CC BY
135
© Е.П. Мельников, А.В. Ножкина, Ю.А. Павлов, Т.Б. Теплова, И.А. Науменко, 2012
УДК 691.2 + 671.15 + 679.8
Е.П. Мельников, А.В. Ножкина, Ю.А. Павлов, Т.Б. Теплова, И.А. Науменко
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭФФЕКТИВНОЙ ОБРАБОТКИ ЦВЕТНЫХ И ДРАГОЦЕННЫХ КАМНЕЙ
Модернизация камнеобрабатывающей, алмазно-бриллиантовой, гранильной, ювелирной и других отраслей отечественной промышленности, ориентированных на комплексную переработку минеральных ресурсов для производства качественных технических, архитектурно-строительных, декоративно-художественных и ювелирных изделий, требует современных технологий художественной обработки материалов.
Ключевые слова: художественное материаловедение, прикладная геммология, физика алмазов, техническая эстетика, компьютерный дизайн, технологии художественной обработки материалов, алмазные технологии.
Геолого-технологическое и геммологическое общение человека с камнем, начиная с самых ранних этапов зарождения древних цивилизаций и до современной эпохи, всегда проходило при непременном использовании «высоких технологий», отвечавших уровню развития своего времени. К примеру, можно отметить технологию скалывания тонких пластин кремня для утилитарных целей (ножи, скребки, наконечники стрел) с одновременным изготовлением особо одаренными мастерами на территории современной Франции очень больших (до 30м в длину) и очень тонких листообразных пластин, которые не могли исполнять сугубо прикладных функций, а выполняли только эстетическую роль или сознательную демонстрацию мастерства обработки камня.
Таким же примером может являться и получение при обкалывании кристаллов горного хрусталя доисторическими мастерами Южного Урала так называемых «ядрищ» в виде тонких и длинных хрустальных «карандашей», имевших пропорциональную многоплоскостную форму, пленяющую своим совершенством и к тому же, сильным блеском. Вероятно, они предназначались для определенных обрядовых или культовых целей.
Процесс развития огранки алмаза служит яркой иллюстрацией тесного симбиоза самого твердого камня на Земле и самых совер-
шенных технологий каждого исторического периода при его обработке. Индусы первыми в IV веке до нашей эры изобрели огранку алмаза алмазом, срезая одну из вершин совершенных кристаллов октаэдров, создавая по современной терминологии «площадку», отражавшую свет и обеспечивавшую высокую «бриллианцию» алмаза. А в целом, изначальный «бриллиант» по-прежнему имел великолепную, но уже не восьми -, а девятигранную форму и легко закреплялся в металлической дорогой оправе. Затем в той же стране появилась другая форма огранки - «индийская роза», имевшая вид «высокого кабашона», покрытого рядами клиньевой (обычно треугольной или иной) огранки. В XIV- XVI веках, уже в Европе, она была усовершенствована вариациями высоты граненного кабошона, а также количеством и формой граней.
Следующий революционный шаг в познании эстетических возможностей бриллианта и технологических особенностей алмаза сделал американский исследователь М. Толковский, предложивший в 1919 г., на основе физико-математических расчетов преломления света на его гранях, «идеальную» форму огранки бриллианта, наиболее полно раскрывающую очень высокую дисперсию драгоценного камня и обеспечивающую полное возвращение в глаз наблюдателя света, падаюшего на бриллиант. Предложенный вариант огранки учитывал два важных параметра - оптику и геометрию бриллианта, имевшего круглые очертания в плане и состоящего из двух частей по высоте: верхней части («короны»), составляющего около 1/3 высоты бриллианта и нижней части («павильона»), пропорционально сопрягающихся парным граням. Более полувека огранщики всего мира успешно использовали эту форму огранки.
В дальнейшем эмпирически было установлено, что и при отклонении от параметров огранки Толковского на 1-5 градусов для основных граней «короны» и «павильона» и при вариации в определенных пределах высоты «верха» и «низа» бриллианта, можно получить «игру света» близкую при «идеальной» форме его огранки. Также, в результате производимых исследований в различных научных центрах, было выяснено, что высокая «бриллианция» достигается и при огранке камня «непарными» («нечетные») гранями. Успешные исследования в данном направлении проведены и на кафедре ТХОМ МГГУ Д.В. Ахрамовым под руководством профессора Павлова Ю.А..
Технологии художестве иной обработки материалов
Рис. 1. Структура комплекса научных направлений кафедры ТХОМ
С середины XX столетия интенсивное развитие в мире получило так называемое «облагораживание» (модификации) самоцветов методами окрашивания, термообработки, облучения и других, с целью улучшения их потребительских свойств и повышения выхода годного сырья при эксплуатации месторождений ювелирного и камнесамоцветного сырья. Длительное время студенты и сотрудники нашей кафедры выполняют в содружестве с учеными Российского химико-технологичес-кого университета имени Д.И. Менделеева исследования по модификации свойств благородный опалов, халцедонов (аспирант И.А.. Билалова), минералов группы корунда (аспирант М.И. Пшеничный) под руководством профессора Е.П. Мельникова.
При диагностике драгоценных камней не кафедре, наряду с традиционными геммологическими методами исследования используется новейшее оборудование (прибор Де Скрин), дающее возможность обнаружения технологического воздействия на природные самоцветы, широко практикуемое в настоящее время, что существенно повышает достоверность идентификации алмазов и цветных камней.
За 15-летний период становления и развития кафедры «Технология художественной обработки материалов» (ТХОМ) сформировалось четыре основных научных направления (рис. 1):
1. Художественное материаловедение
2. Теоретическая и прикладная геммология
3. Техническая эстетика и дизайн
4. Технологии художественной обработки материалов.
Техническая эстетика и дизайн - научно-образовательный комплекс, направленный на изучение социально-культурных, технических и эстетических проблем формирования гармоничной предметной среды, создаваемой для удовлетворения потребностей человека средствами промышленного производства разнообразных изделий. Составляя теоретическую основу дизайна, техническая эстетика изучает его общественную природу и закономерности развития, принципы и методы художественного конструирования, проблемы профессионального творчества и мастерства художника-конструктора (дизайнера).
Научное направление «Техническая эстетика и дизайн» становится интегратором накопленных знаний в различных областях науки и техники и таким образом является центральным ядром в структурном комплексе научных направлений кафедры, определяя их теоретико-практическую ориентацию и информационную поддержку.
Художественное конструирование является неотъемлемой составной частью современного процесса создания промышленной продукции, предназначенной для непосредственного использования человеком; оно ведётся в творческом контакте с инженерами-конструкторами, технологами и другими специалистами и призвано способствовать наиболее полному учёту требований потребителя и повышению эффективности производства. Для художественного конструирования характерно компьютерное моделирование и макетирование объекта на всех этапах его разработки (в соответствующем масштабе и нередко в натуральную величину), позволяющее проверять и отбирать оптимальные варианты композиционных, колористических, эргономических и других решений. При этом модель служит не только иллюстрацией к проекту, но инструментом проектирования и, постоянно модифицируясь в ходе работы, становится, в конечном счёте, эталоном опытного образца изделия.
Представителями этого научного направления на кафедре проводятся исследования в области оптимизации методов художественного проектирования изделий на основе инновационных технологий. Проводимые исследования направлены на разработку и создание программных средств (художественно - конструкторских
программ), способствующих повышению качества продукции и эффективности их производства на предприятиях разных отраслей промышленности.
Результатом выполненных исследований по данному направлению являются алгоритмы работы, технические, программные, информационные и методические средства для интегрированной системы дизайна и технологической подготовки производства художественных изделий из камня (ART-CAD-CAM): «Грань» - для огранки цветных камней; «Мозаика» - для изготовления декоративных мозаик; «Гравер» - для гравирования поверхностей изделий; «Скульптура» - для изготовления барельефов и скульптур методом сканирующих технологий.
Выполняемые на кафедре исследования стали научной основой диссертационных работ 5 аспирантов, три из которых были успешно защищены в диссертационном совете по направлению 17.00.06 - Техническая эстетика и дизайн.
Научное направление «Теоретическая и прикладная геммология», возглавляемая Е.П. Мельниковым, на кафедре охватывает решение следующих основных задач:
• определение минерального вида драгоценного камня и его происхождения на основе бесконтактных и контактных оптических методов исследования (измерение показателей преломления света, цветовую дисперсию, интенсивность и характер люминесценции и т.п.);
• установление отличий природных драгоценных камней (рубин, сапфир, изумруд, александрит, жемчуг и других) от их синтетических аналогов и имитаций на основе различия в составе и концентрации элементов-примесей;
• выявление природных самоцветов c помощью инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопии и электронного парамагнитного резонанса, a также методом анализа состава и фазовых соотношений твёрдых и газово-жидких включений в исследуемом камне;
• разработка методов облагораживания драгоценных и поделочных камней (усиление или изменение их окраски c помощью облучения, отжига или других методов); например, выполнен комплекс научных работ, направленных на превращение зеленовато-жёлтого берилла в более ценный голубой аква-
марин, чёрного кварца-мориона в оранжево-жёлтый цитрин, просветление бурого циркона и т.д.;
• разработка новых и совершенствование существующих способов «прокрашивания» минерального сырья (например, агата, жадеита, янтаря, восстановления плотности и окраски выветренной бирюзы и т.п.);
• разработка функционально-рейтинговой технологической классификаций самоцветов.
Геммология тесно связана с минералогией, петрографией и кристаллографией, кроме методов этих наук она использует фундаментальные основы физики, химии, петрологии, геоло-гии, биологии, термобарогеохимии и др.
Перспективные направления геммологических исследований на кафедре ТХОМ:
• накопление диагностических данных о ювелирных камнях для повышения надежности их идентификации экспрессными неразрушающими методами диагностики;
• исследование свойств синтетических камней и критериев их отличия от природных аналогов;
• анализ современных технологий облагораживания цветных камней и поиск методов распознавания следов облагораживания;
• исследование оптических свойств алмазов и оптимизация огранки бриллиантов;
• исследование окраски драгоценных камней с применением компьютерного моделирования.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОБАРОГЕОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ ГЕОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКИХ, ПРОГНОЗО-ПОИСКОВЫХ И КАЧЕСТВЕННО-ТЕХНОЛОГИ-ЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ КВАРЦЕВОГО СЫРЬЯ
Рассмотрим применение этих методов на примере изучения кварца. Формируясь в различной геологической обстановке, природные кварцевые образования должны иметь отличия
СС
V .1......I....__1_I_ , I_I .............I...............I_I____
о 1 г 1 V 5 6 7 89 рр-Ю'Па
ЕЕ' ЕВ* ЕЗ ЕЕЗ*
Рис. 2. РТ-условия формирования природных кварцевых образований различного генезиса: а - термодинамические условия формирования зоны: 1- принципиальные варианты грануляции кварца при изменении термодинамических условий с участием ^-^-трансформации 2— геотермический градиент; 3— метасоматоз; 4 — плавление гранита. б — растворимость кварца в воде по двум геотермобарам (По И. II. Кагаю, Г. Холланду)
в свойствах (структуре, составе и количестве минеральных, газово-жидких и структурных примесей кварца), отражающих их генетические особенности. Для расшифровки этих особенностей нами систематизированы имеющиеся материалы и получены дополнительные данные по определению давлений, состава растворов и температур образования кварца в пегматитах, силекситах, силектитах и кварцевых жилах.
На диаграмме (рис. 2) фигуративные точки образуют две отчетливые ветви, сливающиеся с понижением температур и давлений в одно широкое поле в области образования гидротермальных месторождений.
Ветвь I объединяет месторождения, образовавшиеся в интервале давлений 0-200 МПа, т.е. являющиеся близповерхностными магматогенными образованиями. Месторождения в этой ветви по мере снижения температур образуют последовательный ряд: хру-сталеносные пегматиты (поле I3), редкометальные пегматиты и магматогенные силекситы среднеуральского типа (поле !б), смешанное поле жильных кварцев золоторудных, полиметаллических, редкометальных, ртутно-сырьмяных и других месторождений, часть из которых (низкотемпературных гидротермальных) попадает в область слияния двух ветвей (поле Р). Кварц ядерных частей хрусталеносных и флюоритоносных пегматитов образуется выше прямой а- в -перехода и при резком снижении температуры может переходить в зернистый агрегат, так называемый «сотовый» кварц.
Ветвь II представляет метаморфогенные месторождения слюдоносных пегматитов и силектитов слюдоносной формации, обра-зующихса при очень высоких давлениях от 500 до 900 МПа и температурах от 500 до 700 °С (поле Иа), месторождения редкоземельных пегматитов (поле Иб), месторождения гранулированного (поле Ив), гетерозернистого молочно-белого (поле Иг) и хрусталеносного (поле Ид) кварца. Все перечисленные группы месторождений образуются ниже прямой а-в-трансформации кварца. Однако в случае изотермического снижения давления кварц слюдоносных пегматитов и силектитов может испытать а-в-переход с образованием гранулированных структур, а кварцевые жилы могут испытать грануляцию при высокотемпературном «отжиге».
РТ-поле образования месторождений гранулированного кварца фиксирует начальные параметры образования жил первичного ге-терозернистого кварца. Температуры и давления их образования определены С.Ш. Юсуповым, Е.П. Мельниковым, С.Г. Фаттахут-диновым по внутригранулярным газово-жидким включениям.
В области слияния двух ветвей располагаются образования, по-видимому, смешанного генезиса: метаморфогенные хрусталенос-ные и магматогенные золоторудные, редкометальные, ртутные, сурьмяные, полиметаллические.
На РТ -диаграмме общая закономерность выявляется для месторождений всех без исключения формаций. При фиксированной температуре их образования существуют предельные значения давлений, выше которых эти месторождения не образуются. Такая эмпирическая закономерность предположительно может быть объ-
яснена в гидротермальной области критическими состояниями в системе Н2О+СО2. Подавляющее число точек находится в области субкритических, т.е. двухфазовых состояний. В области более высоких температур и давлений, в частности для пегматитов, установленная закономерность, видимо, объясняется корреляционной связью между давлением и оптимальными температурами их образования. В РТ-области слияния ветвей I и II устойчивость минеральных параге-незисов, в том числе и кварцсодержащих, определяется не только температурой и давлением, но в значительной мере и рН рудообразу-ющих растворов. По этой причине мы видим слияние (отсутствие четкого разграничения) РТ-полей образования кварца различных формаций: золоторудных, редкометальных, хрусталеносных и др.
Определяющее значение рН минерализующих растворов характерно лишь для близповерхностных месторождений. С увеличением глубины их образования интервалы изменения значений рН сужаются, и РТ-параметры становятся единственно определяющими устойчивость кварцсодержащих минеральных парагенезисов.
Этими исследованиями с учетом известных данных установлены общие закономерности термодинамического и химического режима формирования месторождений «кварцевого парагенезиса». Одновременно выявлены также феноменологические термобаро-геохимические особенности конкретных пегматитов, кварцево-жильных формаций, открывающие возможность их использования при геолого-генетическом изучении и качественно-технологической оценке кварцевого сырья.
Генетические особенности природного кварцевого сырья определяют не только масштабы месторождений, структуру и вещественный состав (количество минеральных и газовых включений, светопропускание, содержание структурных примесей) кварцевых образований, но и технологические параметры кварца (наличие, размеры и плотность распределения газовых пузырьков, стекловидных и окрашивающих включений, температуру плавления, способность к кристобалитизации, газоотделению, содержание «низкотемпературной», «высокотемпературной» воды, углекислоты, углеводородов, компонентов, находящихся в структурной решетке кварца; способность наплавленного кварцевого стекла к кристаллизации, радиационной стойкости, светопропусканию в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра).
Знание геолого-технических свойств промышленных материалов, изложенных на примере кварцевого сырья, использующегося в аэрокосмической и оборонной технике, микроэлектронике, оптоволоконной связи, светотехнике, солнечной энергетике и других отраслях науки и техники, позволяет совершенствовать существующие и разрабатывать новые технологии рационального потребления природных и синтетических материалов.
НЕЙТРОННЫЙ АКТИВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ МИКРОПРИМЕСЕЙ В КВАРЦЕ
В природном кварце различной формационной принадлежности обнаруживается порядка 40 элементов-примесей, главными из которых являются : А1, Са, Mg, Li, Т^ Fe, Ge, Мп, Си; второстепенными - К, Ва, Sr, В, Сг, Ni, V, РЬ, Со и др.; из них в изоморфной форме присутствуют А1, Na, Li, Ti, Fe, Ge, Ga, Н. Содержание микропримесей в кварце - важный показатель его качества.
В.А. Бобровым, Е.П. Мельниковым, А.Д. Ножкиным, А.Н. Смагиным проведены исследования содержаний микропримеси в гранулированном кварце, представляющем собой вторичный зернистый кварцевый агрегат полигенного образования. Гранулированный кварц возникает в результате метаморфизма или диафторе-за кварца первичных формаций кварцевых жил, пегматитов и других тел с участием таких петрогенетических процессов, как бла-стез, а-в - инверсия, рекристаллизация, катаклаз. Полиэтапные метаморфические преобразования, выполняющие роль природного технологического процесса обогащения кварца, приводят к максимальному очищению гранул от минеральных, газовых и элементных примесей. Поэтому уровень содержаний микропримесей в кварце, определяющийся совершенством очистки, отражает и степень вторичного его преобразования. Особо ценную информацию несут радиоактивные и редкоземельные элементы, индикаторные свойства которых предлагается использовать для оценки качества кварца (рис. 3).
Исследование микропримеси в гранулированном кварце проводилось нейтронно-активационным методом.
кОариЛ.рухон0рц.п1 2 мик, пр.-?0-7%
' ' 1-11-1 | '-1 1111 |||Т
Ьа Се N(1 ЗтЕиТЬ УЫ.и I Л Ж
Рис. 3. Характерные типы распределения РЗЭ в гранулированном кварце Уральской провинции.
На врезке: распределение макро- и микропримесей в гранулированном кварце Уральской провинции. Среднее по: 1 - 12, 20, 203, 204, 205; 11 — 31, 58, 59, 366, 393; 111 — 19, 209, 360
О степени чистоты кварца можно судить по величине примеси и характеру распределения редкоземельных элементов (РЗЭ), нормированных по хондритовому веществу. Содержание и соотношение РЗЭ существенно варьирует в гранулированном кварце. В кварце уральских месторождений выделяется 3 основных типа распределения редких земель. Максимальное содержание РЗЭ, отличающееся резким преобладанием легких лантаноидов и относительно слабой их дифференцированностью, устанавливается в пробе из жилы 123 (рис. 2). Следующие типы (ЫП) по усредненным данным представляют наиболее характерные распределения РЗЭ в пробах, сходных по соотношению лантаноидов из разных кварцевых жил. От пробы 123 к пробам, представляющим ЫП типы распределения, резко уменьшается содержание легких лантаноидов и происходит относительное накопление средних и тяжелых РЗЭ. Выделенные типы распределения РЗЭ, отражающие дискретный, поэтапный характер преобразования и очистки кварца, отчетливо выявляются и в гранулированном кварце Прибайкальской и Восточносибирской провинций. Наиболее обогащенный РЗЭ тип распределения здесь представлен пробами 2746 и 7418. при последу-
ющих типах распределения РЗЭ, объединяющих кварц из разных жил. Обнаруживается дискретное снижение РЗЭ и (в основном), за счет легких. На этом основании можно сделать вывод, что и в данном случае очистка кварца от примесей происходила прерывисто, в течение нескольких этапов. Причем при метаморфизме предпочтительнее выносились легкие лантаноиды, средние и тяжелые РЗЭ проявляли относительную инертность и концентрировались, что проявляется и в наличии на кривых европиево-го максимума. Вывод о дискретном распределении РЗЭ в определенных типах кварца подтверждается и особенностями распределения других элементов. Синхронно с уменьшением РЗЭ обычно устанавливается снижение в кварце примеси Se, V, Т^ Rb, Са, Sr, Fe, №, Со,Сг. Разница в содержаниях элементов-примесей достигает 2-3 порядка.
Таким образом, на примере распределения РЗЭ в гранулированном кварце трех провинций выявляется общая закономерность, отражающая поэтапный, ступенчатый характер отторжения редких земель из кварца в процессе его преобразования, согласующийся с поведением других элементов-примесей и особенно тория, что является одним из геохимических показателей многократности процесса метаморфического преобразования кварца. Изменение характера распределения индивидуальных РЗЭ в сторону предпочтительного обеднения легкими и относительного обогащения более дифференцированными средними и тяжелыми землями, коррелирующие с общим уменьшением примеси других элементов, является показателем меры совершенства пройденных процессов, обусловивших чистоту гранулированного кварца. На этом основании РЗЭ наряду с ураном и торием могут служить индикаторами степени чистоты и качества кварца.
Приведенные данные однозначно свидетельствуют о высокой перспективности применения нейтронно-активационного анализа для качественного и количественного изучения микропримесей в природном кварце и искусственных монокристаллах. Метод позволяет с высокой надежностью и чувствительностью на уровне «•10 7 9% определять широкий спектр элементов-примесей в кварце и рекомендуется к внедрению в практику геологоразведочных и научно-исследовательских работ на кварцевое сырье.
Художественное материаловедение как научное направление и учебная дисциплина базируется на следующих фундаментальных разделах наук:
• термодинамика — изучение стабильности, изменений фаз, построения фазовых диаграмм;
• термический анализ, термогравиметрия — изучение изменения свойств материалов при воздействии температуры и при взаимодействии с различными газами;
• кинетика — изучение изменений фазового состояния вещества, термического разложения структуры и диффузии;
• химия твёрдого тела — изучение химических процессов, проходящих в твёрдой фазе;
• физика твёрдого тела — изучение квантовых эффектов в твёрдых материалах.
НИР по направлению «Художественное материаловедение» ведутся под руководством: профессора, д.т.н., зав. лабораторией синтеза алмазов и композиционных материалов ОАО «ВНИИАЛ-МАЗ» Ножкиной А.В. Область научных исследований, их основные цели и задачи:
• классификация и оценка качества природных и синтетических алмазов;
• кристаллография — изучение структуры кристаллов, содержащее:
- дефекты кристаллов — изучение нарушений структуры кристаллов, примести, включения посторонних минералов и влияние их на свойства природного алмаза и других драгоценных камней;
- методы определения структуры фазового состава примесей, физико-химические и физико-механические свойства природных и синтетических алмазов;
• нанотехнология — создание и изучение материалов и конструкций размерами порядка ста нанометров и менее;
• металловедение — изучение свойств различных метал-лов и сплавов;
• разработка новых видов синтетических алмазов, сверхтвёрдых алмазосодержащих композиционных материалов и инструментов на их основе;
• разработка новых методов и технологий обработки алмазов и других камней (физико-химических, химически активными средами, с применением порошков наноалмазов);
• изыскание новых областей применения технологии алмазной обработки материалов.
Результаты исследований, объединяющие научные принципы и технологии обработки природного камня, легли в основу создания новых базовых спецкурсов:
«Физико-химические эффекты в технике и технологии», где изложены научные основы и практические результаты взаимодействия алмаза с различными металлами и химически активными по отношению к углероду средами. Это позволяет обосновать представления об определяющем влиянии физико-химических процессов, протекающих в зоне контакта алмаза с обрабатываемым или инструментальным материалом, на износостойкость алмазного инструмента и производительность процесса огранки алмаза в бриллианты.
Полученные теоретические и экспериментальные результаты исследований подтверждают, что возможно управление скоростью обработки алмазов и стойкостью алмазного инструмента методом подбора реакций взаимодействия алмаза с химически активными по отношению к углероду средами.
В лекциях спецкурса "Синтез алмазов и цветных камней» рассмотрены основные методы и физико-химический основы процессов выращивания моно- и поликристаллов алмаза и других драгоценных камней. Представлены аппараты и оснастка, применяемые для роста кристаллов, рассмотрены методы и средства, применяемые для контроля параметров процесса и качества синтезированных кристаллов.
В курсе лекций «Физика алмаза» рассмотрены физико-механические и оптические свойства алмазов (спектроскопия поглощения, фото- и рентгено-люминесценция), структура природных и синтетических алмазов, проявление оптически активных дефектов алмазов в аномальном рассеянии рентгеновских лучей и влияние этих дефектов на физико-механи-ческие и теплофизиче-ские свойства алмаза. Представлены результаты исследования кинетики, трансформами азотных дефектов и процессов старения природных и синтетических алмазов, изменения их окраски в результате воздействия на них высоких давлений и температур или
высоких энергий. Рассмотрены стандарты на измерения физических свойств алмаза.
Научной направленностью НИР «Технологии художественной обработки материалов» является одновременное исследование материаловедческих и технологических проблем, сопряженных с изготовлением промышленно - художественных изделий (рис.2).
Основной научной задачей этого направления является выявление физических, химических, механических и других закономерностей с целью определения и использования на практике наиболее эффективных и экономичных производственных процессов, требующих наименьших затрат времени и материальных ресурсов. Методологической основой научных работ в области технологии художественной обработки материалов стала разработанная проф. Павловым Ю.А. концепция модульных технологий в камне-обрабатывающем и ювелирном производствах.
Важнейшие показатели, характеризующие технико-экономическую эффективность технологического процесса, являются:
• удельный расход сырья, полуфабрикатов и энергии на единицу продукции;
• выход (количество) и качество готовой продукции (изделий); уровень производительности труда;
• интенсивность процесса;
• затраты на производство;
• себестоимость продукции.
Предметом для выполняемых аспирантами и соискателями кафедры исследований могут быть:
• технологические методы обработки поверхности художественных изделий,
• развитие метода модульных технологий обработки камней и ювелирных материалов с целью организации поточных мелкосерийных производств,
• геометрическая точность обработки и качество обработанной поверхности,
• процессы сборки (характер соединения сборочных единиц изделия и принципы механизации и автоматизации сборочных работ),
[
Технологии
Техн О Л ОГК и художественной обработки материалов
Компьютерные техн ологни
Формообразующие технологии
Технологии декорирования
Рис. 4. Технологии художественной обработки материалов
• автоматизация технологических процессов,
• компьютерные технологии (разработка процессов изготовления, декорирования и моделирования промышленных изделий).
Самостоятельным направлением технологии художественной обработки материалов стала прецизионная обработка твёрдых хрупких материалов. Главную проблему при использовании сверхтвердых материалов (алмаз, лейкосапфир) в микроэлектронике (подложки интегральных микросхем - ИМС), ювелирной области, медицине (скальпели для микрохирургии), оптике и других отраслях промышленности при изготовлении изделий, представляет получение обработанной поверхности этих материалов особо высокого качества. Миниатюризация изделий, непрерывно ужесточающиеся требования к качеству поверхности материала (манометровая шероховатость, плоскостность и минимум дефектов) стали необходимым условием создания прецизионных технологий их обработки.
Традиционным способом обработки твёрдых хрупких материалов (в том числе кристаллов) является механическое шлифование свободным и связанным абразивом. После такой обработки получаются заготовки с шероховатостью поверхности около 200 нм и нарушенными поверхностным и нижележащими слоями. При традиционных методах обработки для достижения требуемых технических параметров необходимо выполнить достаточно сложные и длительные операции (химико-механическая полировка в течение 4-5 часов в чистой комнате, алмазная полировка в чистой комнате около 0,5 ч.). Это ведет к значительному удорожанию стоимости готовой подложки и делает её неконкурентной по сравнению с изделиями зарубежных производителей.
Специалистами кафедры ТХОМ предлагается новый способ и технология алмазного шлифования подложек ИМС для микроэлектроники из твёрдых алмазоподобных материалов и кристаллов (алмаз, сапфир, кремний и т.д.), с получением высококачественной поверхности шероховатостью 1 - 10 нм и существенным сокращением брака продукции при производстве.
Суть способа состоит в том, что при обработке кристаллического материала в определенном интервале контактных напряжений происходит не хрупкое разрушение, а пластичное удаление
нанослоя обрабатываемого материала. Обработанная поверхность имеет манометровый рельеф и практически ненарушенный подповерхностный слой. По новой технологии (по сравнению с традиционной технологией) время химико-механической полировки уменьшается в 4 раза, исключается операция алмазной полировки, отмывки и отжига. Способ может быть реализован практически на любом специализированном оборудовании при оснащении его дополнительными приспособлениями, обеспечивающими контролируемое усилие прижима инструмента к обрабатываемой поверхности изделия. Возможна автоматизация процесса.
Области применения новой технологии микрошлифования материала:
• микроэлектроника (подложки);
• оптоэлектроника (светодиоды);
• лазерная техника;
• военная спецтехника;
• космическая техника;
• силовая электроника (мощные диоды, преобразователи);
• энергетика (элементы солнечных батарей)
• медицина (одноразовые инструменты для микрохирургии);
• гранильная промышленность (огранка алмазов в бриллианты новой формы, например, с элементами кабошона, которые в настоящее время отсутствуют на рынке);
• ювелирная промышленность как потребитель самоцветов новых фантазийных огранок и других форм обработки.
Более 10 лет исследованием квазипластичности твёрдых хрупких материалов и их поверхностной обработкой на кафедре занимались к.т.н. Коньшин А.С., д.т.н. Сильченко О.Б., д.т.н. Теплова Т.Б., к.т.н. Дубинина А.П., аспиранты и студенты кафедры. По этой тематике защищено 2 докторских, 2 кандидатских диссертации. Результатами исследований явились: модель квазипластичного удаления поверхностного слоя твёрдых хрупких минералов, зависимости шероховатости поверхности от технологических и физических параметров, критерии процесса квазипластичного удаления поверхностного слоя, выбор режимов обработки и другие исследования.
Экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке, в состав которой входил станочный модуль
с ЧПУ модели АН-15Ф4. Станочный модуль создан под руководством Коньшина А.С. в ОАО «Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков» на основе фундаментальных работ д.т.н., проф. Кудинова В.А., д.т.н., проф. Ратмирова В.А., к.т.н. Бобрина В.И. Станочный модуль позволяет обеспечить достаточную жёсткость, высокую разрешающую способность и стабильность дискретного перемещения исполнительных органов упругой обрабатывающей системы. По результатам экспериментальных исследований установлены режимы обработки, при которых на этапе алмазного шлифования на образцах натурального и поликристаллического алмаза и лейкосапфира была получена нанометровоя шероховатость поверхности образцов.
Д.г-м.н., проф. Мельников Е.П. более 20 лет занимается исследованиями свойств природных и искусственных кристаллов кварца, в результате которых установлена пластичность кварца на нанометровом уровне и условия её возникновения.
Результат выполненного за 20 лет проф. Ножкиной А.В. с сотрудниками ОАО «ВНИИАлмаз» и МГГУ комплекса научно-исследовательских работ по влиянию химически активных по отношению к углероду сред на процесс фазового перехода алмаза в графит при термообработке позволил разработать способ управления скоростью графитизации алмаза, повысить производительность процесса обработки на различных этапах. Получен новый класс алмазных абразивов, позволяющий повысить производительность обработки алмазов в 1,5 - 2 раза и уменьшить влияние анизотропии алмаза на процесс его обработки. Работы по применению наноалмазов для полировки позволили получить шероховатость поверхности для кварца и кремния 0,5 - 1,5 нм.
Перспективными задачами дальнейшего развития этого важного для промышленности научного направления могут быть:
• разработка новых эффективных методов повышения производительности процесса обработки твёрдых хрупких материалов с применением воздействий магнитного, электрического и акустического полей, а также их сочетания;
• разработка технологии поверхностной обработки твёрдых материалов, позволяющая получать шероховатость поверхности менее 1 нм при сохранении уровня затрат на существующем уровне, что существенно превышает технические параметры на
продукцию, выпускаемую отечественными и зарубежными производителями.
Теоретически значимые результаты вошли в специальный лекционный курс «Технология гранильного производства».
Заключение
Направления работ кафедры связаны с открытием и разведкой месторождений драгоценных, ювелирных, поделочных и декоративно-облицовочных камней, технологиями их добычи, обогащения, сортировки, переработки и окончательной обработки, качественно-стоимостной оценки каменного сырья и наиболее экономически важным заключительным этапом разработки, производства и реализации изделий ювелирного и камнерезного искусства, ценных технических материалов и продукции потребителям. Поэтому направленность НИР и ОКР, выполняемых специалистами кафедры, является логическим, естественным звеном в продвижении богатств недр от месторождений к мировому рынку высокотехнологичной продукции.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Galushko A.E., Alexenko M.A., Nojkina A.V., Denisov S.A., Galushko E.I., Spitsyn B. V. Semiconductor Diamond Films with Electron Type Conductivity. // International Conferences 5th Wide Bandgap Materials - progress in synthesis and applications аМ 7th Diamond & Related Films jointly with 2nd International Workshop on Science and Applications of Nanoscale Diamond Materials,28 June - 2 July, 2010, Zakopane, Poland, р. 63.
2. Методы изучения и оценки месторождений кварцевого сырья. Мельников Е.П., Колодиева С.В. и др. - М.: Недра, 1990 -168 с.
3. Геология, генезис и промышленные типы месторождений кварца. Мельников Е.П. - М.: Недра, 1988 -216 с.
4. Ножкина А.В. Физико-химические процессы взаимодействия алмаза с обрабатываемым материалом// Сб. Художественное материаловедение, природный камень, дизайн технологии. - М. , МГГУ, 2010, с. 47 - 60.
5. Nojkina A.V., Laptev A.I. Synthetic Polycrystalline Diamond of type «Carbonado». // International Conferences 5th Wide Bandgap Materials - progress in synthesis and applications аМ 7th Diamond & Related Films jointly with 2nd International Workshop on Science and Applications of Nanoscale Diamond Materials, 28 June - 2 July, 2010, Zakopane, Poland , р.62.
6. Ножкина А.В., Костиков В.И., Дудаков В.Б. Графитизация алмазов. // Сб. статей 7 Международной конференции «Углерод- фундаментальные проблемы науки, материаловедения, технологии; конструкционные и функциональные материалы» - Владимир, 2010, с. 32 - 37.
7. Ножкина А.В. Физико-химические процессы взаимодействия алмаза с обрабатываемым материалом. //Сб. статей «Художественное материаловедение, природный камень, дизайн, технологии». - М.: МГГУ 2010, с. 47 - 61.
8. Ножкина А.В., Лаптев А.И. К вопросу о классификации синтетических поликристаллических алмазов «баллас» и «карбонадо». //Сб. статей «Художественное материаловедение, природный камень, дизайн, технологии». - М.: МГГУ 2010, с. 61- 72.
9. Ножкина А.В., Ермолаев А.А., Лаптев А.И. Синтез алмазных поликристаллов карбонадо в системе никель-кобальт-углерод. //Сб. статей «Художественное материаловедение, природный камень, дизайн, технологии». - М.: МГГУ 2010, с. 72 - 79.
10. Ножкина А.В. Взаимодействие алмазов с металлами. //СБ. «Вячеслав Петрович Елютин». - М.: НИТУ «МИСИС», 2010, с. 165 - 173.
11. Павлов Ю.А., Ткач В.Р. Организация камнеобрабатывающего производства с использованием информационных технологий. - М.: ИКФ "Каталог", 2006. -358 с.
12. Павлов Ю.А. Научные проблемы организации промышленного производства изделий из природного камня на основе современных информационных технологий. Горный информационно-аналитический бюллетень, №9. М.: Изд-во МГГУ, 2006, с. 358 - 366.
13. Павлов Ю.А. Системная классификация изделий камнеобрабатывающего производства. // "Камень вокруг нас", №12, 2006. - Екатеринбург: Ассоциация "Центр камня", 2006, с. 26 - 30.
14. Павлов Ю.А. Оптимизация производственно-технологической структуры гибкого камнеобрабатывающего производства Горный информационно-аналитический бюллетень, №6, 2007, с. 253 - 261.
15. Павлов Ю.А. Метод экспертной оценки конкурентоспособности средств технологического обеспечения камнеобрабатывающих производств. // Сб. «Добыча, обработка и применения природного камня». Вып. 5. - Магнитогорск, МагГТУ 2005, с. 151 - 172.
16. Павлов Ю.А. Процессы формообразования поверхностей изделий из камня на оборудовании с ЧПУ. // Сб. «Добыча, обработка и применения природного камня». Вып. 11. - Магнитогорск, МагГТУ, 2011, с. 195 - 224.
17. Павлов Ю.А. Материаловедение для технологов камнеобрабатывающих, гранильных и ювелирных производств: Учебное пособие. - М.: МГГУ, 2011. - 208 с.
18. Патент РФ №2165837 от 27.04.2001 «Способ микрошлифования твёр-доструктурных материалов и устройство для его реализации». // Коньшин А.С., Сильченко О.Б., Сноу Б.Д.
19. Патент РФ № 145164 от 07.12.09 «Способ шлифования изделий из сверхтвердых и хрупких материалов» // Гридин О.М., Теплова Т.Б.
20. Патент РФ № 2355586 от 20.05.2009 г. «Способ формирования полутонового изображения в функциональном слое изделия». // Науменко И.А. и др.
21. Патент РФ №70849 (на полезную модель) от 20.02.2008 г. «Программно-аппаратный комплекс для формирования полутонового изображения в функциональном слое изделия». // Науменко И.А. и др.
22. Патент РФ № 2077989 «Гравировальная машина». // Миков И.Н., Гамарник В.И. - М.: Бюллетень изобретений, № 12, 1997.
23. Патент РФ №2112661 «Устройство для копирования изображений». // Миков И.Н., Ицкович А.Ф., Маградзе О.Г. - М.: Бюллетень изобретений , №16, 1998.
24. Патент СССР на изобретение № 261574 от 01.09.1987 г. «Способ получения искусственного кристалла кварца». // Мельников Е. П. и др.
25. Поляков В.П., Ножкина А.В., Чириков В.И. Алмазы и сверхтвердые материалы. -М.: «Металлургия», 1991. -235 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Мельников Е.П. - профессор, доктор геолого-минералогических наук, зав. кафедрой, e-mail: evmelnikov @ list. Ru
Павлов Ю.А. - профессор, доктор технических наук, e-mail: [email protected] Теплова Т.Б. - профессор, доктор технических наук Московский государственный горный университет, [email protected]
Ножкина А.В. - профессор, доктор технических наук, зав. лаб. ОАО ВНИИАл-маз».
