Способ изменения цвета алмаза при высокой температуре и высоком давлении

Изобретение касается обработки алмазов. Сущность изобретения: способ изменения цвета алмаза включает следующие стадии: (i) создание реакционной массы путем обеспечения наличия алмаза в передающей давление среде, которая полностью окружает алмаз; (ii) воздействие на реакционную массу высоких температуры и давления в течение подходящего периода времени, при этом алмаз представляет собой коричневый алмаз типа IIa, его цвет изменяют с коричневого на бесцветный путем воздействия на реакционную массу температуры в интервале от 2200 до 2600°С при давлении от 7,6 до 9 ГПа. Изобретение позволяет провести изменение цвета регулируемым образом, ограничивая возможное повреждение алмаза. 45 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предпосылки создания изобретения

Данное изобретение относится к способу изменения цвета алмаза.

Алмазы, как правило, подразделяют на четыре основных типа: Ia, Ib, IIa и IIb. Эти типы обычно различаются по инфракрасному и ультрафиолетовому спектрам. Алмазы типа Ia и Ib содержат азот в комбинации различных форм. Алмаз типа Ib содержит одиночные замещающие атомы азота или С-центры. Алмаз типа Ia содержит комбинацию различных структур из атомов азота. Алмазы типа IIa имеют содержание азота менее нескольких частей на миллион и могут быть охарактеризованы как алмазы, которые не демонстрируют по существу никакого поглощения в диапазоне 1332-400 см^-1 при облучении их инфракрасным излучением. Алмаз типа IIa может иметь коричневый цвет, обусловленный, как полагают, структурной деформацией внутри кристаллической решетки алмаза.

В патенте США 4124690 описан способ преобразования азота типа Ib в азот типа Ia в алмазе типа Ib посредством высокотемпературного отжига под давлением, которое предотвращает графитизацию. Результатом этой обработки является уменьшение желтого цвета алмаза типа Ib.

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предложен способ изменения цвета алмаза, включающий в себя стадии:

(i) создания реакционной массы путем обеспечения наличия алмаза в передающей давление среде, которая полностью окружает алмаз; и

(ii) воздействия на реакционную массу высоких температуры и давления в течение подходящего периода времени,

отличающийся тем, что алмаз представляет собой коричневый алмаз типа IIa, и его цвет изменяют с коричневого на бесцветный путем воздействия на реакционную массу температуры в интервале от 2200 до 2600°С при давлении от 7,6 до 9 ГПа.

Период времени, в течение которого алмаз подвергают воздействию условий стадии (ii), как правило, будет тем продолжительнее, чем ниже используемая температура из описанного выше интервала. Продолжительность термообработки, как правило, не превышает 5 часов. Предпочтительными условиями на стадии (ii) являются температура в интервале от 2500 до 2550°С, поддерживаемая в течение периода времени вплоть до 90 минут. Примерами подходящих условий для стадии (ii) являются следующие:

2500°С в течение периода времени, составляющего 1 час;

2300°С в течение периода времени, составляющего 5 часов.

Реакционная масса также может быть подвергнута двухэтапной термообработке на стадии (ii). На первом этапе реакционную массу подвергают воздействию температуры в интервале от 1900 до 2300°С под давлением от 6,9 до 8,5 ГПа в течение подходящего периода времени, а после этого, на втором этапе, подвергают воздействию более высокой температуры, находящейся в описанном выше интервале. На первом этапе цвет алмаза изменяется на розовый или более светлый коричневый, а на втором этапе цвет алмаза изменяется с розового или более светлого коричневого на бесцветный. В данном варианте изобретения термообработка на первом этапе будет, как правило, продолжаться в течение периода времени в интервале от 10 минут до 10 часов, предпочтительно - от 20 минут до 4 часов. Предпочтительная температура находится в интервале от 2100 до 2300°С, а предпочтительное давление составляет от 7,4 до 8,5 ГПа. В конце первого этапа алмаз предпочтительно исследуют для определения его цвета. Термообработку на втором этапе предпочтительно проводят в течение периода времени, составляющего вплоть до 90 минут, как правило, - приблизительно 1 час. Можно использовать более продолжительные периоды времени вплоть до 5 часов, но, как правило, они нежелательны вследствие высоких температур, используемых на этом этапе. На втором этапе предпочтительная температура составляет от 2500 до 2550°С, а предпочтительное давление составляет от 8,4 до 8,6 ГПа.

Описание вариантов осуществления

В соответствии с настоящим изобретением коричневый кристалл алмаза типа IIa, который, как правило, представляет собой природный алмаз, отжигают под давлением, которое предотвращает существенную графитизацию, чтобы модифицировать структурную деформацию, которая вызывает окрашивание в коричневый цвет, и тем самым уменьшить коричневый цвет и получить бесцветный алмаз. Двухэтапный процесс отжига на описанной выше стадии (ii) позволяет провести изменение цвета регулируемым образом, ограничивая возможное повреждение алмаза.

Типичный спектр поглощения алмаза типа IIa в инфракрасной области показан на фиг.1. Однако не все алмазы типа IIa пригодны для изменения цвета за счет обработки при высокой температуре и высоком давлении согласно настоящему изобретению. Алмазы должны иметь коричневый цвет, который может варьироваться от темно- до светло-коричневого, включая, например, розовато-коричневый. Те алмазы типа IIa, которые наиболее подходят для настоящего изобретения, имеют концентрацию азота менее 2 частей на миллион, предпочтительно - менее 0,2 части на миллион, обладают цветом от коричневого до розовато-коричневого и имеют типичный спектр поглощения в ультрафиолетовой и видимой области, показанный на фиг.2 в виде линии (а), которая демонстрирует монотонно увеличивающееся поглощение или монотонно увеличивающееся поглощение с широкими полосами с центрами на длинах волн приблизительно 390 и 550 нм, как показано на фиг.2 в виде линии (b).

Изменение цвета кристалла алмаза типа IIa может быть количественно оценено за счет изменений в спектре поглощения кристалла, полученном до и после отжига. Спектры поглощения кристалла получают при комнатной температуре с помощью спектрометра обычным образом, что позволяет получить спектр поглощения кристалла в ультрафиолетовой и видимой области. После отжига кристалла снова получают спектры при комнатной температуре.

Обработка таких алмазов в соответствии со способом по данному изобретению приводит к уменьшению или фактическому устранению как монотонно увеличивающегося поглощения, так и полос поглощения на длинах волн 390 и 550 нм, что приводит к получению фактически бесцветного алмаза. Если используют двухэтапную термообработку, то на первом этапе будет иметь место уменьшение интенсивности монотонно увеличивающегося поглощения и образование или усиление интенсивности широких полос поглощения на длинах волн 390 и 550 нм.

В способе согласно данному изобретению реакционную массу создают путем обеспечения наличия алмаза в передающей давление среде, которая полностью окружает алмаз. Предпочтительно, реакционную массу создают путем уплотнения передающей давление среды вокруг алмаза перед помещением алмаза в реакционную зону установки для обработки при высокой температуре и высоком давлении и перед воздействием на реакционную массу условий стадии (ii). Передающая давление среда представляет собой однородную (гомогенную) среду, которая полностью окружает алмаз или каждый из алмазов и которую прикладывают по всей поверхности алмаза или каждого из алмазов. Передающая давление среда предпочтительно представляет собой однородную передающую давление среду, которая обеспечивает равномерное распространение давления, которое прикладывают по всей поверхности обрабатываемого алмаза. Примерами пригодных сред являются те, которые имеют низкое сопротивление сдвигу, такие как соли металлов, например галогенидные соли металлов. Передающая давление среда может представлять собой соль щелочного металла или соль благородного металла. Примерами пригодных галогенидных солей металлов являются бромид калия, хлорид натрия, хлорид калия, хлорид цезия, бромид цезия, хлорид меди и бромид меди.

Было установлено, что такие среды обеспечивают желательное равномерное распространение давления, что гарантирует то, что любая графитизация, которая может происходить на поверхности алмаза, будет оставаться минимальной. Особое преимущество использования галогенидной соли металла в качестве передающей давление среды заключается в том, что алмазы могут быть легко извлечены после обработки путем растворения среды в горячей воде.

Способ по изобретению может быть использован для обработки единичного алмаза или множества дискретных (разрозненных) алмазов. Если обрабатывают множество разрозненных алмазов одновременно, то каждый алмаз должен быть отделен от соседних с ним алмазов передающей давление средой. Максимальный объем алмаза, который может быть подвергнут обработке, ограничен только емкостью используемой установки для обработки при высоком давлении и высокой температуре.

Для реализации способа по изобретению можно использовать обычную установку для обработки при высокой температуре и высоком давлении. В патентной литературе раскрыты различные конструкции реакционных сосудов, которые обеспечивают косвенный или прямой нагрев реакционной массы, они пригодны для осуществления процесса отжига по настоящему изобретению. Эти реакционные сосуды обычно состоят из множества подогнанных друг к другу цилиндрических элементов и концевых заглушек или дисков для удерживания реакционной массы в самом центральном цилиндре. В реакционном сосуде с косвенным нагревом один из цилиндрических элементов выполнен из графита, который нагревают путем пропускания электрического тока через него и который тем самым нагревает реакционную массу. В реакционном сосуде с прямым нагревом реакционная масса является электропроводящей, в результате устраняется необходимость использования цилиндра из электропроводящего графита, при этом электрический ток пропускают непосредственно через реакционную массу для ее нагрева.

Изобретение проиллюстрировано с помощью следующего примера.

Был использован природный коричневый алмаз типа IIa со спектром поглощения в ультрафиолетовой и видимой областях перед обработкой, показанным на фиг.3 в виде линии (а). Множество таких алмазов было помещено в передающую давление среду в реакционном сосуде такого типа, как проиллюстрированный на фиг.4, где кристаллы 10 алмазов помещают в передающую давление среду 12 таким образом, чтобы кристаллы были разрозненными (дискретными) и были отделены друг от друга в передающей давление среде. Алмазы, предпочтительно, равномерно распределены в этой среде. Передающая давление среда, предпочтительно, представляет собой среду с низким сопротивлением сдвигу описанного выше типа. Содержащую алмазы среду 12 помещают в контейнер 14, изготовленный из графита, пирофиллита, оксида магния или оксида циркония и полностью окруженный взаимоподогнанными металлическими колпаками 16, 18, которые образуют металлический корпус вокруг контейнера 14. Металл может представлять собой молибден, тантал или сталь. Корпус может быть прижат к контейнеру для устранения воздушных полостей. Загруженный контейнер в корпусе затем помещают в реакционную зону обычной установки для обработки при высокой температуре и высоком давлении. Содержимое капсулы было подвергнуто воздействию температуры 2250°С и давления 7,8 ГПа, при этом данные условия поддерживали в течение периода времени, составляющего 4 часа. После этого содержимое капсулы подвергали воздействию температуры 2550°С и поддерживали эту температуру в течение 1 часа при давлении 8,6 ГПа. Капсулу извлекали из установки и давали возможность охладиться. Корпус и графитовый контейнер удаляли и алмазы извлекали из среды. Спектр поглощения алмаза в ультрафиолетовой и видимой областях после обработки показан на фиг.3 в виде линии (b). Спектр показывает значительное уменьшение поглощения, и алмаз можно считать бесцветным.

1. Способ изменения цвета алмаза, включающий в себя стадии

(i) создания реакционной массы путем обеспечения наличия алмаза в передающей давление среде, которая полностью окружает алмаз; и

(ii) воздействия на реакционную массу высоких температуры и давления в течение подходящего периода времени, отличающийся тем, что алмаз представляет собой коричневый алмаз типа IIa, и его цвет изменяют с коричневого на бесцветный путем воздействия на реакционную массу температуры в интервале от 2200 до 2600°С при давлении от 7,6 до 9 ГПа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что алмаз представляет собой природный алмаз.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что алмаз имеет концентрацию азота менее 2 частей на миллион, обладает цветом от коричневого до розовато-коричневого и имеет спектр поглощения в ультрафиолетовой и видимой области, который демонстрирует монотонно увеличивающееся поглощение или монотонно увеличивающееся поглощение с широкими полосами с центрами на длинах волн приблизительно 390 и 550 нм.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что концентрация азота составляет менее 0,2 части на миллион.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что алмаз после воздействия стадии (ii) характеризуется уменьшением или фактическим устранением как монотонно увеличивающегося поглощения, так и полос поглощения на длинах волн 390 и 550 нм.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что температура на стадии (ii) находится в интервале от 2500 до 2550°С.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что период времени, в течение которого алмаз подвергают воздействию условий стадии (ii), не превышает 5 ч.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что период времени, в течение которого алмаз подвергают воздействию условий стадии (ii), не превышает 90 мин.

9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что реакционную массу на стадии (ii) подвергают двухэтапной термообработке, при этом на втором этапе реакционную массу подвергают воздействию более высокой температуры, чем на первом этапе, в интервале, указанном в п.1 формулы.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что в конце первого этапа алмаз исследуют для определения его цвета.

11. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что период термообработки на втором этапе значительно короче, чем на первом этапе.

12. Способ по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что на первом этапе цвет алмаза изменяют на розовый или более светлый коричневый, и на втором этапе цвет алмаза изменяют с розового или более светлого коричневого на бесцветный.

13. Способ по любому из пп.9-12, отличающийся тем, что реакционную массу на стадии (ii) подвергают на первом этапе воздействию температуры в интервале от 1900 до 2300°С.

14. Способ по любому из пп.9-12, отличающийся тем, что реакционную массу на стадии (ii) подвергают на первом этапе воздействию температуры в интервале от 2100 до 2300°С.

15. Способ по любому из пп.9-12, отличающийся тем, что реакционную массу на стадии (ii) подвергают на первом этапе воздействию температуры, не превышающей 2300°С.

16. Способ по любому из пп.9-15, отличающийся тем, что реакционную массу на стадии (ii) подвергают на первом этапе воздействию давления от 6,9 до 8,5 ГПа.

17. Способ по любому из пп.9-15, отличающийся тем, что реакционную массу на стадии (ii) подвергают на первом этапе воздействию давления от 7,4 до 8,5 ГПа.

18. Способ по любому из пп.9-15, отличающийся тем, что реакционную массу на стадии (ii) подвергают на первом этапе воздействию давления, не превышающего 8,5 ГПа.

19. Способ по любому из пп.9-18, отличающийся тем, что период термообработки на первом этапе составляет от 10 мин до 10 ч.

20. Способ по любому из пп.9-18, отличающийся тем, что период термообработки на первом этапе составляет от 20 мин до 4 ч.

21. Способ по любому из пп.9-20, отличающийся тем, что температура термообработки на втором этапе составляет от 2500 до 2550°С.

22. Способ по любому из пп.9-20, отличающийся тем, что реакционную массу на стадии (ii) подвергают на втором этапе воздействию давления от 8,4 до 8,6 ГПа.

23. Способ по любому из пп.9-22, отличающийся тем, что период термообработки на втором этапе не превышает 5 ч.

24. Способ по любому из пп.9-22, отличающийся тем, что период термообработки на втором этапе не превышает 90 мин.

25. Способ по любому из пп.9-22, отличающийся тем, что период термообработки на втором этапе составляет приблизительно 1 ч.

26. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что множество алмазов помещают в передающую давление среду, при этом каждый алмаз отделен от соседнего с ним алмаза передающей давление средой.

27. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой однородную среду, которая полностью окружает алмаз или каждый из алмазов и которую прикладывают по всей поверхности алмаза или каждого из алмазов.

28. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что реакционную массу создают путем уплотнения передающей давление среды вокруг алмаза перед помещением алмаза в реакционную зону установки для обработки при высокой температуре и высоком давлении и воздействием на реакционную массу условий стадии (ii).

29. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что передающая давление среда имеет малое сопротивление сдвигу.

30. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что передающая давление среда является растворимой в воде.

31. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль металла.

32. Способ по п.31, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой галогенидную солью металла.

33. Способ по п.32, отличающийся тем, что галогенид представляет собой хлорид или бромид.

34. Способ по п.31 или 32, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль щелочного металла.

35. Способ по п.31 или 32, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль благородного металла.

36. Способ по п.31 или 32, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль калия.

37. Способ по п.31 или 32, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль натрия.

38. Способ по п.31 или 32, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль цезия.

39. Способ по п.31 или 32, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой соль меди.

40. Способ по любому из пп.1-28, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой бромид калия.

41. Способ по любому из пп.1-28, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой хлорид натрия.

42. Способ по любому из пп.1-28, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой хлорид калия.

43. Способ по любому из пп.1-28, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой хлорид цезия.

44. Способ по любому из пп.1-28, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой бромид цезия.

45. Способ по любому из пп.1-28, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой хлорид меди.

46. Способ по любому из пп.1-28, отличающийся тем, что передающая давление среда представляет собой бромид меди.