Неизвестный алмаз. «Артефакты» технологии - Владимир Карасев

Нами была предпринята попытка сформировать некое устройство из природного кристалла алмаза, состоящее из цилиндрического тела и отражающих линз. При этом отражающие линзы должны полностью соответствовать схеме (см. рис. 5.4), т. е. сферическая и конусообразная линзы расположены друг напротив друга и на одной оси; сферическая линза имеет фокус F и направляет волновой поток на основание конусной линзы.

Чтобы не создавать раньше времени динамическое волновое поле алмаза, предварительная обработка по созданию «грубого» абриса тела цилиндра была проведена с помощью стандартной технологии.

Эта предварительная обработка заключалась в нанесении плоских граней по всему диаметру будущего цилиндра. В дальнейшем при формировании динамической волновой среды все эти грани «стакана» обрабатывались в округлую цилиндрическую поверхность.

На начальном этапе проведения эксперимента необходимо было решить один, на наш взгляд, принципиальный вопрос: на какой стадии обработки формировать отражающие линзы? Сначала линзы, а потом рабочее тело («стакан») или наоборот? А с учетом влияния касания инструмента при обработке поверхности на формирование динамической волновой среды какую линзу начинать формировать первой – сферическую или конусообразную?

Может быть, подобные вопросы и не имеют под собой особых серьезных оснований, но, на наш взгляд, любое прикосновение активного инструмента к поверхности алмаза начинает сразу формировать динамическое волновое поле кристалла. При этом применяемая последовательность технологических операций в полной мере вносит свой вклад в формирование этой среды на каждом технологическом этапе.

Поскольку опыта создания таких «приборов» у нас еще не было, последовательность технологических операций была принята следующая. Сначала «грубым» абрисом нашей технологией формируется поверхность сферической линзы, затем – абрис конусной линзы, после этого обрабатывается («снимается мясо») традиционной технологией рабочее тело прибора («граненый стакан»). Финишная полирующая завершающая обработка всего изделия должна была быть проведена с помощью нашей технологии в обратной последовательности и в соответствующих режимах.

С первых же прикосновений к поверхности алмаза при формировании абриса сферической линзы в объеме кристалла, ближе к поверхности цилиндра, произошло снятие внутренних напряжений, и образовался необычный дефект в виде плоского и округлого «цветочка» (рис. 5.24).

Рис. 5.24. Образовавшийся внутренний дефект кристалла. Снимок сделан в проходящем свете

При дальнейшем воздействии на поверхность алмаза этот внутренний дефект постоянно реагировал на применяемые технологические операции. Он менял свои конфигурации, прозрачность, структуру. А иногда приобретал необычный голубоватый цветовой оттенок.

Предварительный спектроскопический анализ этой части цилиндра (половина области цилиндра, прилегающая к сфере) показал повышенное содержание атомов азота по сравнению со спектрами до обработки. Словно атомы азота образовались и специально сконцентрировались на этом дефекте. Но интересное событие произошло тогда, когда был образован «стакан» и мы приступили к формированию цилиндрической поверхности с применением нашей технологии.

Рис. 5.25. «Пупырышки» на плоской поверхности цилиндра

На самом начальном этапе этого технологического приема в районе конусной линзы, на поверхности одной из плоских граней, оставшихся после предварительной обработки цилиндра традиционной технологией, неожиданно сформировались великолепные «пупырышки» (рис. 5.25). На рисунке красная линия – траектория прохождения кантилевера профилометра при измерении профиля поверхности.

Рис. 5.26. Профиль участка поверхности (мкм)

Анализ профиля поверхности, покрытой «пупырышками» (рис. 5.26), показал, что крупные «пупырышки» имеют плоскую вершину и их высота в основном – 200 мкм. Общий вид будущего изделия приведен на рис. 5.27.

Рис. 5.27. Общий вид будущего «прибора»: поверхность с «пупырышками» (д); внутренний дефект алмаза (б)

Дальнейшие работы по созданию цилиндрической поверхности были приостановлены с целью изучения произошедших изменений.

Глава 6

Снятие внутренних напряжений в кристалле

Кристаллы алмаза оптически изотропны, однако довольно часто в них возникают упругие напряжения, приводящие к появлению аномального двупреломления, эффект которого используется при диагностике алмаза в поляризованном свете. Алмазы с большими внутренними напряжениями обладают сильным аномальным двупреломлением, проявляющимся в виде яркого интерференционного окраса.

Узоры двупреломления могут быть различными: полосчатыми, соответствующими зональному строению кристаллов или связанными с плоскостями скольжения; радиально-лучистыми, вызванными дислокациями роста кристаллов; в виде изоклин, вызванных объемными напряжениями в алмазе; в виде фантомов, обусловленных напряжениями, направленными в разные стороны; вызваны включениями посторонних минералов.

Существующие приемы снятия внутренних напряжений не всегда приводят к желаемому результату. Например, термическая обработка алмазов позволяет частично снимать внутренние напряжения в кристаллах и таким образом повышать их прочностные свойства. Экспериментальные работы показывают, что прочность термически обработанных алмазов при статическом одноосном сжатии может повышаться на 20–40 %. Режим термической обработки заключается в нагреве алмазов до 920–940 °C с последующим медленным охлаждением. Несмотря на дороговизну и сложность подобного технологического процесса, он не всегда приводит к желаемому результату, сохраняя риск расколов и изменения цвета алмазного сырья.

Наша технология в процессе формирования динамической волновой среды позволяет целенаправленно при комнатной температуре изменять величину и структуру внутренних напряжений в алмазе.

В качестве примера приведем результаты работ по снятию внутренних напряжений в кристалле алмаза. На рис. 6.1 представлен природный кристалл алмаза, используемый в гранильном производстве для изготовления бриллианта.

Рис. 6.1. Кристалл алмаза до обработки

Анализ внутренних напряжений в алмазе проводился в поляризованном свете в скрещенных поляризаторах [22]. Этот анализ показал распределение аномального двупреломления в виде мозаично распределенных интерференционных окрасок в самых различных участках объема кристалла (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Изображение напряженных областей в объеме алмаза в поляризованном свете в скрещенных поляризаторах

Для снятия внутренних напряжений в кристалле алмаза нами был разработан специальный алгоритм воздействия. Сложность задачи по снятию внутренних напряжений заключалось еще и в том, что было необходимо обеспечить минимальный съем материала при воздействии на кристалл, сохранив при этом в неприкосновенности всю изначальную форму алмаза.

На рис. 6.3 приведено изображение алмаза после снятия внутренних напряжений.

Рис. 6.3. Изображение состояния алмаза в поляризованном свете после снятия внутренних напряжений

Плоское изображение фотографии не дает той полноты информации, которую обеспечивает бинокулярный (стереоскопический) микроскоп. При анализе объемного изображения внутреннего состояния алмаза можно было констатировать, что интерференционный окрас напряженных участков объема алмаза переместился из объема кристалла на его поверхность и распределился в неровностях его природной «рубашки». Объем же алмаза представлял однородное состояние без видимых напряженных участков.

Хорошо заметна на фотографии некоторая волнистость (полосатость) изображения (муар). Этот муар возникает вследствие переноса внутренних напряжений из объема алмаза в приповерхностный слой его природной «рубашки» и возникновения двупреломления на остаточных напряжениях между основной матрицей алмаза и его «рубашкой».

Конфигурация поверхностного состояния «рубашки» вследствие своего несовершенства аккумулирует основную часть перенесенных из объема напряжений путем упругой деформации своей кристаллической структуры. В результате этого возникает разность хода поляризованного луча при прохождении объема матрицы алмаза и его напряженного поверхностного состояния «рубашки». Вследствие этого образуется интерференционная картина изображения типа муар. При огранке алмаза «рубашка» зашлифовывается, оставляя само тело кристалла без видимых напряженных участков.