Способ обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов


 


Владельцы патента RU 2622568:

Журавлев Владимир Васильевич (RU)
Герасимов Валерий Федорович (RU)
Дудаков Валерий Борисович (RU)

Изобретение относится к технологии обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов. Техническим результатом является понижение уровня опасности при использовании в технологическом процессе газообразного водорода. Способ обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов путем контактирования в присутствии водорода с металлическим инструментом-шаблоном, способным при нагревании растворять алмаз с образованием углерода. Предварительно металлический инструмент-шаблон насыщают водородом для компактного и безопасного его хранения в инструменте-шаблоне и выделения в зоне обработки с образованием с углеродом газообразного соединения. При этом обработку ведут в защитной атмосфере при температуре растворения углерода алмаза в материале инструмента-шаблона и выделения водорода из инструмента-шаблона. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к технологии обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов с целью дальнейшего их использования в различных отраслях промышленности: размерная обработка алмазных кристаллов и алмазных материалов, получение сложных профилей, получение углублений, гравировка, шлифовка и полировка, заточка тонких алмазных лезвий и т.п.

Алмазными кристаллами и алмазными материалами являются природные кристаллы алмаза, синтетические алмазы, полученные с использованием технологии высоких давлений и температур, синтезированные поликристаллы, поликристаллические алмазные спеки, алмазные пленки, полученные методом CVD и другие аналогичные материалы.

Известен способ обработки кристаллов алмазов путем контактирования кристалла с инструментом-шаблоном, выполненным из твердого металлического материала, способного в атмосфере кислорода при повышенных температурах растворять алмаз (ФРГ 1013540, С04В 41/53, 1958 г.).

Известен способ селективного удаления алмазного материала с поверхности поликристаллической алмазной пленки, полученной методом CVD, заключающийся в удерживании нагретого металлического шаблона, содержащего металл, выбранный из группы редкоземельных металлов (Се, La), марганца и железа, в контакте с алмазной пленкой в течение до 1000 час для получения на поверхности пленки выпуклостей или вогнутостей (линзы Френеля). Обработку ведут в среде аргона, гелия, азота, водорода (ЕР №0618043, B24D 3/00, 1994 г.).

Недостатки известных способов заключаются в длительности проведения процесса обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов, низкой чистоте обработанной поверхности, в необходимости постоянного контроля за течением процесса обработки, в необходимости частой смены инструмента-шаблона в связи его быстрого насыщения углеродом и невозможностью дальнейшего его использования.

Известен способ обработки алмазных кристаллов путем контактирования с инструментом-шаблоном, выполненным из материала, реагирующего с углеродом алмаза при температуре выше 600°С (SU №1828627, B24D 5/00, 1990 г.). Алмаз предварительно ориентируют с учетом его кристаллографии и обработку проводят в плоскости и в направлении, совпадающем с плоскостью и направлением ориентации кристалла. Недостаток способа заключается в том, что он не может быть применен к алмазным материалам, содержащим связанные друг с другом кристаллы алмаза, которые в алмазном материале имеют различную кристаллографическую ориентацию.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ термохимической обработки алмазных кристаллов, заключающийся в том, что алмаз вводят в контакт с металлическим инструментом-шаблоном, нагретым до температуры выше 600°С в среде водорода. В этих условиях атомы углерода начинают растворяться в нагретом металле, насыщая его поверхностный слой. Растворенный углерод, взаимодействуя с водородом образует газ-метан, покидающий зону обработки (RU №852586, B28D 5/00, 1975 г.). Обработка осуществляется с использованием термохимической установки, внутрь которой подают газообразный водород для создания газообразной среды и поступления водорода в зону обработки. Известный способ позволяет обеспечивать непрерывное удаление растворенного углерода из металла инструмента-шаблона, создавая условия для получения на алмазных кристаллах профилей без необходимости периодической замены инструмента-шаблона и постоянного контроля над процессом.

Одним из основных условий протекания процесса химико-термической обработки кристаллов алмаза, алмазных материалов является бесперебойная подача водорода в зону обработки. Однако практическое использование газообразного водорода наталкивается на ряд существенных трудностей, обусловленных в первую очередь повышенной взрывоопасностью. Проблемы безопасности водородной технологии связаны с образованием гремучего газа с высокой текучестью и проникающей способностью водорода. Все это требует тщательного соблюдения требований техники безопасности при работе с водородом. Необходима тщательная проверка технологического оборудования на герметичность и другие параметры.

Технической задачей является разработка способа обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов, имеющего пониженный уровень опасности при использовании в технологическом процессе газообразного водорода.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов, путем контактирования в присутствии водорода с металлическим инструментом-шаблоном, способным при нагревании растворять алмаз с образованием углерода, предварительно металлический инструмент-шаблон насыщают водородом для компактного и безопасного его хранение в инструменте-шаблоне и выделения в зоне обработки с образованием с углеродом газообразного соединения - метана, при этом обработку ведут в защитной атмосфере при температуре растворения углерода алмаза в материале инструмента-шаблона и выделения водорода из инструмента-шаблона.

Обработку алмазных кристаллов и алмазных материалов проводят при температуре 600-1200°С.

Инструмент-шаблон выполняют из следующих металлических материалов: никель, сплавы никеля с железом, ванадием, цирконием и титаном.

Инструмент-шаблон может иметь пористость до 20 об.%.

При обработке неподвижным инструментом-шаблоном нагрев до температуры, обеспечивающей растворение углерода алмаза в материале инструмента-шаблона и выделение из него водорода с образованием газообразного соединения с углеродом - метана - осуществляют нагревательными средствами.

При обработке подвижным инструментом-шаблоном и/или алмазным кристаллом и алмазным материалом получение температуры в зоне обработки, обеспечивающей растворение углерода алмазного кристалла и алмазного материала в материале шаблона и выделение водорода с образованием газообразного соединения с углеродом - метана, осуществляют за счет трения, возникающего при взаимодействии инструмента-шаблона и алмазного кристалла и алмазного материала.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Известно, что металлы способны адсорбировать и растворять в себе большое количество водорода, например, в форме твердых растворов и гидридометаллов, и хранить его в химически связанном состоянии, являясь источником чистого водорода.

Для осуществления обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов металлический инструмент-шаблон предварительно подвергают наводораживанию, т.е. получают металлический инструмент-шаблон, у которого, по крайней мере, рабочий слой, контактирующий с обрабатываемым материалом, представляет собой, твердый раствор водорода в металле инструмента-шаблона или химическое соединение в виде металлогидридов. При нагревании до температуры свыше 600°С атомы углерода алмаза растворяются в нагретом металле инструмента-шаблона, насыщая его поверхностный слой. Одновременно выделяется водород из металлогидрида или твердого раствора, вступая во взаимодействие с алмазным углеродом инструмента-шаблона с образованием газообразного соединения - метана, который способствует удалению растворенного углерода из зоны обработки и не дает пересытить материал шаблона по углероду, т.е. остановить процесс обработки.

Способ осуществляется следующим образом.

Готовят металлический инструмент-шаблон из металлов, сплавов или интерметаллических соединений, способных при нагревании растворять алмаз с образованием алмазного углерода. В то же время эти материалы должны адсорбировать и растворять в себе достаточное количество водорода с образованием твердых растворов или металлогидридов. В качестве таких металлических материалов могут быть использованы металлы, сплавы металлов или интерметаллические соединения, такие как никель, сплавы никеля с железом, ванадием, цирконием и титаном. Никель является предпочтительным металлом поскольку он является эффективным катализатором для диссоциации водорода. Кроме того, он обладает достаточной водородоемкостью и приемлемыми для процесса термодинамическими свойствами металл-водород, которые определяют температуры, энергозатраты, давление водорода, необходимые для реализации процессов поглощения/выделения водорода. Металлы: железо, ванадий, цирконий и титан образуют с никелем сплавы или интерметаллические соединения с требуемыми химико-физико-механическими свойствами, не снижая водородоемкость инструмента-шаблона.

Инструмент-шаблон может представлять собой кусочек проволоки, металлический брусочек, металлический лист, фольгу и др. определенной формы и размера. Кристалл алмаза и алмазного материала помещают в реактор, устанавливают на нем инструмент-шаблон наводороженной поверхностью в контакте с обрабатываемым материалом при небольшой нагрузке. Внутри реактора создают защитную атмосферу и осуществляют нагрев до требуемой температуры, обеспечивающей растворение углерода алмаза в материале инструмента-шаблона. Образующийся при обработке метан через поры, щели, зазоры и т.п. удаляется из зоны обработки.

Инструмент-шаблон может иметь пористость до 20 об.%.

Высокопористый инструмент-шаблон, обеспечивая большое поглощение водорода за счет более развитой поверхности, может содержать большое количество водорода в виде его соединения с металлом, обеспечивать удаление метана из зоны обработки через поры. Таким инструментом-шаблоном можно получать в алмазном кристалле и алмазном материале глубокие отверстия, углубления и т.п. при достаточно длительном его использовании. Такой инструмент может быть получен, например, методом порошковой металлургии. При пористости свыше 20 об.% прессованный инструмент-шаблон будет иметь низкие физико-механические свойства. На операциях, при которых необходимо получить небольшие фасонные, но достаточно большие по площади углубления, например, при гравировании и т.п., целесообразно использовать тонкие пластины, способы изготовления которых, как правило, обеспечивают достаточно низкую пористость. В этих случаях количества водорода будет достаточно для проведения процесса обработки, а образующийся метан будет удаляться с поверхности тонкой пластины.

Оптимальная температура обработки составляет 600-1200°С. При более низкой, чем 600°С температуре процессы растворения углерода и выделения водорода могут протекать достаточно длительное время, нагревать алмаз до более высокой чем 1200°С температуры нет необходимости, т.к. не будет существенных качественных и экономических преимуществ.

При обработке алмазных кристаллов и алмазных материалов неподвижным инструментом-шаблоном нагрев осуществляют любыми нагревательными средствами, такими как печи, лампы накаливания, лазерным лучем и т.п. Неподвижным инструментом-шаблоном на поверхности алмазных кристаллов и алмазных материалов получают рельеф или фасонный контур, соответствующие инструменту-шаблону, например, при выполнении фасонных углублений, гравировке и т.п.

При обработке подвижным инструментом-шаблоном и/или алмазным кристаллом и алмазным материалом получение температуры в зоне обработки, обеспечивающей растворение углерода алмаза алмазного кристалла и алмазного материала и выделение водорода из материала шаблона, осуществляют за счет трения, возникающего при взаимодействии инструмента-шаблона и алмазного кристалла, алмазного материала. Подвижным инструментом-шаблоном производят, например, резку, шлифовку, полировку и т.п. При перемещении инструмента-шаблона и алмазного кристалла и алмазного материала друг относительно друга взаимное трение вызывает нагрев трущихся поверхностей, при этом в зоне обработки температура достигает величин, обеспечивающих растворение углерода алмаза в материале инструмента-шаблона. Режимы обработки - скорость движения, усилие прижатия, обеспечивающие необходимую температуру в зоне обработки, могут быть определены экспериментально. Например, необходимую температуру при резке можно получить при относительном перемещении инструмента-шаблона и алмазного кристалла и алмазного материала со скоростью 25-35 м/сек с усилием прижатия друг к другу 1-2 кг/мм2.

Внедрение водорода в металлические материалы можно осуществлять различными способами, в частности, с помощью электрохимических процессов при катодном выделении водорода при разложении воды, электролитов. Некоторые металлические материалы обладают способностью поглощать при катодной поляризации в водных растворах значительное количество водорода, при этом возможны два пути включения водорода в инструмент-шаблон: адсорбция атомарного водорода, когда атомы водорода либо занимают узлы кристаллической решетки металла, либо располагаются между ними, образуя твердый раствор внедрения; образование гидридов с металлом инструмента-шаблона, распадающихся затем с выделением водорода

Возможно наводораживание инструмента-шаблона производить прямым взаимодействием гидридообразующего металла с газообразным водородом. В этом случае наводораживание желательно проводить в специально-приспособленных помещениях и использовать спецоборудование.

Таким образом, важным преимуществом предложенного способа обработки алмазов и алмазных материалов является его высокая безопасность. Наводораживание инструмента-шаблона можно производить многократно, инструмент-шаблон может безопасно хранится длительное время при комнатной температуре. Выделение водорода возможно только при повышенных температурах в количествах, не образующих гремучего газа. Также следует учесть, что использование наводороженного инструмента значительно уменьшает расход водорода, который обычно используется в больших количествах при известных способах обработки в водородной среде.

1. Способ обработки алмазных кристаллов и алмазных материалов путем контактирования в присутствии водорода с металлическим инструментом-шаблоном, способным при нагревании растворять алмаз с образованием углерода, отличающийся тем, что предварительно металлический инструмент-шаблон насыщают водородом для компактного и безопасного его хранения в инструменте-шаблоне и выделения в зоне обработки с образованием с углеродом газообразного соединения, при этом обработку ведут в защитной атмосфере при температуре растворения углерода алмаза в материале инструмента-шаблона и выделения водорода из инструмента-шаблона.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку алмазных кристаллов и алмазных материалов проводят при температуре 600-1200°С.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инструмент-шаблон выполняют из следующих металлических материалов: никель, сплавы никеля с железом, ванадием, цирконием и титаном.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инструмент-шаблон может иметь пористость до 20 об.%.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при обработке неподвижным инструментом-шаблоном нагрев до температуры, обеспечивающей растворение углерода алмаза в материале инструмента-шаблона, осуществляют нагревательными средствами.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при обработке подвижным инструментом-шаблоном и/или алмазным кристаллом и алмазным материалом получение температуры в зоне обработки, обеспечивающей растворение углерода алмаза в алмазном кристалле и алмазном материале и выделение водорода из материала шаблона, осуществляют за счет трения, возникающего при взаимодействии инструмента-шаблона и алмазного кристалла, алмазного материала.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технологии обработки алмазов, а именно к методам придания им заданной геометрической формы, и востребовано в промышленности для производства электроники.

Изобретение относится к металлургии полупроводниковых материалов и может быть использовано, например, при получении особо чистого германия методом зонной плавки. При нанесении защитного покрытия на внутреннюю поверхность кварцевого тигля в качестве покрытия используют GeO2, образующийся путем пропускания через закрытый холодный тигель газообразного GeO, нагретого до 850-1000°С, после чего тигель открывают и нагревают в атмосфере воздуха до 850-1000°С, затем тигель выдерживают при тех же температурах в атмосфере воздуха до получения плотного покрытия.

Изобретение относится к технологии материалов электронной техники, а именно к способам получения эпитаксиальных слоев полупроводниковых твердых растворов CdxHg1-xTe для изготовления на их основе фотовольтаических приемников инфракрасного излучения.

Изобретение относится к технологии производства цветных алмазов, которые могут быть использованы в оптике и для ювелирных целей. Монокристаллический CVD-синтетический алмазный материал содержит множество слоев, которое включает, по меньшей мере, две группы слоев, различающиеся по их составу дефектов и цвету, причем тип дефектов, концентрация дефектов и толщина слоев для каждой из упомянутых, по меньшей мере, двух групп слоев являются такими, что если окрашенный монокристаллический CVD алмазный материал перерабатывают в алмаз с круглой бриллиантовой огранкой, содержащий площадку и калету и имеющий глубину от площадки до калеты более 1 мм, то алмаз с круглой бриллиантовой огранкой имеет однородный цвет при рассматривании невооруженным глазом человека в стандартных окружающих условиях наблюдения в, по меньшей мере, направлении через площадку до калеты; упомянутые, по меньшей мере, две группы слоев содержат первую группу слоев, содержащих легирующую примесь бора в концентрации, достаточной для получения синей окраски, и вторую группу слоев, содержащих более низкую концентрацию легирующей примеси бора, первая группа слоев содержит некомпенсированную легирующую примесь бора в концентрации не менее 0,01 ppm и не более 5,00 ppm, а вторая группа слоев содержит легирующую примесь изолирующего замещающего азота в концентрации не менее 0,01 ppm и не более 5 ppm, причем показатель качества (FM) видимости индивидуальных слоев составляет не более 0,15 и рассчитывается как произведение: FM=толщина (мм) слоев для первой группы слоев × толщина (мм) слоев для второй группы слоев × концентрация (ppm) твердотельного бора в первой группе слоев × глубина (мм) круглой бриллиантовой огранки.

Изобретение относится к способам обработки поверхности алмаза для его использования в электронной технике СВЧ. Способ включает взаимное расположение в одной плоскости исходной поверхности алмаза и металлической поверхности из стали, обеспечение непосредственного контакта упомянутых поверхностей, термическую обработку исходной поверхности алмаза на заданную глубину, обеспечивающую заданную конечную поверхность алмаза, при этом предусматривающую нагрев упомянутых поверхностей в инертной среде, с заданной скоростью, вблизи температуры образования эвтектического сплава железо - углерод, выдержку при этой температуре и естественное охлаждение, при этом металлическую поверхность из стали берут с содержанием углерода 3,9-4,1 мас.

Изобретение относится к технологии обработки монокристаллического CVD-алмазного материала. Описан способ введения NV-центров в монокристаллический CVD-алмазный материал.

Изобретение относится к технологии обработки алмаза и может быть использовано в микроэлектронной технике СВЧ. Способ обработки поверхности алмаза включает взаимное расположение в одной плоскости исходной поверхности алмаза и металлической поверхности из стали, обеспечение непосредственного контакта упомянутых поверхностей, термическую обработку исходной поверхности алмаза на заданную глубину, обеспечивающую заданную конечную поверхность алмаза, при этом предусматривающую нагрев упомянутых поверхностей до температуры образования эвтектического сплава железо - углерод, выдержку при этой температуре и естественное охлаждение, причем металлическую поверхность из стали берут с содержанием углерода 3,9-4,1 мас.

Изобретение относится к области получения монокристаллов сегнетоэлектриков с бидоменной структурой и может быть использовано в нанотехнологии и микромеханике при создании и работе приборов точного позиционирования, в частности зондовых микроскопов, лазерных резонаторов, а также при юстировке оптических систем.
Изобретение относится к выращиванию монокристаллов тербий-скандий-алюминиевого граната и может быть использовано в магнитной микроэлектронике для сцинтилляторной и лазерной техники, в частности для создания изоляторов Фарадея для лазерного излучения высокой средней по времени мощности и высокой энергии в импульсе.

Изобретение относится к технологии получения алмазов для ювелирных целей. Способ включает помещение подложки, имеющей алмазное зерно с предварительно заданным размером и предварительно заданной оптической ориентацией, в камеру для осуществления химического парофазного осаждения (CVD), подачу в камеру водорода, углеводородного газа, содержащего углерод, газа, содержащего азот, и газа, содержащего диборан, оба из которых приспособлены для ускорения скорости роста алмаза на подложке, приложение электрического поля для образования плазмы близ подложки, приводя тем самым к поэтапному росту алмаза на подложке, завершение процесса CVD в камере, огранку и удаление нежелательного углерода из выращенного алмаза, очистку и огранку алмаза, отжигаемого при предварительно заданной температуре в течение заданного периода времени, проведение окончательной огранки алмаза, полировки и придания цвета.
Изобретение относится к области строительного производства, в частности к способу санации жилых помещений. Технический результат - интенсификация процесса санации аммиака, выделяющегося из строительных материалов, более глубокая очистка строительных конструкций от загрязняющих веществ.

Изобретение относится к установке для изготовления снабженной облицовочными элементами бетонной панели, в частности сборного бетонного элемента, по меньшей мере на одном поддоне.
Изобретение касается составов штукатурок, применяемых для декоративно-художественных работ. Технический результат - повышение удобства процарапывания рисунка на оштукатуренной поверхности, получение рисунка с более четкими контурами, уменьшение трудозатрат и износа инструмента.

Изобретение относится к области технологии обработки поверхности геолого-минералогических аншлифов в лабораторной практике, а также к технологии шлифовки и огранки поделочного и ювелирного камня.
Изобретение относится к способам обработки поверхностей из карбонатных, силикатных и алюмосиликатных природных и искусственных материалов и может использоваться в строительной промышленности для очистки фасадов и интерьеров зданий, при реставрационных работах, для очистки изоляторов в системе энергетики, например на подстанциях.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при ремонте и восстановлении железобетонных конструкций, подверженных воздействию минеральных масел.

Изобретение относится к способам пропитки пористых строительных изделий и может быть использовано при изготовлении различных конструктивных элементов. .
Изобретение относится к технологии обработки алмазов, а именно к методам придания им заданной геометрической формы, и востребовано в промышленности для производства электроники.
Наверх