СПОСОБ ОБРАБОТКИ АЛМАЗА И РЕАКЦИОННАЯ ЯЧЕЙКА МНОГОПУАНСОННОГО АППАРАТА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК B01J3/06 C01B31/06 

Изобретение относится к способу обработки алмаза при высоких давлениях и температурах, в частности к отжигу монокристаллов алмаза на многопуансонных аппаратах высокого давления для улучшения физических свойств алмаза, в том числе его окраски, и к реакционной ячейке, используемой для его осуществления.

Известен из патента US-A-4124690 способ обработки алмаза размером не менее одного микрона при температурах 1500-2200^oС и давлении от 48 до 70 кбар в течение времени от одной минуты до 50 часов, что достаточно для изменения физических свойств алмаза, и обеспечивает его высокотемпературный отжиг. Способ характеризуется относительно высокой себестоимостью, обусловленной сложностью используемого оборудования.

Известна реакционная ячейка, предназначенная для использования совместно с аппаратом типа "Belt" для проведения обработки алмаза. Реакционная ячейка содержит трубчатый нагревательный элемент с размещенным внутри него алмазом. Данная ячейка обеспечивает температуру обработки от 1873^oС до 2273^oС, давление 55-65 кбар, однако время выдержки не превышает 30 мин, что ограничивает диапазон физических свойств алмаза, которые могут быть улучшены при использовании данного аппарата (Chenko R.M., Tuft R.E., Strong H.M. Transformation of the state of nitrogen in diamond. - Nature, 1977, v. 270, 10, p. 141-144).

Известный способ обработки и реакционная ячейка предназначены для использования только на аппаратах "Belt" и не применимы для проведения обработки алмазов на многопуансонных аппаратах. Неприемлемость реакционной ячейки аппарата "Belt" для многопуансонного аппарата связана с тем, что в конструкции аппарата "Belt" происходит одноосное сжатие вещества ячейки с существенным перемещением пуансонов в этом направлении и соответственно происходит заметная деформация рабочей ячейки. В многопуансонных аппаратах сжатие вещества ячейки происходит в трех направлениях и соответственно общая деформация ячейки существенно меньше. Вследствие этого реакционная ячейка, которую используют в аппаратах "Belt", отличается размерами, формой, составом и функциональным назначением. Эти аппараты могут быть использованы для отжига алмазов, но стоимость проведения обработки существенно выше, чем на многопуансонных аппаратах из-за более высокой стоимости оборудования и обслуживания, поэтому использование аппарата "Belt" для проведения обработки алмазов с целью изменения их окраски нецелесообразно.

Известна реакционная ячейка для многопуансонного аппарата типа БАРС, содержащая графитовый нагреватель цилиндрической формы, внутри которого установлена изолирующая втулка, запирающие таблетки, токовводные графитовые крышки и токовводы (Пальянов Ю.Н., Малиновский И.Ю., Борздов Ю.М. и др. Выращивание крупных кристаллов алмаза на беспрессовых аппаратах типа "разрезная сфера". - Доклады АН СССР, 1990, т. 315, 3, с. 1221-1224). Внутри втулки помещают образец, состоящий из источника углерода и растворителя, и подложку с затравочным кристаллом. Основным назначением реакционной ячейки многопуансонного аппарата БАРС является выращивание алмазов, и ее конструкция не выдерживает технологического режима длительной обработки монокристаллов алмаза при высоких параметрах давления и температуры (Р-Т), что необходимо для изменения физических свойств алмаза при проведении его отжига. Высокими Р-Т параметры считаются при давлении в диапазоне 50-70 кбар и температуре в диапазоне 1500-2200^oС.

Известна также реакционная ячейка многопуансонного аппарата высокого давления (RU-A-2162734), содержащая соосно установленные цилиндрической формы нагревательный элемент с токовводными крышками и токовводными стержнями, запирающие ячейку таблетки, расположенную в полости ячейки подложку, выполненную из оксидов магния и циркония и хлорида цезия, с запрессованными кристаллами алмаза. Данная реакционная ячейка предназначена для выращивания алмазов, и ее подложка выполнена из 5-10% мас. MgO, 70-80% мас. ZrО₂, 15-20% мас. CsCl. Такой состав подложки не допускает работу реакционной ячейки при температурах, требуемых при обработке алмаза для изменения его свойств - 2000^oС и выше. При данных пропорциях хлорид цезия плавится и вступает в реакцию со стенками графитового нагревателя, что приводит к выходу нагревателя из рабочего состояния, наличие оксида магния в указанных пропорциях, имеющего высокую теплопроводность, приводит к значительной неравномерности градиента температуры в реакционной ячейке при температурах свыше 2000^oС, что повышает вероятность разрушения алмаза, высокое содержание ZrО₂, имеющего низкую теплопроводность, также приводит к неравномерности градиента температуры в реакционной ячейке при температурах свыше 2000^o и, как следствие, - к растрескиванию кристаллов алмаза при длительном поддержании высоких Р-Т параметров в реакционной ячейке.

Известный способ выращивания алмазов не может быть использован для обработки кристаллов алмаза при высоких Р-Т параметрах также потому, что в нем предусмотрен сброс давления до атмосферного после снижения температуры в реакционной ячейке до уровня комнатной. Поскольку ячейка после выдержки при высоких Р-Т параметрах находится в хрупком состоянии, снижение давления вызывает растрескивание самой реакционной ячейки и находящегося в ней кристалла алмаза.

В основу настоящего изобретения положена техническая задача разработать способ обработки алмаза и реакционной ячейки для его осуществления, обеспечивающих требуемый режим обработки и свободных от указанных недостатков, а также позволяющих снизить расходы на обеспечение требуемого режима обработки.

Указанная задача решается тем, что в известном способе обработки алмаза при высоких параметрах давления и температуры в течение времени, достаточного для требуемого изменения физических свойств алмаза, согласно изобретению обработку проводят в реакционной ячейке многопуансонного аппарата, алмаз запрессовывают в подложку реакционной ячейки, выполненную в виде шайбы с составом, содержащим 80-85% мас. MgO, 12-15% мас. ZrО₂, 3-5% мас. CsCl, перед помещением в многопуансонный аппарат реакционную ячейку с запрессованным алмазом выдерживают в течение 20-30 часов при атмосферном давлении и температуре не выше 120^oС, затем в течение 0,5-20 часов в потоке водорода при температуре в диапазоне 100-200^oС и после обработки в многопуансонном аппарате в течение заданного времени проводят сброс давления до атмосферного при поддержании температуры в реакционной ячейке в диапазоне 900-1000^oС.

Предпочтительно алмаз используют в виде заготовки для бриллианта без включений и трещин, видимых при увеличении под микроскопом в 20 раз.

Поставленная задача решается также тем, что согласно изобретению реакционная ячейка многопуансонного аппарата содержит соосно установленные цилиндрической формы нагревательный элемент с токовводными крышками и токовводными стержнями, запирающие ячейку таблетки, расположенную в полости ячейки подложку, выполненную из оксидов магния, циркония и хлорида цезия, с запрессованным алмазом, причем подложка выполнена в виде шайбы, диаметр которой не превышает ее высоты и по меньшей мере в два раза превышает максимальный линейный размер запрессованного алмаза, при этом подложка содержит 80-85% мас. MgO, 12-15% мас. ZrО₂, 3-5% мас. CsCl.

Подбор оптимального состава подложки, в которую запрессован монокристалл алмаза, выбор соотношения диаметра и высоты шайбы позволяют осуществлять обработку алмаза при требуемых Р-Т параметрах и в течение необходимого для получения желаемой окраски кристалла времени. При использовании в составе подложки MgO менее 80% мас. не удается нагреть алмаз до 2000^oС и выше, а если MgO более 85% мас., то смесь оксидов с кристаллами алмаза не прессуется. При содержании ZrО₂ менее 12% мас. возрастает теплопроводность шайбы и происходит возрастание градиента температуры выше требуемого, а если ZrО₂ более 15% мас. возрастает градиент давления в ячейке, что приводит к растрескиванию алмаза. При содержании CsCl менее 3% мас. смесь не прессуется, а при более 5% мас. происходит коррозия поверхности алмаза.

Предварительная выдержка собранной реакционной ячейки с запрессованным в подложку алмазом при атмосферном давлении и температуре в диапазоне 100-120^oС в течение 20-30 часов позволяет избавиться от влаги в сборке, а выдержка в потоке водорода в течение 0,5-20 часов при температуре в диапазоне 100-200^oС позволяет избавиться в сборке от окисляющих компонентов, которые вызывают коррозию поверхности алмаза при высоких Р-Т параметрах. Предварительная обработка монокристалла алмаза под заготовку для бриллианта с запрессовкой в подложку с отбором алмазов, в которых нет включений и трещин, видимых под микроскопом при увеличении в 20 раз, наряду со сбросом давления в многопуансонном аппарате после обработки до атмосферного при поддержании в ячейке температуры, равной 900-1000^oС, обеспечивают сохранность алмазов от растрескивания. Кроме того, использование алмаза в виде заготовки для бриллианта без включений и трещин, видимых при увеличении под микроскопом в 20 раз, позволит увеличить выход полезного продукта - качественных обработанных монокристаллов алмаза с заданными свойствами.

Предложенный способ обработки алмаза и конструкция реакционной ячейки многопуансонного аппарата позволяют улучшать физические свойства алмаза, в частности его окраску.

Для лучшего понимания изобретения дальнейшее описание приводится со ссылкой на чертеж, на котором схематически в разрезе представлена реакционная ячейка многопуансонного аппарата высокого давления для обработки монокристаллов алмаза согласно изобретению.

Реакционная ячейка предназначена для установки в рабочее тело кубической формы (на чертеже не показано). Ячейка включает в себя цилиндрический графитовый нагревательный элемент 1 с торцевыми токовводными графитовыми крышками 2, контактирующими непосредственно с молибденовыми дисками 3. Диски 3 находятся в контакте с молибденовыми стержнями 4, расположенными в центре запирающих таблеток 5. В полости графитового нагревательного элемента 1 установлена подложка 6, выполненная в виде шайбы, по форме внутренней полости нагревательного элемента, в которую запрессован монокристалл алмаза 7.

Ниже приводится неограничивающий вариант осуществления способа обработки алмаза, согласно настоящему изобретению. В выполненную в виде шайбы подложку 6, содержащую 80% мас. MgO, 15% мас. ZrО₂, 5% мас. CsCl, запрессовывают обработанный под заготовку для бриллианта монокристалл алмаза 7 без видимых при увеличении в 20 раз под микроскопом включений и трещин. Шайбу 6 диаметром 14 мм и высотой 16 мм с заготовкой алмаза 7 максимального размера 6 мм устанавливают в графитовый нагреватель 1 высотой 16 мм с толщиной стенки 0,5 мм, закрывают токовводными графитовыми крышками 2 толщиной 1,5 мм и далее запирающими таблетками 5 с токовводными стержнями 4 диаметром 2,5 мм. Собранную реакционную ячейку помещают в рабочее тело кубической формы и перед отжигом выдерживают в течение 20 часов в сушильном шкафу при температуре 120^oС, затем на 0,5 часа помещают в поток водорода при температуре 100^oС. После этого ячейку устанавливают в рабочую полость многопуансонного аппарата высокого давления БАРС, где создают и поддерживают давление 70 кбар и температуру 2000^oС в течение 15 часов. За этот период происходит отжиг алмаза. После отжига температуру в рабочей полости аппарата снижают до 900^oС, а затем сбрасывают давление до атмосферного. Затем отключают нагреватель 1, снижают температуру и извлекают реакционную ячейку. Из шайбы извлекают обработанный алмаз. Цвет кристалла изменен с коричневого на желто-зеленый. Оценочная стоимость алмаза, таким образом, увеличена по существу в 3,5 раза.

Изобретение относится к обработке алмаза для улучшения его физических свойств, в том числе его окраски. Сущность изобретения: способ обработки алмаза состоит в том, что кристалл алмаза (7) запрессовывают в подложку, выполненную в виде шайбы (6), изготовленную из состава, содержащего мас.%: 80-85 MgO, 12-15 ZrO₂, 3-5 CsCl, при этом диаметр шайбы не превышает ее высоты и, по меньшей мере, в два раза превышает максимальный размер запрессованного алмаза. Подложку (6) помещают в реакционную ячейку, содержащую соосно установленные нагревательный элемент (1) с токовводными крышками (2) и токовводными стержнями (4) и запирающие таблетки (5), выдерживают при атмосферном давлении в течение 20-30 ч, температуре не выше 120^oС, а затем в потоке водорода в течение 0,5-20 ч при температуре в диапазоне 100-200^oС. После чего ячейку помещают в многопуансонной аппарат и выдерживают при высоких параметрах давления и температуры в течение времени, достаточного для изменения окраски кристалла. Затем проводят сброс давления до атмосферного при поддержании температуры в реакционной ячейке в диапазоне 900-1000^oС. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ обработки алмаза путем выдержки при высоких параметрах давления и температуры в течение времени, достаточного для требуемого изменения физических свойств алмаза, отличающийся тем, что алмаз запрессовывают в подложку, выполненную в виде шайбы с составом, содержащим, мас.%:
MgO - 80-85
ZrO₂ - 12-15
CsCl - 3-5
подложку помещают в реакционную ячейку и выдерживают в течение 20-30 ч при атмосферном давлении и температуре не выше 120^oС, затем выдерживают в течение 0,5-20 ч в потоке водорода при температуре в диапазоне 100-200^oС, после чего ячейку помещают в многопуансонный аппарат высокого давления и выдерживают при высоких параметрах давления и температуры в течение заданного промежутка времени, после чего проводят сброс давления в многопуансонном аппарате до атмосферного при поддержании температуры в реакционной ячейке в диапазоне 900-1000^oС. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что алмаз используют в виде заготовки для бриллианта без включений и трещин, видимых при увеличении под микроскопом в 20 раз. 3. Реакционная ячейка многопуансонного аппарата высокого давления для обработки алмаза, содержащая соосно установленные цилиндрической формы нагревательный элемент с токовводными крышками и токовводными стержнями, запирающие ячейку таблетки, расположенную в полости ячейки подложку, выполненную из оксидов магния и циркония и хлорида цезия, с запрессованным алмазом, причем подложка выполнена в виде шайбы, диаметр которой не превышает ее высоты и, по меньшей мере, в два раза превышает максимальный линейный размер запрессованного алмаза, при этом подложка содержит мас.%:
MgO - 80-85
ZrO₂ - 12-15
СsCl - 3-5у