เพชรเทียม

Cubic Zirconia 1

Cubic Zirconia VS Diamonds by Alison Takvorian

Cubic Zirconia (CZ) ถูกค้นพบในปี 1892 ว่ามันคือผลึกสี่เหลี่ยม (cubic crystal) เกิดจากการรวมตัวของ เซอร์ดคเนี่ยมไดอ๊อกไซด์ (ZrO2) วัสดุนี้เมื่อสังเคราะห์ (synthesized) ขึ้นมา

  • จะมีความแข็ง (hard)
  • จะมีความเป็นผลึกแก้วใสสะอาด (optical flawless) และ
  • ไม่มีสี (colorless)
  • แต่มันสามารถให้ลำแสงของสีที่กว้าง (wide array of color)
  • ราคาไม่แพง (inexpensive)
  • คงทนถาวร (durable)
  • ดูคล้ายเพชร (look like diamond)

และเนื่องจากคุณสมบัติที่คล้ายเพชรคือการมีผลึกที่มีขนาดที่สมมารต (crystal isometric) ที่คล้ายเพขรนี่เองคือเหตุผลที่ทำไมมันจึงกลายเป็นคู่แข่งที่ใหญ่ที่สุดของอัญมณีอันล้ำค่าเช่นดั่งเพชรนับตั้งแต่ปี 1970 เป็นต้นมา

การเพิ่มคุณค่า (Cubic Zirconia Enhancement)

เพราะเหตุที่ว่าหลายปีที่ผ่านมามีผู้ผลิตมากมายหลายรายซึ่งรวมถึงนักออกแบบ (designers) และผู้ขาย (sellers) เครื่องประดับต่างพยายามที่จะปรับปรุง Cubic Zirconia ให้มันมีภาพลักษณ์ที่สวยงามมากขึ้นเหมาะที่จะนำมาผลิตเป็นจิวเวลรี่ (jewelry) หรือเครื่องประดับ (accessories)

วิธีหนึ่งที่จะทำให้เพิ่มคุณสมบัติ (enhancement) ให้กับ Cubic Zirconia ด็โดยการฉาบ (coating) ด้วยฟิล์มบางๆของวัสดุคล้ายเพชร (diamond-like) หรือวัสดุไร้รูปทรงของเพชร (amorphous diamond) การ treatment ด้วยวิธีนี้ทำให้ Cubic Zirconia มีความแข็งเพิ่มขึ้น ‘harder’  มีประกายมากขึ้น ‘shinier’ และดูคล้ายเพชร ‘diamond-like’ มากยิ่งขึ้น ซึ่งเสมือนหนึ่งว่ามันถูกจุ่มลงไปในส่วนเกินที่เป็น “ไฟ” ของ CZ ให้เพิ่มขึ้นไปอีก ‘excess fire of zirconia’ จึงทำให้มันคล้ายเพชรมากยิ่งขึ้น

อีกวิธีหนึ่งในการปรับปรุง Cubic Zirconia ก็โดยการใช้กรรมวิธีเดียวกันกับกรรมวิธีที่ใช้กับ quartz และ topaz มันคือกระบวนการที่เรียกว่า vacuum-sputtering ที่จะทำให้เกิดฟิล์มบางๆของ โลหะอ๊อกไซด์(metal oxide ‘gold’) เคลือบลงไปบนผิวของ cubic zirconia ที่เจียรไนเป็นทรงสำเร็จรูปเรียบร้อยแล้ว กรรมวิธีนี้ตัวเคลือบโลหะอ๊อกไซด์จะทำให้ ผิว cubic zirconia มีความสว่างสดใสทำให้เกิดสีรุ้งเอฟเฟค-ขึ้นได้ (iridescent effect) ทำให้ cubic zirconia มีความรู้สึกลึกลับสวยงามเหนือธรรมชาติ อย่าไรก็ตาม คุณสมบัติที่ว่านี้ไม่คงทนถาวร หากถูกเสียดสีหรือนำกระดาษทรายมาขัดออก คุณสมบัติดังกล่าวก็หายไป

Cubic Zirconia 4

เพชรแท้ - คิวบิกเซอร์โคเนีย ต่างกันอย่างไร?

ในหลายๆกรณีที่ cubic zirconia มีคุณลักษณะที่แตกต่างจากเพชร ซึ่งคุณสมบัติเหล่านั้นจะต้องดูผ่านกล้องจุลทรรศน์หรือเลนส์ขยายเท่านั้น

  • Dispersion การฟุ้งกระจายของแสง Cubic Zirconia จะมี 0.060 ลักษณะกำลังไฟปริซึม (prismatic fire) ที่สูงกว่าของเพชรที่มีกำลังไฟปริซึมเพียง 0.044
  • Hardness ความแข็ง Cubic Zirconia จะมีความแข็งที่ระดับ 8 ของ Mohs scale hardness ในขณะที่เพชรมีความแข็งที่ระดับ 10 ของ Mohs scale hardness 
  • Specific Gravity ความถ่วงจำเพาะ Cubic Zirconia จะมีน้ำหนักมากกว่าเพชรที่มีขนาดเดียวกันถึง 1.7 เท่า
  • Flaws ความใสสะอาด การผลิตจะทำให้ได้ Cubic Zirconia ที่ใสสะอาด flawless ในขณะที่เพชรที่เกิดจากธรรมชาติจะมีมลทินเล็กเป็นเสมือนลายนิ้วมือติดตัวมาเสมอ ไม่ว่าจะเป็นในลักษณะขนนก (feather) หรือมีผลึกเล็กๆฝังอยู่ (a bit of crystal) หรืออาจเป็นมลทินตกคางฝังอยู่ในหน้าผลึกตั้งแต่แรก (residues of original crystal face) 
  • Refraction Index ดัชนีการหักเหของแสง Cubic Zirconia มีดัชนีการหักเหของแสงที่ 2.176 ในขณะที่เพชรมีดัชนีการหักเหของแสงที่ 2.417 
  • Cut การเจียรไน  Cubic Zirconia จะมีการเจียรไนที่มีขนาดผิวหน้าเจียไน (surface dshape)ที่แตกต่างจากผิวหน้าเจียรไนที่ใช้กับเพชร ต้องส่องดูผ่านเลนส์ขยาย จึงจะสังเกตุได้ 
  • Lack of Color ปราศจากสี การผลิต cubic zirconia สามาถทำได้เฉพาะที่เป็นผลึกไม่มีสี หรือจะทำได้ดีที่สุดคือการทำให้เกิดสีในเกรด “D” เช่นเดียวกับสีเกรด “D” เพชร แต่ทางกลับกัน เพพชรที่เกิดในธรรมชาติจะหายากที่บริสุทธิ์ปราศจากสี เพชรธรรมชาติส่วนใหญ่จะมีสีออกเหลืองหรือไม่ก็ออกน้ำตาล 
  • Thermal Conductivity การนำความร้อน Cubic Zirconia มีคุณลักษณะเป็น “thermal Insulator” ซึ่งกลับกันอย่างสิ้นเชิงกับเพชรที่มีคุณสมบัติเด่นคือเป็นตัวนำความร้อนที่ดีที่สุด การแยกแยะความแตกต่างระหว่าง Cubic Zirconia กับ Diamond โดยการใช้เครื่องมือวัดคุณสมบัติการนำความร้อนจึงป็นวิธีตรวจสอบที่ง่ายที่สุด 

ถ้าท่านเป็นผู้ทำธุรกิจเครื่องประดับจิวเวลรี่และค้นหาข้อมูลที่มีค่าควรแก่การนำเสนอให้แก่ลูกค้าของคุณ เราเสนอแนะให้ท่านใช้บทความนี้ที่ให้ความรู้และข้อเท็จจริงเกี่ยวกับการเปรียบเทียบระหว่าง cubic zirconia และเพช (diamond) เชื่อเถิดว่าลูกค้าส่วนใหญ่เมื่อได้อ่านแล้วจะจดจำในความเอื้อเฟื้อของเราที่ห่วงใย และเข้าใจในปรัชญาการทำธุรกิจที่ซื่อตรงของเรา

________________________________________________

Skull Crucible กรรมวิธีผลิต Cubic Zirconia

From the Gemology project

Cubic Zirconia 2

Skull-crucible furnance

กรรมวิธี “skull crucible” หรือ “skull melting” เป็นกรรมวิธีที่ใช้ผลิต cubic zirconia เป็นหลัก อย่างน้อยก็เมื่อมันได้กลายมาเป็น อัญมณีสังเคราะห์ (synthesizing gemstones)

แม้ว่า zirconia จะเกิดขึ้นในธรรมชาติ มันมักจะเป็นผลึกหน้าเดียว (monoclinic of nature) และที่รู้กันในชื่อ baddeleyite รูปแบทรงปริมารต (cubic form) ทราบกันในชื่อ “arkelite” เกิดขึ้นในบางครั้งใน zircon

ในการที่สามารถผลิต cubic zirconia สังเคราะห์ (Synthesizing of Cubic Zirconia) ได้มีอุปสรรคปัญหาใหญ่สองประการในยุคศัตวรรษที่ 20

ปัญหาแรก คือ จุดหลอมเหลวของ zirconium dioxide นั้นสูงมากคือ 2750 องศา ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่สูงเกินกว่าปกติที่เตาที่ทำจากวัตถุทนทานทั่วไป (เช่นแพลตินั่ม)จะสามารถต้านทานความร้อนระดับดังกล่าวได้

อุปสรรคประการแรกแก้ไขโดยการใช้ผงของ zirconium dioxide มาทำเป็นเตาเผา (crucible skull)

ปัญหาอีกประการหนึ่ง คือ การที่ zirconium dioxide (ZrO2) มักจะเกิดเป็นผลึกหน้าเดียว (monoclinic crystal)

ส่วนอุปสรรคประการที่สองก็แก้ไขโดยการเติมสาร (stabilizer)ที่ทำให้เกิกการสมดุลเช่นสาร yttria (Y2O3) หรือแคลเซี่ยมอ๊อกไซด์ (CaO) ปริมาณการเติมสารสมดุล (stabilizer) อยู่ที่ประมาณ 10%-30% หรือโดยปกติจะใช้สาร yttria (Y2O3) 15% cและหากเป็น CaO ก็จะใช้ 10%

การที่จะเผาให้ได้อุณหภูมิที่จะทำให้ zirconium dioxide หลอมตัว ก็จะใช้คลื่นวิทยุ radio-frequency (RF waves) มาช่วย ซึ่งจะเป็นคลื่นที่ความถี่ 4 MHz ที่ความดันไฟฟ้า 5 kW – 100 kW (มากพอๆกับกำลังส่งขอส่งของสถานีวิทยุเลยทีเดียว) การส่งคลื่นเข้าไปจะใช้ได้เฉพาะเมื่อมันเป็นสื่อนำไฟฟ้าและเป็นตัวนำความร้อน แต่เนื่องจาก zirconium dioxide เป็นฉนวน การแก้ปัญหาโดยการใช้แท่งโลหะ zirconium เสียบไว้ที่ศูนย์กลางของเตา (crucible) ซึ่งมันจะกระทำเป็นตัวส่งผ่านให้ cubic zirconium ด้วยตัวมันเอง

แท่ง Zirconium metal และผง Zirconium Dioxide จะถูกวางไว้ระหว่างแท่ง fingers ภายในเตา (crucible) จากนั้นก็เปิดเครื่องให้ทำงาน น้ำจะปล่อยให้ใหลผ่านท่อหล่อเย็นที่ม้วนโดยรอบแท่ง fingers ที่อยู่รอบๆเตา (crucible) เพื้อรักษาผิวด้านนอกของแหล่งที่กองผง zirconium dioxide ให้เย็นอยู่เสมอ (ป้องกันการหลอมละลาย)

คลื่นวิทยุที่ปล่อยผ่านท่อทองแดง RF ม้วนโดยรอบจะทำให้ โลหะ zirconium metal มีความร้อนและส่งผ่านความร้อนไปยังแท่ง fingers ที่อยู่โดยรอบเตา (crucible) เมื่อผง zirconium หลอมตัวมันก็จะรับคลื่นวิทยุ RF เหนี่ยวนำให้ผงที่อยู่โดยรอบตัวเกิดการหลอมเหลวตามไปด้วย ปรากฎการณ์นี้จะเกิดขึ้นต่อเนื่องไปจนถึงผง zirconium dioxides ที่อยู่ใกล้แท่ง fingers ที่ถูกท่อน้ำหล่อเย็นโดยรอบ การทำงานก็คล้ายๆกับการทำงานของเตาไมโครเวฟ (แต่ก็ไม่เหมือนกับทั้งหมดเสียทีเดียว)

หลังจากใช้การเหนี่ยวนำด้วยคลื่นวิทยุ ตัวหลอมเหลวจะค่อยๆลดลงจากท่อที่พันโดยรอบ (coil) และพลังงาน (energy) ก็ค่อยๆถูกปรับ (adjusted) เพื่อรักษาอุณหภูมิของเหลวที่อยู่ระหว่าง coil ให้อยู่ที่ 1400 องศา ในระหว่างที่ค่อยๆลดระดับลง (ด้วยความเร็ว 2mm/hr to 30 mm/hour) ขึ้นอยู่กับส่วนผสมของของเหลว ตัวผลึกที่เป็นแท่ง (columnar crystal) จะค่อยๆก่อตัวและคลายแรงตึงตัว (relief from stress) ด้วยความสูงของเตาที่ 200 mm จะใช้เวลาในการก่อตัวประมาณ 12 ชั่วโมง เมื่อทั้งหมดกลายเป็นผลึก อุณหภูมของมันจะอยู่ที่ 98 องศา (ซ) ให้เอาของเหลวที่อยู่โดยรอบเตา (skull) ออก จากนั้นเปิดส่วนที่เหลือในเตาให้เย็นด้วยอุณภูมิในอากาศ จากนั้นก็ใช้ฆ้อนมาทำให้แตกเป็นชิ้นๆ ในทางปฎิบัติ การใช้ผง zirconium dioxide จำนวน1 กิโลกรัมจะทำให้เกิด วัสดุอัญมณี cubic zirconia น้ำหนัก 500 กรัม

 

Cubic Zirconia 3

เตาแบบเปิดใช่้ผลิต cubic zirconia สังเคราะห์ด้วย skull สีขาว จะสังเกตุเห็นได้ง่ายที่เหลือไว้โดยแท่งทองแดง fingers ภาพถ่ายโดย Larrry P Kelley

ดังได้กล่าวไว้แต่แรก เพื่อป้องกันส่วนที่หลอมเหลวทั้งหมดไม่ใกลายเป็นผลึกหน้าเดียว (monoclinic system) ให้เติมสารเร่งการสมดุลย์ (stabilizer) ใส่ลงไปในขณะที่กำลังหลอมเหลว ซึ่งจะใช้สาร yttria หรือ สาร CaO แคลเซี่ยมคาร์บอเนตก็ได้ ในแต่ละชนิดที่เติมลงไปจะให้ผลทางด้านการดูดซึมของแสง (optical) และคุณสมบัติทางฟิสิกส์ (physical properties) ที่ต่างกัน

นอกจากการเติมสารเร่งความสมดุลย์ (stabilizer) แล้ว สารอย่งอื่นสามารถที่จะเติมลงไปได้อีก เช่น dopants เพื่อสร้างสีในผลึก หรืออาจเติมสิ่งอื่นบางอย่างเช่น cesium, chromium, iron, cobalt, neodymium, vanadium, copper และ manganese

Cubic Zirconia 5

เครื่องเจียรไน cubic zirconia

 Skull Melting Process

Skull Melting Process1

Skull Melting Process1

Cubic zirconia (zirconium oxide) เปลี่ยนเป็นสภาวะหลอมเหลวที่ 2,750 องศา และไม่มีโลหะเชิงพานิชญ์ใดที่จะต้านการหลอมตัวที่อุณหภูมิดังกล่าว การหลอมเหลวของ zirconium oxide จึงสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อมีหม้อที่สามารถบรรจุได้ที่อุณหภูมิดังกล่าว

การออกแบบหม้อ “skull crucible” จึงถูกทำขึ้นเพื่อการบรรจุสารตั้งต้น สาร zirconia จะอยู่ในสภาวะเสถียรหากมีเปอร์เซนต์เล็กน้อยของสารแคลเซียมอ๊อกไซด์ (CaO) หรือสาร yttrium oxide (YO) ส่วนผสมของสารดังกล่าวจะถูกบรรจุในหม้อที่เรียกว่า skull crucible

หม้อ crucible ทำขึ้นมาจากการใช้ท่อโลหะที่เรียงเป็นซีรี่ส์ที่หล่อเย็นด้วยการให้ของเหลวใหลผ่านภายในท่อดังกล่าว

ของเหลวจะรักษาให้ชั้นด้านนอกของๆเหลวไม่ให้มันหลอมตัว มันจึงกลายเป็นผิวที่บางๆเคลือบอยู่โดยรอบหม้อและทำหน้าที่เป็นเหมือนผิวหม้ออีกชั้นเพื่อรองรับส่วนที่เป็นของเหลวของ zirconia mixture

ในขณะที่ท่อที่อยู่โดยรอบด้านนอกของหม้อ crucible จะมีผิวบางๆที่ทำให้คลื่นวิทยุ rf (radio frequency) สามารถผ่านได้และเข้าไปถึงส่วนผสมที่เป็นอ๊อกไซด์

ส่วนผสมที่ประกอบเป็น zirconia oxide ที่มีส่วนผสมของสารที่ก่อให้เกิดการเสถียร (yttrium or calcium oxide) และมีบางส่วนเล็กน้อยของโลหะ zirconium metal

Skull Melting Process2

Skull Melting Process2

ท่อทองแดง (copper coil) จะม้วนอยู่โดยรอบหม้อ crucible และทำตัวเหมือนหนึ่งเป็นเสาอากาศส่งพลังงานที่ต้องการในการหลอมเหลว ซึ่งจะอยู่ที่ 4 MHz ที่กำลังส่ง 100 KW

ตัวโลหะเซอร์โคเนี่ยมจะทำหน้าที่เป็นสารตัวนำไฟฟ้า (transducer) ที่เริ่มจากการถูกทำให้ร้อนด้วยพลังงานจากคลื่นวิทยุ หากปราศจากเซอร์โคเนียส่วนที่เป็นโลหะ ส่วนผสมของเซอร์โคเนี่ยมที่อยู่ในหม้อ crucible ก็จะไม่เกิดความร้อนขึ้นในส่วนผสมดังกล่าว สาเหตุเพราะส่วนผสมเซอร์โคเนียมอ๊อกไซด์จะเป็นฉนวนที่อุณหภูมิปกติ

พลังความร้อนจะส่งผ่านไปยังคอล์ยทองแดงและขณะเดียวกันน้ำยาหล่อย็น (coolant) ก็จะถูกปัมท์ผ่านเข้าไปยังหม้อ skull crucible ในขณะที่อุณหภูมิก็เพิ่มขึ้นสูงจนถึงจุดหลอมเหลวและส่วนผสมที่อยู่ในหม้อเริ่มกลายเป็นของส่วนผสมของๆเหลว

ตัวโลหะเริ่มต้น zirconium metal จะทำปฎิกิริยากับออกซิเจนที่อยู่ในอากาศทำให้เกิดอ๊อกไซด์เพิ่มขึ้น ขณะที่อุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น ตัวสารเซอร์โคเนี่ยมอ๊อกไซดืก็เปลี่ยนสภาพมาเป็นตัวนำไฟฟ้าและทวีการทำให้ความร้อนให้สูงเร็วยิ่งขึ้น

เมื่อ zirconia ได้หลอมเหลวจนได้ที่มันเป็นอุณหภูมิที่สูงจนทำให้สารมลินปนเปื้อนต่างๆถูกเผาจนระเหยออกไปจนหมดสิ้น หลังจากนั้นสองสามชั่วโมงพลังงานความร้อนก็ค่อยถูกกำจัดออกไปอย่างช้าๆจากนั้น zirconia ที่หลอมเหลวก็เย็นตัวลงกลายเป็นผลึกคริสตัล

จะไม่เหมือนเช่นไดอะแกรมภาพสุดท้าย ผลึกคริสตัลที่เกิดขึ้นจะเกิดการตึงผิวอันเนื่องจากความเคลียดของแรงดึงตัวของผลึกขณะเย็นตัวลง (shrinkage) และวัสดุแตกออกมาเป็นชิ้นมากมายหลายชิ้นที่มีช่องว่าง (gap) ระหว่างกัน มันไม่ได้เกิดเป็นคริสตัลเป็นหนึ่งเดียว

Skull Melting Process3

Skull Melting Process3

การอบความร้อน (anneal) เพื่อคลายแรงเครียด(strain)ภายในผลึกจะใช้เวลาประมาณสองสามชั่วโมง