水晶的工业应用
摘要
本品为宝石级的石英，主要成份是SiO2，为透明至半透明的结晶体，SiO2的结晶体很复杂，在不同温度下存在三种结晶形态，常温至870℃是石英晶体的稳定区，SiO2属三方晶系，比重2.7，硬度7。熔点在1713℃以上，耐温，耐酸碱，导热性差，化学性能稳定，一个完美结晶的水晶具压电效应。性质决定用途。
一、 水晶的性质
水晶一般为无色透明，也常见粉色茶色以及黄色。水晶耐温性好，耐酸碱性好。导热性差、化学性能稳定，而且水晶有良好的压电性能。到上世纪二十年代，发现其有振荡现象。以下介绍其物理性能。
1.1水晶的热性能
水晶经不起高温热冲击，它遇高温升至573℃左右时会急据地膨胀破裂转化成其它晶体形态。石英加热到870℃在条件（含Fe\Ca等矿化剂时）成熟的情况下会转变成鳞石英，这一转变为慢变化，在高温下长时间才能形成。鳞石英属斜方晶系，比重工2.3，硬度7，它们的每一个变化都伴随着体积变化，鳞石英准却时不会再转变成石英。当温度升高到1470℃时，石英和鳞石英都会转变成方石英，这一转变也是慢转变，必须有足够的时间。方石英高温时是等轴晶系，当它冷却到200℃左右，又会变态成低温型云石英，而且是急转变。当温度达到1470——1713℃时是方石英的稳定区域，方石英的低温型属正方晶系，方石英比重2.4，硬度6——7，方石英冷却时不会再转变成石英。这里有一个很重要的现象，石英的稳定温区为常温870℃，鳞石英的稳定温区为870——1470℃；方石英的稳定区为期不远1470——1713℃，高于1713℃就熔化，有如冰化成水；石英变为鳞石英或鳞石英变为方石英，石英变为方石英，都是慢转变，要条件成熟才能转变，而且是不可逆的，即鳞石英和方石英不会再变成石英；假如石英再升温时没有转变成鳞石英，假如石英、鳞石英在方石英稳定温区没来得及转变成方石英，当温度升到1713℃以上时可以直接熔化后制成石英玻璃。方石英的理论熔点1713℃，不论鳞石英、方石英、石英哪一种，SiO2结晶升温到1713℃都会熔化后制成石英玻璃，但熔化后的熔液粘度很大。1713℃时熔液粘度是108Pas,其软硬程度相当于20℃的沥青。所以实际工业生产石英玻璃熔融温度为1900——2000℃。
1.2水晶的压电性能
天然水晶具有压电性，而且天然水晶平均每秒可以释放出八百万次的振荡，这之间蕴藏着强大且丰沛的能量。并且天然水晶经过地球动辄千万年以上的粹炼，长期与大自然间共振及互动，其正向磁场隐藏着巨大且无限的能量波。对于长期暴露在负向磁场的我们，佩带天然水晶有助于将自身量频率转化为更强大的正向磁场请且释放，进而影响到我们平常的生活、工作、交友或学业的表现。另外水晶可以制成水晶工艺品和水晶内雕等。
1.3水晶的振荡性能
石英具有振荡现象，当水晶通电时，水晶会膨胀，截断电流时便收缩到原来大小；不断快速地重复供电、停电，水晶则不断的胀缩振荡，而振荡的频率却极为稳定。因为振荡频率高速而稳定，所以水晶便被制成芯片，是电器零件不可或缺的原材料。
二水晶的功能
目前水晶已经被确定有五大功能：聚焦折射、储存数据、传递讯息、能源转换、能量扩大。
（1）聚焦折射
古时人类已发现水晶有聚焦功能，也可把光线折射，通过水晶这特点可造出凸透镜、凹透镜等。于雷射运用中芯片和光速之合用，可使于读秒声中测出地球与月球之间的距离，利用晶体的特性可以激发出高能量光束、强大高度平行，精密者可用于眼科手术，巨大者可运用在如[星战计划]中摧毁来袭的飞弹等等。
（2）存储数据
当有数据通过水晶，这些信息会被水晶记下，计算机体内的芯片正是有些功能。到了近代所制造出的光谱仪的镜片、棱镜等。压电下的水晶会带正负不同电荷，这也是计算机二进制中的0与1，没错这就是计算机的基础。一直发展到至今，这种储存记忆的容量惊人，可以将大英百科全书全部的数据输入在比橡皮擦更小的体积内。
（3）信息传递
很多电器中的信息传递也要靠芯片，因为水晶振荡的频率稳定，用来传递讯号误差很小，由于水晶芯片的振荡极精准，且极有规律，除了可以作电子表的时间控制外，还可执行电算机的精密计算，更可用来作计算机与计算机间巨大信息的传输。
（4）能源转换
水晶可把不同能源转换成其它能源，例如把电能转化成光能，热能、声能、磁能，又可把这些能源转换成电能。太阳能转换成电能便需靠集热芯片。可将能源形态使之变换，比如太阳能集热芯片，可将光变电、电变磁等等。声、光、电、热、磁都是能源，能源不灭，只是转换至不同形态，而水晶是最佳媒人。
（5）能量扩大
能源能够通过水晶而频率不变，例如用扩音器时，电流通过石英转换成声能后（能源转换），再增强声浪（能量扩大），而不会有走音情况出现（频率不变）。可将同频率的电子讯号同频扩大，像收音机里面的晶体会接收空气中的电波，并将以扩大再转换出来，就是人们耳朵听到的声波了，而这之间的倍数何止千万倍。
三水晶的主要用途举例
1.工艺水晶
工艺品、珠宝饰品、水晶眼镜片等。纯净透明，无色或带色，允许有道芬或巴西双晶，节瘤，少量气态、固态包裹体，兰针和小绵，不许带裂隙，大绵。
2、熔炼水晶
生产特种（石英）玻璃及石英玻璃制品和人造水晶应用于电工、电子化学、冶金、机械制造、汽车、医药器皿和仪器工业等要求在紫外光，可见光和红外光光谱范围内具有光性，理想的辐射透过性、对热冲击的稳定性，对气体的非渗透性以及腐蚀介质的化学稳定性，良好的介电性等。
3、压电水晶
制造谐振器、滤波器，广泛应用于自动武器，超音速飞机、导弹、核武器、电子显微境、计时仪、电子计算机、人造地球卫星等科学技术的导航、遥控、遥测、电子电讯设备之中等。无缺陷的水晶单晶，具有压电性能。
4、光学水晶
生产可聚紫外线的透境、测量偏振旋转方向的仪器摄谱仪、棱镜、补色器的石英楔、光谱仪、红外线分析窗口、石英折射计等。
5、石英坩埚用石英砂的制备方法
其特征在于，选取金属元素含量低、二氧化硅含量高的石英石作原料，对该原料进行清洗除杂处理、初级破碎、精选分级、高温处理、分拣除杂、二极破碎、三极粉碎、旋流分级筛选、磁选、酸洗、碱洗、超声波震动处理、二次酸洗、浮选、进行氯化处理、醇洗、烘烤、和二次磁选等工艺处理，最后过去时425um电动筛选，得成品石英砂。用本发明方法所制成的石英坩埚用石英砂中杂质含量低，其中SiO2﹥=99.99%,杂质元素总含量﹤=12.37ppm.
6.石英砂加工工艺
石英砂加工工艺大体分为两种：一种是干法加工，工艺流程是原矿——一级破碎——二极破碎——粉碎——筛分——分装，流程的每个环节都产生大量粉尘；另一种是湿法加工，工艺流程是原矿——初级破碎——中级加水研磨（碾磨、球磨、或棒磨）——烘干——筛分——分装。主要产尘环节是初级破碎、筛分——分装。
7、石英坩埚
用电弧法制的半透明石英坩埚是拉制大直径单晶硅，发展大规模集成电路必不可少的基础材料。目前坩埚生产涂层技术已被大多数厂家使用就是在普通石英砂溶制的坩埚表面涂上一层高纯度石英砂使其形成致密层，其致密层能阻止单晶硅高温拉制过程中硅与石英坩埚反应提高成晶率。
水晶除了以上的用途之外还可以用来做太阳能电池专用炉门，太阳能废液瓶，玻璃管，绝缘环等。可见水晶用途不仅是难得的宝石材料，而且还是很难得的工业材料。
四、人工合成宝石的方法
1、焰熔法
焰熔法是使原料粉末在氢焰中，边投入边熔融而结晶生成宝石晶体的方法。由于此法是法国的A、维尔纳叶（A、Verneuil)在1902年发明的，所以又称“维尔纳叶法”。这是目前合成宝石的主要方法之一。现今的合成红宝石、合成蓝宝石、合成彩色尖晶石、合成金红石、合成星光红宝石、合成星光蓝宝石及人造钛酸锶等宝石大多用此法制得。
2、水热法
水热法也称热液法，是在密封的高压容器内，从水溶液中生长出晶体的方法，在一定程度上再现了地下热液矿床矿物结晶的过程。用此法合成的宝石有合成水晶、合成祖母绿、合成红宝石、合成蓝宝石、合成海蓝宝石等。
3、助熔剂法
助熔剂法是在常压高温下，借助助熔剂的作用在较低温度下加速原料的熔融，从熔融体中生长出宝石晶体的方法。此法在一定程度上模拟了自然界的岩浆分异结晶成矿过程。通常某些文献中所提及的“卡善”合成红宝石、“查塔姆”合成祖母绿以及市场上出现的某些人造钇铝榴石、人造钆镓榴石，合成金绿宝石、合成蓝宝石、人造钆镓榴石、合成金绿宝石、合成蓝宝石、合成尖晶石等均可用此法生产。
4、晶体提拉法
晶体提拉法也称丘克拉斯基法，是一种直接熔化宝石原料，然后利用种晶从熔体中提拉出宝石晶体的方法。适用于合成红宝石、合成蓝宝石、合成变石、人造钇铝榴石（YAG）、人造钆镓榴石（GGG）等宝石晶体的生长。
5、熔体导模法
熔体导模法也称期切帕诺夫法，是提拉法的改善，是利用模具和籽晶（种晶）从熔体中提拉出宝石晶体的方法。主要用于生长合成红宝石、无色合成蓝宝石、合成金绿猫眼宝石等。
6、区域熔炼法
区域熔炼法也称浮区法，是将原料逐区熔融并重结晶而生长出宝石晶体的方法。用此法可生长出合成刚玉类宝石、合成变石和人造钇铝榴石等。
7、冷坩埚熔壳法
冷坩埚熔壳法简称熔壳法，主要用于生产合成立方氧化锆（CZ）晶体。其原理与熔体法相近，但具体方法及工艺过程较为复杂。
8、高温超高压法
高温超高压法是在高温超高压条件下，模拟变质成矿过程合成宝石的方法。常用于合成金刚石、合成翡翠等。
9、化学沉淀法
化学沉淀法是一种经化学反应和沉淀（或沉积），进而加热加压合成非单晶质宝石的方法，如合成欧泊、合成绿松石等。另外，用于生产合成金刚石薄膜的化学气相沉淀（CVD）法以及合成碳硅石单晶生长技术，也属于此类。
10、其他方法
主要是指利用玻璃、陶瓷、塑料或其他材料制作的人造宝石（玻璃仿猫眼宝石、玻璃仿绿松石、玻璃仿欧泊、塑料仿琥珀、玻璃或塑料仿珍珠、人造夜光宝石等）和拼合宝石（再造琥珀、再造绿松石等）的方法。
某些宝石晶体目前只能用某种方法进行生长，其他方法不能代替。例如，合成红宝石晶体可以采用焰熔法或助熔剂法，也可以采用丘克拉斯基法。而合成钻石也只能用高温超高压法。合成水晶只能用水热法等。
