冷坩堝熔殼法合成寶石技術（一）

沈才卿/核工業北京地質研究院

陸太進/中寶協珠寶研究所

劉結文/原中恒譽資產評估公司

/臺灣寶石學協會理事長

編者按：

此文記錄了中國老一輩寶石科技工作者們鮮為人知的付出與努力，基于沈才卿老師等多年專業研究的積淀，闡明了冷坩堝熔殼法合成技術的基本原理與技術，與時俱進地修正了由作者本人編寫的1994 年《人造寶石學》和2021 年《寶石人工合成技術》（第三版）中的熔殼法原理圖，介紹了中國人工寶石發展現狀。應作者要求，文章未經改動，內容保持了作者的觀點原貌。文章將在本刊分三期發表，敬請關注。

沈才卿簡介：男，1942 年出生，核工業北京地質研究院高級工程師。獲部級科技進步獎二等獎1 次，三等獎2 次，北京市 “科學技術（科技專著）進步獎”三等獎1 次。曾任“中國珠寶玉石首飾行業協會”常務理事、“中寶協人工寶石專業委員會”常務副主任委員兼秘書長；“亞洲珠寶聯合會”常務理事兼副秘書長；2005 年獲得中國輕工珠寶首飾中心與亞洲珠寶聯合會聯合授予的“中國寶玉石專家”榮譽稱號。1990 年起，先后在中國地質大學（北京）等多所高校及職業學校開設并講授《人造寶石學》《寶石的人工合成與鑒定》《珠寶玉石的優化處理與鑒定》等課程，出版教材多部，為珠寶教育和普及珠寶知識作出了一定的貢獻。

作者按語：

國內外科技發展很快，中國和世界的人工合成珠寶玉石的方法也在不斷發展。本文想介紹中國在2021 年時“冷坩堝熔殼法合成寶石技術”已經達到的水平和狀況；同時受國家將兩彈一星有功人員及對國家作出貢獻的人請到人民大會堂主席臺上，由習近平主席親自授予國家勛章的啟示，作者想對那些在中國人工寶石事業發展過程中作出貢獻的新老科技工作者以及中國珠寶玉石首飾行業協會人工寶石專業委員會的主要領導進行介紹（主任委員陳汴琨、常務副主任委員兼秘書長沈才卿、副秘書長于春敏和黃國強），讓大家認識他們，記住他們作出的努力和貢獻。在科技文章中表彰作出貢獻者，比較少見，此文想作一個嘗試！

1937 年，兩位前德國化學家M.V. 斯坦伯格（M.V.Stackeberg）和K.楚多巴（K.Chudoba）在研究天然鋯石時，用X 射線分析高蛻變的晶質鋯石時發現其中含有微小的斜鋯石，經確定為立方相氧化鋯(ZrO)。并且發現立方相氧化鋯發生相變時，其體積也發生變化，這時晶體會發生破裂。現在科學研究表明，純ZrO晶體存在著下列相變：

其中立方相氧化鋯的穩定溫度最高為2750°C。

基于上述發現，1969 年法國科學家Y. 羅林（Y.Roulin）等人利用高頻電源加熱冷坩堝的方法，得到了微小的立方相氧化鋯晶體。1972 年，前蘇聯科學院列別捷夫固體物理研究所的V.I.阿列克索諾夫(V.L.Aleksandov)領導下的研究小組，對立方相氧化鋯晶體生長的技術和設備進行了改進，生長出了尺寸較大的晶體，并將改進后的方法命名為熔殼法技術(Skill Melting)，于1972 年12 月申請了專利，1973 年發表文章公開了此項技術。由于此技術用在“冷坩堝”中，大家把這項技術叫作“冷坩堝熔殼法”。自1976 年起，前蘇聯逐步地將無色的合成立方氧化鋯晶體作為鉆石的代用品推向市場，人們當時稱之為“蘇聯鉆”。而其科學的名稱則應為“合成立方氧化鋯”，英文為Synthetic cubic zirconia ，故有時也把立方氧化鋯簡寫成CZ。數年后，瑞士、美國也相繼進行了合成立方氧化鋯的生產。由于合成立方氧化鋯晶體易于摻雜著色，所以可獲得各種顏色鮮艷的晶體，受到寶石商和消費者的歡迎。到1981 年，全世界合成立方氧化鋯的年產量已達到6.0×10ct。

立方氧化鋯晶體具有較高的折射率（2.14）和色散（0.056）,硬度為莫氏8~8.5 級。用氧化釔穩定的立方氧化鋯晶體刻磨成的小面鉆與天然鉆石非常相似。

我國的冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯晶體，是國家建材部北京人工晶體研究所和中國科學院上海硅酸鹽研究所相互獨立完成的，北京早于上海先研究成功。

1980 年，國家建筑材料工業局北京人工晶體研究所在付林堂高級工程師（1938 年生人）的組織領導下，開展了冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯晶體的研究，其特征是冷卻管外套用石英玻璃管與高頻感應設備隔離。

1980 年開始研究時，設備都是自己搞的，冷坩堝直徑150 mm，第一爐立方氧化鋯晶體僅獲得1 公斤左右晶體。生產出立方氧化鋯晶體后3 個月左右，換成直徑300 mm 的冷坩堝，裝料30 公斤，大約經過24 小時連續加熱后下降冷卻，可獲得15 公斤立方氧化鋯晶體。付林堂等1984 年在《人工晶體》雜志上首先發表了“穩定立方氧化鋯晶體的生長”，為冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯晶體的推廣作出了貢獻；緊接著于1986 年又在《人工晶體》雜志上發表了“穩定立方氧化鋯晶體摻質生長與色澤研究”，為合成彩色立方氧化鋯晶體打下了基礎。更為可貴的是付林堂等潛心研究黑色立方氧化鋯的合成方法，成功后申請了發明專利，題目為“黑色立方氧化鋯寶石及其制造方法”，專利號為89 1 02170.1 ，申請日期為1989 年4 月15 日，授權日期為1990 年12 月12 日，由當時的國家專利局局長高盧麟簽發。該發明參加了1987年5 月舉辦的北京發明展覽會，被中國發明協會和北京發明協會同時評為優秀發明并獲得金牌，參加1988年瑞士國際展時又獲得三等獎。

該研究項目自1985 年起先后技術轉讓4 個單位，對推動“冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯晶體”起到了很好的作用。但由于付林堂高級工程師退休等原因，該項目于2000 年停止了生產。付林堂高級工程師認為，在冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯晶體的理論研究方面和推廣方面，中國科學院上海硅酸鹽研究所做得更好。

“冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯晶體”項目還獲得了部級科技進步二等獎，付林堂個人獲得了國家級科技進步二等獎，獲獎題目是“高頻加熱冷坩堝下降晶體生長技術和立方氧化鋯晶體中網試驗研究與開發”。2020 年，付林堂個人獲得了獎章和獲獎證書（這些內容將在后面詳談）。

1982 年由中國科學院上海硅酸鹽研究所（簡稱中科院上海硅酸鹽所或中科院硅酸鹽所）開始進行合成立方氧化鋯生產技術的研究，該項目在國家科委于1982 年4 月在南京召開的“若干重要晶體的生長和物理性能研究”規劃認證會議上被確定列為重點研究項目之一。中科院上海硅酸鹽所在上海新興機械廠的支持下，于1982 年第四季度初步建立了冷坩堝熔殼法的設備，冷坩堝內徑110 mm，并解決了負載耦合問題，生長出了穩定的立方氧化鋯晶體。早期屬于研究性階段，這種冷坩堝僅可生長1.5 公斤立方氧化鋯晶體，使用一段時間后進行了改進,改進后的內徑110 mm 冷坩堝一般裝料為9 公斤左右，可得立方氧化鋯晶體約4 公斤。1983 年上半年，中科院上海硅酸鹽所著重研究了立方氧化鋯晶體生長的基本條件和穩定劑的選擇試驗。冷坩堝熔殼法生產立方氧化鋯晶體時，每爐成品得率約有40%~55%，有50 % 的爐料和多晶體料可回爐利用，若使用回爐料生產時必須補充揮發掉的穩定劑YO。

通常合成無色立方氧化鋯晶體時，采用10%~12 %Mol（摩爾）的YO（三氧化二釔）作穩定劑，容易獲得外形完整、晶形穩定的立方氧化鋯單晶體。但后來發現，當使用合成立方氧化鋯晶體作為首飾戒面進行鑲嵌時，在首飾電鍍過程中，采用10% Mol（摩爾）的YO（三氧化二釔）作穩定劑的立方氧化鋯晶體容易開裂，所以上海主張在合成無色立方氧化鋯時采用12% Mol（摩爾）的YO（三氧化二釔）作穩定劑更穩妥。

此項研究由中科院上海硅酸鹽研究所晶體生長室主任張道標研究員負責，何雪梅、唐元汾、胡百柳等參加，于1983 年10 月組織成果鑒定，然后就在全國推廣。成果鑒定后，中科院上海硅酸鹽所繼續研究使用大直徑冷坩堝（外徑330 mm，內徑300 mm）生長立方氧化鋯。這種冷坩堝一般裝料25 公斤左右，得晶體約10 公斤左右。研究成果獲1985 年度中科院科技成果二等獎；《裝飾用立方氧化鋯晶體生長及其小面鉆》獲1988 年上海市科技進步三等獎。

由此可見，中國的冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯晶體技術，最早是由北京人工晶體研究所和上海中國科學院上海硅酸鹽研究所同時獨立進行和完成的。

合成立方氧化鋯晶體以其卓越的性能成為最佳仿鉆石材料而深受人們喜愛，并迅速成為暢銷品。市場的需求刺激了生產廠家的大發展，據統計，1990 年我國有近90 臺設備生產合成立方氧化鋯，大部分單爐產量僅10~25 公斤，故年產量在100 噸左右。1998 年前后，我國使用了每爐生長120 公斤的合成立方氧化鋯設備，年產量可超過100 噸。此時，控制高頻發生器的電子設備以電子管為主，其最大功率小于400 千瓦（kW），只能產生高頻。2000 年前后，我國開始安裝每爐生長400 公斤合成立方氧化鋯晶體的先進設備，半導體開始取代電子管，控制設備有高頻也有中頻,用千周（kHz）級的高頻發生器電源就能滿足冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯的要求，可大大降低設備成本；還可以加大冷坩堝熔殼法的熔體量，也即可以提高單爐產量，從而可降低成本。到2005 年，我國有205 臺每爐生長400 公斤立方氧化鋯的生長爐，估算年產合成立方氧化鋯可達12300 噸，但市場需求僅大約6000 噸，故實際年生產量為6000 噸左右，但也成為了立方氧化鋯世界第一生產大國。

我國生產的彩色合成立方氧化鋯主要以紫羅蘭色、玫瑰紅色、粉紅色、桔黃色、黑色和大紅色為主，這些顏色的品種都可根據訂單生產。后來，科研人員又研制開發出了乳色、藍寶石藍色和祖母綠綠色立方氧化鋯晶體。但這幾種產品由于脆性較大，市場需求不大；并且，合成彩色立方氧化鋯時所用穩定劑YO（三氧化二釔）的量比合成無色立方氧化鋯時大很多（后文中將會說明），所以生產量一直不高。

到2012 年，冷坩堝直徑可達1.25 米，可以裝料2000 公斤，獲得約1200 公斤的立方氧化鋯晶體。因為合成立方氧化鋯晶體的大小與每爐產量多少成正比，故2012 年生產的合成立方氧化鋯晶體單晶都比較大。除了作為寶石材料應用外，合成立方氧化鋯還可作為無人偵察機、人造衛星和宇宙飛船上很好的窗口材料。

需要說明的是，以前人們認為自然界中的斜鋯石不存在立方相構型，而將人工生產出的立方氧化鋯（CZ）晶體歸為人造寶石。然而，20 世紀90 年代中期，人們發現了自然界中存在著立方相的氧化鋯晶體（鋯石中的包裹體），所以，冷坩堝熔殼法生長出的立方氧化鋯晶體被歸入合成寶石。由于用冷坩堝熔殼法生長的立方氧化鋯晶體折射率高、產量大、成本低，所以問世后便迅速取代了其它的鉆石仿制品如人造釔鋁榴石(YAG)、人造釓鎵榴石(GGG)、人造鈦酸鍶(SrTiO)、合成金紅石(TiO)、合成水晶(SiO)等。合成立方氧化鋯已成為冷坩堝熔殼法生長出的代表性寶石晶體。2012 年，國內出現了用冷坩堝熔殼法生長無色藍寶石的報道，這是由陳慶漢(1943 年生人，四川成都西南技術物理研究所研究員）研究完成的。

第一節 冷坩堝熔殼法生長晶體的基本原理

一、冷坩堝詳解

2008 年11 月，沈才卿正在廣西桂林做高溫高壓合成翡翠實驗，見到了桂泰珠寶公司（國內采用冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯晶體的最大公司，年產量1700 噸，總公司設在桂林）總經理何方縣（中國珠寶玉石首飾行業協會副會長、中寶協人工寶石專業委員會副主任委員，1959 年生人）。見面后，何方縣邀請沈才卿到該公司設在廣西資源縣的冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯工廠參觀。總經理何方縣親自開車，從廣西桂林出發，1 個多小時后到達了位于賀州市資源縣風景秀麗山區的工廠參觀（圖1），這里的水和電都比較便宜。

當時，正值工廠停工對設備進行檢修，所以對冷坩堝的結構看得比較清楚。這是內徑為930 mm的冷坩堝，裝800 公斤粉料，一爐生長400 公斤左右立方氧化鋯晶體。冷坩堝的底座除進水和出水的大管子外，平板上有許多通水的口，參見圖2。裝好通水內管時狀態參見圖3，裝好外管后的冷坩堝見圖4，沒有裝料前的生長400公斤晶體的冷坩堝見圖5，周圍密封好的生長400 公斤晶體的冷坩堝見圖6，冷坩堝與高頻管見圖7。

圖1 沈才卿和何方縣在廣西資源縣工廠附近合影(2008年)

圖2 冷坩堝的底盤上有很多準備裝水管的孔（沈才卿攝）

圖3 裝好通水內管的冷坩堝（沈才卿攝）

圖4 裝好部份通水外管的冷坩堝（對面還有些沒有裝外管）（沈才卿 攝）

圖5 裝好外管還沒有裝料的幾個冷坩堝（沈才卿 攝）

圖6 周圍密封防止漏粉后可以裝料的幾個冷坩堝（沈才卿 攝）

圖7 冷坩堝和上端的高頻感應線圈（四圈）（沈才卿 攝）

圖2 底板上的孔需要裝兩根紫銅管，內管直徑較小（圖3），外邊一根外管直徑較大（圖4）。冷水從底盤進入內管，從上邊溢出帶走冷坩堝產生的熱量，再從底盤流進出水管到水池或水塔進行熱交換（圖8）。

圖8 冷坩堝底下的大通水管（另一邊有出水管）（沈才卿 攝）

冷坩堝的紫銅外管之間有縫隙，裝粉料后粉料會從縫隙中流出來，所以外面要用塑料或口袋包起來（圖6）。由于冷坩堝在生長寶石過程中帶走熱量，使生長晶體的粉料不熔，外殼溫度不高（形成冷坩堝），所以，外面包的塑料或口袋不會被熔掉。

冷坩堝的加熱是用高頻管感應通電完成的（圖7），生產時冷坩堝不動，通電的高頻感應線圈上下移動控制溫度（也可以高頻感應線圈不動，冷坩堝上下移動），使立方氧化鋯結晶結晶。高頻感應線圈有的是4 匝，有的是3 匝，主要取決于產生高頻控制設備的功率大小。

二、冷坩堝熔殼法生長晶體的基本原理

冷坩堝熔殼法本質上是一種熔體法晶體生長技術，與其它熔體法生長晶體的不同之處是：一般熔體法晶體生長要在高熔點金屬材料的坩堝中進行，但冷坩堝熔殼法技術不使用專門的坩堝，而是直接用擬生長的晶體材料本身作“坩堝”，使其內部熔化，外殼不熔。其巧妙之處是在其外部加設水冷卻裝置，把表層的熱量吸走，使表層不熔，形成一層未熔的化學成份為ZrO- YO的陶瓷殼，起到坩堝的作用，這就是“冷坩堝”。所以，實際操作時決不能把外邊這一層粉料熔化，如果外層被熔化，行內叫把坩堝“燒穿”了或“燒漏”了。內部已熔化的晶體材料，依靠高頻線圈上升或者冷坩堝下降的方法使立方氧化鋯結晶并長大，直至熔體全部結晶成立方氧化鋯晶體。

隨著技術的不斷發展，冷坩堝不斷增大，2012年發展到加2000 公斤粉料。由于冷坩堝體積很大，使冷坩堝上下移動就不方便了，故改由高頻感應線圈上下移動控制溫度。目前，冷坩堝熔殼法在合成寶石方面主要用于生長立方氧化鋯晶體，也有生長無色藍寶石的，這種無色藍寶石主要用于泡生法生長藍寶石的原料。

冷坩堝熔殼法生長晶體的裝置示意圖見圖9。在一個由通水冷卻的底座上，焊上通水冷卻用的紫銅管，紫銅管排列成圓杯狀“冷坩堝”，彼此間有一定的空隙，看似紫銅“柵”。紫銅管外層還有一根稍大的紫銅管或者石英管，以便隔離金屬銅與高頻感應線圈。（注：外套石英管只有北京付林堂先生用過，因為他剛好在某公司倉庫里獲得了一批適用的石英管。但2000 年付林堂先生退休以后，石英管就不再采用了，而是改用紫銅管。上海則一直使用內外二根紫銅管）。為防止粉料從縫隙中漏出來，外邊需要包上塑料布或口袋，然后在杯狀“冷坩堝”內堆放二氧化鋯材料、穩定劑及“引燃”劑。

必須說明：1994 年由沈才卿和吳國忠教授合編的《人造寶石學》（內部出版）的裝置示意圖是錯誤的，1996 年由何雪梅（北京中國地質大學（北京）珠寶學院教授）、沈才卿和吳國忠（原中國地質大學（北京）珠寶學院院長、教授）合編的《寶石的人工合成與鑒定》書中引用了《人造寶石學》中的這張圖，所以，也是錯誤的。原因是溫度降低時，立方氧化鋯小晶體只從冷坩堝底部生長，出現在上方是不可能的，所以是錯誤的。這是上海張道標與何雪梅夫婦告訴沈才卿必須更正的，在這里給以改正！

圖9 冷坩堝熔殼法晶體生長設備示意圖

“引燃劑”用鋯（Zr）金屬片或金屬粉，還要加起穩定作用的三氧化二釔（YO）。早期高頻感應線圈處于固定位置，而冷坩堝連同水冷底座均可以下降（后來改為上下移動式）。高頻發生器一般用1~6 MHz 可調，功率為10~400 kW，輸出匹配良好。

ZrO粉末在常溫下是非導電體，在1200°C 以上時可具有導電性能，導電體才能被高頻電磁場加熱，因此，必須往ZrO粉末中加入金屬鋯進行“引燃”。高頻發生器通電后，首先使金屬鋯熔化（熔點1900°C），由于溫度大于1200°C，從而起到“引燃”作用，使金屬鋯周圍的ZrO粉末導電并被加熱熔化（立方相ZrO的熔點是2370°C 以上），它所產生的高溫帶動其它ZrO粉末導電并被熔融。此時，外部通水冷卻，帶走紫銅管附近的熱量，從而使粉末表層不熔，形成一層未熔殼，起到坩鍋的作用，冷坩堝內部可以盛熔融的ZrO原料。這些熔化的原料在底座下降過程中結晶出立方氧化鋯小晶體（晶芽），并在生長過程中相互競爭，小晶芽會被生長的晶體不斷吞并成大晶體，大晶體不斷長大，直到所有熔體結晶完成為止，這就是冷坩鍋熔殼法生長立方氧化鋯晶體的原理。要強調的是：小晶體只在冷坩堝底部生長，所以上文提到的兩本書中的示意圖把小晶體畫在中間是錯誤的。

目前，冷坩堝很大，讓2000 公斤粉料全部熔融大約需要60 多個小時，然后，讓高頻感應線圈慢慢往上升，冷坩堝底部先結晶，整個冷卻結晶過程需3 小時左右。最后，要把結晶后的冷坩堝翻轉過來，將冷坩堝中的晶體和粉料倒到另一個工作臺上，吊走冷坩堝后所有的晶體和粉料都會被倒出來，再用小錘輕輕敲擊去除粉料，出現晶體后再用小錘輕輕敲擊晶體，晶體很容易取出來。

下述問題需要進一步說明:

（1）為了使冷坩堝內的ZrO粉末熔融，首先要讓它產生一個大于1200 °C 的高溫區，只要很小一點，它就能在高頻感應線圈下使ZrO粉末導電和熔融。ZrO粉末熔融時的溫度可達2370°C，足以使ZrO粉末導電，并不斷擴大熔融區，直至ZrO粉料除熔殼外全部熔融為止。我們將加入金屬鋯粉或鋯片達到此目的的技術稱為“引燃”技術。之所以選擇金屬鋯粉或鋯片進行“引燃”，是因為鋯粉或鋯片不會污染晶體。

（2）由于ZrO有單斜相、四方相、六方相、立方相等結構，相變過程中體積變化大，形成的晶體容易開裂，所以在晶體生長的配料中必須加入穩定劑。通常選用YO、CaO、MgO 等穩定劑使立方相穩定。其中以選用YO產生的效果最好，易于生長出大的單晶，并且易于分離晶體。CaO 或MgO 也可起穩定作用，但生長出的晶體直徑較小，且不易將立方氧化鋯產品分離為單晶。

通常YO穩定劑的加入量，以恰好能將全部立方相穩定為原則。最少加入量為10%的摩爾數，過少則會有四方相出現而呈現乳白色混濁狀；最大量為20%左右，加入量過多則晶體易帶黃色，并且造成不必要的成本上升，還會降低晶體的硬度。YO- ZrO的相圖見圖10。

圖10 Y2O3-ZrO2的相圖（Stabican VS et al,1978）

YO穩定劑的加入量要考慮下列四個問題：①在冷坩堝熔殼法生產立方氧化鋯晶體時YO穩定劑的揮發量；②晶體加工切割時會發熱甚至打火花，可能引起晶型轉變；③在鑲嵌飾品及鍍金銀時鍍液加熱等會引起晶型轉變；④如果大晶體用于窗口等屏蔽材料，更要考慮晶體的熱穩定性問題。當然，也要考慮爐子的大小、操作工藝條件，做多爐試驗后定出各廠的生產規程。通常用12%~20%克分子的YO穩定劑，即12%~20%重量的YO穩定劑，能保證生產出優質的立方氧化鋯晶體產品。生產的經驗是立方氧化鋯晶型穩定劑的配入量只能偏多，不能缺少。

（3）立方結構的合成立方氧化鋯晶體，晶格中存在氧離子空位，因此具有高溫下導電的性能。

第二節 冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯晶體工藝

一、合成立方氧化鋯晶體的工藝過程

冷坩堝熔殼法合成立方氧化鋯晶體的具體工藝過程如下：

（1）首先將生長立方氧化鋯晶體所使用的粉料ZrO與穩定劑YO按摩爾比9:1（或8:2）的比例混合均勻，裝入紫銅管圍成的杯狀“冷坩堝”中，在中心投入0.08%~0.15%左右金屬鋯片或鋯粉用于“引燃”。

（2）接通電源，進行高頻加熱，起燃1~2 分鐘后，原料鋯金屬開始熔化。先產生小熔池，然后由小熔池逐漸擴大熔區。在此過程中，鋯金屬與氧反應生成氧化鋯。同時，紫銅管中通入冷水冷卻，帶走熱量，使外層不熔，形成化學成份為ZrO-YO的陶瓷“冷坩堝熔殼”，起到坩堝的作用。

（3）待冷坩堝內原料達到完全熔融要求后，改變反饋關系，使熔體穩定加熱30~60 分鐘。

（4）坩堝以5~15 mm/h 的速度逐漸下降，坩堝底部的溫度降低，造成熔融液過冷卻。這時，在熔體底部開始結晶出立方氧化鋯小晶體。開始時形成的晶核較多，以后互相競爭，根據幾何淘汰率，多數小晶體停止生長，只有中間少數幾個晶體得以發育成較大的晶塊。但在使用加料2000 公斤的冷坩堝時，采用高頻線圈上升的方法，讓冷坩堝底部先降溫結晶出小晶體。

（5）生長結束后，慢慢降溫退火一段時間，然后停止，這個過程對2000 公斤粉料冷坩堝大約需要3 小時。冷卻到室溫后，較小的冷坩堝可以直接取出熔塊，用小錘輕輕拍打，一顆顆立方氧化鋯單晶體便分離出來。對于加入料2000 公斤的冷坩堝采用專門工具翻轉冷坩堝到另外一個工作臺面上的方法取出晶體。

整個操作從粉料熔化到完全熔融(除熔殼外)，時間很短，而晶體生長的時間卻較長，生長一爐立方氧化鋯晶體的總時間大約為20~70 小時。對每爐合成1200 公斤的冷坩堝需70 小時。

生長出的立方氧化鋯單晶呈不規則柱狀，無色或彩色透明，周圍是自然形成的貝狀面，一般肉眼見不到包裹體。若加工成圓鉆形刻面，酷似鉆石。到2012 年，每一爐最多可生長1200 公斤晶體，未形成晶體的原料及多晶體可回收再次用于晶體生長，所以，幾乎不會造成材料的浪費。冷坩堝熔殼法晶體生長過程示意圖參見圖11。

圖11 冷坩堝熔殼法晶體生長過程示意圖

二、合成立方氧化鋯晶體的工藝要點

（一）對原材料的要求

冷坩堝熔殼法通常要求ZrO粉料及YO穩定劑的純度為99%~99.9%。

合成無色立方氧化鋯晶體時，要求其它雜質（包括金屬氧化物NiO、TiO、FeO等）的含量應小于0.005~0.01 wt%，尤其是FeO的含量一定要小于0.001 wt%，否則，生長出的晶體會略帶淡黃色。

對于彩色合成立方氧化鋯晶體的生長，只需要在ZrO+YO的混合料中加入著色劑即可，其它操作相同。常用的著色劑見表1。

表1 合成立方氧化鋯晶體中著色劑與相對應的晶體顏色

（二）冷坩堝熔體系統的平衡

粉料在“引燃”后繼續熔化的過程中，絕不能把熔殼也熔掉，即不能將冷坩堝燒漏。“燒漏”的情況在冷卻水的冷卻量大大小于熔體發熱量時就可能發生。所以必須通過調節加熱頻率和匹配參數，維持好冷坩堝—熔體系統的平衡，保證不把熔殼熔掉。

（三）對升降機構系統的要求

對升降機構系統的要求是：機架要平穩，升降速度能快能慢，能遙控勻速升降，特別是晶體生長階段不能有周期性振動，否則晶體會產生色帶、多晶和斷層等缺陷，而不可能獲得完整和容易剝離的大單晶。

（四）對電源的要求

合成立方氧化鋯晶體生產廠家是耗電大戶，每噸晶體能耗為5 萬~6 萬kW·h，每爐生產要60 小時以上，而且在生產過程中要求電力穩定，才能保證晶體生長正常，因此需要有足夠的電力，以及穩定的電源。由于電價比較貴，所以，有些廠家把工廠搬到山區有小水電的地方，這里電價便宜，可以降低成本。