СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ НЕСКОЛЬКИХ ОГРАНЕННЫХ ДРАГОЦЕННЫХ КАМНЕЙ ИЗ СИНТЕТИЧЕСКОГО КАРБИДА КРЕМНИЯ - МУАССАНИТА
PROCEDURE FOR SIMULTANEOUS PRODUCTION OF SEVERAL FACETED VALUABLE STONES OF SYNTHETIC SILICON CARBIDE - MOISSANITE

Изобретение относится к выращиванию и обработке монокристаллов.
Полученный данным способом карбид кремния можно использовать не только для электронной промышленности, ювелирного производства, но и в качестве стекла для часов, мобильных телефонов, очков, плееров и прочих аксессуаров.
Карбид кремния (карборунд) - бинарное неорганическое химическое соединение кремния с углеродом. В природе встречается в виде чрезвычайно редкого минерала - муассанита. Впервые порошок карбида кремния был получен в 1893 году. Используется как абразив, полупроводник, искусственные драгоценные камни. Чаще всего он использовался в качестве абразива, но в последнее время можно найти применение данного вещества и в качестве полупроводника или имитатора алмаза ювелирного качества.
3
3
Как драгоценный камень карбид кремния используется в ювелирном деле: называется «синтетический муассанит» или просто «муассанит». Муассанит похож на алмаз: он прозрачен и тверд (9-9,5 по шкале Мооса, по сравнению с 10 для алмаза), с показателем преломления 2,65-2,69 (по сравнению с 2,42 для алмаза). Муассанит имеет несколько более сложную структуру, чем обычный кубический цирконий. В отличие от алмаза, муассанит имеет сильное двулучепреломление. Это качество может являться желательным в некоторых оптических конструкциях, но только не в драгоценных камнях. По этой причине при изготовлении ювелирных камней кристалл разрезают вдоль оптической оси, чтобы свести к минимуму эффект двупреломления. Муассанит имеет более низкую плотность 3,21 г/см (против 3,53 г/см для алмаза) и гораздо более устойчив к теплу. В результате получается камень с сильным блеском, с четкими гранями и хорошей устойчивостью к внешним воздействиям. В отличие от алмаза, который горит при температуре 800°C, муассанит остается неповрежденным вплоть до температуры в 1800°C (для сравнения: 1064°C - температура плавления чистого золота). Муассанит стал популярен как заменитель алмаза, и может быть ошибочно принят за алмаз, так как его теплопроводность гораздо ближе к алмазу, чем у любого другого заменителя бриллианта. Ограненный муассанит можно отличить от алмаза по его двупреломлению и очень небольшой зеленой или желтой флуоресценции в ультрафиолетовом свете (O'Donoghue, M. Gems. - Elsevier. - 2006. - С.89. - ISBN 0-75-065856-8).
Из уровня техники известны способы получения SiC, например, поликристаллического (RU 2327248, C30B 33/00, опубл. 2005), а также монокристаллов (RU 2156330, C30B 33/00, опубл. 2000).
Отличие заявленного способа от всех известных заключается в одновременном выращивании нескольких монокристаллов в графитовой форме с достижением технического результата - повышение качества кристаллов. Кроме того, увеличивается производительность, так как мы отказываемся от операции резки, сразу при выращивании получая заготовки, т.е. снижаем затраты на производство и потери материала при резке.
Указанный результат достигается тем, что способ одновременного получения нескольких ограненных драгоценных камней из синтетического карбида кремния - муассанита включает одновременное выращивание множества заготовок кристаллов муассанита в сотовой форме формирующего графита, их разделение на отдельные кристаллы и огранку, включающую три стадии - обдирку, шлифовку и полировку, причем перед огранкой проводят операцию по наклейке заготовок на оправку, а затем по переклейке заготовок на их обратную сторону, а полировку проводят путем полирования муассанита на керамическом круге, вращающемся со скоростью от 200 до 300 об/мин, с использованием алмазного спрея с размером зерна от 0,125 до 0,45 мкм, обеспечивая глубину рисок меньшую, чем длина световой волны видимой части спектра, при этом обрезанные и сколотые края и заготовки с дефектами, непригодные для огранки, размельчают и возвращают на стадию выращивания.
Предпочтительно для шлифовки используют шлифовальную пасту с размером зерна 0,25 мкм.
Способ одновременного получения ограненных камней из синтетического карбида кремния - муассанита реализуют следующим образом: одновременно выращивают множество заготовок кристаллов муассанита в сотовой форме формирующего графита. Их разделение на отдельные кристаллы, огранку, шлифовку и полировку проводят так: каждую заготовку наклеивают на металлическую оправку, обрабатывают ее верхнюю часть, затем переклеивают на другую оправку обработанной стороной и для оставшейся стороны повторяют операции гранения, шлифовки и полировки. Полируются заготовки на керамических дисках при скорости вращения 200-300 об/мин с применением алмазного порошка (спрея) с размером частиц 0,125-0,25 мкм, обеспечивая глубину рисок меньше длины световой волны видимой части спектра. Обрезанные и сколотые края, а также заготовки с дефектами, непригодные для огранки, размельчают и возвращают на стадию выращивания.
Предпочтительно для шлифовки используют алмазную шлифовальную пасту с размером зерна 0,25 мкм.
Способ иллюстрируют примеры.
Пример 1.
Выращивание проводят в сотовой форме формирующего графита сразу множества заготовок кристаллов муассанита. Выращенные кристаллы разделяют на отдельные заготовки. Проводят огранку, включающую три стадии - обдирку, шлифовку и полировку, предварительно проводят операцию по приклейке заготовок на специальную оправку, а затем по переклейке заготовок на их обратную сторону, обрабатывают. Полировку проводят путем полирования муассанита на стальном круге, вращающемся со скоростью 200 об/мин, с использованием шлифовальной пасты с размером зерна 0,25 мкм, при этом обрезанные и сколотые края и заготовки с дефектами, непригодные для огранки, размельчают и возвращают на стадию выращивания.
Пример 2.
Выращивание проводят в сотовой форме формирующего графита сразу множества заготовок кристаллов муассанита. Выращенные кристаллы разделяют на отдельные кристаллы. Перед огранкой проводят операцию по приклейке заготовок на основу, а затем по переклейке заготовок на их обратную сторону, ограняют. Эти заготовки муассанита обрабатывают на стальном круге, вращающемся со скоростью 280 об/мин, с использованием шлифовальной пасты с размером зерна 0,45 мкм, при этом обрезанные и сколотые края и заготовки с дефектами, непригодные для огранки, размельчают и возвращают на стадию выращивания.
Пример 3.
Все приемы использовали как в Примере 2, но используют шлифовальную пасту с размером зерна 0,25 мкм.
Полученные монокристаллы пригодны для ювелирных целей.
Следует пояснить, что отличие огранки алмаза и муассанита состоит в том, что алмаз при огранке сильно нагревается, поэтому его механически зажимают в цанге ограночной головки, а муассанит просто приклеивают к металлической оправке, используя термоклей.
Алмазы гранят на тяжелых чугунных дисках при скорости вращения 3000 об/мин и более, причем как гранение, так и полировка происходят на одном и том же диске. Процесс же огранки муассанита включает в себя три стадии - гранение, шлифовку и полировку, которые выполняются на различных дисках с гораздо меньшей скоростью вращения.
Получение ограненных ювелирных вставок с использованием описанного способа включает в себя несколько стадий. Исходный образец материала карбид кремния при необходимости подвергается грубой обработке (обдирке). Эта обработка производится на абразивных дисках с размером зерна от 20 до 100 мкм - в зависимости от размера заготовки и количества материала, подлежащего стачиванию. В результате обдирки будущая ограненная вставка получает свою форму.
Затем может выполняться необязательная промежуточная обработка, когда грани вставки сводятся более точно на шлифовальных или гранильных дисках с размером зерна абразива от 3 до 10 мкм. Более тонкая шлифовка согласно предлагаемому способу - полировка поверхности граней ограненных вставок производится с применением тонкозернистых абразивных материалов с размером зерна 0,125-0,5 мкм, чтобы не допустить появления многочисленных царапин, по глубине соизмеримых с длиной световой волны видимой части спектра. В этом отличие от общепринятой технологии, при которой для полировки используется абразив с размером зерна от 0.5 до 3 мкм. Скорость вращения полировального диска должна быть невысокой (порядка 200-300 об/мин), а сила прижима вставки к поверхности диска - небольшой, чтобы исключить скругление ребер и искривления плоскости поверхности граней.
Перечисленные стадии выполняются для всех граней одной стороны вставки (верха или низа), затем повторяются для другой стороны.
В общепринятой практике огранки для полировки обычно используется абразивный порошок (спрей, паста, эмульсия и т.д.). содержащий зерна алмаза, оксидов металлов или иных твердых материалов размером 0,5 мкм или более. Но зерна такого размера могут оставить множество сопоставимых по глубине ориентированных царапин, которые приведут к частичному рассеиванию светового потока. Ограненные вставки, полученные предложенным способом, полируются абразивными порошками с размером зерна от 0,125 до 0,25 мкм, что при соблюдении технологии полировки дает требуемую чистоту поверхности (соответствует 11 классу чистоты согласно ГОСТ 2789-59) и исключает рассеивание светового потока. В этом случае свет, падающий на поверхность грани, в зависимости от угла падения, либо отражается, либо входит внутрь и, преломляясь, участвует во внутреннем отражении, способствуя проявлению эффекта звездного огня. Т.е. при глубине рисок меньше, чем длина световой волны видимой части спектра (0,4 мкм), эти риски не оказывают заметного влияния на ход падающих лучей. При большей глубине рисок поток света, попадая на них, слегка рассеивается, и цветные вспышки (игра света, блеск) становятся менее заметными.
Т.о. мы повышаем качество изделия.
Следует также подчеркнуть, что заявленным способом мы снижаем затраты на производство изделий из карбида кремния, используя при вторичной переработке материал, непригодный для огранки.