用于制備成形陶瓷磨粒的激光法、成形陶瓷磨粒以及磨料制品的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及磨粒、用于制備磨粒的方法，W及包括磨粒的磨料制品。
【背景技術(shù)】
[0002] 制備成形陶瓷磨粒是已知的。例如，一種方法包括依次：用水軟侶石溶膠-凝膠填 充微復(fù)制型工具表面上的空腔、干燥該溶膠-凝膠從而在工具的空腔內(nèi)形成成形水軟侶石 粒子、將成形水軟侶石粒子從工具的空腔中移除，然后燒結(jié)成形水軟侶石粒子W形成Q-氧 化侶成形磨粒。雖然該方法概念簡(jiǎn)單，但制造工具的費(fèi)用通常相當(dāng)高。此外，需要不同的工 具來(lái)制備新的所需形狀的陶瓷成形磨粒。
[0003] 制備成形陶瓷磨粒的其他方法包括絲網(wǎng)印刷技術(shù)，其中將溶膠-凝膠陶瓷前體材 料絲網(wǎng)印刷到基板上、干燥W形成陶瓷成形磨粒前體、從基板移除，然后燒結(jié)W形成成形陶 瓷磨粒。雖然與使用微復(fù)制型工具的方法相比，該技術(shù)的費(fèi)用稍低且通常具有較低的分離 度，但仍需要針對(duì)每種所需形狀的成形陶瓷磨粒制備單獨(dú)的篩網(wǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種方法，包括：
[0005] 提供被支承于載體上的陶瓷前體材料層，其中該陶瓷前體材料層包含陶瓷前體和 游離水;和
[0006] 使用激光束割穿該陶瓷前體材料層，從而得到成形陶瓷前體粒子。
[0007] 在一些實(shí)施例中，該方法還包括：
[000引干燥成形陶瓷前體粒子，從而得到干燥的成形陶瓷前體粒子；
[0009] 般燒干燥的成形陶瓷前體粒子，從而得到般燒過(guò)的成形陶瓷前體粒子；W及
[0010] 燒結(jié)般燒過(guò)的成形陶瓷前體粒子，從而得到成形陶瓷磨粒。
[0011] 在一些實(shí)施例中，該方法還包括：
[0012] 干燥成形陶瓷前體粒子，從而得到干燥的成形陶瓷前體粒子；
[0013] 般燒干燥的成形陶瓷前體粒子，從而得到般燒過(guò)的成形陶瓷前體粒子；
[0014] 用浸潰組合物浸潰般燒過(guò)的成形陶瓷前體粒子(該混合物包含第二液體介質(zhì)、并 且包含金屬氧化物或其前體中的至少一者），從而得到經(jīng)浸潰的般燒過(guò)的成形陶瓷前體粒 子，其中浸潰組合物在由激光束切割而形成的表面上對(duì)般燒過(guò)的成形陶瓷前體粒子的浸潰 程度低于在般燒過(guò)的成形陶瓷前體粒子的其他表面上的浸潰程度；W及
[0015] 可任選地，燒結(jié)經(jīng)浸潰的般燒過(guò)的成形陶瓷前體粒子而得到成形陶瓷磨粒。
[0016] 在另一方面，本公開(kāi)提供了一種方法，其包括：
[0017] 提供被支承于載體上的陶瓷前體材料層，其中該陶瓷前體材料層包含陶瓷前體和 游離水;和
[0018] 使用激光束對(duì)該陶瓷前體材料層進(jìn)行刻痕，從而得到有刻痕的陶瓷前體材料層。
[0019] 在一些實(shí)施例中，該方法還包括：
[0020] 沿刻痕線(xiàn)將有刻痕的陶瓷前體材料層破碎開(kāi)，從而得到成形陶瓷前體粒子；
[0021] 般燒成形陶瓷前體粒子，從而得到般燒過(guò)的成形陶瓷前體粒子；W及
[0022] 燒結(jié)般燒過(guò)的成形陶瓷前體粒子，從而得到成形陶瓷磨粒。
[0023] 在一些實(shí)施例中，該方法還包括：
[0024] 干燥有刻痕的陶瓷前體材料層，從而得到干燥的有刻痕的陶瓷前體材料層；
[0025] 沿刻痕線(xiàn)將干燥的有刻痕的陶瓷前體材料層破碎開(kāi)，從而得到干燥的成形陶瓷前 體粒子；
[0026] 般燒干燥的成形陶瓷前體粒子，從而得到般燒過(guò)的成形陶瓷前體粒子；W及
[0027] 燒結(jié)般燒過(guò)的成形陶瓷前體粒子，從而得到成形陶瓷磨粒。
[0028] 在一些實(shí)施例中，通過(guò)部分地干燥溶膠-凝膠陶瓷前體層而提供陶瓷前體材料層。 在一些實(shí)施例中，通過(guò)部分地干燥溶膠-凝膠陶瓷前體層而提供陶瓷前體材料層。在一些實(shí) 施例中，陶瓷前體材料層基本上不能由于重力而流動(dòng)。在一些實(shí)施例中，陶瓷前體材料層的 固體含量在60至70重量％的范圍內(nèi)。
[0029] 有利的是，根據(jù)本發(fā)明的方法可用于制備成形陶瓷磨粒，而不需要昂貴的微復(fù)制 型模具，并且可在所需的粒子形狀之間快速且低成本地轉(zhuǎn)變。另外，根據(jù)本發(fā)明的方法可用 于制備那些在使用微復(fù)制型模具或絲網(wǎng)印刷的干燥過(guò)程中易破裂的成形陶瓷磨粒。因此， 根據(jù)本發(fā)明的方法可用于制備那些迄今難W在可靠且經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上獲得的成形陶瓷磨粒。
[0030] 在另一方面，本發(fā)明提供了根據(jù)本發(fā)明的任何方法制備的成形陶瓷磨粒。
[0031] 在又一方面，本發(fā)明提供了成形陶瓷磨粒，其中成形陶瓷磨粒各自獨(dú)立地包括主 體構(gòu)件和至少=個(gè)從主體構(gòu)件延伸的桿狀構(gòu)件。
[0032] 在再一方面，本發(fā)明提供了一種磨料制品，其包括用粘結(jié)劑粘附的根據(jù)本發(fā)明的 成形陶瓷磨粒。
[0033] 在還有一個(gè)方面，本發(fā)明提供了成形陶瓷磨粒，其中運(yùn)些成形陶瓷磨粒為大致平 面的，并且包括主體構(gòu)件和至少=個(gè)從主體構(gòu)件延伸的桿狀構(gòu)件。在一些實(shí)施例中，至少= 個(gè)桿狀構(gòu)件中的每一個(gè)具有獨(dú)立地選自圓形、楠圓形、正方形、矩形或=角形的橫截面輪 廓。
[0034] 根據(jù)具體情況，可通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法制備各種獨(dú)特形狀的成形陶瓷磨粒。例 如，在一些實(shí)施例中，至少=個(gè)桿狀構(gòu)件在主體構(gòu)件的平面外，并且其中至少=個(gè)桿狀構(gòu)件 從主體構(gòu)件的同一側(cè)延伸（即，它們具有至少一個(gè)共同的方向分量）。
[0035] 在一些實(shí)施例中，主體構(gòu)件中有開(kāi)口。在一些實(shí)施例中，至少兩個(gè)桿狀構(gòu)件在同一 直線(xiàn)上。例如，在一些實(shí)施例中，所述至少=個(gè)桿狀構(gòu)件由第一、第二、第=、第四、第五、第 六、第屯和第八桿狀構(gòu)件組成。在一些實(shí)施例中，第一和第二桿狀構(gòu)件在同一直線(xiàn)上，其中 第=和第四桿狀構(gòu)件在同一直線(xiàn)上，其中第五和第六桿狀構(gòu)件在同一直線(xiàn)上，其中第屯和 第八桿狀構(gòu)件在同一直線(xiàn)上，其中第一和第=桿狀構(gòu)件平行，并且其中第五和第屯桿狀構(gòu) 件平行。在運(yùn)些實(shí)施例的一些中，第一和第五桿狀構(gòu)件相互垂直。
[0036] 并且在另一方面，本發(fā)明的方法可用于提供成形陶瓷磨粒，其中成形陶瓷磨粒各 自均具有由周邊環(huán)部界定的主體部，與主體部相比，該周邊環(huán)部具有粗糖的表面紋理。
[0037] 在另一方面，本發(fā)明的方法可用于提供成形陶瓷前體粒子，其中成形陶瓷前體粒 子具有環(huán)繞并鄰接內(nèi)部的周邊環(huán)部，并且其中該周邊環(huán)部包含a-氧化侶，并且該內(nèi)部包含 a-氧化侶前體并且不含a-氧化侶。
[0038] 在另一方面，本發(fā)明的方法可用于提供成形陶瓷磨粒，其中成形陶瓷磨粒具有環(huán) 繞并鄰接內(nèi)部、但不完全封閉內(nèi)部的周邊環(huán)部，并且其中周邊環(huán)部具有與內(nèi)部不同的微晶 結(jié)構(gòu)。
[0039] 在另一方面，本發(fā)明的方法可用于提供成形陶瓷前體粒子，其中成形陶瓷前體粒 子各自均具有相對(duì)的非鄰近的第一和第二主表面，周向表面在所述第一和第二主表面之間 延伸，其中周向表面包括沿該周向表面W鄰近第一主表面但不接觸第二主表面的方式延伸 的燒蝕區(qū)域，W及沿該周向表面W鄰近第二主表面但不接觸第一主表面的方式延伸的裂紋 區(qū)域。
[0040] 在另一方面，本發(fā)明的方法可用于提供成形陶瓷磨粒，其中成形陶瓷磨粒各自均 具有相對(duì)的非鄰近的第一和第二主表面，周向表面在所述第一和第二主表面之間延伸，其 中周向表面包括沿該周向表面W鄰近第一主表面但不接觸第二主表面的方式延伸的燒蝕 區(qū)域，W及沿該周向表面W鄰近第二主表面但不接觸第一主表面的方式延伸的裂紋區(qū)域。
[0041] 在另一方面，本發(fā)明提供了成形陶瓷磨粒，其中每種成形陶瓷磨粒包括通過(guò)相對(duì) 的第一和第二側(cè)面W及相對(duì)的第一和第二端面連接的相對(duì)的第一和第二主表面，其中相對(duì) 的第一和第二主表面大致平滑，其中相對(duì)的第一和第二側(cè)面W及相對(duì)的第一和第二端面具 有包括曲折的微米級(jí)圓突起和圓凹陷的表面形貌，其中第一側(cè)面鄰接第一主表面形成銳二 面角，并且其中第二側(cè)面鄰接第一主表面形成純二面角。
[0042] 在一些實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的成形陶瓷磨粒包含a-氧化侶。在一些實(shí)施例中，成 形陶瓷磨粒具有與磨料行業(yè)認(rèn)可的標(biāo)稱(chēng)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的粒度分布。
[0043] 有利的是，根據(jù)本發(fā)明的成形陶瓷磨?？蒞具有迄今未能容易獲得的組成梯度、 形狀和/或結(jié)構(gòu)，運(yùn)些可導(dǎo)致較低的堆積密度、粒子對(duì)粘結(jié)劑的粘附力增加(例如，由于磨粒 表面的紋理)和/或研磨性能改善。
[0044] 因此，在另一方面，本發(fā)明提供了磨料制品，其包括根據(jù)本發(fā)明的成形陶瓷磨粒， 所述成形陶瓷磨粒用粘結(jié)劑粘附或保留在粘結(jié)劑中（例如，在粘結(jié)磨料制品中的情況），或 通過(guò)粘結(jié)劑固定于背襯(例如，在涂覆磨料制品中的情況）。
[0045] 如本文所用：
[0046] 術(shù)語(yǔ)"燒蝕區(qū)域"是指通過(guò)烙融、蒸鍛和/或蒸發(fā)(例如，通過(guò)激光束引起)形成的表 面區(qū)域，一般而言其特征在于含有圓形和/或鋒利突起和平滑凹陷的不規(guī)則形貌；
[0047] 術(shù)語(yǔ)"般燒"是指加熱到至少使得干燥基板中存在的任何剩余的揮發(fā)物(包括所有 有機(jī)物質(zhì)和水)被移除的溫度；
[0048] 術(shù)語(yǔ)"干燥"是指移除被干燥制品中含有的至少一些水，但不一定是所有水；
[0049] 術(shù)語(yǔ)"重力"是指地球表面的重力；
[0050] 術(shù)語(yǔ)"微米級(jí)"是指0.1微米至1毫米的粒度范圍；
[0051] 術(shù)語(yǔ)"成形粒子"是指具有由粒子制備過(guò)程中所用的預(yù)定幾何形狀得到的幾何形 狀的粒子(例如，所述幾何形狀可W在具有預(yù)定的精確幾何形狀的空腔中模制得到，或者可 W通過(guò)切割激光由特定的切割圖案得到）；
[0052] 術(shù)語(yǔ)"燒結(jié)"是指加熱到至少使得般烷基板的接觸的陶瓷粒子之間形成化學(xué)鍵的 溫度，其通常導(dǎo)致強(qiáng)度和密度的增加;并且
[0053] 術(shù)語(yǔ)"大致平面的"意指具有平坦形狀，該形狀具有相對(duì)于厚度較寬的表面(例如， 厚度可W至少W/2、3、4、5或甚至10倍小于表面的長(zhǎng)度和/或?qū)挾龋?br>[0054] 在本專(zhuān)利申請(qǐng)中，有意用開(kāi)放性術(shù)語(yǔ)"包括"顧及其中術(shù)語(yǔ)"包括"被代之W術(shù)語(yǔ) "基本上由…組成"或"由…組成"的實(shí)施例。
[0055] 上述方面和實(shí)施例能夠W其任何組合來(lái)實(shí)施，除非根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)內(nèi)容，清楚 地表明此類(lèi)組合是錯(cuò)誤的。在考慮【具體實(shí)施方式】W及所附權(quán)利要求書(shū)之后，將進(jìn)一步理解 本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0056] 圖IA是根據(jù)本發(fā)明的示例性方法的流程圖；
[0057] 圖IB是沿線(xiàn)IB截取的圖IA中陶瓷前體材料層140的放大示意圖；
[0058] 圖2A是根據(jù)本發(fā)明的方法制備的示例性成形陶瓷前體粒子200的示意性俯視圖；
[0059] 圖2B是根據(jù)本發(fā)明的示例性成形陶瓷磨粒270的示意透視圖；
[0060] 圖3A是根據(jù)本發(fā)明的示例性成形陶瓷前體粒子300的示意透視圖；
[0061] 圖3B是根據(jù)本發(fā)明的示例性成形陶瓷磨粒350的示意透視圖；
[0062] 圖4是示例性成形陶瓷磨粒350的掃描電子顯微圖。
[0063] 圖5A是根據(jù)本發(fā)明的示例性成形陶瓷前體粒子500的示意透視圖；
[0064] 圖5B是根據(jù)本發(fā)明的示例性成形陶瓷磨粒550的示意透視圖
[0065] 圖6A-6G是根據(jù)本發(fā)明的示例性成形陶瓷磨粒的示意透視圖；
[0066] 圖7A是示例性成形陶瓷磨粒的掃描電子顯微圖，其中桿狀構(gòu)件在主體構(gòu)件的平面 外；
[0067] 圖7B是圖5A中示出的示例性成形陶瓷磨粒的放大視圖；
[0068] 圖8A是根據(jù)本發(fā)明的示例性成形陶瓷磨粒的示意透視圖；
[0069] 圖8B是根據(jù)圖8A所示實(shí)施例的示例性成形陶瓷磨粒的掃描電子顯微圖；
[0070] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的示例性粘結(jié)切割砂輪900的透視圖；
[0071 ]圖10是根據(jù)本發(fā)明的示例性涂覆磨料制品1000的側(cè)視圖；
[0072] 圖11是根據(jù)本發(fā)明的示例性涂覆磨料制品1100的側(cè)視圖；
[0073] 圖12A是根據(jù)本發(fā)明的示例性非織造磨料制品1200的透視圖；
[0074] 圖12B是圖12A中的區(qū)域12B的放大視圖；
[0075] 圖13和14分別是示出激光切割實(shí)例1和2的陶瓷前體材料層的結(jié)果的顯微照片；
[0076] 圖15是示出實(shí)例2中制備的成形陶瓷磨粒前體的掃描電子顯微圖；
[0077] 圖16是實(shí)例4中的切割激光所用束軌跡圖案的示意性平面圖；
[007引圖17A-17C是實(shí)例6中生成的各種粒子的掃描電子顯微圖；并且
[0079] 圖18A和18B是實(shí)例8中制備的成形陶瓷磨粒的掃描電子顯微圖。
[0080] 盡管上述各圖示出了本發(fā)明的若干實(shí)施例，但如論述中所述，也可W構(gòu)想出其他 實(shí)施例。在所有情況下，本公開(kāi)都是示例性而非限制性地示出本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的 技術(shù)人員可W設(shè)計(jì)出大量其他修改形式和實(shí)施例，運(yùn)些修改形式和實(shí)施例也在本發(fā)明的原 理的范圍和精神內(nèi)。附圖可能并未按比例繪制。
【具體實(shí)施方式】
[0081] 現(xiàn)在參見(jiàn)圖1A，在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性方法100中，陶瓷前體材料層140由載 體190支承。當(dāng)陶瓷前體材料層140通過(guò)激光束180時(shí)，激光束180形成穿過(guò)陶瓷前體材料層 140的切口 184(示于圖IB中），從而形成成形陶瓷前體粒子142,該前體粒子進(jìn)一步通過(guò)加熱 器150干燥并通過(guò)在漉195上方經(jīng)過(guò)而發(fā)生彎曲，導(dǎo)致干燥的成形陶瓷前體粒子144與載體 190分離。任選地般燒干燥的成形陶瓷前體粒子144,從而形成般燒過(guò)的干燥的成形陶瓷前 體粒子146,任選地用無(wú)機(jī)鹽浸潰并燒結(jié)，從而得到成形陶瓷磨粒160。雖然通常會(huì)干燥成形 陶瓷前體粒子142W便于處理，但運(yùn)并非必要的。類(lèi)似地，雖然通常會(huì)鍛燒干燥的成形陶瓷 前體粒子144并用無(wú)機(jī)稀±鹽浸潰所得的般燒過(guò)的干燥成形陶瓷前體粒子146W便于在燒 結(jié)前增加硬度，但運(yùn)些并非必要的。
[0082] 在激光僅部分穿透(例如刻痕于）陶瓷前體材料層140的實(shí)施例中，其形成潛在的 成形陶瓷前體粒子，該前體粒子在進(jìn)一步干燥并通過(guò)在漉195上方經(jīng)過(guò)而發(fā)生彎曲后，彼此 分離成為干燥的成形陶瓷前體粒子144。雖然圖IA的實(shí)施例中示出了漉，但將認(rèn)識(shí)到還可W 使用其他方法，例如通過(guò)脫粒桿或從桿或刀邊上掠過(guò)。
[0083] 在圖IA和IB所示實(shí)施例中，將陶瓷前體材料層140,即干燥和燒結(jié)時(shí)形成陶瓷材料 的材料(例如水軟侶石溶膠-凝膠層)涂覆到載體190上，但也可W采用其他方法。典型的涂 覆方法最適于其粘度低于激光切割（即，用激光束切割)步驟所需粘度的材料。因此，在激光 切割步驟前，通過(guò)加熱器115部分地干燥陶瓷前體材料層140。
[0084] 在圖IA和IB所述方法的變型中，激光束不切穿陶瓷前體材料層，而代之W僅部分 切穿或形成穿孔，由此在陶瓷前體材料層中形成刻痕線(xiàn)，從而形成有刻痕的陶瓷前體材料 層，任選地(例如使用加熱器和/或烘箱)進(jìn)一步干燥該前體材料層，然后沿刻痕線(xiàn)將其破裂 為干燥的成形陶瓷前體粒子。然后如圖IA中所述處理所得的干燥成形陶瓷前體粒子，從而 得到成形陶瓷磨粒。
[0085] 現(xiàn)在將更詳細(xì)地討論上述示例性方法。
[0086] 第一步驟設(shè)及在載體上涂覆陶瓷前體材料層(例如，包含陶瓷前體粒子的有晶種 或無(wú)晶種的分散體），其可最終轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾刹牧?。合適的陶瓷前體的例子包括:O-氧化侶前 體，例如氧化侶一水合物（例如水軟侶石）；W及氧化錯(cuò)前體和混合的氧化錯(cuò)-氧化侶前體， 例如美國(guó)專(zhuān)利No. 5，551，963化armie)中所述的那些。陶瓷前體粒子可W分散到包含揮發(fā)性 組分的液體(包括水）中或與該液體混合，但運(yùn)并非必要的。分散體和/或混懸液優(yōu)選地包含 足量的液體，使得分散體的粘度足夠低，W確保能夠在載體上良好涂覆，但液體的量不應(yīng)多 到使液體分散體的后續(xù)移除成本過(guò)于高昂。該分散體通常包含30至50重量％的陶瓷前體粒 子，W及50至70重量％的揮發(fā)性組分，但也可W采用其他重量比。所得成形陶瓷磨粒的物理 特性將大致取決于分散體中所