表面接触角的测量及表面张力在宝玉石鉴定中的应用_鲍雪.pdf

2014 年 9 月 September 2014 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 33，No． 5 681 ～689 收稿日期 2014 －03 －27; 修回日期 2014 －05 －05; 接受日期 2014 －06 －20 作者简介 鲍雪， 助理研究员， 主要从事珠宝玉石评估管理和宝玉石表面物性研究工作。E- mail baoxue1229163． com。 文章编号 02545357 2014 05068109 表面接触角的测量及表面张力在宝玉石鉴定中的应用 鲍雪1，陆太进1，魏然1，张勇1，李海波2，陈华1，柯捷3 1． 国土资源部珠宝玉石首饰管理中心北京珠宝研究所，北京 100013; 2． 国家珠宝玉石质量监督检验中心，北京 100013; 3． 国土资源部珠宝玉石首饰管理中心，北京 100013 摘要 表面张力是固体表面重要的物理化学参数之一， 其大小与温度和界面两相物质的性质有关。基于 Young 方程的推导， 使用接触角测量法计算固体表面张力已被广泛应用于表面科学和工程领域。宝玉石材 料大多具有光洁的表面， 在接触角测量的准确性方面较其他表面不均一的固体材料具有明显的技术优势。 本文运用现代仪器 FTA200 动态接触角测量仪 测量了 15 个天然和合成宝玉石品种 钻石、 合成碳硅石、 合 成立方氧化锆、 碧玺、 托帕石、 翡翠、 琥珀等 ， 以及经覆膜和充填 2 种处理方法的宝玉石样品 镀膜钻石、 覆 膜托帕石、 覆膜翡翠、 覆膜琥珀、 充填碧玺 的表面接触角， 并运用公式计算其表面张力。测试数据表明， 不 同品种宝玉石的接触角数值存在差异， 如钻石的接触角值为 56． 68， 其仿制品立方氧化锆的接触角值为 37． 79; 覆膜处理与未经覆膜处理的天然宝玉石的接触角数值差异明显， 如琥珀的接触角值为 92． 49， 覆膜 琥珀的接触角值为 66． 49; 充填处理宝玉石接触角的测试由于控制液滴的大小受条件限制操作难度较大， 测试结果不能准确表达为裂隙中充填物的接触角数值， 故充填处理的宝石不宜采用此方法进行区分。研究 表明， 对于部分宝玉石品种和覆膜处理宝玉石， 其表面接触角及表面张力数值差异显著， 可以作为宝玉石品 种的辅助鉴定依据; 尤其是运用接触角的差异对于宝玉石鉴定具有较好的判别性， 能够对不同品种的天然宝 玉石与表面覆膜的宝玉石样品进行有效区分。与常规宝石检测方法 如红外光谱、 折射率测量方法 对比， 接触角测量方法具有测量准确、 操作简便， 不破坏样品的特点， 符合宝玉石无损鉴定的基本原则， 且能够安全 快速地测量高折射率宝石， 可以解决宝玉石表面覆膜等与表面物性相关的检测疑难问题。 关键词 接触角; 表面张力; 宝玉石; 覆膜处理; 充填处理; 鉴定 中图分类号 P619文献标识码 A 表面张力是固体表面重要的物理化学参数之 一， 其大小与温度和界面两相物质的性质有关。对 于固体表面， 由于其表面分子或原子失去了流动性， 使得其表面存在微观凹凸不平、 孔隙等几何不均一 性， 且实际固体表面的复杂性使得固体表面张力的 测量计算较液体困难许多。基于 Young 方程的推 导， 使用接触角测量法计算固体表面张力被广泛应 用于表面科学和工程领域［1 ］， 前人对于聚合物等化 学材料的接触角测量和表面张力的定量计算亦有较 多研究和应用。 在珠宝玉石鉴定领域， 由于宝玉石材料多具有 光洁的表面， 在接触角测量的准确性方面较其他表 面不均一的固体材料具有明显的技术优势， 运用接 触角的差异对于不同品种的宝玉石鉴定应有较好的 判别性; 且这种物理测试技术不破坏样品， 符合宝玉 石无损鉴定的基本原则。1977 年， Nassau 等［2 ］为了 区分钻石与其他仿制品， 测量了 27 个不同品种宝石 材料的接触角， 实验结果表明接触角的差异能够清 晰地区分钻石及其他仿制品， 如合成立方氧化锆 CZ 、 钆镓榴石 GGG 、 钇铝榴石 YAG 等， 分析 了实验条件 包括仪器设备 对接触角测量准确度 的影响因素， 例如被测样品表面洁净程度、 测试液体 种类、 测试仪器装置等。 当前珠宝玉石表面处理技术日渐成熟， 市场上 各种覆膜、 镀层等经表面处理的珠宝玉石材料， 给实 验室鉴定带来了前所未有的挑战， 某些样品利用通 186 ChaoXing 常的红外光谱仪器检测已有难度， 需要破坏样品进 行测试， 且折射率等常规检测方法对于特定的宝玉 石品种鉴定也有不同程度的困难， 急需寻找新方法 解决疑难问题。而开发利用珠宝玉石的表面性质， 分析理解天然、 合成及优化处理珠宝材料的表面张 力性质差异， 可作为珠宝玉石准确鉴定的辅助检测 方法。目前， 国内外已具备大量成熟的表面张力动 态接触角分析仪器， 如德国 KRUSS 公司生产的型号 为 K12 的动态表面能分析仪、 德国 Dataphysics 公司 推出的 OCA 系列视频光学接触角测量仪、 以及 PCA 系列便携式/在线接触角测量仪、 ACA 系列全自动 视频接触角测量仪以及美国 FTA 系列动态接触角 测量仪， 并已广泛应用于材料学表面物性研究领域。 本文运用美国 FTA200 动态接触角测量仪， 测试了 钻石、 镀膜钻石、 合成碳硅石、 合成立方氧化锆 CZ 、 红宝石、 合成红宝石、 蓝宝石、 合成蓝宝石、 橄 榄石、 透辉石、 长石、 黄水晶、 碧玺、 充填碧玺、 托帕 石、 覆膜托帕石、 翡翠、 覆膜翡翠、 琥珀、 覆膜琥珀 21 粒宝玉石的表面接触角， 对覆膜处理的宝石与天然 宝石的表面接触角进行对比研究， 验证表面接触角 和表面张力在宝玉石鉴定中的可行性， 拟尝试性开 发一种珠宝玉石表面物性测量方法， 为宝玉石检测 提供鉴定依据。 1表面张力和接触角的关系 1． 1表面张力 表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而 产生的沿表面作用于任一界线上的张力。通常， 由 于环境不同， 处于界面的分子与处于相本体内的分 子所受力是不同的。上层空间气相分子对液体的吸 引力小于内部液相分子对它的吸引力， 所以该分子 所受合力不等于零， 其合力方向垂直指向液体内部， 结果导致液体表面具有自动缩小的趋势， 这种收缩 力称为表面张力。表面张力是物质的特性， 其大小 与温度和界面两相物质的性质有关。 固体的表面张力不宜测得， 通常是用液体在固 体表面上的接触角的大小来计算。接触角法操作简 单， 应用广泛， 是目前估算表面张力最常用的方法。 1． 2接触角和 Young 方程 将少量液体滴在固体表面， 液体可能形成液滴， 在达到平衡时， 处于固体表面上的液滴会保持一定 的液体形状， 这是体系在三个界面张力平衡作用下 的结果。接触角是指在气、 液、 固三相交点处所作的 气 － 液界面的切线穿过液体与固 － 液交界线之间的 夹角 θ， 是润湿程度的量度。如图 1 所示。 固 － 气、 液 － 固、 液 － 气这三个界面张力的平衡 关系可以用 Young 方程表达［3 ］ γSG γLGcosθ γSL 1 式中， γSG、 γSL和 γLG分别表示固 － 气、 液 － 固、 液 － 气界面张力， θ 为接触角。 图 1液体在固体表面的接触角 Fig． 1The contact angle of liquid on the solid surface Young 方程中的接触角是在假定固体表面光 滑、 化学均质、 刚性、 各向同性且无化学反应， 并且认 为三相接触线上的线张力可以忽略不计的理想状态 下的接触角。但在实际的固体表面， 通常测量得到 的接触角的值是在一个范围内， 并不是唯一的值。 朱定一等［4 ］在分析总结前人研究的基础上， 推导出 计算固体表面张力的新方法。通过建立有限液 － 固 界面体系的张力平衡， 推导出在无限液 － 固界面系 统中， 液 － 固界面张力和固相表面张力的关系式 γSL γ LG/2 1 sin2 槡 θ － cosθ 0 ＜ θ≤180 2 γSG γ LG/2 1 sin2 槡 θ cosθ 0 ＜ θ≤180 3 式 2 、 3 表明 γSG 、 γ SL仅是液相表面张力 γLG 和接触角 θ 的函数， 只要知道一种液体的 γLG和这一 液体在固相表面的接触角 θ 就可以计算得到 γSG 固 － 气界面张力 。 2接触角的测量方法 接触角的测量方法根据直接测量物理量的不同 可以分为量角法、 透过法、 测力法和长度法［5 ］。量 角法直观， 但测试结果受操作者影响， 误差较大; 透 过法适用于固体粉末; 测力法运用电子天平， 读数较 精确， 德国 KRUSS 公司的动态表面能分析仪基于此 方法设计制造; 长度法形式之一的小液滴法 球冠 是当液滴足够小时， 重力可以忽略， 液滴是理想的球 冠型， 测量在固体平面上小液滴的高度 h 和宽度 286 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2014 年 ChaoXing 2r ， 二者关系可以表示为如下公式 sinθ 2hr/ h2 r2 4 通过测量 h 和 r， 可以根据公式 4 计算出接触 角 θ。本次实验采用的美国 FTA 公司的表面张力动 态接触角分析系统依据此原理设计制造。该方法受 操作者影响较小， 误差小， 但公式 4 需满足一些假 设条件， 这些条件在实际测量中可能无法满足， 如液 滴的体积不是非常小， 重力影响不能忽略， 液滴在粗 糙表面、 多相表面的接触角不是轴对称， 因此会带来 一些误差。 本次实验选用运用此原理的美国 FTA 仪器， 是 基于被测样品的特点， 宝玉石本身体积小， 对测试液 滴的尺寸要求较小， 且宝玉石表面经过抛光后较为 光滑， 可能造成的误差较小。 2． 1测量方法 2． 1． 1测量仪器 仪器采用美国 FTA 公司生产制造的表面张力测 试仪， 可测量被测物体的表面张力和接触角， 测试仪 器型号为 FTA200 图2 。该仪器能够精确地显示液 滴的外观， 并装备了易于调整的样品台， 内置计算机 控制的进样系统定位方便， 可控制小剂量给样。使用 的控制液滴大小的测试针头是27 Gauge 图3 。 图 2FTA200 表面张力仪 Fig． 2FTA200 dynamic surface tension meter 图 3控制液滴大小的针头 针头标准27 Gauge Fig． 3The needle for controlling the droplet size 2． 1． 2实验样品及测量过程 1 实验样品 本次实验选用钻石、 镀膜钻石、 合成碳硅石、 合 成立方氧化锆 CZ 、 红宝石、 合成红宝石、 蓝宝石、 合成蓝宝石、 橄榄石、 透辉石、 长石、 黄水晶、 碧玺、 充 填碧玺、 托帕石、 覆膜托帕石、 翡翠、 覆膜翡翠、 琥珀、 覆膜琥珀共计 21 粒。 选用去离子水作为检测液体。 实验仪器误差为 1。 2 测量过程 在相同实验条件下分别对 21 粒待测样品逐一 清洗， 进行测试并记录数据。具体测量步骤如下。 ①用酒精清洁样品表面。 ②将待测样品放置在样品台上， 固定宝石并使 宝石待测表面水平。 ③使用计算机软件调节控制液体体积及液滴速 率， 待液滴稳定后， 微调样品台， 使液滴与样品台上 的样品触碰， 测量样品的接触角。 测试样品信息及其接触角测量值见表 1。 3宝玉石接触角的测量结果和表面张力计算 3． 1不同品种和不同处理方法的宝玉石的接触角 3．1．1不同品种的天然和合成宝玉石的表面接触角 运用 FTA200 测量天然、 合成宝玉石表面接触 角的方法简便实用。经测试得到 15 种宝玉石的接 触角数值分别为 钻 石 56． 68 、 合 成 碳 硅 石 52． 63 、 合 成 立 方 氧 化 锆 37． 79 、 红 宝 石 73． 99 、 合成红宝石 77． 41 、 蓝宝石 74． 95 、 合成蓝宝石 74． 42 、 碧玺 58． 08 、 橄 榄 石 59． 14 、 透辉石 44． 28 、 长石 39． 91 、 黄水晶 37． 33 、 托帕石 29． 48 、 翡翠 44． 40 、 琥珀 92． 49 。实验数据表明不同品种宝玉石有着不 同的接触角值， 利用接触角值可以有效地区分部分 宝玉石品种。本次实验与 Nassau 博士等［2 ］的实验 数据钻石 55 ～ 47 、 合成碳硅石 66 ～ 58 接 近， 实验条件及操作仪器的区别导致了结果的偏差。 在测试过程中， 相同品种的接触角数值并不是固定 的一个值， 存在误差波动。 3． 1． 2覆膜处理宝玉石的表面接触角 本文首次对于经过覆膜处理的宝石样品进行测 试。实验测试数据表明， 天然钻石 56． 68 、 托帕 石 29． 48 、 翡翠 44． 40 和琥珀 92． 49 分别与 经过 覆 膜 的 钻 石 33． 33 、托 帕 石 55． 49、 54． 04 、 翡翠 50． 21 和琥珀 63． 35、 69． 48 的 386 第 5 期鲍雪， 等 表面接触角的测量及表面张力在宝玉石鉴定中的应用第 33 卷 ChaoXing 表 1测试样品信息及其接触角测量值 Table 1The basic ination of test samples and their measured contact angles 样品编号样品名称颜色琢型 接触角测量值 接触角测量图片备注 001钻石无色 圆形 刻面 56．68天然 002钻石无色 圆形 刻面 33．33镀膜处理 003 合成 碳硅石 绿色 圆形 刻面 52．63合成 004CZ无色 椭圆 刻面 37．79合成 005红宝石红色 椭圆 弧面 73．99天然 006 合成 红宝石 红色 椭圆 刻面 77．41合成 007蓝宝石蓝色 椭圆 刻面 74．95天然 008 合成 蓝宝石 蓝色 水滴形 刻面 74．42合成 009橄榄石黄绿色 椭圆 刻面 59．14天然 486 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2014 年 ChaoXing 续表 1 样品编号样品名称颜色琢型 接触角测量值 接触角测量图片备注 010透辉石绿色 方形 刻面 44．28天然 011长石黄色 特殊 切工 39．91天然 012黄水晶橙黄色 特殊 切工 37．33天然 013 －1碧玺粉红色 椭圆 弧面 58．08天然 013 －2碧玺粉红色 椭圆 弧面 45．80充填处理 014托帕石粉红色 三角形 刻面 29．48天然 015托帕石蓝色 椭圆刻面 特殊切工 55．49覆膜处理 016托帕石无色 椭圆刻面 特殊切工 54．04覆膜处理 017翡翠绿色 水滴形 弧面 44．40天然 586 第 5 期鲍雪， 等 表面接触角的测量及表面张力在宝玉石鉴定中的应用第 33 卷 ChaoXing 续表 1 样品编号样品名称颜色琢型 接触角测量值 接触角测量图片备注 018翡翠绿色随形50．21覆膜处理 019琥珀棕红色半球形92．49天然 020琥珀黄色圆盘形63．35覆膜， 膜为蓝绿色 021琥珀黄色花形69．48覆膜， 膜为棕红色 接触角数值均有明显差异。以琥珀样品为例， 天然 琥珀样品 019 如图 4 ， 为一个球形珠切开一半， 利 用切开的平面测得该样品接触角为 92． 49; 覆蓝绿 色膜的琥珀样品 020 如图 5 ， 圆盘状， 底部平面覆 有一层蓝绿色薄膜， 测得覆膜平面样品的接触角为 63． 35; 覆棕红色膜的琥珀样品 021 如图 6 ， 花朵 造型的一部分， 表面覆棕红色薄膜， 测得覆膜平面样 品的接触角为 69． 48。样品 019 与覆膜样品 020、 021 的接触角数值差异显著， 样品 020 与 021 同为 覆膜， 但由于膜本身的差异性和测试误差， 实验数值 并不相同。 3． 1． 3充填处理宝玉石的表面接触角 表 1 中所列的碧玺样品 013 －1 和 013 －2 是同 一个碧玺样品的两部分 如图 7 ， 013 －1 的接触角 数值 58． 08为碧玺样品下半部分无裂隙出露的光 滑平面部分的测试数值， 013 － 2 的接触角数值 45． 80为该碧玺上半部大量裂隙出露并有充填物存 在部分的测试数值， 实验数据表明二者的接触角数 值存在差异。由于裂隙中存在充填物， 理论上液滴 处于充填物测试的数据和液滴处于碧玺自身表面测 试的数据不同， 以此可以进行区分。但宝石表面的 裂隙出露面较小， 限于目前针头的尺寸， 27Gauge 标 图 4样品 019 天然棕红色琥珀样品， 其中一面具有光滑的 平面 Fig． 4The brownish red amber sample No． 019 准的针头滴出的液滴会将裂隙处全部覆盖， 并溢出 到未充填部分， 滴到裂隙表面的液滴不能完全控制 在裂隙面内， 因此受控制液滴针头大小的影响， 测试 结果不能准确表达为裂隙中充填物的接触角数值。 若控制液滴的针头能够尽可能小， 液滴可以刚好落 在充填裂隙的物质中， 测量出充填物质的接触角数 值， 便可进行区分。 3． 1． 4测量接触角数值的影响因素 接触角值的测量与样品表面性质［6 ］ 粗糙程 度、 表面单一程度 ， 表面清洁程度， 表面干燥程度 686 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2014 年 ChaoXing 图 5样品 020 黄色琥珀底面覆蓝绿色膜 Fig． 5The yellow amber with green coated bottom No． 020 图 6样品 021 黄色琥珀覆棕红色膜 Fig． 6The brownish red amber with brownred coated bottom No． 021 图 7样品 013 上半部分 013 － 2 有裂隙出露， 下半部分 013 －1 没有裂隙出露面 Fig． 7A crack in the upper part of sample No． 013，no in the lower part 及液滴接触时间、 液体种类、 液滴体积等均有关系， 此 外， 测量仪器的精准度也是重要影响因素之一。本次 实验采用测试液体为去离子水， 较 Nassau 博士等 ［ 2 ］ 采用的蒸馏水干扰更小， 测试结果更精准， 若条件允 许， 最佳的测试液体为高纯水 二次蒸馏水 ， 以去除 干扰保证实验的准确性; 采用酒精统一清洁并干燥了 测试样品， 与 Nassau 等 ［ 2 ］采用的清洗剂三氯甲烷不 同， 清洗剂的影响本文尚未深入研究; 测试仪器采用 现代表面张力动态接触角分析系统美国 FTA200， 该 仪器较 Nassau 等 ［ 2 ］当时的小型简单装置有着绝对优 势， 仪器对于液滴接触时间和液滴体积的控制精准， 测量数值误差相对较小。与此同时， 测量实验显示出 该仪器对于珠宝玉石表面接触角的测量尚有欠缺， 若 可在仪器中添加高倍显微镜模块， 利用高倍显微镜观 察珠宝玉石表面的细微之处的同时配合更细的针头， 对于珠宝鉴定领域将更加适用。 3． 2表面张力的计算 根据张远超等［7 ］在研究高聚物表面张力时， 采 用液态纯净水利用上述公式 3 计算得出的表面张 力数值具有很好的一致性， 利用测量的各品种宝玉 石的接触角， 根据式 3 计算其表面张力。 γSG γ LG/2 1 sin2 槡 θ cosθ 0 ＜ θ≤180 3 式中， γSG为固体表面张力， γLG为液体表面张力。 本次 实 验 已 知 水 的 表 面 张 力 72． 8 mN/m 20℃ ， 利用公式计算得出各宝玉石品种的表面张力 分别为 钻石67．4 mN/m， 合成碳硅石68．6 mN/m， 合 成立方氧化锆 CZ 71． 5 mN/m， 红宝石 60． 5 mN/m， 合成红宝石58．8 mN/m， 蓝宝石 60． 1 mN/m， 合成蓝 色宝石60．3 mN/m， 橄榄石 66．6 mN/m， 透辉石 70． 5 mN/m， 长石 71． 2 mN/m， 黄水晶 71． 5 mN/m， 碧玺 67 mN/m， 托帕石72．3 mN/m， 翡翠70．4 mN/m， 琥珀 49．9 mN/m。从表面张力数值的差异可以看出， 部分 不同品种宝玉石的表面张力数值有较大差异， 如钻石 67．4 mN/m， 红宝石60．5 mN/m， 琥珀49．9 mN/m; 也 有部分其表面张力数值较为接近， 如长石 71． 2 mN/m， 黄水晶71．5 mN/m。因此， 表面张力数值仅可 作为宝玉石品种的辅助鉴定依据。 4表面接触角测量方法与传统检测方法的 对比 4． 1与红外光谱检测方法对比 目前在各大珠宝鉴定实验室， 红外光谱检测已 成为日常检测中最高效的检测方法之一， 能够基本 解决日常的检测疑难问题， 但对于某些样品须进行 破坏性测试。例如， 对于近来大规模出现的覆膜琥 珀， 实验室均采用红外光谱测试配合放大检查、 紫外 荧光等常规宝石学测试进行鉴别， 对无色覆膜琥珀 必须进行有损检测［8 ］。本次实验对样品 019、 020、 021 分别进行了红外光谱测试 粉末法 ， 如图 8 所 786 第 5 期鲍雪， 等 表面接触角的测量及表面张力在宝玉石鉴定中的应用第 33 卷 ChaoXing 示， 覆膜琥珀021、 020 与天然琥珀019 在650 ～1300 cm －1区域 图中阴影部分 内吸收峰有明显差异， 依 此可进行判别。 运用 FTA200 动态接触角仪对覆膜琥珀表面接 触角的测量可以在不破坏样品的基础上进行快速的 无损检测， 且测试结果差异明显， 琥珀 92． 49 ， 覆 膜琥珀 63． 35、 69． 48， 平均值为 66． 49 。表面 接触角测量方法可以作为覆膜琥珀无损检测的有效 鉴定手段。 图 8样品 019、 020、 021 的红外吸收光谱 KBr 粉末法 Fig． 8Infrared spectra of No． 019，No．020，No．021 a样品 021 琥珀覆棕红色膜; b样品 020 琥珀覆蓝绿色膜; c样品 019 天然琥珀。 4． 2与折射率测量方法对比 折射率测量方法是常规宝石鉴定中最基础、 最 便捷有效的检测方法之一， 能够基本解决所有宝玉 石品种的基础数据测定， 但折射率大于 1． 81 的接触 液具有极强的腐蚀性和剧毒， 因此对于高折射率宝 石的测定带来困难。例如， 钻石的折射率为 2． 417， 合成碳硅石 2． 648 ～ 2． 691， 合成立方氧化锆 CZ 2． 15 ， 折射率无法测定。 运用 FTA200 动态接触角仪对表面接触角的测 量， 可以有效地区分钻石 56． 68 、 合成碳硅石 52． 63 、 合成立方氧化锆 37． 79 等不同品种。 表面接触角测量方法安全环保， 可以很好地解决高 折射率宝石的品种鉴定， 可作为实验室有效检测方 法和实验室检测的辅助鉴定依据。 5结语 本次实验运用 FTA200 动态接触角测量仪， 测 量了15个天然、 合成宝玉石品种， 以及覆膜处理和 充填处理 2 种处理方法共计 21 粒宝玉石样品的接 触角数值， 并对经过覆膜处理的宝石与天然宝石的 表面接触角进行了对比研究， 同时与红外光谱和折 射率传统常规检测方法进行比较。实验结果表明， 动态接触角测量仪测量准确、 操作简便， 且符合宝玉 石无损鉴定的基本原则， 具有红外光谱和折射仪测 量缺陷的明显优势。不同品种和不同处理方法的宝 石， 运用其接触角和表面张力的差异性可进行较好 的判别， 尤其是对于表面覆膜处理的样品可进行有 效区分。 本文对宝玉石的接触角和表面张力领域的初步 探讨， 研究结果可以为解决宝玉石表面覆膜等与表 面物性相关的检测疑难问题提供参考。实验发现， 充填处理宝玉石接触角的测量受测试条件限制具有 较大操作难度， 本项目组设想若在仪器中添加高倍 显微镜模块， 方便观察样品微细特征的基础上可以 开展更深入的研究， 对各类珠宝玉石材料采集表面 物性数据， 实现科学准确、 快速有效的测试和鉴别。 6参考文献 ［ 1］罗晓斌， 朱定一， 石丽敏． 基于接触角法计算固体表面 张力的研究进展［ J］ ． 科学技术与工程， 2007， 7 19 4997 －5003． ［ 2］Nassau K，Schonhorn H． The contact angle of water on gems［ J］ ． Gem ＆ Gemology，1977 － 1978，  12 354 －360． ［ 3］Pocius A V． Adhesion and adhesion technologyAn introduction［ M］ ． New York Marcel Dekker，2002 73 －102． ［ 4］朱定一， 戴品强， 罗晓斌， 张远超． 润湿性表征体系及 液固界面张力计算的新方法 Ⅰ ［ J］ ． 科学技术与工 程， 2007， 7 13 3067 －3072． ［ 5］丁晓峰， 管蓉， 陈沛智． 接触角测量技术的最新进展 ［ J］ ． 理化检验 物理分册 ， 2008， 44 2 84 －89． ［ 6］陈晓磊． 固体聚合物表面接触角的测量及表面能研究 ［ D］ ． 长沙 中南大学， 2012． ［ 7］张远超， 朱定一， 许少妮． 高聚物表面的润湿性实验及 表面张力的计算［ J］ ． 科学技术与工程， 2009， 9 13 3595 －3600． ［ 8］王民民， 李海波， 李梅， 丁佩． 琥珀及其相似品实验室 检测方法探讨［C］/ /中国珠宝首饰学术交流会论文 集． 北京 国土资源部珠宝玉石首饰管理中心， 2013 136 －138． 886 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2014 年 ChaoXing Application of Surface Contact Angle and Surface Tension Measurements in the Identification of Gem Materials BAO Xue1，LU Tai- jin1，WEI Ran1，ZHANG Yong1，LI Hai- bo2，CHEN Hua1，KE Jie3 1． Gem ＆ Jewelry Institute of Beijing，Ministry of Land and Resources，Beijing 100013，China; 2． National Gemstone Testing Center，Beijing 100013，China; 3． National Gems ＆ Jewelry Technology Administrative Center，Beijing 100013，China Abstract Surface tension is one of the important physical and chemical parameters of the solid surface，which is closely related to temperature and properties of the phases between the boundaries． Based on the Young function， the contact angle measurement to calculate the solid surface tension has been widely used in surface science and engineering Comparing to other solid materials with inhomogeneous surface，most gemstones have a smooth surface， making it easy to measure the contact angle． In this study， the contact angle of 15 different types of natural and synthetic gemstones including diamond，moissanite，CZ，tourmaline，topaz，jade，amber． And some coated gemstones and fissure filled gemstones have been measured and compared using a dynamic contact angle testing device FTA200 ． It was found that the differences in the contact angle for different types of natural and synthetic gemstones are suitable to be used in gemstone identification． For example，contact angle value of diamond and CZ is 56． 68 and 37． 79，respectively． Furthermore，the contact angle values between the gemstone and gems with coating process have significant differences，such as the contact angle value of amber is 92． 49，while coated amber is 66． 49． Due to the limitations of the droplet size control restricted by experimental conditions，the contact angle of the fissure- filled gemstones cannot be measured accurately． Herein，this is not suitable to identify gemstones with artificial fillings． Research shows that contact angle and surface tension values can be used as the basis of supplementary identification of gem species，especially for coated gems． Compared with the conventional gem identification s e． g．Infrared Spectrum， the refractive index measurement ， contact angle measurement has higher measuring accuracy，simple operation without destroying the sample，and cons to the basic principles of gemstone nondestructive identification，especially for high refractive index gem． Contact angle measurement can solve the detection problems for surface- coated gems and related surface property． Key words contact angle; surface tension; gemstone; coating treatment; filling treatment; identification 986 第 5 期鲍雪， 等 表面接触角的测量及表面张力在宝玉石鉴定中的应用第 33 卷 ChaoXing