一种镁铝榴石单晶体及其制备方法
技术领域
本发明属于新材料加工技术领域，涉及一种镁铝榴石单晶体及其制备方法。
背景技术
石榴石是形成于地幔的超基性岩矿，是超基性岩的标志性非稀有性矿物之一，天然石榴石在复杂多变的地质环境中难以形成组成成分固定、内部纯净、结构为单晶体的矿物，而多以硅酸盐岛状结晶方式存在，故没有特别重要的功能及过高的价值显现，所以人们还没有像研究金刚石那样去研究、制造和利用它。
镁铝榴石是石榴石中的一种，其研究和制造也常被人们忽略。目前，对镁铝榴石单晶的人工合成技术还仍空白，未见报道。
发明内容
申请人在一次实验中偶然合成了一种特殊的单晶体，经研究测定为镁铝榴石单晶体，从而填补了人工合成镁铝榴石单晶的空白。
本发明通过下列技术方案实现：一种镁铝榴石单晶体，由轻质MgO、γ-Al2O3和SiO2制成。
进一步地，一种镁铝榴石单晶体，由下列质量比的原料制成：
轻质MgO：γ-Al2O3：SiO2＝(3～7)：(2～6)：(4～10)。
所述轻质MgO、γ-Al2O3和SiO2的纯度均≥99.5％，且粒度为20～40nm的纳米级粉末材料。
本发明的另一目的在于提供一种镁铝榴石单晶体的制备方法，经过下列各步骤：
(1)按下列质量比的原料备料：
轻质MgO：γ-Al2O3：SiO2＝(3～7)：(2～6)：(4～10)；
(2)将步骤(1)所备轻质MgO、γ-Al2O3和SiO2分别以其15～25倍质量的水进行搅拌分散，分别得到MgO分散液、Al2O3分散液和SiO2分散液；
(3)将Al2O3分散液倒入SiO2分散液中，并搅拌均匀，再加入MgO分散液，搅拌均匀后得到混合液；
(4)将步骤(3)的混合液进行搅拌；
(5)将步骤(4)的混合液进行加热蒸发，以去除水分，待蒸发完成后，继续加热至100～200℃烘焙20分钟，自然冷却后得到合成材料；
(6)将步骤(5)所得的合成材料置于坩埚中，以400～800℃恒温加热1小时，然后随炉冷却至室温；
(7)将步骤(6)所得合成材料进行高温高压(HPHT)合成，其合成温度为1200～1600℃，压力为2.5～6Gpa，保持高温高压5～60min，并在10～20min完成降温，即得到合成样品；
(8)将步骤(7)所得合成样品用红酸(逆王水)浸泡1～2小时，再用水清洗数次，待干燥后即得到镁铝榴石单晶体。所得镁铝榴石单晶体呈无色透明状，粒度为0.2～1mm，颗粒粒度较均匀。
所述步骤(4)的搅拌是以转速2000～5000转/分进行搅拌10～20分钟。
本发明采用轻质MgO、γ-Al2O3、SiO2的纳米粉，均有共同的物理化学性质，即三种氧化物是非晶质相态，都有高温超高压共结晶性质；本发明采用的HPHT工艺也模拟了地幔高温高压的成矿条件，因此最终制得组成复杂的镁铝榴石单晶体。
本发明具备的优点及效果：本发明首次提出了镁铝榴石的人工合成方法，并填补了以HPHT工艺合成镁铝榴石单晶体的技术空白。本发明所得的产品经X射线多晶衍射分析，如图1所示，其分析结果与数据库中Mg3Al2(SiO4)3的谱图衍射峰均一一对应，经X射线衍射的结晶度>95％，且各向异性好，确定产品为镁铝榴石单晶体。经电镜对晶体形状的观察，如图2显示，是晶形对称完整的凸多面体，且晶体棱角清楚，晶面平整。本发明利用三种氧化物原料均为非水溶性、且在水溶胶体系中互不反应的特点，分别经分散成溶胶后，再有序混合加机械搅拌打磨处理，实现原料的最高效物理混合，使其形成晶态的各粒子(分子团)粒径最小，处于最佳可无限延伸对称位，进而也提高了合成镁铝榴石单晶体的品质。
本发明所得该镁铝榴石单晶体具有高温稳定性及耐强酸腐蚀性，可望像钇铝榴石一样用于激光窗口元件，以及用于高温工作的特殊半导体材料领域，并增加其在珠宝饰品上的商业价值。此外，目前HPHT合成设备的主要产品是金刚石，本发明的提出也扩大了HPHT合成设备的生产范围，增加社会经济效益。
附图说明
图1为本发明所得晶体的X射线多晶衍射分析谱图；
图2为本发明所得某粒镁铝榴石单晶体的电镜图像。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
(1)称取下列质量的原料：
轻质MgO 3.0g、
γ-Al2O3 2.5g、
SiO2 4.5g；
所述轻质MgO、γ-Al2O3和SiO2的纯度均为99.9％的，且粒度为20～40nm的纳米级粉末材料。其中，SiO2的供应商为上海超威纳米科技有限公司，轻质MgO和γ-Al2O3的供应商为上海巷田纳米科技有限公司。
(2)将步骤(1)所备轻质MgO、γ-Al2O3和SiO2分别置于烧杯中，并以其20倍质量的水进行搅拌分散，分别得到MgO分散液、Al2O3分散液和SiO2分散液；
(3)将Al2O3分散液倒入SiO2分散液中，并不断用玻棒搅拌不少于5分钟直至均匀，再加入MgO分散液，不断用玻棒搅拌不少于5分钟直至均匀，得到混合液；
(4)将步骤(3)的混合液置于搅拌器中，以转速3000转/分进行搅拌15分钟；
(5)将步骤(4)的混合液置于烧杯中，并以酒精灯进行加热蒸发，以去除水分，期间不断用玻棒搅拌，防止附壁，待蒸发完成后，继续加热至150℃烘焙20分钟，自然冷却后得到合成材料；
(6)将步骤(5)所得的合成材料置于洁净的坩埚中，以600℃恒温加热1小时，然后随炉冷却至室温；
(7)将步骤(6)所得合成材料进行高温高压(HPHT)合成：本例使用桂林桂冶重工股份有限公司的型号为6X14MN的六面顶HPHT机，该设备具有全自动温压控制调节系统，高压合成腔能达到6.0GPa以上，合成腔体腔径
(8)将步骤(7)所得合成样品用红酸(逆王水)浸泡2小时，再用水清洗数次，待干燥后即得到镁铝榴石单晶体。
本例所得镁铝榴石单晶体呈无色透明状，粒度为0.2～1.0mm，约1200粒，大部分颗粒粒度集中在0.5～0.6mm，大部分颗粒粒度较均匀。
实施例2
(1)称取下列质量的原料：
轻质MgO 2.4g、
γ-Al2O3 1.6g、
SiO2 3.2g；
所述轻质MgO、γ-Al2O3和SiO2的纯度均为99.9％以上的，且粒度为20～40nm的纳米级粉末材料。其中，SiO2的供应商为上海超威纳米科技有限公司，轻质MgO和γ-Al2O3的供应商为上海巷田纳米科技有限公司。
(2)将步骤(1)所备轻质MgO、γ-Al2O3和SiO2分别置于烧杯中，并以其15倍质量的水进行搅拌分散，分别得到MgO分散液、Al2O3分散液和SiO2分散液；
(3)将Al2O3分散液倒入SiO2分散液中，并不断用玻棒搅拌不少于5分钟直至均匀，再加入MgO分散液，不断用玻棒搅拌不少于5分钟直至均匀，得到混合液；
(4)将步骤(3)的混合液置于搅拌器中，以转速2000转/分进行搅拌20分钟；
(5)将步骤(4)的混合液置于烧杯中，并以酒精灯进行加热蒸发，以去除水分，期间不断用玻棒搅拌，防止附壁，待蒸发完成后，继续加热至100℃烘焙20分钟，自然冷却后得到合成材料；
(6)将步骤(5)所得的合成材料置于洁净的坩埚中，以400℃恒温加热1小时，然后随炉冷却至室温；
(7)将步骤(6)所得合成材料进行高温高压(HPHT)合成：本例使用桂林桂冶重工股份有限公司的型号为6X14MN的六面顶HPHT机，该设备具有全自动温压控制调节系统，高压合成腔能达到6.0GPa以上，合成腔体腔径
(8)将步骤(7)所得合成样品用红酸(逆王水)浸泡1小时，再用水清洗数次，待干燥后即得到镁铝榴石单晶体。
本例所得镁铝榴石单晶体呈无色透明状，粒度为0.3～1.0mm，约800粒，大部分颗粒粒度集中在0.7～0.8mm，大部分颗粒粒度较均匀。
实施例3
(1)称取下列质量的原料：
轻质MgO 2.1g、
γ-Al2O3 1.8g、
SiO2 3.0g；
所述轻质MgO、γ-Al2O3和SiO2的纯度均为99.5％的，且粒度为20～40nm的纳米级粉末材料。
(2)将步骤(1)所备轻质MgO、γ-Al2O3和SiO2分别置于烧杯中，并以其20倍质量的水进行搅拌分散，分别得到MgO分散液、Al2O3分散液和SiO2分散液；
(3)将Al2O3分散液倒入SiO2分散液中，并搅拌均匀，再加入MgO分散液，搅拌均匀，得到混合液；
(4)将步骤(3)的混合液置于搅拌器中，以转速5000转/分进行搅拌10分钟；
(5)将步骤(4)的混合液进行加热蒸发，以去除水分，待蒸发完成后，继续加热至200℃烘焙20分钟，自然冷却后得到合成材料；
(6)将步骤(5)所得的合成材料置于洁净的坩埚中，以800℃恒温加热1小时，然后随炉冷却至室温；
(7)将步骤(6)所得合成材料进行高温高压(HPHT)合成：设定合成温度为1600℃，压力为2.5Gpa，保持高温高压5min，并在18min完成降温，即得到合成样品；
(8)将步骤(7)所得合成样品用红酸(逆王水)浸泡2小时，再用水清洗数次，待干燥后即得到镁铝榴石单晶体。
本例所得镁铝榴石单晶体呈无色透明状，粒度为0.2～0.6mm，约500粒，大部分颗粒粒度集中在0.3～0.4mm，大部分颗粒粒度较均匀。
