO3)3·9H2O、Cr(NO3)3、Si(OCH2H5)4、无水乙醇等。其反应机理[49]如式(1)所示：

NaNO3+Al(NO3)3·9H2O+2Si(OCH2H5)4→NaAlSi2O6

(1)

众多学者对使用溶胶凝胶法合成翡翠前体的工艺进行了深入研究。首先是杨晔等[37]通过实验探究了使用溶胶凝胶法制备翡翠的最佳条件。他们认为当金属醇盐浓度为0.25～0.75 mol/L、体系pH值为2～4、去离子水的添加量([H2O]/[Si]摩尔比)为4∶1～8∶1、水浴温度为40～60 ℃时，制备得到的翡翠品质最佳。随后严艳[49]在杨晔等实验的基础上，研究了致色剂硝酸铬的含量对制备翡翠的影响。通过正交实验得到了制备翡翠前驱体的最佳工艺参数。在此实验中，严艳所得到的最佳条件为：金属醇盐浓度1.0 mol/L、去离子水的添加量([H2O]/[Si]摩尔比)为20∶1、pH值为2、水浴温度为60 ℃、致色剂含量为0.75%。从上可知，与杨晔等相比，严艳得到的最佳溶胶凝胶条件仅仅只在去离子水的添加量上存在较大差别。考虑可能是去离子水的添加量对整个实验的影响程度并没有其他条件那么大，或者个人的评判标准不一，才导致了这一结果。接着，他又对使用不同方法所制备出的翡翠非晶玻璃体粉末进行再烧结实验。从图6(a)中可以看到，所制备的翡翠外观颜色为深绿色，呈现玻璃光泽，内部存在一些裂纹及小气泡。

图6 溶胶凝胶法与固相烧结法粉体在1 200 ℃保温5 h烧结样品的外观图[49]Fig.6 Appearance of the sintered samples by the sol-gel method and the solid-phase sintering method at 1 200 ℃ for 5 h[49]

为了获得高品质的翡翠，探究影响合成翡翠品质的因素是必不可少的一步。在这方面，杜雁春等[50]的团队做出了巨大的贡献。他们首先以Na2SiO3·9H2O、Al2O3、SiO2、Cr2O3为原料，利用溶胶凝胶法对翡翠的前驱体进行了制备。然后对前驱体材料进行了反复熔融，以使组分混合均匀并减少了内部的气泡，最终通过淬火得到了翡翠的非晶质玻璃料。与此同时，为了防止裂纹的产生，杜雁春等采用带温加压及泄压的方法对翡翠的非晶质玻璃料进行了一定的塑性变形。最后由合成翡翠的XRD测试结果可知，所制备的翡翠与天然翡翠的晶体结构相似。接着，再对合成翡翠进行SEM表征，得到了影响合成翡翠品质的主要因素是翡翠的微结构这一结论。这一研究成果为之后提高合成翡翠的品质，加速其商业化进程提供了重要的理论基础。随后邢睿睿等[51]研究了晶化时间对合成翡翠品质的影响。他们首先采用溶胶凝胶法对翡翠的前驱体材料进行了制备，然后对其进行高温烧结得到非晶玻璃料。最后在1 100～1 500 ℃、4.0～6.0 GPa的高温高压条件下保温1～10 h，实现非晶态向晶态的转化。接着对不同烧结时间的翡翠的透明度进行了测试，发现随着时间的延长，透明度得到了明显的改善。XRD分析指出，晶化时间对结晶度的影响较大，时间越长，结晶度越高。与此同时，SEM结果表明，晶化时间越长，翡翠晶体的致密度越大，可以以此提高翡翠的品质。

与此同时，现有的人工合成翡翠工艺存在从玻璃粉末到翡翠晶体的相变过程中剧烈的体积变化(-60%)问题，这一过程造成的体积缩小会导致合成容器内部的压力不稳定，形成非均匀受热，造成样品尺寸较小且存在裂隙，从而影响所合成翡翠的品质。不过，2005年Vagarali等[38]在其专利中提出了一种解决办法。他首先采用溶胶-凝胶技术获得Na2CO3、Al2O3、SiO2的混合粉料，这一制备过程不同于以往直接的机械混合，它减少了机械混合时引进的诸如铁元素等杂质，因此粉料的化学均匀性好且组分分布均匀，提高了玻璃体的均匀性，降低了玻璃体中的颗粒团聚现象，提高了玻璃体的纯度。接着用玻璃块体作为前驱体(玻璃块体直接向翡翠晶体转变的体积缩小量只有30%)，用石墨或者金属片包裹玻璃块体，将包裹的玻璃块体置于高温/高压设备(见图1)中，在压力为3 GPa，温度为1 000 ℃的条件下快速加热足够长的时间以使玻璃块体转化为翡翠。得到的翡翠具有较少的裂隙，没有发现气泡，翡翠的颜色和均匀性也得到了一定的保证。在这个工艺条件下，翡翠形成过程中唯一的体积变化是从玻璃块体到翡翠晶体的相变(-33%)，这与现有技术中的体积变化(-60%)相比，取得了巨大的进步。

2.3 化学合成法

化学合成法就是先把所需的多种原料经过化学反应得到单一的翡翠前驱体，再在高压环境下经过高温烧结获得具有高结晶度翡翠的方法。

为了改善合成翡翠的结晶度以及透明度，农光再[52]认为获得单一成分的翡翠前驱体是关键之处。因此他提出了一种不同于以往的工艺，即首先以Al(OH)3和Na2SiO3为原料，以NaOH为催化剂反应2～48 h，来获得NaAlSiO4固体沉淀；然后再在酸性环境下，加入与NaAlSiO4同等摩尔量的Na2SiO3溶液，反应12～72 h后过滤即可得到NaAlSi2O6固体粉末。将NaAlSi2O6固体粉末经过温度为950～1 450 ℃，压力为100～2 000 MPa，反应时间为4～48 h的聚合反应，得到了具有极高结晶率(90%～98%)的翡翠。该方法合成的翡翠表面具有玻璃光泽，呈半透明状，各种特性与天然翡翠十分接近。这种方法可以实现在常温常压下制备均匀的翡翠前驱体，避免了高温高压合成前驱体时的高能耗问题，在一定程度上优化了合成翡翠的工艺。不过，整个前驱体合成的过程耗时较长，如果能加快反应速度，对于人工合成翡翠将具有非常大的现实意义。

2.4 其他制备方法

于杰、叶未等[53-54]利用较高品质翡翠的边角料或者品质较差的中低档翡翠，将其进行研磨预破碎后，通过磁选去除其中的杂质，然后将去除杂质之后的原料放置于球磨罐中使之细化。球磨5 h后，添加天然富铬硬玉作为致色剂以及无铅硼酸盐玻璃粉末，再球磨0.5 h。整个球磨的过程中温度保持在-20～0 ℃。最后采用放电等离子烧结(SPS)(850～1 200 ℃，压力范围：15～20 kN)或者高压水热法(350～500 ℃，压力<45 MPa)得到粉体再造翡翠。利用这种方法制备出来的翡翠，虽然在外观上无法与天然翡翠相提并论，但是从密度、硬度等性质的角度来看，几乎可以与天然翡翠等量齐观，为此后合成大颗粒的翡翠晶体奠定了一定的实验基础。

除此之外，合成翡翠的困难之处还在于其制备条件的苛刻，在由非晶质玻璃体到翡翠晶体的转变过程中，严格的条件使得其转化率难以提高，而且翡翠合成的成本也居高不下，使其很难具有商业价值。鉴于此，郭志超等[42]对常压、温度为1 200 ℃下籽晶诱导翡翠玻璃料晶化进行了研究。他们以硅酸铝、硅酸钠为原料，首先采用传统的固相烧结法得到翡翠的非晶质玻璃料，再放入自制结晶炉中烧结。首先将高品质的翡翠籽晶悬挂在结晶炉膛中，通过控制籽晶与熔体之间的距离来寻找最佳的接触位置(见图7(a))。保温结束后，将样品随炉冷却至室温，最终完成玻璃料籽晶引导渗透晶化生长过程。然后对所制备翡翠进行XRD分析 (见图7(b))，表明合成样品的成分主要为NaAlSi2O6，TEM结果(见图8)显示样品内有完整的不同取向的晶格条纹。从样品的光学照片(见图9)可以看到，合成的翡翠外观呈浅黄绿色，内部存在裂纹，质量还达不到宝石级别，但实现了常压下由翡翠非晶玻璃料到NaAlSi2O6矿物晶体的转化。

图7 (a)晶化处理装配示意图; (b)样品的XRD图谱[42]Fig.7 (a) Schematic diagram of crystallizing assembly; (b) XRD patterns of the sample[42]

图8 TEM照片[42]Fig.8 TEM images[42]

图9 样品的光学照片[42]Fig.9 Optical photo of the sample[42]

2.5 合成翡翠方法的对比与总结

综上，固相烧结法是将合成翡翠前体的原料混在一起进行高温烧结，不过该方法烧结时由于存在温度梯度致使样品的四周先行结晶，而结晶会导致传热受阻，使得翡翠本身转化不完全，从而出现黑心或暗心现象。化学合成法则是一种先把所需的多种原料经过化学反应得到单一的翡翠前驱体，进而在高压环境下经过高温烧结获得具有高结晶度翡翠的方法。其主要以氢氧化铝(Al(OH)3)和硅酸钠(Na2SiO3)为原料，先制备NaAlSi2O6粉末作为烧结前驱体，然后再于高温高压设备腔体中烧结得到具有高结晶度的翡翠。化学合成法制备烧结前驱体是在常温常压下进行的，因此制备工艺简单，能耗得到了大幅降低，再加上是以NaAlSi2O6粉末作为烧结前驱体，在烧结的过程中不涉及化学键的变化，因此制备得到的翡翠结晶度高，透明度高。在这两种方法的基础上，为了提高组分混合的均匀性，降低制备翡翠时的温度，提高所制备翡翠的品质，从而提出了使用溶胶凝胶法来制备翡翠前驱体的设想。溶胶凝胶法就是在液相中将原料均匀混合，并进行一系列的化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，待溶胶中的胶粒缓慢聚合后形成凝胶。将所得的凝胶进行干燥、研磨后即可得到翡翠的前驱体材料。然而溶胶凝胶法所使用的部分原料会对人体健康产生危害，并且整个制作过程持续的时间较长，无法实现短时间内翡翠的制备。

对几种典型的合成翡翠进行对比分析，所得结果如表2所示。

表2 几种合成方法所得翡翠样品的特征[49]Table 2 Characteristics of jadeite samples obtained by several synthetic methods[49]

3 结语与展望

综上所述，对于用固相烧结法、溶胶凝胶法、粉体再造法等方法合成的翡翠，通过在宏观上对其进行外观的观察，以及微观上对物相结构的测试分析，再与天然翡翠相比，可以了解到翡翠的人工合成方法依然是我国宝石学最具特色的研究方向之一。纵观我国合成翡翠工艺的研究，其研究的重点主要可从以下方面着手：

(1)人工合成翡翠技术起源于国外，在一批学者的不懈探索和实践之下，合成翡翠工作的各项技术得到了长足的发展，在高压设备、合成工艺等方面都取得了不小的进步。然而天然翡翠的形成受到各种地质条件影响，且其高品质资源极其稀缺，这使得翡翠具有十分重要的收藏与鉴赏价值。目前，相关研究已将其成因机制了解得比较透彻，但是人工翡翠的合成技术仍不够成熟，所合成翡翠的品质很难达到天然宝石级翡翠的水平。因此，若能以天然翡翠的成因机制为指导，从各方面提高合成技术、完善合成方法，以合成出颗粒更大、质量更好、成本较低的宝石级翡翠，将带来不可小觑的工业影响和商业价值。

(2)应用高温高压法合成宝石级翡翠仍是一个巨大的挑战。现有的玻璃料制备过程较为繁琐，其中均匀控制原料的配比成分则是最为困难的工作，因为在制取提炼的过程中，极易造成某些原料的损失，这将导致合成后的成分除了含有翡翠外，还产生其他杂质，从而影响合成翡翠的品质。目前，如何均匀控制原料配比成分、减少原料的损失是学界有待解决的难题，也是能否提升合成水平的关键之处。

希望科研人员逐步解决以上的问题，同时推动人工翡翠的工业合成进程，使其朝着高品质化、低成本化、高价值化的方向快速发展，从而提高我国人造翡翠工业的影响力，为填补市场空缺和技术空缺起到一定的推进作用。