Zircone cubique

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Contexte

Une pierre précieuse ou une pierre précieuse peut être définie comme un bijou ou une pierre semi-précieuse taillée et polie pour une parure personnelle. Les pierres précieuses produites aux États-Unis et dans d'autres pays producteurs sont de trois types; naturel, synthétique et simulant. Les pierres précieuses naturelles sont taillées dans des minéraux de forme cristalline tels que le béryl, le corindon et le quartz. (Le diamant est un cristal de carbone pur.) Les matières organiques telles que l'ambre, le corail, les fossiles, l'ivoire, la nacre, les perles d'eau douce naturelles et de culture et les perles d'eau salée naturelles sont également considérées comme des pierres précieuses naturelles.

Les pierres précieuses synthétiques cultivées en laboratoire ont essentiellement la même apparence, les mêmes propriétés optiques, physiques et chimiques que le matériau naturel qu'elles représentent. Les pierres précieuses synthétiques produites aux États-Unis comprennent l'alexandrite, le corail, le diamant, l'émeraude, le grenat, le quartz, le rubis, le saphir, le spinelle et la turquoise. Il existe également des pierres synthétiques qui n'ont pas d'équivalent naturel.

Les simulants sont des pierres précieuses cultivées en laboratoire qui ont une apparence similaire à celle d'une pierre précieuse naturelle, mais qui ont des propriétés optiques, physiques et chimiques différentes. La zircone cubique (CZ), un substitut du diamant, entre dans cette catégorie et a été utilisée pour la première fois pour la production de pierres de joaillerie en 1976. Sur l'échelle de dureté des pierres, le véritable diamant est un 10 par rapport à une dureté allant de 8,5 à 9 pour CZ. Le CZ a un indice de réfraction (la capacité de réfracter un rayon de lumière dans les couleurs rouge, orange, vert, jaune, violet et bleu) de 2,15 à 2,18, contre 2,42 pour le diamant véritable.

Les prédécesseurs de la zircone cubique comme imitations de diamants comprenaient le titanate de strontium (introduit en 1955) et le grenat d'aluminium et d'yttrium. Cependant, le titanate de strontium était trop mou pour certains types de bijoux. La zircone cubique est devenue plus populaire car son apparence est très proche du diamant en tant que pierres précieuses taillées.

Les simulants de pierres précieuses produits aux États-Unis comprennent le corail, la zircone cubique, le lapis-lazuli, la malachite et la turquoise. De plus, certaines couleurs de saphir et de spinelle synthétiques, utilisées pour représenter d'autres pierres précieuses, seraient classées comme des simulants. Les variétés colorées et incolores de CZ sont les principaux types de simulants produits et sont sur le marché depuis plus de 30 ans. Comme pour le diamant véritable, le CZ est disponible dans des qualités supérieures et inférieures, allant de plusieurs dizaines de dollars par carat à 100 $ par carat pour les qualités supérieures.

Au cours de la dernière décennie, l'utilisation et l'acceptation par les consommateurs des pierres précieuses synthétiques et simulées ont augmenté. Une grande partie de cette croissance est le résultat direct de la reconnaissance de ces pierres précieuses pour leurs propres mérites, et pas seulement en tant que substituts peu coûteux aux pierres précieuses naturelles. La production annuelle de pierres précieuses synthétiques et simulées aux États-Unis est actuellement évaluée à environ 20 millions de dollars, la production de pierres précieuses naturelles étant environ deux fois et demie supérieure.

Matières premières

La zircone cubique est fabriquée à partir d'un mélange de poudres d'oxyde de zirconium de haute pureté stabilisées avec du magnésium et du calcium. La quantité de chaque ingrédient est soigneusement contrôlée, certains additifs étant parfois utilisés pour obtenir une apparence similaire à celle des véritables diamants.

Le processus de fabrication

Les producteurs de pierres précieuses synthétiques et simulées utilisent de nombreuses méthodes de production différentes, mais ils peuvent être regroupés dans l'un des trois types de processus suivants :croissance en fusion, croissance en solution ou croissance à très haute température et à haute pression. Les techniques de solution pour la fabrication de pierres précieuses synthétiques incluent les méthodes de flux pour l'émeraude, le rubis, le saphir, le spinelle et l'alexandrite. L'autre méthode de solution est la méthode hydrothermale, souvent utilisée pour la culture du béryl (émeraude, aigue-marine et morganite) et du quartz. Cette méthode utilise un grand récipient sous pression appelé autoclave.

D'autres techniques impliquent des réactions à l'état solide ou liquide et des transformations de phase pour le jade et le lapis-lazuli; dépôt en phase vapeur pour le rubis et le saphir ; céramiques pour turquoise, lapis-lazuli et corail; et d'autres pour les simulants ou imitations d'opale ou de verre et de plastique. Les procédés de fusion de Vemeuil, de Czochralski et du crâne sont les techniques de fusion les plus souvent utilisées pour les pierres précieuses.

Le chimiste français Edmond Fremy a produit les premières pierres précieuses synthétiques commerciales en 1877 par une méthode de croissance par fusion. Il s'agissait de petits cristaux de rubis cultivés en fusionnant un mélange contenant de l'oxyde d'aluminium dans un creuset en argile, le processus prenant environ huit jours. Ceux-ci ont été appelés rubis reconstruits. En 1885, de plus gros rubis synthétiques ont fait leur apparition en utilisant un procédé de fusion à la flamme et de la poudre d'alumine. Plus tard, le saphir, le spinelle, le rutile et le titanate de strontium ont été cultivés avec cette technique, également connue sous le nom de méthode de Vemeuil.

La méthode de croissance tirée de Czochralski, développée vers 1917 par un scientifique du même nom, est utilisée pour le rubis, le saphir, le spinelle, l'yttrium-aluminium-gamet (YAG), le gadolinium-gallium-grenat (GGG) et l'alexandrite. Dans la méthode Czochralski, les ingrédients en poudre sont fondus dans un creuset en platine, en iridium, en graphite ou en céramique. Un cristal germe est attaché à une extrémité d'une tige rotative, la tige est abaissée dans le creuset jusqu'à ce que la graine touche juste la masse fondue, puis la tige est lentement retirée. Le cristal grandit à mesure que la graine tire des matériaux de la fonte, et le matériau se refroidit et se solidifie. Pourtant, en raison de la tension superficielle de la masse fondue, le cristal en croissance reste en contact avec le matériau en fusion et continue de croître jusqu'à ce que la masse fondue soit épuisée.

Typiquement, la graine est extraite de la masse fondue à une vitesse de 0,0394 à 3,94 pouces (1 à 100 mm) par heure. Les cristaux cultivés à l'aide de cette méthode peuvent être très gros, mesurer plus de 50 mm de diamètre et 1 m de long et être d'une très grande pureté. Chaque année, les producteurs utilisant cette méthode cultivent des millions de carats de cristaux. La méthode de fusion du crâne est utilisée pour la zircone cubique et sera décrite plus en détail ci-dessous.

Certaines pierres précieuses posent des problèmes uniques lorsque des tentatives sont faites pour les faire pousser. Les problèmes surviennent parce que certains matériaux sont soit si réactifs qu'ils ne peuvent pas être fondus même dans des creusets en platine et en iridium non réactifs, soit ils fondent à des températures plus élevées que celles que les matériaux du creuset peuvent supporter. Par conséquent, un autre système de fusion doit être utilisé, appelé système de fusion du crâne. La zircone cubique, en raison de son point de fusion élevé, doit être cultivée selon cette méthode.

Fonte

• 1 Le "crâne" est une coupe en cuivre à paroi creuse. L'eau circule à travers les parois creuses pour refroidir la paroi interne du crâne. La tasse est remplie d'ingrédients en poudre et chauffée par induction par radiofréquence jusqu'à ce que les poudres fondent. Parce que l'eau refroidit les parois du crâne, les matériaux en poudre à côté des parois ne fondent pas et le matériau en fusion est contenu dans une coquille de matériau non fondu. Par conséquent, la masse fondue réactive ou à haute température est contenue en elle-même.
• 2 Lorsque la source de chaleur est retirée et que le système est laissé refroidir, des cristaux se forment par nucléation et croissent jusqu'à ce que la masse fondue se solidifie. Les cristaux cultivés à l'aide de ce système varient en taille, en fonction du nombre de nucléations. Dans la croissance de la zircone cubique, un seul crâne produit environ 2,205 lb (1 kg) de matériau par cycle.

Découpe

La taille de n'importe quelle pierre, qu'elle soit naturelle ou imitation, dépend de l'habileté du tailleur de pierre. Le tailleur doit évaluer soigneusement un cristal de pierre précieuse pour déterminer la quantité de cristal qui doit être coupée pour produire une pierre ou des pierres avec une bonne clarté. Le tailleur doit également déterminer quelles formes de pierre utiliseront au maximum le cristal. Le tailleur doit utiliser le cristal autant qu'il le peut, car le diamant est trop précieux pour être gaspillé.

La proportion joue un rôle important dans la taille d'un diamant. Une pierre idéale est taillée selon des spécifications mathématiques pour permettre à une quantité maximale de lumière d'être réfléchie à travers la pierre. Ce type de coupe est connu sous le nom de coupe Brilliant. Des variations par rapport à ces proportions définies peuvent réduire la brillance de la pierre. Lorsqu'il travaille avec des diamants, un tailleur peut trouver plus économique de varier ces angles afin d'éliminer un défaut ou une inclusion, tout en conservant le poids maximal en carats. Comme les cristaux de diamant contrefaits ont un coût plus modéré et une clarté presque irréprochable, les pierres plus grosses peuvent être taillées dans des proportions correctes.

• 3 Il y a plusieurs étapes dans la coupe. Tout d'abord, la pierre est marquée pour indiquer les plans de clivage, puis clivée pour donner une forme initiale à la pierre. Étant donné que la zircone cubique se divise facilement dans des directions parallèles à la face cristalline octaédrique, elle peut être clivée à l'aide d'outils spéciaux imprégnés de poudre de diamant. Une alternative au clivage est le sciage, qui permet d'éliminer les zones défectueuses (les pierres d'imitation n'en auront pas autant) à l'aide d'un petit disque de bronze phosphoreux imprégné de diamant sur sa tranche. Des machines programmables de précision sont maintenant utilisées pour couper les pierres à une mesure prédéterminée (appelée étalonnage), de sorte que chaque pierre puisse être produite dans la même taille, la même forme et la même profondeur.
• 4 L'étape suivante, appelée brutage ou arrondi, consiste à arrondir les coins des bords clivés. Ceci est accompli à l'aide d'une machine équipée d'un outil diamanté appelé tranchant.
• 5 Après dégrossissage ou arrondissage, la pierre est facettée à l'aide d'une molette en fonte. Le polissage fait suite à une opération de facettage secondaire.
• 6 L'étape finale est un nettoyage en profondeur par ébullition dans de l'acide pour éliminer toute trace d'huile, de saleté et de poudre de diamant. Une fois les pierres inspectées au microscope, elles sont emballées dans un emballage en mousse.

Contrôle qualité

La qualité d'une pierre véritable ou imitation est déterminée par les quatre C :carat, couleur, clarté et taille. C'est la combinaison des grades dans les quatre qui détermine la qualité finale et donc la valeur à la fois d'un diamant authentique et d'un faux diamant. Le poids en carat de 0,0175 oz (0,5 g) d'un véritable diamant est le poids de la pierre en carat. Les pierres synthétiques sont toujours plus lourdes en carats que les diamants véritables, car le matériau dont elles sont faites est plus dense.

La couleur d'un diamant peut affecter sa valeur. L'absence totale de couleur représente l'extrémité supérieure de l'échelle, et les pierres pâles et inégalement teintées constituent l'extrémité inférieure. Les diamants avec un degré de couleur inhabituellement élevé sont appelés fantaisies et sont classés en fonction de la régularité, de la rareté et du ton de la couleur. Les diamants en zircone véritable et cubique sont disponibles en différentes couleurs allant du jaune le plus pâle au rouge brillant.

La clarté est la clarté ou la transparence d'une pierre. Dans les diamants authentiques, la clarté est déterminée par la nature, les traces minérales infimes et les petits cristaux d'imperfections qui peuvent obscurcir une pierre. Plus la pierre est claire, plus elle est précieuse. La clarté d'un diamant contrefait peut être contrôlée en laboratoire. Cependant, les mauvaises fontes peuvent produire des pierres avec de petites inclusions. Des variations dans les mélanges d'oxydes métalliques peuvent changer la couleur de la pierre. Une coloration inégale est aussi indésirable dans un diamant contrefait que dans un diamant véritable.

Des quatre C, la coupe est la plus importante pour déterminer la brillance d'un diamant. En 1919, Marcel Tolkowsky, un tailleur de diamants né à Anvers de la troisième génération et étudiant en génie mécanique, a déterminé les proportions appropriées auxquelles un diamant devrait être taillé pour obtenir un feu et une brillance maximum. Cet idéal, connu sous le nom de Brilliant Cut, est une norme objective mesurable. Chaque diamant taillé en brillant a 58 facettes, taillées à des angles précis déterminés mathématiquement pour refléter et réfracter un maximum de rayons lumineux. Cela garantit qu'un diamant a été taillé dans ses meilleures proportions possibles pour une beauté optimale plutôt que simplement pour maintenir un poids en carats maximum. En fait, la proportion de diamant et les grades de finition sont définis en fonction du degré d'écart par rapport à cette norme. Dans la méthode de fusion du crâne pour faire pousser de la zircone cubique, une tasse en cuivre à paroi creuse est remplie d'ingrédients en poudre et chauffée par induction radiofréquence jusqu'à fusion des poudres. L'eau circulant dans les parois creuses refroidit la paroi interne du crâne. Parce que l'eau refroidit les parois du crâne, les matériaux en poudre à côté des parois ne fondent pas et le matériau en fusion est contenu dans une coquille de matériau non fondu. Par conséquent, la masse fondue réactive ou à haute température est contenue en elle-même. Lorsque la source de chaleur est retirée et que le système est autorisé à refroidir, des cristaux se forment par nucléation et se développent jusqu'à ce que la masse fondue se solidifie. Un seul crâne produit environ 2,205 lb (1 kg) de zircone cubique par cycle. Cette norme s'applique également aux imitations de diamants fabriqués à partir de zircone cubique.

Bien que la taille brillant à 58 facettes soit connue comme la mesure standard de la qualité dans l'industrie de la coupe, il existe des cas particuliers où des écarts sont nécessaires. Trop de réfraction de la lumière dans une petite zone réduit la clarté, par conséquent, des pierres extrêmement petites peuvent être taillées avec moins de facettes. Des pierres plus grosses peuvent être taillées avec plus de facettes pour la raison opposée. La taille de la pierre peut tellement augmenter la largeur des facettes que l'éclat est perdu. Il n'est pas rare de trouver des diamants d'un carat et plus taillés de cette façon. Avec l'introduction de nouvelles tailles telles que radiant, princess et trillion, la demande de pierres à multiples facettes a augmenté.

Il existe une variété de formes qui peuvent être coupées. La ronde offre une brillance, une dispersion, un feu maximum et est la plus populaire de toutes les formes de diamant authentiques et imitations. L'ovale a une forme oblongue, une forme légèrement allongée. Les facettes autour de la partie supérieure de la pierre sont très similaires à la disposition des facettes sur la pierre ronde. Pour cette raison, un diamant ovale bien taillé donne un aspect étincelant, captant et réfléchissant la lumière dans toutes les directions. Le temps (huit à 10 heures pour un carat) nécessaire pour tailler un ovale est environ le double du temps nécessaire pour tailler une pierre ronde car il faut plus de temps pour faire la mise en forme primaire.

D'autres méthodes d'essai sont utilisées pour mesurer les propriétés optiques et physiques. Un microscope binoculaire est utilisé pour rechercher des défauts tels que des inclusions. L'indice de réfraction est mesuré à l'aide d'un réfractomètre. La gravité spécifique d'une pierre est déterminée en voyant si elle va couler, flotter ou rester stationnaire dans un liquide avec une gravité spécifique connue.

Le futur

Selon les experts du secteur, le marché des bijoux en zircone cubique devrait conserver une position stable, car les détaillants du marché de masse continuent de les proposer à leurs clients et les prix continuent de baisser. La zircone cubique est également de plus en plus rentable en remplacement du véritable diamant dans les boucles d'oreilles, le solitaire en diamant et le bracelet tennis. En d'autres termes, il n'est plus considéré comme une simple imitation bon marché, en particulier avec des améliorations de la luminosité et de la réflexion. Un taux de croissance global d'environ 10 % est ainsi prévu pour le marché. Bien qu'un nouveau simulant de diamant ait récemment été introduit appelé moissanite synthétique (un carbure de silicium cristallisé), le prix plus élevé et le processus plus difficile de ce matériau le limiteront à concurrencer la zircone cubique.