Получение алмазов под воздействием высокого давления и высокой температуры - RU2279908C2

Чертежи

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится к получению алмазов ювелирного качества (бесцветных и фантазийно окрашенных алмазов) и, в частности, к получению алмазов ювелирного качества из низкосортных недекоративно окрашенных ("выцветших") или так называемых "коричневых" алмазов.

Уровень техники

Алмазы обычно классифицируют на четыре основные категории, которые обозначаются как тип Ia, тип Ib, тип IIa или тип IIb. В действительности же концентрация и расположение примесей изменяются плавно и поэтому существуют также и промежуточные типы. Алмазы типа I в качестве основной примеси содержат азот. Эта категория делится на алмазы типа Ia, в которых азот находится в агломерированном состоянии либо в виде пар (тип IaA), либо кластеров (групп) из четырех атомов азота (тип IaB), либо их смесей (тип IaA/В), и алмазы типа Ib, в которых азот присутствует только в виде изолированных одиночных атомов азота. Некоторые алмазы также содержат кластеры (группы) из трех атомов азота, называемые N3-центрами. Более 98% наиболее крупных чистых природных алмазов относится к типу Ia. Алмазы типа Ib встречаются более редко и составляют всего 0,8% природных камней. Алмазы типа Ia также содержат тончайшие пластинки, представляющие собой мельчайшие плоские включения толщиной в несколько атомов и шириной примерно 300 атомов, которые могут содержать некоторое количество азота в неустановленной форме. Алмазы типа Ia также могут содержать пустоты, представляющие собой малые равноосные полости, которые являются либо незаполненными, либо содержащими азот в неизвестной форме. Пустоты наблюдаются в основном в алмазах типа IaA/В или IaB.

Принято считать, что все азотсодержащие алмазы изначально были алмазами типа Ib с изолированными атомами азота, попавшими в них во время роста кристалла. В течение длительного периода времени (возможно, вплоть до 1 миллиарда лет) алмазы подвергались отжигу в земной мантии при температуре в интервале 1000-1300°С в условиях высокого давления. В течение этого времени атомы азота мигрировали в алмазах и образовывали, главным образом, два типа агрегатов, а именно пары или кластеры из четырех атомов. Считается, что кластеры из четырех атомов азота образуются, когда мигрирующие пары сталкиваются друг с другом. Поэтому предполагается возможность перехода от типа Ib к типу IaA, затем к типу IaA/В и, наконец, к типу IaB. Небольшое количество азота может также агломерироваться в виде N3-центров, которые представляют собой плоскую структуру из трех атомов азота, окружающих общую вакансию. Считается, что такие центры образуются, когда в процессе агломерации изолированный азот соединяется с парой атомов азота. N3-центры, по-видимому, менее стабильны, чем центры А и В, так как их концентрация в алмазах типа Ia относительно мала. Пластинки образуются, когда отжиг переходит к стадии типа IaA. Образование пустот, а также некоторая дезинтеграция пластинок происходят, когда образуются В кластеры, и они становятся резко выраженными на стадии отжига типа IaB.

Алмазы типа II не содержат азота. Они делятся далее на тип IIa и тип IIb. Алмазы типа IIa не содержат примесей. Алмазы типа IIb содержат бор на уровне нескольких частей на миллион (чнм) и встречаются крайне редко.

Алмазы могут иметь цвет от прозрачного и бесцветного до желтого, оранжевого, красного, синего (голубого), коричневого и даже зеленого. Для природных алмазов наиболее распространен коричневатый оттенок, который могут иметь до 98% всех добываемых природных алмазов. Содержащие азот алмазы типа Ia могут быть бесцветными, если весь азот связан в А или В центрах. Однако если присутствуют изолированные атомы азота или N3-центры, то алмазы будут иметь желтый оттенок, насыщенность которого зависит от концентрации этих форм атомов азота. Обычно N3-центры придают "размытый" (тусклый) желтый цвет, который также называют "оливково-желтым", а изолированные атомы азота придают более богатый и яркий "канареечно-желтый", если их концентрация достаточно высока. Небольшое количество желтого цвета в бесцветном алмазе может существенно снизить его рыночную цену. Однако глубокий насыщенный желтый цвет может создавать "фантазийную" желтую окраску, которая высоко ценится на рынке.

Большинство добываемых алмазов типа Ia имеет коричневатый цвет. Коричневый цвет может возникать в результате смешения других основных цветов. Один из вариантов представляет собой смесь нескольких желтых тонов, обусловленных изолированными атомами азота или N3-центрами, с некоторым количеством черного цвета, возможно, в результате субмикроскопических включений графита. Смесь желтого и черного цветов дает коричневый цвет. Другой вариант получения коричневого алмаза представляет собой смешение центра окраски, который дает зеленый алмаз, с центром окраски, который дает красный алмаз. Комбинация красного и зеленого также дает коричневый цвет. Фактически, существует бесконечное количество комбинаций цветов, которые дают коричневый цвет. Поэтому невозможно определить те центры окраски, которые своим цветом обуславливают цвет алмаза. Однако обратный процесс однозначен, т.е. если известны тип и концентрация центров окраски в алмазе, то можно предсказать окончательный цвет.

Алмазы типа II варьируются от бесцветных до насыщенных синих цветов. Алмазы типа IIa ценятся выше всего, если они бесцветные. Предполагается, что чрезмерная механическая деформация и пластическое течение придают им красновато-коричневый или розовый оттенок, который существенно снижает их стоимость. Многие природные алмазы типа IIa имеют такой оттенок, и их ценность как ювелирных камней можно было бы существенно повысить, если бы можно было сделать их бесцветными. Некоторые алмазы типа IIa имеют стальную серую дымку, которая также сильно снижает их стоимость. Предпринятые в прошлом попытки обработать алмазы типа II для повышения их стоимости оказались безуспешными (см. G. Lenzen, Diamonds and Diamond Grading, p.207, Buttersworth, London (1983)). Облучение нейтронами и электронами, за которым следовал отжиг, придавало алмазам типа IIa коричневый цвет, что значительно снижало их стоимость.

Алмазы типа IIb имеют синий или голубой цвет, который им придает примесь бора. Из-за редкости алмазов типа IIb и их привлекательного синего или голубого цвета они имеют высокую цену за один карат в ювелирных изделиях.

В общем, цена алмазов находится в очень сильной зависимости от их цвета. Алмазы фантазийных цветов, такие как канареечно-желтые, синие или голубые, красные, розовые и зеленые, встречаются редко и ценятся выше всего. Из-за редкости таких камней их рынок плохо организован, и их обычно продают через аукционы типа Сотби (Sotheby's) или Кристи (Christie's). Коричневые алмазы являются исключением на рынке алмазов фантазийных цветов. Коричневые алмазы очень широко распространены, и в прошлом их отсортировывали и использовали в качестве промышленных и, соответственно, недорогих алмазов. После алмазов фантазийных цветов самую высокую стоимость имеют бесцветные алмазы. Стоимость находится в сильно нелинейной зависимости от степени бесцветности. Даже самый слабый желтый оттенок может значительно снизить цену бесцветных алмазов.

Учитывая относительные цены на алмазы фантазийных цветов, бесцветные и коричневые алмазы, существует большой финансовый стимул превратить коричневые алмазы либо в бесцветные, либо в алмазы фантазийных цветов. Для превращения непривлекательного "грязного" цвета таких алмазов в привлекательные синий, зеленый, оранжевый, черный и желтый цвета часто применяется облучение. Для получения центров окраски в алмазах использовали облучение электронами, нейтронами, гамма-лучами и альфа-частицами. Облучение нейтронами, гамма-лучами и электронами является предпочтительным, так как они дают более равномерную окраску благодаря своей высокой проникающей способности. При применении нейтронов существует некоторый риск того, что в результате активации нейтронами в алмазах могут образовываться радиоактивные изотопы. Кроме того, при обычной обработке облучением развивается только поверхностный цвет, ограниченный наружными частями алмаза.

По существу, все эти различные виды облучения создают вакансии в алмазе, которые видны как полоса GR1 в видимом спектре. Поглощение на полосе GR1 придает алмазу зеленый, зелено-голубой, темно-зеленый или даже черный цвет. Вакансионные центры окраски можно модифицировать посредством высокотемпературного отжига для получения цветов, варьирующихся в диапазоне от синего или голубого до розового, до красного, до зеленого. Отжиг можно производить при температурах всего 600°С, так как большое число вакансий, введенных за счет излучения, временно повышает подвижность азота и других примесей в алмазе. В конечном итоге, вакансии диффундируют в стоки вакансий, такие как свободные поверхности, дислокации и границы включений в алмазе, и поглощаются ими. Естественно, при исчезновении вакансий их прямое воздействие на цвет алмаза также уменьшается. Таким образом, цвет постепенно проходит через последовательность от синего или голубого к зеленому, к коричневому, к желтому и обратно к первоначальному цвету алмаза. Отжиг можно прекратить в любой момент последовательности отжига, чтобы получить требуемый цвет. Для дополнительной манипуляции цветом можно осуществить множество операций отжига и облучения.

В последние годы алмазы отжигают при все более высоких температурах в попытке исключить в алмазе явные признаки облучения, так как "обработанные" алмазы ценятся ниже природных. Вакансионная линия GR1 начинает исчезать выше 400°С, так как вакансии выжигаются из кристалла. Однако другие обусловленные облучением линии устойчивы до более высоких температур. Организации, занимающиеся такими видами обработки, как правило, сохраняют большую часть информации об облучении алмазов и обработках их отжигом в тайне как секреты производства.

В последнем выпуске Gems & Gemology (XXXIII, стр.136-137, лето 1997 г.) был описан пример возможно облученного и термообработанного зеленовато-желтого алмаза. В лабораторию Американского Геммологического Института (GIA) поступило на исследование несколько бриллиантовых камней весом примерно в один карат. На основании спектроскопических исследований лаборатория GIA пришла к заключению, что эти алмазы подвергались обработке. Кроме того, они высказали предположение, что алмазы были облучены и в последующем нагреты до температуры выше 1450°С. Хотя нормальные признаки облучения, такие как линия GR1 на длине волны 741 нм и линии HIb и HIc, возникающие в результате комбинации облучения и термообработки, в этих двух камнях отсутствовали, камни все же имели пик поглощения в ближней инфракрасной части спектра на длине волны 985 нм. Хотя выявление обработанных камней является больше искусством, чем наукой, обычно принято считать, что алмазы, не имеющие пиков поглощения на длине волны 595 нм, 1936 нм и 2024 нм, "почти достоверно не подвергались обработке" (Wilks et al. Properties end Application of Diamonds, p.91, Buttersworth, London (1991)).

Алмазы типа Ia, в которых N3-центры придают кристаллу слегка желтый оттенок, наиболее часто выбирали для облучения и отжига. Облучение этих камней электронами или нейтронами с последующей термообработкой вызывает образование Н3-центров (азот-вакансия-азот) и Н4-центров (азот-азот-вакансия-азот-азот), которые придают камням привлекательный янтарно-золотистый цвет. Было обнаружено, что алмазы, не обладающие люминесценцией, дают более привлекательные цвета, чем алмазы с люминесценцией (A.T.Collins, J.Gemology, XVIII, стр.37-75 (1982). Вероятно, существующие в камне центры окраски прибавляются к цвету, полученному в результате облучения и термообработки, и полученный цвет является менее желательным.

Изменение концентрации N3-центров не только изменяет желтый цвет алмаза, но может также увеличить действительный блеск или количество отражаемого алмазом света. Электроны вокруг N3-центра поглощают свет в ультрафиолетовой части спектра естественного света, а также голубой свет в видимом спектре. При нормальном дневном освещении примерно 1/5 световой энергии существует в форме ультрафиолетового излучения. Если концентрации N3 относительно высока, т.е. 100 чнм, то видимый голубой свет сильно поглощается, и алмаз будет иметь выраженный желтый цвет, что снизит его стоимость. Однако если концентрацию N3-центров уменьшить посредством какой-либо обработки так, чтобы исчезла желтая окраска, то оставшиеся N3-центры могут повлиять на блеск алмаза в результате двухступенчатого процесса. Сначала ультрафиолетовый фон поглощается N3-центром. Эта энергия временно сохраняется в N3-центре. Некоторая часть этой энергии расходуется в виде фононов или колебаний решетки. После некоторого времени сохранения, определяемого периодом полураспада центра, N3-центр будет переизлучать оставшуюся энергию в виде света. Так как некоторая часть энергии была утрачена, переизлучаемый свет больше не находится в высокоэнергетической ультрафиолетовой части спектра. Вместо этого переизлучаемый свет теперь находится в видимой части спектра (технический термин "ультрафиолетовое смещение"). Так как мы не видим ультрафиолетовый свет, то и не заметим, что он поглощается (некоторые животные, например, пчелы, которые способны видеть ультрафиолетовый свет, могут заметить уменьшение блеска алмаза в результате поглощения ультрафиолетового света N3-центрами). Все, что может увидеть человек, - это увеличение излучения в видимой части спектра, и поэтому алмаз теперь будет выглядеть чрезвычайно ярким. Следовательно, регулируемое уменьшение N3-центров в алмазе типа Ia посредством любой обработки повышает стоимость содержащих их алмазов благодаря двум факторам. Во-первых, излучение некоторых N3-центров уменьшает или совсем устраняет желтый оттенок алмаза. Во-вторых, оставшиеся N3-центры повышают блеск алмаза по сравнению с идеальным алмазом типа IIa.

Другой подход, предпринимавшийся в прошлом для изменения цвета природного алмаза типа Ia, заключался в переходе к очень высоким температурам и давлениям в области стабильности алмаза, в которой атомы алмаза более подвижны. При увеличении температуры на каждые 100°C подвижность азота в алмазе возрастает почти на порядок величины. Эванс с соавторами (Evans et al.), Proc Roy Soc Lond, A 344, 111-130 (1975) и Бонзел с соавторами (Bonzel et al.), Proc Roy Soc Lond, A 361, 109-127 (1978) отжигали содержащие азот алмазы типа Ia в области стабильности алмаза при температурах выше 1960°С при стабилизирующих давлениях вплоть до 85 килобар (кбар), т.е. в области стабильности алмаза. Приложение давления необходимо для того, чтобы удерживать алмаз в области стабильности алмаза на диаграмме состояния давление-температура углерода (F.P.Bundy, Physica, A156, 169-178 (1989)). В противном случае, воздействие на алмаз таких высоких температур приведет к быстрой графитизации алмаза. Принято считать, что стабильная фаза алмаза по отношению к стабильной фазе графита характеризуется линией Симона-Бермана. Линия Симона-Бермана разделяет области стабильности алмаза и графита на диаграмме фаза/температура (РТ). C.S.Kennedy и G.C.Kennedy в J.Geophysixs Res, Vol.81, pp.2467-2469 (1976) определяют линию Симона-Бермана уравнением:

Р(килобар)=19,4+0,025·Т (градусов Цельсия).

Большинство алмазов, которые обрабатывали Эванс с соавторами и Бонзел с соавторами, были алмазами типа IaA/В, т.е. они содержали смесь кластеров азота, состоящую из азотных пар (А) и четверок (В), поскольку алмазы с характеристиками чистых IaA или IaB типов встречаются очень редко. Все алмазы содержали пластинки. Алмазы с преимущественно А-кластерами приобрели желтый цвет, т.к. некоторые кластеры разрушились и образовали изолированные атомы азота (тип Ib). Менее успешными оказались попытки этих авторов обработать алмазы с преимущественно В-кластерами, которые, по-видимому, более стабильны, чем А-кластеры. Наиболее привлекательные и глубочайшие желтые цвета были получены у алмазов типа Ia при температурах в интервале между 2250°С и 2300°С и давлении 48 килобар (см. Evans et al выше).

Хотя Эванс и его коллеги достигли успешного изменения цвета, алмазы обоих типов Ia и IIa раскрошились на мелкие кусочки. Иными словами, "операция прошла успешно, но пациент умер". Ничего экономически ценного не было создано, и первоначальная ценность алмаза была такой обработкой уничтожена. Кроме того, необходимость работать в области стабильности алмаза РТ-диаграммы углерода обуславливает потребность в исключительно высоких давлениях при применяющихся температурах обработки. Такие высокие давления в настоящее время либо недостижимы, либо неэкономичны. В результате этих работ сообщество исследователей алмазов отказалось от высокотемпературной обработки алмазов под высоким давлением для изменения их цвета в пользу облучения и низкотемпературного отжига.

Раскрытие изобретения

В основу настоящего изобретения положена задача создания способа обработки "выцветших", т.е. недекоративно окрашенных, природных алмазов, особенно алмазов типа IIa и алмазов типа Ia с азотом преимущественно в виде В-центров, при давлениях и температурах либо в области стабильности графита, либо в области стабильности алмаза на диаграмме давление/температура углерода, в целях улучшения их цвета.

Таким образом, в настоящем изобретении предложен способ изменения цвета недекоративно окрашенного природного алмаза, включающий в себя:

a) черновую огранку природного алмаза для придания природному алмазу обтекаемой формы;

b) помещение упомянутого природного алмаза обтекаемой формы в передающую давление среду;

c) уплотнение упомянутой передающей давление среды в таблетку;

d) воздействие на упомянутую таблетку повышенного давления и повышенной температуры в пределах области стабильности графита или в пределах области стабильности алмаза на фазовой диаграмме углерода в течение времени, достаточного для изменения цвета упомянутого алмаза; и

e) извлечение упомянутого алмаза.

Предпочтительно на стадии черновой огранки удаляют по меньшей мере один или одну из поверхностных дефектов, поверхностных неоднородностей, приповерхностных дефектов и приповерхностных неоднородностей природного алмаза.

Предпочтительно на стадии черновой огранки на упомянутом алмазе получают по меньшей мере две грани.

Предпочтительно упомянутое воздействие повышенного давления включает в себя передачу давления на упомянутую таблетку через расположенные напротив друг друга пуансоны и создание сжимающих напряжений, а извлечение упомянутого алмаза включает в себя разведение упомянутых расположенных напротив друг друга пуансонов.

Предпочтительно упомянутый недекоративно окрашенный природный алмаз представляет собой алмаз типа Ia, типа Ib, типа IIa, типа IIb или типа IaB.

Предпочтительно извлеченный алмаз является бесцветным. Предпочтительно извлеченный алмаз является окрашенным. Предпочтительно упомянутая повышенная температура находится в интервале примерно от 1500°С до 3500°С, а упомянутое повышенное давление находится в интервале от примерно 10 до примерно 100 килобар.

Предпочтительно упомянутое повышенное давление находится в интервале от примерно 20 до примерно 80 килобар.

Предпочтительно алмаз подвергают воздействию на стадии (d) несколько раз.

Предпочтительно упомянутая передающая давление среда является термически и химически стабильной при высоком давлении/высокой температуре и выбрана из группы, состоящей из соли, оксида и графита.

Предпочтительно упомянутая передающая давление среда представляет собой соль, выбранную из группы, состоящей из хлорида натрия, иодида натрия, бромида натрия, хлорида калия, иодида калия, бромида калия, хлорида кальция, иодида кальция и бромида кальция.

Предпочтительно упомянутая передающая давление среда выбрана из группы, состоящей из оксида магния, оксида кальция или их смесей. Более предпочтительно упомянутая передающая давление среда представляет собой графит.

Предпочтительно упомянутые повышенную температуру и повышенное давление поддерживают в течение времени от 30 секунд до 96 часов.

Предпочтительно упомянутые повышенную температуру и повышенное давление поддерживают в течение времени от 5 минут до 24 часов.

Предпочтительно упомянутые повышенную температуру и повышенное давление поддерживают в течение времени от примерно 5 минут до примерно 1 часа.

Предпочтительно упомянутая черновая огранка содержит от 1 до 100 граней на поверхности упомянутого алмаза.

Также в настоящем изобретении предложен алмаз с измененным цветом, полученный описанным выше способом по изобретению.

Предпочтительно такой алмаз является алмазом ювелирного качества и имеет цвет, выбранный из бесцветного, канареечно-желтого, голубого, синего, розового и зеленого.

Также в настоящем изобретении предложен способ изменения цвета недекоративно окрашенного природного алмаза, включающий в себя последовательные стадии:

a) предварительной формовки природного алмаза путем черновой огранки этого природного алмаза для придания природному алмазу обтекаемой формы;

b) помещение упомянутого природного алмаза обтекаемой формы в передающую давление среду;

c) воздействие на упомянутую передающую давление среду, содержащую упомянутый природный алмаз, достаточно высокого давления и высокой температуры в течение времени, достаточного для изменения цвета упомянутого алмаза на бесцветный или фантазийный цвет; и

d) извлечение упомянутого алмаза.

Предпочтительно упомянутую передающую давление среду, содержащую упомянутый природный алмаз обтекаемой формы, подвергают воздействию давления в интервале примерно от 10 до 100 килобар.

Предпочтительно упомянутую передающую давление среду, содержащую упомянутый природный алмаз обтекаемой формы, подвергают воздействию температуры в интервале примерно от 1500°С до 3500°С.

Предпочтительно упомянутую передающую давление среду, содержащую упомянутый природный алмаз обтекаемой формы, подвергают воздействию достаточно высокой температуры и достаточно высокого давления в течение времени от примерно 30 секунд до примерно 96 часов.

Также в настоящем изобретении предложен алмаз с измененным цветом, полученный вышеупомянутым способом по изобретению.

Согласно предложенному способу с недекоративно окрашенного природного алмаза срезают и сошлифовывают поверхностные дефекты («несовершенства») и неоднородности, помещают этот алмаз в передающую давление среду, т.е. порошок, который уплотняют в таблетку. Затем таблетку помещают в пресс высокого давления/высокой температуры (ВД/ВТ) при повышенном давлении и повышенной температуре в пределах либо области стабильности алмаза, либо области стабильности графита на фазовой диаграмме углерода на время, достаточное для улучшения цвета этого алмаза. По завершении алмаз извлекают из пресса. Данный способ позволяет получать бесцветные алмазы типа Ia и IIa.

Типичный интервал температур составляет от примерно 1500°С до примерно 3500°С при соответствующих давлениях, находящихся в интервале от примерно 10 до примерно 100 килобар, а предпочтительно от примерно 20 до примерно 80 килобар. Время прессования в прессе ВД/ВТ может составлять от всего примерно 30 секунд вплоть до 96 часов или более, причем времена прессования предпочтительно находятся в интервале от примерно 5 минут до 24 часов. Эти условия (время, температура и давление) коррелируют и регулируют в соответствии с природой обуславливающих недекоративную окраску дефектов в алмазе, которые необходимо обработать для того, чтобы улучшить цвет этого алмаза.

Настоящее изобретение предоставляет возможность усовершенствовать цвет недекоративно окрашенного ("выцветшего") или "грязного" алмаза (с неудачным цветовым оттенком) и получить алмазы фантазийных цветов или бесцветные алмазы. Другое преимущество изобретения также заключается в уменьшении растрескивания и разрушения алмазов и повышении общей производительности процесса. Другим преимуществом является возможность сохранения механической и структурной целостности алмазов с улучшенным цветом. Дополнительным преимуществом изобретения является специфическая возможность получения бесцветных алмазов из алмазов типа IIa. Еще одним преимуществом является возможность сохранения оптической прозрачности (чистоты) обработанных согласно раскрытому здесь способу. Эти и другие преимущества будут понятны из последующего описания изобретения.

Краткое описание чертежей

Для более полного понимания сущности и задач настоящего изобретения оно будет описано в дальнейшем более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает вид в поперечном сечении обычного аппарата ВД/ВТ, который можно использовать для отжига недекоративно окрашенных алмазов в целях улучшения их цвета, и

фиг.2 изображает вид в поперечном сечении типичной реакционной камеры для отжига природного алмаза в аппарате, показанном на фиг.1.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение будет проиллюстрировано на примере обычного аппарата ВД/ВТ, который может быть аппаратом ленточного типа (от англ. belt) или пресс-формой, описанными, например, в патентах США 2947611, 2941241, 2941248, 3609818, 3767371, 4289503, 4673414 и 4954139. Однако понятно, что предложенный способ можно применить в любом аппарате ВД/ВТ, который способен обеспечить одновременно условия ВД и ВТ. Поэтому предполагается, что другие аппараты ВД/ВТ также подпадают под объем притязаний изобретения.

На фиг.1 показан иллюстративный вид аппарата ВД/ВТ, используемого для реализации настоящего изобретения и обозначенного в общем позицией 10, который содержит по существу цилиндрический узел 12 реакционной камеры, расположенный между двумя пуансонами 14а и 14b и окруженный по существу кольцевым ленточным элементом или пресс-формой 16. Предпочтительно, чтобы и пуансоны 14, и ленточный элемент 16 были выполнены из относительно твердого материала, например цементированного карбида вольфрама. Между пуансонами 14 и ленточным элементом 16 расположены два изоляционных узла 18а и 18b, каждый из которых образован парой термо- и электроизоляционных элементов 20а-b и 22а-b, каждый из которых предпочтительно выполнен из пирофиллита или подобного материала и имеет расположенную между ними промежуточную металлическую прокладку 24а и 24b.

Как видно на чертеже, узел 12 реакционной камеры содержит полый цилиндр 26, который может быть выполнен из такого материала, как соль или т.п., который переходит за счет фазового превращения или уплотнения во время ВД/ВТ обработки в более прочное и плотное состояние, или альтернативно из талькового материала или т.п., который не претерпевает такого превращения. В любом случае для цилиндра 12 выбирается материал, по существу не имеющий нарушений непрерывности объема или т.п. под действием ВД/ВТ, что может произойти, например, с пирофиллитом или оксидом алюминия. Материалы, отвечающие этим критериям, описаны в патенте США 3030662.

В солевом цилиндре 26 концентрично расположен прилегающий цилиндр 28, снабженный графитовой электрически резистивной нагревательной трубкой для обеспечения косвенного нагрева. Электрическое соединение с нагревательной трубкой 28 обеспечивается через прилегающую пару концевых дисков 30а и 30b из проводящего металла, которые расположены согласно с нагревательной трубкой 28. Рядом с каждым диском 30 предусмотрен узел торцевой крышки, показанный в общем как 32а и 32b, каждый из которых содержит изоляционную заглушку 34а и 34b, окруженную электропроводящим кольцом 36а и 36b.

Понятно, что внутренняя полость нагревателя 28 вместе с концевыми дисками 30, солевым цилиндром 26 и узлами 32 торцевых крышек образуют в общем цилиндрическую внутреннюю камеру, обозначенную в целом позицией 38, имеющую заданные осевые и радиальные размеры и содержащую передающую давление среду 40. В качестве передающей давление среды 40 выбирается такая среда, которая имеет относительно низкий коэффициент внутреннего трения с тем, чтобы она была полутекучей в условиях ВД/ВТ, и она может иметь форму цилиндрической солевой облицовки 42, которая образует радиальные слои 43а и 43b передающей давление среды и пригнана с помощью осевой пары солевых заглушек 44а и 44b, каждая из которых образует слой передающий давление среды. Предпочтительно солевая облицовка 42 и заглушки 44 выполнены из графитового материала или хлорида натрия, но они также могут быть выполнены из любого хлорида, иодида или бромида натрия, калия или кальция или их смеси. Альтернативно передающая давление среда 40 может быть в порошкообразном или сыпучем виде. В любом случае среда 40 образует полость, показанную позицией 46, которая способна принять подлежащий отжигу недекоративно окрашенный алмаз. Таково конструктивное выполнение типичного аппарата ВД/ВТ для реализации настоящего изобретения на практике.

С подлежащего отжигу природного алмаза желательно удаляют достаточное количество материала для того, чтобы желательным образом уменьшить количество поверхностных и приповерхностных дефектов и неоднородностей и/или придать камню более обтекаемую форму. Удаление материала можно производить посредством обрезки, формовки и/или шлифовки. Методы обрезки и формовки включают в себя лазерную обрезку и удаление части камня путем его отсечения. Поверхностные и приповерхностные дефекты и неоднородности, количество которых желательно уменьшить, представляют собой включения, пересекающие внешнюю поверхность алмаза, приповерхностные включения, трещины или изъяны, пересекающие поверхность, приповерхностные трещины или изъяны, поверхностные выступы, поверхностные впадины, приповерхностные пустоты, поверхностные или приповерхностные области примесных неоднородностей и поверхностные или приповерхностные зоны пластической деформации. Поверхностные дефекты и неоднородности могут вызвать распространение трещин или даже разрушение камня во время обработки. Цель предварительной формовки или предварительной огранки (в данной области техники формовку алмазов методом обрезки принято называть "черновой огранкой") природного алмаза перед отжигом заключается в том, чтобы предотвратить разрушение или растрескивание камня во время процесса ВД/ВТ. Также желательно придать камню более обтекаемую форму. Более обтекаемая форма может уменьшить разрушение и растрескивание во время уплотнения под высоким давлением, когда камень подвергается сжатию, и во время извлечения камня, когда он подвергается растяжению в результате движения пуансонов 14 в противоположном друг от друга направлении.

В отличие от обычного применения устройства ВД/ВТ, подвергнутый черновой огранке алмаз помещают в порошкообразную передающую давление среду, которую затем консолидируют или уплотняют до достижения более 90% от ее теоретической плотности с образованием таблетки. Среда в виде таблетки (далее - таблеточная среда) должна в аппарате ВД/ВТ передавать гидростатическое давление без потерь к поверхностям алмаза как сплошная среда с тем, чтобы минимизировать напряжения сдвига, которые могли бы вызвать пластическую деформацию или напряжение в обрабатываемом алмазе. При использовании любой твердой таблеточной среды или любой таблеточной среды, остающейся твердой в течение некоторого времени в процессе ВД/ВТ, невозможно исключить все напряжения сдвига и/или растяжения в ходе процесса. Алмаз может треснуть при первом приложении давления, во время процесса отжига при высоких температурах или даже во время охлаждения от высоких температур, когда давление в камере возвращается к атмосферному давлению. В последнем случае давление в камере снимается посредством разведения в стороны противоположных опорных плит или пуансонов 14а, 14b. При разведении опорных плит верхняя и нижняя поверхности таблетки стремятся выпячиваться наружу. Так как концентричный ленточный элемент является жестким, давление сначала снимается только по одной оси (оси движения плиты), что вызывает развитие напряжений сдвига и растяжения в таблеточной среде. Таблеточная среда в этот момент процесса является обычно твердой и поэтому она может передавать напряжения сдвига и растяжения алмазу. По этой причине часто алмаз, имеющий захватываемую неограненную поверхность, разламывается на части в плоскости, перпендикулярной оси движения опорной плиты, во время сброса давления в камере.

Передачу любых остаточных напряжений сдвига/растяжения от таблеточной среды алмазу можно уменьшить посредством предварительной черновой огранки или предварительной формовки алмаза. Предварительная черновая огранка придает алмазу форму, поверхность которой трудно захватить таблеточной средой. Следовательно, напряжения растяжения/сдвига в таблеточной среде на границе алмаз-среда имеют тенденцию сниматься, поскольку подвергнутый предварительной черновой огранке алмаз имеет скользящую форму, на которой трудно найти какую-либо опору. Кроме того, удаление трещин, изъянов, включений и любых других неоднородностей в алмазе, создающих внутренние напряжения, таких как, например, включения, или увеличивающих прикладываемые извне напряжения, такие как, например, трещины, уменьшает внутренние напряжения в алмазе, которые могли бы вызвать его деформацию, растрескивание или раздробление. В ходе типичной операции предварительной черновой огранки на поверхности алмаза могут быть срезаны и/или сошлифованы от одной до ста граней, предпочтительно от двух до двадцати пяти граней. Количество и размер граней зависит от количества поверхностных дефектов, а также от морфологии, профиля, общего размера и суммы, уплаченной за камень, а также от оценочной стоимости алмаза после обработки. Так как предварительная черновая огранка повышает затраты на процесс обесцвечивания в целом, степень такой предварительной черновой огранки определяется не только физическими характеристиками природного алмаза, но также и оценочным размером прибыли. Например, экономически выгоднее осуществлять больший объем черновой огранки на более крупных и более дорогих алмазах, чем на меньших и более дешевых.

Дополнительно поясним, что с природного алмаза желательно удалить достаточное количество материала для уменьшения сжимающих напряжений во время сжатия камня при обработке ВД/ВТ, а также для уменьшения напряжения растяжения во время удаления или извлечения алмаза, когда пуансоны 14а и 14b раздвигаются в стороны друг от друга. Пуансоны 14а и 14b сдвигаются и раздвигаются вдоль продольной оси (не показана) для создания соответствующего напряжения сжатия или растяжения на алмазе. Приданию алмазу обтекаемой формы вдоль продольной оси можно способствовать путем удаления выступов или выпуклостей, которые выступают с внешней поверхности алмаза. Такой тип удаления уменьшает площадь поперечного сечения в направлении, нормальном к продольной оси, для усиления эффекта обтекаемости. Эффект обтекаемости можно усилить путем образования гладких поверхностей в целом дугообразной формы, например путем увеличения количества граней. Концы алмаза, ориентированные вдоль продольной оси, можно уменьшить в размере с тем, чтобы усилить эффект сглаживания. Алмаз можно удобно загрузить в таблетку таким образом, чтобы поперечное сечение с самой меньшей площадью было обращено в продольном направлении. Желательно формовать и позиционировать алмаз таким образом, чтобы уменьшить напряжения на алмазе во время обработки.

Таблеточная среда должна быть термически и химически стабильной и предпочтительно не вступать в реакцию с алмазом или не вызывать растворения алмаза. Пригодными средами являются жидкости или газы, стабильные в условиях отжига, или высоко пластичные твердые вещества, включающие, без ограничения, соли, такие как, например, описанные выше, оксиды, такие как оксид магния или оксид кальция, или углероды, такие как графит. Таблеточная среда также должна быть способна выдерживать высокие давления и высокие температуры, имеющиеся в аппарате ВД/ВТ. Наконец, таблеточная среда должна обладать малой объемной сжимаемостью, сопоставимой с системой прокладок, т.е. она не должна содержать пустот и должна приближаться к своей теоретической по кристаллической решетке плотности в условиях отжига. В случае необходимости, или при желании, или если это удобно, в полости 46 можно разместить множество таблеток.

Условия давления в настоящем изобретении охватывают условия в области стабильности графита РТ-диаграммы, обычно в интервале от примерно 10 до примерно 200 килобар, а предпочтительно от примерно 20 до примерно 80 килобар. Температуры, используемые при реализации настоящего изобретения на практике, находятся в интервале от примерно 1500°С до примерно 3500°С. Условия отжига зависят от природы того дефекта в алмазе, который необходимо удалить или изменить для улучшения цвета, и специалисты смогут их легко определить без излишнего экспериментирования.

Условия ВД/ВТ поддерживают в течение времени, соответствующего требуемому улучшению цвета недекоративно окрашенного алмаза. Это время может составлять от нескольких минут до нескольких часов, предпочтительно от примерно 5 минут до 24 часов, а более предпочтительно от примерно 5 минут до примерно 1 часа. В этом отношении недекоративно окрашенный алмаз может быть подвергнут множеству этапов отжига в одинаковых или различных условиях, что будет продемонстрировано на примерах.

Недекоративно окрашенные алмазы, подвергшиеся обработке предложенными в изобретении способами, могут быть предварительно обрезаны и отшлифованы и проданы как готовые алмазы. Выход таких годных предварительно обрезанных/отшлифованных алмазов в этом способе можно повысить путем их предварительной черновой огранки, если они содержат поверхностные и приповерхностные дефекты упомянутого выше типа. После обработки обесцвеченные алмазы подвергают огранке и шлифовке таким же самым образом, как и другие природные камни. После этого алмаз готов для использования в ювелирном изделии или для изготовления в виде устройств, таких как, например, теплоотводы, оптические окна или т.п. Особую важность представляет возможность согласно настоящему изобретению превращать недекоративно окрашенный алмаз типа IIa в бесцветный камень. Однако настоящее изобретение также позволяет получать синие или голубые, розовые, зеленые, желтые и желтовато-зеленые алмазы.

В приведенных ниже примерах продемонстрировано, как настоящее изобретение было реализовано на практике, однако не следует рассматривать эти примеры как ограничительные. В данной заявке все единицы приведены в метрической системе, если не указано иначе. Все упоминаемые патенты и публикации включены в настоящее описание с помощью ссылки.

Примеры

В описанных ниже примерах отжиг природных алмазов производился в условиях высокой температуры и высокого давления с использованием аппарата "ленточного" типа, который способен обеспечить очень высокие давления (˜60 кбар) и температуры (˜2600°С). Отжиг алмаза согласно настоящему изобретению проиллюстрирован на примерах с использованием следующих конструкций камеры и рабочих условий.

Узел реакционной камеры схематически показан на фиг.2. Подвергнутый предварительной черновой огранке алмаз 51 помещают внутрь цилиндрической таблетки 52, выполненной из высокочистого порошкообразного графита или хлорида натрия. Кристалл 51 алмаза подвергают предварительной черновой огранке для удаления материала лазером. Графит является предпочтительным материалом, так как он не плавится при высокотемпературном отжиге. Таблетка 52 имеет следующие размеры: диаметр 0,76 дюйма (19, 3 мм), высота 0,86 дюйма (21,8 мм). Таблетку 52 получают путем уплотнения графитового порошка и кристалла 51 алмаза в гидравлическом прессе. Таблетку 52 помещают внутрь трубки 53 из оксида магния, которая снабжена концевыми дисками 54а и 54b. Этот узел затем помещают внутрь графитовой трубки 55, которая снабжена концевыми дисками 56а и 56b. Такой узел помещают внутрь солевого цилиндра 59, концы которого снабжены графитовыми шпильками 58а и 59b, окруженными соответственно солевыми цилиндрами 60а и 60b. Графитовые диски 57а и 57b соответственно уплотняют концы солевого цилиндра 59.

Затем узел реакционной камеры помещают внутрь аппарата высокого давления (например, аппарата ленточного типа), используя стандартные уплотнительные сборки для образования уплотнения при высоком давлении и установления контакта с пуансонами таким образом, чтобы его можно было нагреть электрической энергией.

Типичный отжиг начинается с создания в реакционной камере заданного давления ˜60 кбар. Когда давление достигает ˜96% заданной величины, включают подачу электрической энергии. Сначала алмаз нагревают приблизительно до 1200°С и выдерживают при этой температуре в течение одной минуты. После этого температуру повышают до заданной величины, например, приблизительно 2500°С, за 2,5 минуты и удерживают на заданном уровне в течение 18 минут. Температура должна оставаться стабильной на уровне 2500°С в течение последних 6 минут. Затем мощность медленно снижают до нуля за 1,5 минуты. Давление в камере поддерживают постоянным в течение примерно 1 минуты, а давление затем медленно снимают. Реакционную камеру извлекают из аппарата ВД/ВТ и вынимают графитовую таблетку, содержащую алмаз. Алмаз извлекают путем растворения таблетки в кипящей смеси из 90% серной кислоты и 10% азотной кислоты.

ПРИМЕР I

Подвергнутый предварительной черновой огранке природный грубый алмаз типа IIa весом 3,49 карата коричневого цвета заделали внутрь графитовой таблетки, полученной путем прессования графитового порошка высокой чистоты. Алмаз подвергли отжигу при ˜60 кбар и ˜2450°С в течение 6 минут. Кристалл алмаза извлекли, и визуальное исследование показало, что его цвет изменился на прозрачный или бесцветный.

ПРИМЕР II

Подвергнутый предварительной черновой огранке природный отшлифованный алмаз типа IIa весом 3,29 карата коричневого цвета поместили внутрь таблетки, полученной путем прессования порошка хлорида натрия высокой чистоты. Алмаз подвергли отжигу при ˜60 кбар и ˜2500°С в течение 6 минут. Визуальное исследование показало, что его цвет изменился на прозрачный или бесцветный.

ПРИМЕР III

Подвергнутый предварительной черновой огранке природный грубый алмаз типа Ia весом 2,46 карата коричневого цвета поместили внутрь таблетки, полученной путем прессования порошка графита высокой чистоты. Алмаз подвергли отжигу при ˜60 кбар и ˜2550°С в течение ˜8 минут. Визуальное исследование извлеченного алмаза показало, что его цвет изменился на интенсивно желтый. Спектр этого камня в ультрафиолетовой, видимой, ближней инфракрасной и инфракрасной областях не показал никаких необычных линий поглощения, которые не видны в природных необработанных алмазах. В частности, отсутствовали нормальные признаки облучения, такие как линия GR1 на длине волны 741 нм и линии H1 и Н1с, возникающие при воздействии комбинацией облучения и термообработки.

ПРИМЕР IV

Подвергнутый предварительной черновой огранке природный грубый алмаз типа Ia весом 1,79 карата коричневого цвета поместили внутрь таблетки, полученной путем прессования порошка графита высокой чистоты. Алмаз подвергли отжигу при ˜60 кбар и ˜2550°С в течение ˜ 8 минут, что привело в результате к изменению цвета на зеленовато-золотисто-желтый. Спектр этого камня в ультрафиолетовой, видимой, ближней инфракрасной и инфракрасной областях не показал необычных линий поглощения, которые не видны в природных алмазных камнях. В частности, отсутствовали нормальные признаки облучения, такие как линия GR1 на длине волны 741 нм и линии Н1b и H1с, возникающие при воздействии комбинацией облучения и термообработки.

ПРИМЕР V

Подвергнутый предварительной черновой огранке природный грубый алмаз типа IIa весом 3,06 карата коричневого цвета поместили внутрь таблетки, полученной путем прессования графита высокой чистоты. Алмаз подвергли отжигу при ˜60 кбар и ˜2300°С в течение ˜6 минут. Визуальное исследование извлеченного алмаза показало, что его цвет изменился на розовый.

ПРИМЕР VI

Подвергнутый предварительной черновой огранке природный отшлифованный алмаз типа IIa весом 1,40 карата коричневого цвета поместили внутрь таблетки, полученной путем прессования графита высокой чистоты. Алмаз подвергли отжигу при ˜60 кбар и ˜2500°С в течение ˜6 минут. Визуальное изучение извлеченного алмаза показало, что его цвет изменился на светло-розовый.

Реферат

Изобретение относится к получению алмазов ювелирного качества из низкосортных недекоративно окрашенных так называемых «коричневых» алмазов, особенно алмазов типа IIa и типа IaA/В, в которых азот образует преимущественно В-центры, для улучшения их цвета. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют черновую огранку и формовку недекоративно окрашенного природного алмаза для придания ему обтекаемой формы, чтобы предотвратить его разрушение в прессе высокого давления и высокой температуры (ВД/ВТ), помещают упомянутый недекоративно окрашенный природный алмаз в передающую давление среду, которую уплотняют в таблетку. Затем таблетку помещают в пресс ВД/ВТ при высоком давлении и высокой температуре в области стабильности графита или области стабильности алмаза фазовой диаграммы углерода на период времени, достаточный для улучшения цвета алмаза. По завершении операции алмаз извлекают из пресса. Способ позволяет получать бесцветные и декоративно окрашенные алмазы. 4 н. и 21 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула