Спосіб фарбування монокристалів корунду

Изобретение относится к обработке монокристаллов корунда и изделий из них и может быть использовано в ювелирной промышленности и оптическом приборостроении. Известен способ получения покрытый неорганических соединений на поверхности кристаллов корунда [1], включающий очистку поверхности в растворе кислот с последующим отжигом в вакууме при температуре 1800-1900°С в течение 30-90 мин, напыление пленки металла, способного к шпинелеобразованию с корундом и термообработку в окислительной среде при температуре 1000-1300°С, позволяющий получить на поверхности корунда оптически прозрачную пленку со структурой шпинели. Равномерная окраска ювелирных изделий сложной формы сопряжена по этому способу с трудностью нанесения равнотолщинной пленки металла. Способ сопряжен со значительными необратимыми потерями шпинелеобразующего металла в процессе напыления. Известен также способ окрашивания монокристаллов корунда [2], включающий напыление на поверхность монокристалла корунда пленки из оксида циркония толщиной 0,1-10 мкм и оксида металла в качестве красящего вещества в соотношении (1-10): 10, погружение монокристаллов корунда с напыленным покрытием в порошок смеси оксида или карбоната циркония с оксидом или карбонатом металла в соотношении (1-450): 1 и термообработку при 1000-1500°С. Реализация способа связана со специфической технологией и аппаратурой плазменного напыления сложных по составу пленок, значительными необратимыми потерями напыляемых веществ и энергозатратами. Наиболее близким техническим решением является способ окрашивания монокристаллов корунда [3], включающий термообработку в окислительной среде при 1600-1850°С в течение 20-200 ч. монокристаллов корунда в контакте с оксидом алюминия, в который добавлен один или несколько окислов металлов, диффундирующих в кристалл в качестве примеси. Способ может быть реализован на импортном дорогостоящем оборудовании, т.к. подобные высокотемпературные печи, работающие в окислительной среде нашей промышленностью не изготавливаются. Способу присущ большой расход красящего шпинелеобразующего вещества, так как повторное его использование невозможно. Задачей изобретения является создание простого способа окрашивания монокристаллов корунда, который не требовал бы дорогостоящего оборудования, больших энергозатрат, обеспечивал бы сокращение длительности процесса и расхода красителя за счет использования красителя с определенными свойствами частиц. Решение задачи обеспечивается тем, что в способе окрашивания монокристаллов корунда, который включает очистку поверхности и термообработку в окислительной среде в красящем порошке, согласно изобретению, используют порошок оксида кобальта с фракционным составом 1-5 мкм, который предварительно активируют в течение 30-60 минут, а термообработку проводят при 1000-1300°С. Предлагаемый фракционный состав красящего порошка 1-5 мкм, как экспериментально установлено, является оптимальным для окраски. При использовании фракций оксида кобальта менее 1 мкм окраска поверхности корунда приобретает неравномерный голубовато-серый цвет из-за сильного спекания при термообработке частиц красителя и вследствие этого уменьшения контакта с окрашиваемой поверхностью. Фракции более 5 мкм не обеспечивают равномерной окраски из-за образования на поверхности корунда островковой структуры пленки алюмо-кобальтовой шпинели. Температура 1000-1300°С является наиболее приемлемой для твердофазного синтеза окрашивающей корунд пленки высокого качества. Термообработка при температурах менее 1000°С не окрашивает поверхность корунда или изделий из него. Повышение температуры термообработки выше 1300°С изменяет синий цвет на фиолетовый с появлением на поверхности кристалла большой плотности дефектов в виде ямок травления, что недопустимо ни для оптических, ни для ювелирных изделий. Предварительная активация оксида кобальта в течение указанного времени увеличивает поверхностную энергию частиц порошка, вследствие чего ускоряется твердофазный синтез синей шпинели на поверхности корунда при более низких по сравнению с прототипом температурах термообработки. Ввиду невозможности контроля изменения поверхностной энергии порошка длительность активации оксида кобальта установлена экспериментально 30-60 минут. При активации менее 30 минут окраска поверхности корунда получается бледной по цвету и неравномерной по окраске, увеличение длительности активации более 60 минут нецелесообразно ввиду отсутствия изменения в окраске. Значительное уменьшение расхода красящего вещества обусловлено только необходимостью образовать слой шпинели, в то время как остальная масса красителя не претерпевает никаких физико-химических изменений, в отличие от других известных способов окраски, в которых вся масса красителя после процесса окрашивания корунда преобразуется в другие химические соединения, не могущие быть использованы повторно. Кроме того, для реализации способа не требуется в отличие от аналогов и прототипа, специфическое дорогостоящее оборудование. Способ реализуют следующим образом Поверхность монокристаллов корунда или изделий из них очищают от загрязняющих примесей В контейнер, не взаимодействующий с оксидом кобальта насыпают активированный, например, в шаровой мельнице, порошок оксида кобальта заданного фракционного состава {q}, в который погружают монокристалл корунда или изделие из него. Контейнер помещают в печь и термообрабатывают на воздухе при температуре (Т). После остывания печи окрашенные монокристаллы корунда или изделия из них извлекают из контейнера, а оксид кобальта подвергают активации в течение времени (t) в шаровой мельнице для последующего использования. Примеры реализации способа приведены в таблице. Интенсивность окраски можно варьировать по желанию, экспериментально подбирая время термообработки. Например: бледно-голубая окраска может быть получена при короткой (1—1,5 ч) выдержке, а темно-синяя - при выдержке в несколько (3-6) часов. При сравнении результатов термообработки основными показателями являются равномерность окраски, время активации оксида кобальта в шаровой мельнице и затраты на проведение процесса окраски. Как видно из таблицы, оптимальными являются режимы, приведенные в примерах 3, 4, 5. Увеличение времени активации (режим 6), экономически нецелесообразно, т.к. не приводит к улучшению окраски корунда. Таким образом, режимы, ограниченные пределами, оговоренные в предлагаемом способе обеспечивают по сравнению с прототипом и аналогами уменьшение расходов энергиресурсов и исходных материалов для окраски, исключает расход вспомогательных материалов (оксид алюминия, оксид циркония, аргон и др.), сокращает длительность технологического процесса, исключается необходимость в сложном дополнительном технологическом оборудовании.