СПОСОБ ОБРАБОТКИ КРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА Российский патент 2004 года по МПК B24B9/16 B28D5/00 

Изобретение относится к технологии обработки кристаллов алмаза с выбором вектора оптимального (“мягкого”) направления шлифования плоскостей и может быть использовано в гранильной промышленности.

Известны способы выбора направления оптимального (“мягкого”) шлифования плоскостей кристаллов алмаза, основанные на определении количества удаляемого материала алмаза за единицу времени [1], температуры, до которой нагревается кристалл алмаза в процессе шлифования [1], величины силы трения в зоне обработки [2], амплитуды и частоты акустических колебаний, возникающих при шлифовании алмаза [3].

Недостатком известных способов является то, что для их реализации необходимы внешние датчики - преобразователи контролируемой величины (количество удаляемого материала алмаза, температура или величина силы трения, акустические колебания) в выходной сигнал, используемый для управления технологическим процессом шлифования кристаллов алмаза в оптимальном направлении. Наличие подобных датчиков (достаточно сложных и ненадежных устройств) создает дополнительную погрешность в измерении контролируемой величины и снижает точность выбора направления оптимального шлифования плоскостей кристаллов алмаза, что усложняет технологический процесс обработки алмазов, особенно морфологически сложного алмазного сырья.

Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является способ ориентации алмаза при обработке по величине трибоЭДС, возникающей в зоне шлифования [4].

Последний хотя и является простейшим способом (не требует дополнительного датчика), однако не обеспечивает высокой точности ориентации алмаза в оптимальном направлении вследствие нестабильности величины трибоЭДС в процессе обработки.

Задачей изобретения является повышение технологичности обработки морфологически сложного алмазного сырья, точности и надежности выбора вектора оптимального направления шлифования плоскостей кристаллов алмаза.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе обработки кристаллов алмаза, который включает выбор оптимального направления шлифования плоскостей кристаллов алмаза, обработку осуществляют в направлении, соответствующем наименьшему эффективному сопротивлению алмаза, при этом к алмазу относительно шлифовального диска прикладывают электрическое напряжение отрицательной полярности.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

При механическом шлифовании алмаза, сопровождающемся процессами хрупкого изнашивания и пластической деформацией материала, на поверхности и в приповерхностном слое алмаза появляется высокая концентрация разорванных связей. Известно, что разорванные связи в полупроводниках с решеткой типа алмаза проявляют акцепторные свойства [5]. Концентрация разорванных связей-акцепторов тем выше, чем интенсивнее протекают процессы хрупкого изнашивания и пластической деформации. Таким образом, поверхность и приповерхностный слой алмаза можно рассматривать как дырочный полупроводник.

В зоне контакта шлифовального диска и кристалла алмаза образуется трибоЭДС. Для уменьшения степени влияния трибоЭДС на определение оптимального (“мягкого”) направления обработки предполагается, что ее значение намного меньше величины напряжения источника питания.

В такой ситуации роль единичных зерен шлифовального диска сводится к разрушению обрабатываемого алмаза и образованию в его приповерхностном слое дырочного полупроводника (алмаза р-типа). В области контакта дырочного полупроводника и металла шлифовального диска образуется омический переход. В электронной схеме замещения электрической цепи, состоящей из шлифовального диска, алмаза и цанги, при указанной отрицательной полярности напряжения источника питания, контакт металла (цанги) и диэлектрического алмаза инжектирует электроны, образующие электронный ток Jn. Существование такого контакта объясняется тем, что работа выхода алмаза по величине превосходит все известные материалы. Другой контакт алмаз р-типа - алмаз-диэлектрик инжектирует дырки, которые образуют дырочную составляющую электрического тока Jp. [6]

Таким образом, электрическая схема представляет собой диэлектрический диод, работающий в режиме токов двойной инжекции. Величина электрического тока (J=Jn+Jp), протекающего через него при заданном значении напряжения источника питания, определяется падением напряжения на инжектирующих контактах и объеме алмаза.

В “мягком” направлении обработки по сравнению с “твердым” интенсивность изнашивания поверхности алмаза существенно выше, поэтому и дырочная компонента электрического тока J существенно больше. При заданном напряжении внешнего источника питания большему значению тока J соответствует наименьшее значение эффективного сопротивления алмаза. Таким образом достигается технический результат, заключающийся в точности и надежности выбора вектора оптимального направления шлифования плоскостей кристаллов алмаза и повышения за счет этого технологичности обработки морфологически сложного алмазного сырья.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображена схема подключения источника питания к электрической цепи, где Е - источник питания;

на фиг.2 - электронная схема замещения электрической цепи, изображенной на фиг.1, где J - электрический ток; Jn - электронный ток; Jp - дырочная составляющая электрического тока;

на фиг.3 - схема экспериментальной установки для измерения эффективного сопротивления алмаза при шлифовании, где Л1 -двухэлектродная газоразрядная лампа; R0 - резистор; R1 - резистор и С - конденсатор, входящие в последовательную RC-цепь;

на фиг.4 - схема генератора релаксационных колебаний, где Ra -эффективное сопротивление алмаза;

на фиг.5 - временная диаграмма работы схемы генератора релаксационных колебаний, где U_заж - напряжение зажигания газоразрядной лампы; U_гop - напряжение горения газоразрядной лампы; U_c - напряжение на конденсаторе С (импульсное напряжение на алмазе); U_R1 - импульсы напряжения на резисторе R1; Т - период релаксационных колебаний; t₃ - время заряда конденсатора; t_p - время разряда конденсатора.

Способ реализуется следующим образом.

С помощью экспериментальной установки, представленной на фиг.3, производят измерение эффективного сопротивления алмаза. Для этого электрод с отрицательной полярностью источника питания Е подключают к катоду двухэлектродной газоразрядной лампы Л1, анод которой подключен к алмазу. Параллельно алмазу подключают резистор R0, последовательную RC-цепь, состоящую из конденсатора С и резистора R1, с которого последовательность импульсов поступает на вход осциллографа. В данной установке сопротивление алмаза преобразуется в периодическую последовательность импульсов, параметры которой (частоту, период колебаний) несложно измерить, кроме того, последовательная RC-цепь обладает интегрирующими свойствами, а следовательно, установка обладает повышенной помехоустойчивостью.

Крепление кристалла алмаза осуществляют следующим образом.

Алмаз 1 зажимают в цанге 2. Цанга 2 с закрепленной алмазной заготовкой запрессована в держатель 3, изолированный от цанги ограночного приспособления 4 керамической изоляцией 5, напыленной на поверхность держателя 3. Подвижный электрический контакт подводят к неизолированной части цилиндрической поверхности держателя 3 и другим выводом подключают к аноду газоразрядной лампы Л1. При шлифовании держатель 3 с алмазной заготовкой вставляют в ограночное приспособление. Ограночное приспособление устанавливают в механизм для предварительной огранки алмазов и прижимают к шлифовальному диску 6.

Для того чтобы рассмотреть работу экспериментальной установки, ее представляют в виде схемы генератора релаксационных колебаний, где эффективное сопротивление алмаза Ra характеризует величину токов двойной инжекции. Работу схемы генератора поясняет временная диаграмма, приведенная на фиг.5.

При подключении напряжения от источника питания Е, превышающего напряжение зажигания лампы U_заж, лампа загорается, и напряжение на ней падает до напряжения горения U_гop. При этом в течение времени t₃ происходит быстрый заряд конденсатора С до величины, равной E-U_гop. Процесс заряда протекает с постоянной времени τ₃=R1·С. Последнее возможно, если После погасания лампы начинается медленная стадия разряда конденсатора С с постоянной времени в течение времени t_p, по окончании которого напряжение на конденсаторе устанавливается равным Е-U_заж, и лампа вновь загорается. Затем процессы повторяются.

Очевидно, что период релаксационных колебаний Т=t₃+t_p, а при условии, что τ_р>>τ₃, период Т≅t_p. Для времени разряда, а следовательно, периода релаксационных колебаний Т, несложно получить выражение

В “твердом” направлении Ra>>R0, следовательно

где Т0 - период релаксационных колебаний при отсутствии шлифования.

Для ориентации алмаза в “мягком” направлении обработки выбирают такое положение, при котором период колебаний имеет наименьшее значение, что соответствует наименьшему значению эффективного сопротивления алмаза Ra. В промежуточном случае, когда обработка ведется между “мягким” и “твердым” направлениями обработки алмаза, период колебаний определяется формулой

Для проверки предлагаемого технического решения был проведен эксперимент, в котором использовалась неоновая лампа типа ТН с напряжением зажигания U_заж=80 В и напряжением горения U_гop=30 B, рабочее напряжение источника питания Е=100 В, сопротивление резистора R1=2 кОм, сопротивление резистора R0=10 МОм, емкость конденсатора С=10 нФ.

Использовалась также алмазная заготовка после обдирки диаметром 5,25 мм, массой 0,95 кар, характеристика сырья Z 3Q 2С 5Gr.

При отсутствии шлифования период релаксационных колебаний Т0=18 мс, при шлифовании алмазной заготовки период релаксационных колебаний Т=3 мс, а эффективное сопротивление алмаза в “мягком” направлении обработки Ra=2,0 МОм.

Результаты эксперимента, которые были получены на СГУП “ПО “Кристалл”, согласуются с данными экспертных заключений специалистов предприятия. Аналогичные данные были получены и для других образцов алмаза.

Источники информации

1. Пат. №3916573 США, МКИ³ В 24 В 9/16. Устройство для огранки драгоценного камня. - №557666; Заяв. 12.03.75; Опубл. 04.11.75; НКИ 51-118.

2. Пат. №2037196 Великобритания, МКИ³ В 24 В 9/16. Gem stone polishing machines/Bonas Machine Co Ltd. - №7942080; Заяв. 06.12.79; Опубл. 09.07.80; НКИ B 3 D.

3. Международная публикация №WO 96/16769, МПК⁶ В 24 В 9/16, B 28 D 5/00, 06.06.96. Способ ориентации алмаза при обработке и устройство для его осуществления (варианты). - PCT/RU 95/00253; Заяв. 27.11.95; Приоритет 29.11.94; №94042375 (RU).

4. Пат. №2174910 РФ, МПК⁷ B 28 D 5/00, В 24 В 9/16. Способ обработки кристаллов алмаза/Ю.Н.Ребрик, К.Е.Михин, А.М.Бочаров, С.И.Зиенко. - №2000103662/03; Заяв. 15.02.2000; Опубл. 20.10.2001, Бюл. №29 (прототип).

5. В.Ф.Киселев, С.Н.Козлов, А.В.Зотеев. Основы физики поверхности твердого тела. - М.: Изд-во Московского университета. Физический факультет МГУ, 1999.

6. Полупроводниковые структуры р-типа на природном алмазе/А.А.Мельников, А.М.Зайцев, В.И.Курганский, А.Я.Шилов, В.С.Вариченко, В.Ф.Стельмах//Алмаз в электронной технике: Сб. статей. - М.: Энергоатомиздат, 1989. С.228-239.

Изобретение относится к технологии обработки кристаллов алмаза и может быть использовано в гранильной промышленности. Выбор оптимального направления шлифования плоскостей осуществляют путем измерения эффективного сопротивления алмаза. Для этого к алмазу относительно шлифовального диска прикладывают электрическое напряжение отрицательной полярности. Шлифование осуществляют в направлении, соответствующем наименьшему эффективному сопротивлению. Такие действия повышают технологичность обработки морфологически сложного алмазного сырья за счет точного и надежного выбора оптимального направления шлифования. 5 ил.

Способ обработки кристаллов алмаза, включающий выбор оптимального направления шлифования плоскостей кристаллов алмаза, отличающийся тем, что обработку осуществляют в направлении, соответствующем наименьшему эффективному сопротивлению алмаза, при этом к алмазу относительно шлифовального диска прикладывают электрическое напряжение отрицательной полярности.