專利名稱：無(wú)定形材料和陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)定形材料和陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在已經(jīng)知道許多種無(wú)定形材料(包括玻璃)和陶瓷材料以及它們的制備方法。其中某些制備過(guò)程的終產(chǎn)品(即所需最終形式的產(chǎn)品)包括塊體形式，如磨料顆粒、切削工具、基底及其他結(jié)構(gòu)形式；膜，如涂層；顆粒，如逆反射珠和填料；或者是更復(fù)雜的形狀，如發(fā)動(dòng)機(jī)部件。某些情況下，用于制備特定無(wú)定形或陶瓷制品地原材料可以是具有與所得無(wú)定形或陶瓷制品相同組成的顆粒，而在其他情況下，原材料總體上產(chǎn)生所需的組成，但各原材料只提供了最終組成所必備的某些組分。
所需要的組成上及顯微結(jié)構(gòu)(如果存在的話)上的均勻程度取決于終產(chǎn)品及其用途。但通常希望組成和顯微結(jié)構(gòu)均勻。此外，還希望存在特定的組成和/或結(jié)晶和/或非結(jié)晶。另一方面，還希望所述材料具有一特定構(gòu)型(例如，球形顆粒)。
雖然有很多已知方法可以制備無(wú)定形材料制品和陶瓷制品，以及能作為原材料制備這些制品的無(wú)定形和陶瓷材料，但仍然希望繼續(xù)發(fā)現(xiàn)新的方法，以制備這些材料和具有所需特征或組成的材料。
發(fā)明概述
一方面，本發(fā)明提供了制備包含Al2O3的無(wú)定形材料(例如玻璃)的方法，該方法包括
熔制
(a)金屬M(fèi)(例如Al，Ca，Cu，Cr，F(xiàn)e，Li，Mg，Ni，Ag，Ti，Zr及其組合)的金
屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓，或它們的合金；
(b)下列物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M(例如，氧化鋁、氧化鈣、氧化銅、氧化鉻、氧化鐵、
氧化鋰、氧化鎂、氧化鎳、氧化銀、氧化鈦、氧化鋯以及它們的組
合)和氧化M(例如，氧化鋁、氧化鈣、氧化銅、氧化鉻、氧化鐵、
氧化鋰、氧化鎂、氧化鎳、氧化銀、氧化鈦、氧化鋯以及它們的組
合)之外的金屬氧化物源，只要它不是氧化M；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物(例如，復(fù)合氧化鎳·金屬氧化
物，復(fù)合氧化鈣·金屬氧化物，復(fù)合氧化銅·金屬氧化物，復(fù)合氧化鉻
·金屬氧化物，復(fù)合氧化鐵·金屬氧化物，復(fù)合氧化鋰·金屬氧化物，
復(fù)合氧化鎂·金屬氧化物，復(fù)合氧化銀·金屬氧化物，復(fù)合氧化鈦·金
屬氧化物，復(fù)合氧化鋯·金屬氧化物，以及它們的組合)以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化[某些實(shí)施方式中，最好幾乎所有的金屬M(fèi)(即至少95wt％，甚或至少99wt％)都氧化]，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
冷卻熔體，得到無(wú)定形材料。
在某些實(shí)施方式中，金屬微粒材料中的金屬M(fèi)占無(wú)定形材料中氧化M重量的至少10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％甚或至少50％。某些實(shí)施方式中，無(wú)定形材料可以存在于另一種材料中(例如，包含無(wú)定形材料的顆粒，包含無(wú)定形材料的陶瓷，等等)。某些實(shí)施方式中，熔體和無(wú)定形材料包含，或進(jìn)一步包含Y2O3、REO、ZrO2或HfO2中的至少一種。
在本申請(qǐng)中
“無(wú)定形材料”指來(lái)自熔體或蒸汽相的材料，該材料經(jīng)X-射線衍射測(cè)定，缺乏長(zhǎng)程晶體結(jié)構(gòu)，而且經(jīng)DTA(差熱分析)測(cè)定，具有對(duì)應(yīng)于無(wú)定形材料晶化時(shí)的放熱峰，如用本申請(qǐng)中“差熱分析”部分所描述的測(cè)試方法所測(cè)定的；
“陶瓷”包括無(wú)定形材料、玻璃、結(jié)晶陶瓷、玻璃陶瓷及其組合；
“復(fù)合金屬氧化物”指包含兩種或多種不同金屬元素和氧的金屬氧化物(例如，CeAl11O18、Dy3Al5O12、MgAl2O4和Y3Al5O12)；
“復(fù)合Al2O3·金屬氧化物”指理論解釋上包含Al2O3和一種或多種Al以外的金屬元素的復(fù)合金屬氧化物(例如，CeAl11O18、Dy3Al5O12、MgAl2O4和Y3Al5O12)；
“復(fù)合Al2O3·Y2O3”指理論解釋上包含Al2O3和Y2O3(例如Y3Al5O12)的復(fù)合金屬氧化物；
“復(fù)合Al2O3·REO”指理論解釋上包含Al2O3和稀土氧化物的復(fù)合金屬氧化物(例如CeAl11O18和Dy3Al5O12)；
“玻璃”指具有玻璃轉(zhuǎn)變溫度的無(wú)定形材料；
“玻璃陶瓷”指包含無(wú)定形材料經(jīng)熱處理形成的晶體的陶瓷；
“Tg”指玻璃轉(zhuǎn)變溫度，可用本發(fā)明“差熱分析”部分所述測(cè)試方法測(cè)定；
“Tx”指結(jié)晶溫度，可用本發(fā)明“差熱分析”部分所述測(cè)試方法測(cè)定；
“稀土氧化物”指氧化鈰(例如CeO2)、氧化鏑(例如Dy2O3)、氧化鉺(例如Er2O3)、氧化銪(例如Eu2O3)、氧化釓(例如Gd2O3)、氧化鈥(例如Ho2O3)、氧化鑭(例如La2O3)、氧化镥(例如Lu2O3)、氧化釹(例如Nd2O3)、氧化鐠(例如Pr6O11)、氧化釤(例如Sm2O3)、氧化鋱(例如Tb2O3)、氧化釷(例如Th4O7)、氧化銩(例如Tm2O3)和氧化鐿(例如Yb2O3)及其組合；
“REO”指稀土氧化物。
此外，在這里應(yīng)當(dāng)理解，除非指出金屬氧化物(例如Al2O3、復(fù)合Al2O3·金屬氧化物等)是晶體，例如玻璃陶瓷，它可以是無(wú)定形的、結(jié)晶的或部分無(wú)定形和部分結(jié)晶的。例如，倘若玻璃陶瓷包含Al2O3和ZrO2，Al2O3和ZrO2可以各自是無(wú)定形態(tài)、晶態(tài)或部分無(wú)定形態(tài)和部分晶態(tài)，甚或作為與另一種金屬氧化物的反應(yīng)產(chǎn)物[例如，除非指出Al2O3是Al2O3晶體或Al2O3的某種特定結(jié)晶(例如α-Al2O3)，它可以是Al2O3晶體和/或作為一種或多種結(jié)晶復(fù)合Al2O3·金屬氧化物的一部分]。
此外，應(yīng)當(dāng)理解，通過(guò)加熱不顯示Tg的無(wú)定形材料形成的玻璃陶瓷不一定非得包含玻璃，而是可以包含晶體和不顯示Tg的無(wú)定形材料。
另一方面，本發(fā)明提供了制備包含玻璃的制品的方法，所述玻璃包含Al2O3，該方法包括
熔制
(a)金屬M(fèi)(例如Al，Ca，Cu，Cr，F(xiàn)e，Li，Mg，Ni，Ag，Ti，Zr及其組合)的金
屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓，或它們的合金；
(b)下列物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M(例如，氧化鋁、氧化鈣、氧化銅、氧化鉻、氧化鐵、
氧化鋰、氧化鎂、氧化鎳、氧化銀、氧化鈦、氧化鋯以及它們的組
合)和氧化M(例如，氧化鋁、氧化鈣、氧化銅、氧化鉻、氧化鐵、
氧化鋰、氧化鎂、氧化鎳、氧化銀、氧化鈦、氧化鋯以及它們的組
合)，之外的金屬氧化物源只要它不是氧化M；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物(例如，復(fù)合氧化鎳·金屬氧化
物，復(fù)合氧化鈣·金屬氧化物，復(fù)合氧化銅·金屬氧化物，復(fù)合氧化鉻
·金屬氧化物，復(fù)合氧化鐵·金屬氧化物，復(fù)合氧化鋰·金屬氧化物，
復(fù)合氧化鎂·金屬氧化物，復(fù)合氧化銀·金屬氧化物，復(fù)合氧化鈦·金
屬氧化物，復(fù)合氧化鋯·金屬氧化物，以及它們的組合)以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化[某些實(shí)施方式中，最好幾乎所有的金屬M(fèi)(即至少95wt％，甚或至少99wt％)都氧化]，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
冷卻熔體，得到玻璃顆粒(例如珠子)，所述玻璃具有Tg；
在Tg以上加熱玻璃顆粒，以便玻璃顆粒聚結(jié)成一定形體；
冷卻該形體得到制品。
在某些實(shí)施方式中，金屬微粒材料中的金屬M(fèi)占無(wú)定形材料中氧化M重量的至少10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％甚或至少50％。某些實(shí)施方式中，熔體和玻璃包含，或進(jìn)一步包含，Y2O3、REO、ZrO2或HfO2中的至少一種。
另一方面，本發(fā)明提供了制備包含Al2O3的玻璃陶瓷的方法，該方法包括
熔制
(a)金屬M(fèi)(例如Al，Ca，Cu，Cr，F(xiàn)e，Li，Mg，Ni，Ag，Ti，Zr及其組合)的金
屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓，或它們的合金；
(b)下列物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M(例如，氧化鋁、氧化鈣、氧化銅、氧化鉻、氧化鐵、
氧化鋰、氧化鎂、氧化鎳、氧化銀、氧化鈦、氧化鋯以及它們的組
合)和氧化M(例如，氧化鋁、氧化鈣、氧化銅、氧化鉻、氧化鐵、
氧化鋰、氧化鎂、氧化鎳、氧化銀、氧化鈦、氧化鋯以及它們的組
合)之外的金屬氧化物源，只要它不是氧化M；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物(例如，復(fù)合氧化鎳·金屬氧化
物，復(fù)合氧化鈣·金屬氧化物，復(fù)合氧化銅·金屬氧化物，復(fù)合氧化鉻
·金屬氧化物，復(fù)合氧化鐵·金屬氧化物，復(fù)合氧化鋰·金屬氧化物，
復(fù)合氧化鎂·金屬氧化物，復(fù)合氧化銀·金屬氧化物，復(fù)合氧化鈦·金
屬氧化物，復(fù)合氧化鋯·金屬氧化物，以及它們的組合)以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化[某些實(shí)施方式中，最好幾乎所有的金屬M(fèi)(即至少95wt％，甚或至少99wt％)都氧化]，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
冷卻熔體，得到無(wú)定形材料；
對(duì)該無(wú)定形材料進(jìn)行熱處理，以便至少其中一部分轉(zhuǎn)變成玻璃陶瓷。
在某些實(shí)施方式中，金屬微粒材料中的金屬M(fèi)占無(wú)定形材料中氧化M重量的至少10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％甚或至少50％。某些實(shí)施方式中，無(wú)定形材料可以存在于另一種材料中(例如，包含無(wú)定形材料的顆粒，包含無(wú)定形材料的陶瓷，等等)。某些實(shí)施方式中，熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷包含，或進(jìn)一步包含Y2O3、REO、ZrO2或HfO2中的至少一種。
另一方面，本發(fā)明提供了制備包含玻璃的制品的方法，所述玻璃包含Al2O3，該方法包括
熔制
(a)金屬M(fèi)(例如Al，Ca，Cu，Cr，F(xiàn)e，Li，Mg，Ni，Ag，Ti，Zr及其組合)的金
屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓，或它們的合金；
(b)下列物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M(例如，氧化鋁、氧化鈣、氧化銅、氧化鉻、氧化鐵、
氧化鋰、氧化鎂、氧化鎳、氧化銀、氧化鈦、氧化鋯以及它們的組
合)和氧化M(例如，氧化鋁、氧化鈣、氧化銅、氧化鉻、氧化鐵、
氧化鋰、氧化鎂、氧化鎳、氧化銀、氧化鈦、氧化鋯以及它們的組
合)之外的金屬氧化物源，只要它不是氧化M；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物(例如，復(fù)合氧化鎳·金屬氧化
物，復(fù)合氧化鈣·金屬氧化物，復(fù)合氧化銅·金屬氧化物，復(fù)合氧化鉻
·金屬氧化物，復(fù)合氧化鐵·金屬氧化物，復(fù)合氧化鋰·金屬氧化物，
復(fù)合氧化鎂·金屬氧化物，復(fù)合氧化銀·金屬氧化物，復(fù)合氧化鈦·金
屬氧化物，復(fù)合氧化鋯·金屬氧化物，以及它們的組合)以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化[某些實(shí)施方式中，最好幾乎所有的金屬M(fèi)(即至少95wt％，甚或至少99wt％)都氧化]，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
冷卻熔體，得到玻璃顆粒(例如珠子)，所述玻璃具有Tg；
在Tg以上加熱玻璃顆粒，以便玻璃顆粒結(jié)合成形；
冷卻該形體得到包含玻璃的制品；
對(duì)制品進(jìn)行熱處理，以便至少其中一部分轉(zhuǎn)變成玻璃陶瓷。在某些實(shí)施方式中，金屬微粒材料中的金屬M(fèi)占無(wú)定形材料中氧化M重量的至少10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％甚或至少50％。某些實(shí)施方式中，熔體和玻璃包含，或進(jìn)一步包含Y2O3、REO、ZrO2或HfO2中的至少一種。
另一方面，本發(fā)明提供了制備包含Al2O3的磨料顆粒的方法，該方法包括
熔制
(a)金屬M(fèi)(例如Al，Ca，Cu，Cr，F(xiàn)e，Li，Mg，Ni，Ag，Ti，Zr及其組合)的金
屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓，或它們的合金；
(b)下列物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M(例如，氧化鋁、氧化鈣、氧化銅、氧化鉻、氧化鐵、
氧化鋰、氧化鎂、氧化鎳、氧化銀、氧化鈦、氧化鋯以及它們的組
合)和氧化M(例如，氧化鋁、氧化鈣、氧化銅、氧化鉻、氧化鐵、
氧化鋰、氧化鎂、氧化鎳、氧化銀、氧化鈦、氧化鋯以及它們的組
合)之外的金屬氧化物源，只要它不是氧化M；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物(例如，復(fù)合氧化鎳·金屬氧化
物，復(fù)合氧化鈣·金屬氧化物，復(fù)合氧化銅·金屬氧化物，復(fù)合氧化鉻
·金屬氧化物，復(fù)合氧化鐵·金屬氧化物，復(fù)合氧化鋰·金屬氧化物，
復(fù)合氧化鎂·金屬氧化物，復(fù)合氧化銀·金屬氧化物，復(fù)合氧化鈦·金
屬氧化物，復(fù)合氧化鋯·金屬氧化物，以及它們的組合)以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化[某些實(shí)施方式中，最好幾乎所有的金屬M(fèi)(即至少95wt％，甚或至少99wt％)都氧化]，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
冷卻熔體，得到無(wú)定形材料；
粉碎該無(wú)定形材料，得到包含無(wú)定形材料的顆粒；
對(duì)顆粒進(jìn)行熱處理，以便至少一部分無(wú)定形材料轉(zhuǎn)變成玻璃陶瓷，得到包含玻璃陶瓷的磨料顆粒。
在某些實(shí)施方式中，本發(fā)明方法還包括控制包含玻璃陶瓷的磨料顆粒的粒徑，得到大量具有指定標(biāo)稱粒徑的磨料顆粒，其中所述大量磨料顆粒中的至少一部分是大量包含玻璃陶瓷的磨料顆粒。在某些實(shí)施方式中，金屬微粒材料中的金屬M(fèi)占無(wú)定形材料中氧化M重量的至少10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％甚或至少50％。某些實(shí)施方式中，無(wú)定形材料可以存在于另一種材料中(例如，包含無(wú)定形材料的顆粒，包含無(wú)定形材料的陶瓷，等等)。某些實(shí)施方式中，熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷包含，或進(jìn)一步包含Y2O3、REO、ZrO2或HfO2中的至少一種。磨料顆粒可以用在磨具當(dāng)中，也可直接以疏松形式使用。
另一方面，本發(fā)明提供了制備包含Al2O3的磨料顆粒的方法，該方法包括
熔制
(a)金屬M(fèi)(例如Al，Ca，Cu，Cr，F(xiàn)e，Li，Mg，Ni，Ag，Ti，Zr及其組合)的金
屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓，或它們的合金；
(b)下列物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M(例如，氧化鋁、氧化鈣、氧化銅、氧化鉻、氧化鐵、
氧化鋰、氧化鎂、氧化鎳、氧化銀、氧化鈦、氧化鋯以及它們的組
合)和氧化M(例如，氧化鋁、氧化鈣、氧化銅、氧化鉻、氧化鐵、
氧化鋰、氧化鎂、氧化鎳、氧化銀、氧化鈦、氧化鋯以及它們的組
合)之外的金屬氧化物源，只要它不是氧化M；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物(例如，復(fù)合氧化鎳·金屬氧化
物，復(fù)合氧化鈣·金屬氧化物，復(fù)合氧化銅·金屬氧化物，復(fù)合氧化鉻
·金屬氧化物，復(fù)合氧化鐵·金屬氧化物，復(fù)合氧化鋰·金屬氧化物，
復(fù)合氧化鎂·金屬氧化物，復(fù)合氧化銀·金屬氧化物，復(fù)合氧化鈦·金
屬氧化物，復(fù)合氧化鋯·金屬氧化物，以及它們的組合)以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化[某些實(shí)施方式中，最好幾乎所有的金屬M(fèi)(即至少95wt％，甚或至少99wt％)都氧化]，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
將熔體轉(zhuǎn)變?yōu)榘瑹o(wú)定形材料的顆粒，所述轉(zhuǎn)變包括冷卻熔體，得到無(wú)定形材料；
對(duì)包含無(wú)定形材料的顆粒進(jìn)行熱處理，以便至少一部分無(wú)定形材料轉(zhuǎn)變成玻璃陶瓷，得到包含玻璃陶瓷的磨料顆粒。
在某些實(shí)施方式中，本發(fā)明方法還包括控制包含無(wú)定形材料的顆粒，以便加熱之后得到大量具有指定標(biāo)稱粒徑的顆粒，其中所述大量磨料顆粒的至少一部分是大量包含玻璃陶瓷的磨料顆粒。在某些實(shí)施方式中，該方法還包括控制包含玻璃陶瓷的磨料顆粒的粒徑，得到大量具有指定標(biāo)稱粒徑的磨料顆粒，其中所述大量磨料顆粒中的至少一部分是大量包含玻璃陶瓷的磨料顆粒。在某些實(shí)施方式中，金屬微粒材料中的金屬M(fèi)占無(wú)定形材料中氧化M重量的至少10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％甚或至少50％。某些實(shí)施方式中，無(wú)定形材料可以存在于另一種材料中(例如，包含無(wú)定形材料的顆粒，包含無(wú)定形材料的陶瓷，等等)。某些實(shí)施方式中，熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷包含，或進(jìn)一步包含Y2O3、REO、ZrO2或HfO2中的至少一種。磨料顆粒可以用在磨具當(dāng)中，也可以疏松形式使用。
本發(fā)明制備的無(wú)定形材料和玻璃陶瓷可以制成、形成或轉(zhuǎn)變成顆粒[例如玻璃珠(例如，直徑至少為1微米、5微米、10微米、25微米、50微米、100微米、150微米、250微米、500微米、750微米、1mm、5mm甚或至少10mm)]、制品(例如盤(pán)子)、纖維、顆粒和涂層(例如薄涂層)。無(wú)定形材料和/或玻璃陶瓷顆粒及纖維可作為，例如，復(fù)合物(例如陶瓷、金屬或聚合物基復(fù)合物)的絕熱材料、填料或增強(qiáng)材料。薄涂層可用作，例如，涉及磨損和熱控制應(yīng)用中的保護(hù)涂層。本發(fā)明制品的實(shí)施方式包括廚房用具(例如盤(pán)子)、牙托、增強(qiáng)纖維、刀具襯套、研磨材料和內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)組件(例如閥和軸承)。其他制品包括在主體或其他基底的外表面上具有陶瓷保護(hù)涂層的制品。
雖然不想受限于理論解釋，但可以認(rèn)為，金屬氧化反應(yīng)釋放的熱量對(duì)于形成均勻的熔體和無(wú)定形材料是有益的。例如，可以認(rèn)為，原料中的氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的額外熱量抵消了或最大程度降低了熱傳遞的不足，從而促進(jìn)了熔體的形成及均化，特別是在形成x、y和z方向上的尺寸大于150微米的無(wú)定形顆粒時(shí)。我們還認(rèn)為，所產(chǎn)生的額外熱量有助于推動(dòng)各種化學(xué)反應(yīng)和物理過(guò)程(例如致密化過(guò)程和球化過(guò)程)的完成。此外，可以認(rèn)為，對(duì)于某些實(shí)施方式，實(shí)際上是氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的額外熱量使形成熔體成為可能，否則，由于這些材料熔點(diǎn)高，熔體的形成難以進(jìn)行或?qū)嶋H不可行。此外，可以認(rèn)為，實(shí)際上是氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的額外熱量使形成無(wú)定形材料成為可能，否則，這些材料不可能形成或得不到所需尺寸范圍。在形成無(wú)定形材料時(shí)，本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是許多化學(xué)和物理過(guò)程，如熔制、致密化和球化可以在短時(shí)間內(nèi)完成，因而可以獲得非常高的驟冷速率。
材料在x、y和z方向上的尺寸可以通過(guò)目視或使用顯微鏡測(cè)定，取決于尺寸本身的尺度。舉例來(lái)說(shuō)，z尺寸可以是球的直徑、涂層厚度或棱形的最長(zhǎng)長(zhǎng)度。
附圖簡(jiǎn)述


圖1是經(jīng)過(guò)涂敷磨具的局部剖面簡(jiǎn)圖，所述磨具包含根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒；
圖2是粘合磨具的透視圖，所述磨具包含根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒；
圖3是非織構(gòu)磨具的放大簡(jiǎn)圖，所述磨具包含根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒。
發(fā)明祥述
從實(shí)用角度考慮(下同)，以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式中，至少包含35wt％(在某些實(shí)施方式中宜至少40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％甚或至少70wt％；某些實(shí)施方式中，宜在60-70wt％的范圍內(nèi))的Al2O3。
熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式包含Al2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中宜至少包含20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％甚或至少70wt％；某些實(shí)施方式中，宜在60-70wt％的范圍內(nèi))、Y2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))和ZrO2或HfO2中的至少一種(在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))，其中，以熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷的總重計(jì)，至少80wt％(在某些實(shí)施方式中，宜至少為85wt％、90wt％、95wt％、97wt％、98wt％、99wt％，甚至100wt％)的熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷共同包含Al2O3、Y2O3和ZrO2或HfO2中的至少一種。
熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式包含Al2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中宜至少包含20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％甚或至少70wt％；某些實(shí)施方式中，宜在60-70wt％的范圍內(nèi))、REO(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))和ZrO2或HfO2中的至少一種(在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))，其中，以熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷的總重計(jì)，至少80wt％(在某些實(shí)施方式中，宜至少為85wt％、90wt％、95wt％、97wt％、98wt％、99wt％，甚至100wt％)的熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷共同包含Al2O3、REO和ZrO2或HfO2中的至少一種。
熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式包含Al2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中宜至少包含20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％甚或至少70wt％；某些實(shí)施方式中，宜在60-70wt％的范圍內(nèi))、REO(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))、Y2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))和ZrO2或HfO2中的至少一種(在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))，其中，以熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷的總重計(jì)，至少80wt％(在某些實(shí)施方式中，宜至少為85wt％、90wt％、95wt％、97wt％、98wt％、99wt％，甚至100wt％)的熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷共同包含Al2O3、REO、Y2O3和ZrO2或HfO2中的至少一種。
以熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷的總重計(jì)，熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式至少包含20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％甚或至少70wt％(某些實(shí)施方式中，宜在60-70wt％的范圍內(nèi))的Al2O3和0-70wt％(在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))的Y2O3。
以熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷的總重計(jì)，熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式至少包含20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％甚或至少70wt％(某些實(shí)施方式中，宜在60-70wt％的范圍內(nèi))的Al2O3和0-70wt％(在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))的REO。
熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式包含Al2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中宜至少包含20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％甚或至少70wt％；某些實(shí)施方式中，宜在60-70wt％的范圍內(nèi))、REO(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))和ZrO2或HfO2中的至少一種(在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))，其中，以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，至少60wt％(在某些實(shí)施方式中，宜至少為65wt％、70wt％、75wt％、80wt％、85wt％、90wt％、95wt％、97wt％、98wt％、99wt％，甚至100wt％)的熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷共同包含Al2O3、REO和ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于20wt％(在某些實(shí)施方式中，低于15wt％、10wt％、5wt％甚至0)的SiO2，和低于20wt％(在某些實(shí)施方式中，低于15wt％、10wt％、5wt％甚至0)的B2O3。
熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式包含Al2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中宜至少包含20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％甚或至少70wt％；某些實(shí)施方式中，宜在60-70wt％的范圍內(nèi))、Y2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))和ZrO2或HfO2中的至少一種(在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))，其中，以熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷的總重計(jì)，至少60wt％(在某些實(shí)施方式中，宜至少為65wt％、70wt％、75wt％、80wt％、85wt％、90wt％、95wt％、97wt％、98wt％、99wt％，甚至100wt％)的熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷共同包含Al2O3、Y2O3和ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于20wt％(在某些實(shí)施方式中，低于15wt％、10wt％、5wt％甚至0)的SiO2，和低于20wt％(在某些實(shí)施方式中，低于15wt％、10wt％、5wt％甚至0)的B2O3。
熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式包含Al2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中宜至少包含20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％甚或至少70wt％；某些實(shí)施方式中，宜在60-70wt％的范圍內(nèi))、REO(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))和ZrO2或HfO2中的至少一種(在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))，其中，以熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷的總重計(jì)，至少60wt％(在某些實(shí)施方式中，宜至少為65wt％、70wt％、75wt％、80wt％、85wt％、90wt％、95wt％、97wt％、98wt％、99wt％，甚至100wt％)的熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷共同包含Al2O3、REO和ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于20wt％(在某些實(shí)施方式中，低于15wt％、10wt％、5wt％甚至0)的SiO2，和低于20wt％(在某些實(shí)施方式中，低于15wt％、10wt％、5wt％甚至0)的B2O3。
熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式包含Al2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中宜至少包含20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％甚或至少70wt％；某些實(shí)施方式中，宜在60-70wt％的范圍內(nèi))、Y2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))和ZrO2或HfO2中的至少一種(在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))，其中，以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，至少60wt％(在某些實(shí)施方式中，宜至少為65wt％、70wt％、75wt％、80wt％、85wt％、90wt％、95wt％、97wt％、98wt％、99wt％，甚至100wt％)的熔體、無(wú)定形材料和玻璃陶瓷共同包含Al2O3、Y2O3和ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于20wt％(在某些實(shí)施方式中，低于15wt％、10wt％、5wt％甚至0)的SiO2，和低于20wt％(在某些實(shí)施方式中，低于15wt％、10wt％、5wt％甚至0)的B2O3。
熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式包含Al2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中宜至少包含20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％甚或至少70wt％；某些實(shí)施方式中，宜在60-70wt％的范圍內(nèi))、REO(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))和ZrO2或HfO2中的至少一種(在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))，其中，以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，至少60wt％(在某些實(shí)施方式中，宜至少為65wt％、70wt％、75wt％、80wt％、85wt％、90wt％、95wt％、97wt％、98wt％、99wt％，甚至100wt％)的熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷共同包含Al2O3、REO和ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于40wt％(在某些實(shí)施方式中，低于35wt％、30wt％、25wt％、20wt％、15wt％、10wt％、5wt％甚至0)的SiO2、B2O3和P2O5。
熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式包含Al2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中宜至少包含20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％甚或至少70wt％；某些實(shí)施方式中，宜在60-70wt％的范圍內(nèi))、Y2O3(以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))和ZrO2或HfO2中的至少一種(在某些實(shí)施方式中，宜包含0-70wt％，在某些實(shí)施方式中，宜在0-50wt％范圍內(nèi)，更宜在0-25wt％范圍內(nèi)，最宜在0-10wt％范圍內(nèi))，其中，以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，至少60wt％(在某些實(shí)施方式中，宜至少為65wt％、70wt％、75wt％、80wt％、85wt％、90wt％、95wt％、97wt％、98wt％、99wt％，甚至100wt％)的熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷共同包含Al2O3、Y2O3和ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于40wt％(在某些實(shí)施方式中，低于35wt％、30wt％、25wt％、20wt％、15wt％、10wt％、5wt％甚至0)的SiO2、B2O3和P2O5。
任選地，如果這里所述的熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的實(shí)施方式?jīng)]有具體說(shuō)明，以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的實(shí)施方式包含不超過(guò)40wt％(在某些實(shí)施方式中，低于35wt％、30wt％、25wt％、20wt％、15wt％、10wt％、5wt％、4wt％、3wt％、2wt％、1wt％甚至0)的SiO2、B2O3和P2O5。
任選地，如果這里所述的熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的實(shí)施方式?jīng)]有具體說(shuō)明，以熔體、無(wú)定形材料或玻璃陶瓷的總重計(jì)，熔體、無(wú)定形材料(包括玻璃)及由它們制備的玻璃陶瓷的實(shí)施方式宜包含不超過(guò)20wt％(在某些實(shí)施方式中，低于15wt％、10wt％、5wt％、4wt％、3wt％、2wt％、1wt％甚至0)的As2O3、B2O3、GeO2、P2O5、SiO2、TeO2和V2O5。
通常，無(wú)定形材料和由其制備的玻璃陶瓷的實(shí)施方式具有彼此垂直的x、y和z三個(gè)維度，其中x、y和z三個(gè)方向上的尺寸各自至少為10微米、至少為25微米、至少為30微米、35微米、40微米、45微米、50微米、75微米、100微米、150微米、200微米、250微米、500微米、1000微米、2000微米、2500微米、1mm、5mm甚或至少為10mm。
舉例來(lái)說(shuō)，熔體可以通過(guò)加熱(包括火焰加熱或等離子體加熱)適當(dāng)?shù)慕饘傺趸镌?包括含有至少一種金屬M(fèi)的金屬微粒材料，所述金屬的氧化物生成焓是負(fù)的，或其合金)得到，所述熔體宜為均勻熔體。迅速冷卻熔體，得到無(wú)定形材料。雖然不想受限于理論解釋，但我們認(rèn)為金屬氧化反應(yīng)釋放的熱量對(duì)于形成熔體和無(wú)定形材料是有益的。例如，我們認(rèn)為原料中的氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的額外熱量抵消了或最大程度降低了熱傳遞的不足，從而促進(jìn)了熔體的形成及均化，特別是在形成直徑大于150微米的無(wú)定形顆粒時(shí)。我們還相信，所產(chǎn)生的額外熱量有助于推動(dòng)各種化學(xué)反應(yīng)和物理過(guò)程(例如致密化過(guò)程和球化過(guò)程)的完成。此外，我們認(rèn)為，對(duì)于某些實(shí)施方式，實(shí)際上是氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的額外熱量使形成熔體成為可能，否則，由于這些材料熔點(diǎn)高，熔體的形成難以進(jìn)行或?qū)嶋H不可行。此外，我們認(rèn)為，實(shí)際上是氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的額外熱量使形成無(wú)定形材料成為可能，否則，這些材料不可能形成或得不到所需尺寸范圍。在形成無(wú)定形材料時(shí)，原料在熱源中的停留時(shí)間宜為最佳停留時(shí)間。如果停留時(shí)間太短，則熔化可能不充分，且/或化學(xué)反應(yīng)可能無(wú)法完成。如果停留時(shí)間太長(zhǎng)，盡管熔化和化學(xué)反應(yīng)完成了，但熔化的材料在通過(guò)熱源時(shí)可能冷卻得更慢，因而驟冷速率太慢，不足以得到所需無(wú)定形材料。冷卻速率不宜低于50K/s。
所得無(wú)定形材料的某些實(shí)施方式通常是均勻的。另一方面，本發(fā)明方法的某些實(shí)施方式能提供大量無(wú)定形顆粒，這些顆粒彼此相對(duì)而言，通常是均勻的(例如，其組成相對(duì)而言是一樣的)。
某些實(shí)施方式中，金屬氧化物源(包括含有至少一種金屬M(fèi)的金屬微粒材料，所述金屬的氧化物生成焓是負(fù)的，或其合金)集聚形成顆粒(即，各種原料聚集形成顆粒)。
原料可以是結(jié)材料晶體和/或無(wú)定形材料。某些實(shí)施方式中，原料宜具有約20-200微米范圍內(nèi)的直徑。
某些實(shí)施方式中，所得材料宜包括分散在所得無(wú)定形材料中的金屬M(fèi)。在制備無(wú)定形材料時(shí)，用來(lái)制備無(wú)定形材料的金屬M(fèi)至少有95wt％甚或99wt％被氧化。
金屬微粒材料的顆粒尺寸通常在約10-100微米范圍內(nèi)，雖然更小或更粗的顆粒也可以使用。一般地，粗顆粒難于反應(yīng)完全，而非常細(xì)的金屬顆粒又難以處理。金屬微粒材料的優(yōu)選顆粒尺寸取決于(例如)金屬被氧化的難易程度。
一般地，金屬微粒材料占原料的約5-75wt％，雖然此范圍之外的量也可以采用。通常，如果加入的金屬太少，則金屬的氧化過(guò)程中釋放的熱量可能減少。相反，如果加入太多的金屬，則熔化過(guò)程中的金屬氧化反應(yīng)(即燃燒)變得太劇烈，可能引起其他不希望發(fā)生的過(guò)程，例如顆粒發(fā)生揮發(fā)和分裂。另一方面，存在于原料中的金屬材料通常為無(wú)定形材料提供約15-50％的相應(yīng)的金屬氧化物，氧化M，雖然更高的量也可以采用。金屬微粒材料的所需用量取決于(例如)金屬被氧化的難易程度、顆粒尺寸、所得金屬氧化物的化學(xué)計(jì)量和氧化過(guò)程中釋放的熱量。
使用一種以上的包含金屬M(fèi)的金屬材料也在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
有用的無(wú)定形材料包括共熔組合物或接近共熔的組合物(例如，二元或三元共熔組合物)。本領(lǐng)域技術(shù)人員了解本發(fā)明之后不難理解，除這里所述組合物外，其他組合物，如四元或其他高級(jí)共熔組合物，也可以使用。
Al2O3(基于理論解釋氧化物)的來(lái)源，包括商業(yè)來(lái)源，有礬土(包括天然礬土和合成礬土)、焙燒礬土、水合氧化鋁(例如勃姆石和水鋁礦)、鋁、拜耳法精煉礬土、鋁礦、γ氧化鋁、α氧化鋁、鋁鹽、硝酸鋁及其組合。Al2O3源可以包含，也可以只提供Al2O3?；蛘撸珹l2O3源可以包含或提供Al2O3，以及一種或多種Al2O3以外的金屬氧化物[包括復(fù)合Al2O3·金屬氧化物材料或包含復(fù)合Al2O3·金屬氧化物的材料(如Dy3Al5O12、Y3Al5O12、CeAl11O18等)]。
稀土氧化物的來(lái)源，包括商業(yè)來(lái)源，有稀土氧化物粉末、稀土金屬、稀土礦(例如氟碳鈰鑭礦和獨(dú)居石)、稀土鹽、稀土硝酸鹽和稀土碳酸鹽。稀土氧化物源可以包含，也可以只提供稀土氧化物，還可以提供一種或多種稀土氧化物之外的其他金屬氧化物[包括復(fù)合稀土氧化物·其他金屬氧化物材料或包含復(fù)合稀土氧化物·其他金屬氧化物的材料(例如Dy3Al5O12、CeAl11O18等)]。
Y2O3(基于理論解釋氧化物)的來(lái)源，包括商業(yè)來(lái)源，有氧化銥粉末、銥、銥礦和銥鹽(例如，碳酸銥、硝酸銥、氯化銥、氫氧化銥及其組合)。Y2O3源可以包含，也可以只提供Y2O3?；蛘?，Y2O3源可以包含或提供Y2O3，以及一種或多種Y2O3以外的金屬氧化物[包括復(fù)合Y2O3·金屬氧化物材料或包含復(fù)合Y2O3·金屬氧化物的材料(如Y3Al5O12)]。
ZrO2(基于理論解釋氧化物)的來(lái)源，包括商業(yè)來(lái)源，有氧化鋯粉末、鋯砂、鋯、鋯礦和鋯鹽(例如，碳酸鋯、乙酸鋯、硝酸鋯、氯化鋯、氫氧化鋯及其組合)。此外，ZrO2源可以包含，也可以只提供ZrO2，還可以包含其他金屬氧化物，如氧化鉿。HfO2的來(lái)源，包括商業(yè)來(lái)源，有氧化鉿粉末、鉿、鉿礦和鉿鹽。此外，HfO2源可以包含，也可以只提供HfO2，還可以包含其他金屬氧化物，如ZrO2。
其他有用的金屬氧化物(基于理論解釋氧化物)包括BaO、CaO、Cr2O3、CoO、Fe2O3、GeO2、Li2O、MgO、MnO、NiO、Na2O、Sc2O3、SrO、TiO2、ZnO及其組合。其來(lái)源，包括商業(yè)來(lái)源包括其氧化物自身、復(fù)合氧化物、礦、碳酸鹽、乙酸鹽、硝酸鹽、氯化物、氫氧化物等。加入這些金屬氧化物可以改善所得磨料顆粒的物理性質(zhì)并/或改進(jìn)加工性能。根據(jù)所需(例如)性質(zhì)，以玻璃陶瓷重量計(jì)，這些金屬氧化物可以0-50wt％之間的任何比例加入，某些實(shí)施方式中宜為0-25wt％，更宜為0-50wt％。
具體選擇金屬氧化物來(lái)源和其他添加劑根據(jù)本發(fā)明制備陶瓷時(shí)，通常要考慮以下方面，例如所得陶瓷的所需組成和顯微結(jié)構(gòu)、所需結(jié)晶度、所得陶瓷的所需物理性質(zhì)(例如硬度或韌性)(如果需要的話)，避免或盡可能減少不需要的雜質(zhì)，所得陶瓷的所需特征，和/或用于制備陶瓷的特定工藝(包括設(shè)備及擴(kuò)散和/或固化過(guò)程之前和/或當(dāng)中原料的任何純化操作)。
某些情況下，宜限量加入下述金屬氧化物Na2O、P2O5、SiO2、TeO2、V2O3及其組合。其來(lái)源，包括商業(yè)來(lái)源，有其氧化物自身、復(fù)合氧化物、礦、碳酸鹽、乙酸鹽、硝酸鹽、氯化物、氫氧化物等。加入這些金屬氧化物可以改善所得磨料顆粒的物理性質(zhì)并/或改進(jìn)加工性能。根據(jù)所需(例如)性質(zhì)，以玻璃陶瓷重量計(jì)，使用這些金屬氧化物時(shí)，可以加入0-20wt％，宜為0-5wt％，更宜為0-2wt％。
加入某些金屬氧化物可以改變玻璃陶瓷的性質(zhì)和/或晶體結(jié)構(gòu)或顯微結(jié)構(gòu)，以及制備玻璃陶瓷的原料和中間體的加工性能。例如，已經(jīng)觀察到，加入諸如MgO、CaO、Li2O和Na2O等氧化物可以改變無(wú)定形材料的Tg(對(duì)于玻璃而言)和Tx(其中Tx是結(jié)晶溫度)。雖然不想受限于理論解釋，但我們認(rèn)為，加入這些氧化物會(huì)影響玻璃的形成。此外，例如，加入這些氧化物可降低總體系的熔化溫度(例如降低體系的共熔溫度)，并使無(wú)定形材料的形成更容易。多組分體系(四元體系等)中存在復(fù)合共熔物可以改善無(wú)定形材料的形成能力。加入某些金屬氧化物，如MgO、CaO、Li2O和Na2O，可以影響液態(tài)熔體的粘度和玻璃在“操作”溫度范圍內(nèi)的粘度。向無(wú)定形材料中加入至少一種鹵素(例如氟和氯)或硫族化物(例如硫化物、硒化物和碲化物)，以及這樣制備的玻璃陶瓷，也包括在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
加入某些材料也會(huì)影響無(wú)定形材料和包含無(wú)定形材料的陶瓷的結(jié)晶過(guò)程。例如，某些金屬、金屬氧化物(例如鈦酸鹽和鈦酸鋯)和氟化物可以起成核劑的作用，導(dǎo)致晶體發(fā)生有益的異相成核。此外，加入某些氧化物會(huì)影響由無(wú)定形材料重新加熱而發(fā)生析晶形成的介穩(wěn)相的性質(zhì)。另一方面，對(duì)于包含結(jié)晶ZrO2的陶瓷，宜加入某些已知能穩(wěn)定四方型/立方型ZrO2的金屬氧化物(例如Y2O3、TiO2、CaO和MgO)。
具體選擇金屬氧化物來(lái)源和其他添加劑來(lái)根據(jù)本發(fā)明制備陶瓷時(shí)，通常要考慮以下方面，例如所得陶瓷的所需組成和顯微結(jié)構(gòu)、所需結(jié)晶度、所得陶瓷的所需物理性質(zhì)(例如硬度或韌性)(如果需要的話)，避免或盡可能減少不需要的雜質(zhì)，所得陶瓷的所需特征，和/或用于制備陶瓷的特定工藝(包括設(shè)備及擴(kuò)散和/或固化過(guò)程之前和/或當(dāng)中原料的任何純化操作)。
關(guān)于等離子體噴射的其他細(xì)節(jié)，可參見(jiàn)(例如)共同待批U.S.系列號(hào)(Attorney Docket No.57980US002)，與此申請(qǐng)同時(shí)提交。
快速冷卻也可在受控氣氛，如還原性、中性或氧化性氣氛中進(jìn)行，以保持和/或影響冷卻過(guò)程中所需氧化態(tài)等。所述氣氛也可以通過(guò)影響結(jié)晶動(dòng)力學(xué)來(lái)影響從過(guò)冷液體形成無(wú)定形材料。例如有報(bào)道稱，與在空氣中相比，在氬氣氣氛中，不結(jié)晶Al2O3的過(guò)冷度較大。
材料的顯微結(jié)構(gòu)或相組成(玻璃相/無(wú)定形/結(jié)晶)可以通過(guò)多種方法測(cè)定。例如，用光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、差熱分析(DTA)和X-射線衍射(XRD)可以獲得各種信息。
利用光學(xué)顯微鏡時(shí)，由于缺乏光散射中心，如晶體邊界，無(wú)定形材料一般基本上是透明的，而晶體材料則顯示結(jié)晶結(jié)構(gòu)，由于光散射效應(yīng)，它們是不透明的。
珠子的無(wú)定形百分產(chǎn)率可以利用-100+200目級(jí)分(即，用開(kāi)口尺寸為150微米-125微米的篩子之間收集的級(jí))來(lái)計(jì)算?？砂聪率龇绞竭M(jìn)行測(cè)量。在載玻片上鋪一單層珠子，用光學(xué)顯微鏡觀察珠子。利用光學(xué)顯微鏡目鏡上的十字準(zhǔn)星作為基準(zhǔn)，按直線排列的珠子可依據(jù)其光學(xué)透明度計(jì)作無(wú)定形或晶形?？偣矓?shù)500粒珠子，以無(wú)定形珠子數(shù)除以參與計(jì)數(shù)的總珠子數(shù)，就得到無(wú)定形百分產(chǎn)率。
用DTA時(shí)，如果與材料對(duì)應(yīng)的DTA曲線包含一個(gè)放熱結(jié)晶溫度(Tx)，則該材料歸為無(wú)定形。如果同一條曲線包含低于Tx的吸熱溫度(Tg)，則可認(rèn)為它包含玻璃相。如果材料的DTA曲線不含這些溫度，則可認(rèn)為它包含結(jié)晶。
差熱分析(DTA)可按如下方法進(jìn)行。DTA測(cè)試(所用儀器如NetzschInstruments，Selb，Germany生產(chǎn)的“NETZSCH STA 409 DTA/TGA”)，可以采用-140+170目級(jí)分(即用開(kāi)口尺寸為105微米-90微米的篩子之間收集的級(jí)分)。將一定量(通常約為400毫克)的過(guò)篩樣品置于100微升Al2O3樣品管中。在靜止空氣中，以10℃/分鐘的速率將每個(gè)樣品從室溫(約25°)加熱到1100℃。
用X-射線粉末衍射(XRD)方法分析時(shí)(所用衍射儀如Phillips，Mahwah，NJ生產(chǎn)的“PHILLIPS XRG 3100”，銅Kα1射線，1.54050)，通過(guò)比較結(jié)晶材料的XRD圖樣中的衍射峰和JCPDS(粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會(huì))數(shù)據(jù)庫(kù)(衍射數(shù)據(jù)國(guó)際中心出版)提供的結(jié)晶XRD圖樣，可以確定材料中存在的相。此外，XRD可用來(lái)定性確定相的類型。寬的發(fā)散峰的存在是無(wú)定形材料的特征。如果既存在寬峰，也存在尖銳峰，則表明在無(wú)定形基質(zhì)中存在結(jié)晶物質(zhì)。
初始形成的無(wú)定形材料或陶瓷(包括結(jié)晶之前的玻璃)可能比所需要的尺寸大。無(wú)定形材料或陶瓷可以利用本領(lǐng)域已知的粉碎和/或研磨技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾∑牧?，所述技術(shù)包括軋輥破碎、canary研磨、顎式破碎、錘磨、球磨、噴射研磨、沖擊破碎等。某些情況下，宜使用兩個(gè)或多個(gè)粉碎步驟。例如，形成陶瓷(固化)之后，它的形式可能比所需要的大。第一個(gè)粉碎步驟可以是將這些較大的團(tuán)或“塊”粉碎成小片。粉碎這些塊可以用錘磨、沖擊破碎或顎式破碎完成。然后可接著粉碎這些小片，使之具有所需粒徑分布。為了產(chǎn)生所需粒徑分布(有時(shí)稱作磨料粒度或粒級(jí))，可能需要進(jìn)行多步粉碎。通常要優(yōu)化粉碎條件，以得到所需顆粒形狀和粒徑分布。所得具有所需尺寸的顆粒如果太大，可再粉碎或“循環(huán)粉碎”，如果它們太小，則可用作再熔化的原料。
陶瓷(包括結(jié)晶之前的玻璃)的形狀取決于(例如)陶瓷的組成和/或顯微結(jié)構(gòu)、它冷卻時(shí)的幾何形式以及粉碎陶瓷的方法(即所用的粉碎技術(shù))。一般地，如果優(yōu)選“塊”狀，則可能需要更多的能量才能獲得這種形狀。反過(guò)來(lái)，如果優(yōu)選“尖”狀，則可能需要較少的能量獲得這種形狀。為獲得所需不同的形狀，也可以改變粉碎技術(shù)。對(duì)于某些顆粒(例如磨料顆粒)，通常希望平均縱橫比為1∶1-5∶1，某些實(shí)施方式中為1.25∶1-3∶1，甚或1.5∶1-2.5∶1。
直接形成所需形狀的陶瓷(包括結(jié)晶之前的玻璃)也包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，可以將熔體倒入模子形成(包括模制)陶瓷(包括結(jié)晶之前的玻璃)。
通過(guò)聚結(jié)制備陶瓷(包括結(jié)晶之前的玻璃)也包括在本發(fā)明范圍之內(nèi)。這個(gè)聚結(jié)步驟實(shí)質(zhì)上是由兩個(gè)或多個(gè)小顆粒形成尺寸較大的聚合體。例如，包含顆粒(例如通過(guò)粉碎獲得)的無(wú)定形材料(包括珠和微球)、纖維等可以形成較大的粒徑。例如，通過(guò)在Tg以上的溫度下加熱(例如)包含無(wú)定形材料的顆粒和/或纖維等，使顆粒等聚結(jié)成形，然后冷卻聚結(jié)成為形體，也可以得到陶瓷(包括結(jié)晶之前的玻璃)。聚結(jié)所用溫度和壓力取決于(例如)無(wú)定形材料的組成和所得材料的所需密度。溫度應(yīng)當(dāng)?shù)陀诓ＡЫY(jié)晶溫度，對(duì)于玻璃，應(yīng)當(dāng)高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度。對(duì)于有些實(shí)施方式，加熱在至少約850-1100℃范圍內(nèi)的某個(gè)溫度下進(jìn)行(在某些實(shí)施方式中，宜為900°-1000℃)。通常，無(wú)定形材料在聚結(jié)過(guò)程中處于一定壓力之下(例如0-1GPa及以上)，用以幫助無(wú)定形材料的聚結(jié)。一種實(shí)施方式中，將一定量的顆粒等置于模子中，在高于玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度下進(jìn)行熱壓，在此溫度下，玻璃的粘性流動(dòng)導(dǎo)致玻璃顆粒以較大程度的聚結(jié)。聚結(jié)技術(shù)的典型例子有熱壓、熱等靜壓、熱擠出等。一般情況下，宜在進(jìn)一步熱處理之前冷卻所得聚結(jié)體。如果需要熱處理的話，則熱處理之后，將聚結(jié)體粉碎成較小粒徑或所需粒徑分布。
再次進(jìn)行熱處理，以進(jìn)一步改善材料的所需性質(zhì)，也包括在本發(fā)明范圍之內(nèi)。例如，可通過(guò)熱等靜壓(例如在約900°-1400℃的溫度下)除去殘留孔隙，增加材料密度。也可以可對(duì)所得聚結(jié)制品進(jìn)行熱處理，以產(chǎn)生玻璃陶瓷、結(jié)晶陶瓷或另外包含結(jié)晶陶瓷的陶瓷。
無(wú)定形材料和/或玻璃陶瓷(例如顆粒)的聚結(jié)也可以通過(guò)各種方法完成，包括無(wú)壓或加壓燒結(jié)(例如燒結(jié)、等離子體燒結(jié)、熱壓、熱等靜壓、熱鍛、熱擠出等。)
熱處理可以通過(guò)各種方法進(jìn)行，包括本領(lǐng)域已知用于對(duì)玻璃進(jìn)行熱處理以提供玻璃陶瓷的那些方法。例如，熱處理可以批量進(jìn)行，例如用電阻加熱爐、感應(yīng)加熱爐或燃?xì)饧訜釥t?；蛘?，舉例來(lái)說(shuō)，熱處理可以利用轉(zhuǎn)窯連續(xù)進(jìn)行。對(duì)于轉(zhuǎn)窯，材料可在高溫下直接加到窯中。高溫持續(xù)的時(shí)間可以是幾秒—幾分—幾小時(shí)的范圍之內(nèi)。溫度可以是900°-1600℃，通常為1200°-1500℃范圍之內(nèi)的任何溫度。有的熱處理批量進(jìn)行(例如在成核步驟中)，而另外的熱處理則連續(xù)進(jìn)行(例如在晶體生長(zhǎng)步驟并為獲得所需密度)，也包括在本發(fā)明范圍之內(nèi)。對(duì)于成核步驟，溫度通常在約900°-1100℃范圍內(nèi)，在某些實(shí)施方式中，宜在約925°-1050℃范圍之內(nèi)。類似地，對(duì)于提高密度步驟，溫度通常在約1100°-1600℃，在某些實(shí)施方式中，宜在1200°-1500℃范圍內(nèi)。舉例來(lái)說(shuō)，此熱處理的進(jìn)行將材料輸入高溫爐中?；蛘?，例如，所述材料也可在低得多的溫度下(例如室溫)加到爐中，然后以預(yù)定加熱速率加熱到所需溫度。在空氣以外的氣氛中進(jìn)行熱處理也包括在本發(fā)明范圍之內(nèi)。在某些情況下，甚至需要在還原性氣氛中進(jìn)行熱處理。此外，例如，熱處理可能需要在諸如熱等靜壓或氣體壓力爐中那樣的氣體壓力下進(jìn)行。將所得制品或熱處理制品轉(zhuǎn)變(例如粉碎)成顆粒(例如磨料顆粒)包括在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
對(duì)無(wú)定形材料進(jìn)行熱處理，使之至少部分結(jié)晶，形成玻璃陶瓷。對(duì)某些玻璃進(jìn)行熱處理形成玻璃陶瓷在本領(lǐng)域是眾所周知的。成核和使玻璃陶瓷晶粒生長(zhǎng)的加熱條件對(duì)于各種玻璃都是已知的。另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員利用本領(lǐng)域已知技術(shù)研究玻璃的時(shí)間-溫度-轉(zhuǎn)變(TTT)之后，可以確定合適的條件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀本發(fā)明的介紹之后，應(yīng)當(dāng)能夠繪制本發(fā)明制備的無(wú)定形材料的TTT曲線，確定可以獲得磨料顆粒的玻璃陶瓷的合適成核和/或晶體生長(zhǎng)條件。
一般地，玻璃陶瓷比形成該玻璃陶瓷的無(wú)定形材料具有更高的強(qiáng)度。因此，材料的強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)，例如通過(guò)控制無(wú)定形材料轉(zhuǎn)變成結(jié)晶陶瓷相的程度。此外，材料強(qiáng)度還受到(例如)所形成的成核位點(diǎn)數(shù)目的影響，它反過(guò)來(lái)又影響結(jié)晶相晶粒數(shù)目和尺寸。有關(guān)形成玻璃陶瓷的其他細(xì)節(jié)可參見(jiàn)《玻璃陶瓷》，P.W.McMillan，Academic Press，Inc.，2nd edition，1979。
例如，在對(duì)根據(jù)本發(fā)明制備的、用于制備玻璃陶瓷的一些示例性無(wú)定形材料的熱處理過(guò)程中，在高于約900℃的溫度下觀察到這樣一些相的形成，如La2Zr2O7，如果存在ZrO2，還有立方/四方ZrO2，某些情況下還有單斜ZrO2。盡管不想受限于理論解釋，但我們認(rèn)為，與氧化鋯相關(guān)的相是從無(wú)定形材料成核的第一批相。Al2O3、ReAlO3(其中Re是至少一種稀土陽(yáng)離子)、ReAl11O18、Re3Al5O12、Y3Al5O12等相的形成據(jù)信通常在高于約925℃的溫度下發(fā)生。一般地，在此成核步驟中的晶體尺寸在納米級(jí)。例如，可以觀察到小至10-15納米的晶體。至少對(duì)于某些實(shí)施方式，在約1300℃熱處理1小時(shí)可以充分結(jié)晶。通常，對(duì)于每個(gè)成核和晶體生長(zhǎng)步驟，熱處理可持續(xù)幾秒(某些實(shí)施方式中甚至少于5秒)至幾分鐘至1小時(shí)甚至更長(zhǎng)。
所得晶體的大小一般可通過(guò)成核和/或結(jié)晶時(shí)間和/或溫度進(jìn)行至少部分控制。雖然通常優(yōu)選小晶體(例如不大于微米級(jí)，甚至不大于納米級(jí))，所制備的玻璃陶瓷的晶體尺寸可以大一些(例如至少1-10微米，至少10-25微米，至少50-100微米，甚或大于100微米)。雖然不想受限于理論解釋，在本領(lǐng)域一般都認(rèn)為晶體尺寸越小(密度相同)，陶瓷的機(jī)械性質(zhì)越好(例如硬度和強(qiáng)度)。
存在于玻璃陶瓷實(shí)施方式中的結(jié)晶的例子有Al2O3(例如α-Al2O3)、Y2O3、REO、HfO2、ZrO2(例如立方ZrO2和四方ZrO2)、BaO、CaO、Cr2O3、CoO、Fe2O3、GeO2、Li2O、MgO、MnO、NiO、Na2O、P2O5、Sc2O3、SiO2、SrO、TeO2、TiO2、V2O3、ZnO、“復(fù)合金屬氧化物”[包括“復(fù)合Al2O3·金屬氧化物”(例如復(fù)合Al2O3·REO(例如ReAlO3(例如GaAlO3LaAlO3)、ReAl11O18(例如LaAl11O18)和Re3Al5O12(例如Dy3Al5O12))，復(fù)合Al2O3·Y2O3(例如Y3Al5O12)和復(fù)合ZrO2·REO(例如Re2Zr2O7(例如La2Zr2O7)))]，以及它們的組合。
用其他陽(yáng)離子取代復(fù)合Al2O3·金屬氧化物(例如復(fù)合Al2O3·Y2O3(例如石榴石晶體結(jié)構(gòu)的鋁酸釔))中的部分釔和/或鋁離子也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，復(fù)合Al2O3·Y2O3中的部分Al離子可由下述離子中的至少一種取代Cr、Ti、Sc、Fe、Mg、Ca、Si、Co及其組合。例如，復(fù)合Al2O3·Y2O3中的部分Y離子可由下述離子中的至少一種取代Ce、Dy、Er、Eu、Gd、Ho、La、Lu、Nd、Pr、Sm、Th、Tm、Yb、Fe、Ti、Mn、V、Cr、Co、Ni、Cu、Mg、Ca、Sr及其組合。類似地，部分取代氧化鋁中的鋁離子也包括在本發(fā)明范圍之內(nèi)。例如，Cr、Ti、Sc、Fe、Mg、Ca、Si、Co可取代氧化鋁中的部分鋁。上述陽(yáng)離子取代可影響熔凝材料的性質(zhì)(例如硬度、韌度、強(qiáng)度、導(dǎo)熱性等)。
用其他陽(yáng)離子取代復(fù)合Al2O3·金屬氧化物(例如復(fù)合Al2O3·REO)中的部分稀土和/或鋁離子也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，復(fù)合Al2O3·REO中的部分Al離子可由下述離子中的至少一種取代Cr、Ti、Sc、Fe、Mg、Ca、Si、Co及其組合。例如，復(fù)合Al2O3·REO中的部分Y離子可由下述離子中的至少一種取代Y、Fe、Ti、Mn、V、Cr、Co、Ni、Cu、Mg、Ca、Sr及其組合。類似地，部分取代氧化鋁中的鋁離子也包括在本發(fā)明范圍之內(nèi)。例如，Cr、Ti、Sc、Fe、Mg、Ca、Si、Co可取代氧化鋁中的部分鋁。上述陽(yáng)離子取代可影響熔凝材料的性質(zhì)(例如硬度、韌度、強(qiáng)度、導(dǎo)熱性等)。
根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)E 112-96“確定平均顆粒尺寸的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定法”，平均晶粒尺寸可通過(guò)截距法測(cè)定。將樣品鑲裝在鑲裝樹(shù)脂中(例如以商品名“TRANSOPTICPOWDER”購(gòu)于Buehler，Lake Bluff，IL的樹(shù)脂)，通常鑲裝在直徑約2.5cm、高約1.9cm的樹(shù)脂圓塊中?？衫贸Ｒ?guī)拋光技術(shù)，用拋光劑(如以商品名“ECOMET3”購(gòu)于Buehler，Lake Bluff，IL的拋光劑)制備鑲裝品截面。用金剛石輪對(duì)樣品拋光約3分鐘，然后用45、30、15、9、3和1微米漿液各拋光5分鐘。在鑲裝好并拋光的樣品上濺射一薄層金-鈀，用掃描電鏡(如JEOL SEM Model JSM840A)觀察。利用樣品顯微結(jié)構(gòu)的典型背散射電子(BSE)顯微圖，按下述方法測(cè)定平均晶粒尺寸。沿顯微圖隨機(jī)畫(huà)一條直線，數(shù)出與單位長(zhǎng)度(NL)該直線相交的晶粒的數(shù)目。根據(jù)此數(shù)目，用下面的方程計(jì)算平均晶粒尺寸
平均晶粒尺寸＝1.5/NLM其中NL是與單位長(zhǎng)度直線相交的晶粒數(shù)目，M是顯微鏡的放大倍數(shù)。
玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式包括含有平均晶粒尺寸不大于150納米的α氧化鋁的玻璃陶瓷。
玻璃陶瓷的某些實(shí)施方式包括含有α氧化鋁的玻璃陶瓷，其中至少75％(以數(shù)目計(jì))(某些實(shí)施方式中宜為80％、85％、90％、95％或100％)的α氧化鋁的晶粒尺寸不大于200納米。
玻璃陶瓷的一些實(shí)施方式包括含有α氧化鋁、結(jié)晶ZrO2和第一復(fù)合Al2O3·Y2O3的玻璃陶瓷，其中α氧化鋁、結(jié)晶ZrO2或第一復(fù)合Al2O3·Y2O3至少有一個(gè)平均晶粒尺寸不大于150納米。某些實(shí)施方式中，玻璃陶瓷宜進(jìn)一步包含第二種不同的復(fù)合Al2O3·Y2O3。某些實(shí)施方式中，玻璃陶瓷宜進(jìn)一步包含復(fù)合Al2O3·REO。
玻璃陶瓷的一些實(shí)施方式包括含有第一種復(fù)合Al2O3·Y2O3、第二種不同的復(fù)合Al2O3·Y2O3和結(jié)晶ZrO2的玻璃陶瓷，其中第一復(fù)合Al2O3·Y2O3、第二復(fù)合Al2O3·Y2O3或結(jié)晶ZrO2中，至少有一個(gè)，其至少75％(以數(shù)目計(jì))(某些實(shí)施方式中宜為80％、85％、90％、95％或100％)的晶粒尺寸不大于200納米。某些實(shí)施方式中，玻璃陶瓷宜進(jìn)一步包含第二種不同的復(fù)合Al2O3·Y2O3。某些實(shí)施方式中，玻璃陶瓷宜進(jìn)一步包含復(fù)合Al2O3·REO。
玻璃陶瓷的一些實(shí)施方式包括含有α氧化鋁、結(jié)晶ZrO2和第一復(fù)合Al2O3·REO的玻璃陶瓷，其中α氧化鋁、結(jié)晶ZrO2或第一復(fù)合Al2O3·REO至少有一個(gè)，其平均晶粒尺寸不大于150納米。某些實(shí)施方式中，玻璃陶瓷宜進(jìn)一步包含第二種不同的復(fù)合Al2O3·REO。某些實(shí)施方式中，玻璃陶瓷宜進(jìn)一步包含復(fù)合Al2O3·Y2O3。
玻璃陶瓷的一些實(shí)施方式包括含有第一種復(fù)合Al2O3·REO、第二種不同的復(fù)合Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2的玻璃陶瓷，其中第一復(fù)合Al2O3·REO、第二復(fù)合Al2O3·REO或結(jié)晶ZrO2中，至少有一個(gè)，其至少75％(以數(shù)目計(jì))(某些實(shí)施方式中宜為80％、85％、90％、95％或100％)的晶粒尺寸不大于200納米。某些實(shí)施方式中，玻璃陶瓷宜進(jìn)一步包含復(fù)合Al2O3·Y2O3。
玻璃陶瓷的一些實(shí)施方式包括含有第一種復(fù)合Al2O3·Y2O3、第二種不同的復(fù)合Al2O3·Y2O3和結(jié)晶ZrO2的玻璃陶瓷，其中第一復(fù)合Al2O3·Y2O3、第二復(fù)合Al2O3·Y2O3或結(jié)晶ZrO2中，至少有一個(gè)，其平均晶粒尺寸不大于150納米。某些實(shí)施方式中，玻璃陶瓷宜進(jìn)一步包含第二種不同的復(fù)合Al2O3·Y2O3。某些實(shí)施方式中，玻璃陶瓷宜進(jìn)一步包含復(fù)合Al2O3·REO。
玻璃陶瓷的一些實(shí)施方式包括含有第一種復(fù)合Al2O3·Y2O3、第二種不同的復(fù)合Al2O3·Y2O3和結(jié)晶ZrO2的玻璃陶瓷，其中第一復(fù)合Al2O3·Y2O3、第二復(fù)合Al2O3·Y2O3或結(jié)晶ZrO2中，至少有一個(gè)，其至少75％(以數(shù)目計(jì))(某些實(shí)施方式中宜為80％、85％、90％、95％或100％)的晶粒尺寸不大于200納米。某些實(shí)施方式中，玻璃陶瓷宜進(jìn)一步包含復(fù)合Al2O3·REO。
玻璃陶瓷的一些實(shí)施方式包括含有第一種復(fù)合Al2O3·REO、第二種不同的復(fù)合Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2的玻璃陶瓷，其中第一復(fù)合Al2O3·REO、第二復(fù)合Al2O3·REO或結(jié)晶ZrO2中，至少有一個(gè)，其平均晶粒尺寸不大于150納米。某些實(shí)施方式中，玻璃陶瓷宜進(jìn)一步包含第二種不同的復(fù)合Al2O3·REO。某些實(shí)施方式中，玻璃陶瓷宜進(jìn)一步包含復(fù)合Al2O3·Y2O3。
玻璃陶瓷的一些實(shí)施方式包括含有第一種復(fù)合Al2O3·REO、第二種不同的復(fù)合Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2的玻璃陶瓷，其中第一復(fù)合Al2O3·REO、第二復(fù)合Al2O3·REO或結(jié)晶ZrO2中，至少有一個(gè)，其至少75％(以數(shù)目計(jì))(某些實(shí)施方式中宜為80％、85％、90％、95％或100％)的晶粒尺寸不大于200納米。某些實(shí)施方式中，玻璃陶瓷宜進(jìn)一步包含復(fù)合Al2O3·Y2O3。
某些實(shí)施方式中，磨料顆粒的玻璃陶瓷包含至少75％、80％、85％、90％、95％、97％、98％、99％或100％(體積)微晶，其中所述微晶的平均尺寸小于1微米。某些實(shí)施方式中，磨料顆粒的玻璃陶瓷包含至少75％、80％、85％、90％、95％、97％、98％、99％或100％(體積)微晶，其中所述微晶的平均尺寸小于0.5微米。磨料顆粒的玻璃陶瓷包含至少75％、80％、85％、90％、95％、97％、98％、99％或100％(體積)微晶，其中所述微晶的平均尺寸小于0.3微米。磨料顆粒的玻璃陶瓷包含至少75％、80％、85％、90％、95％、97％、98％、99％或100％(體積)微晶，其中所述微晶的平均尺寸小于0.15微米。
根據(jù)本發(fā)明用來(lái)提供玻璃陶瓷實(shí)施方式的方法制備無(wú)定形材料，對(duì)無(wú)定形材料進(jìn)行熱處理形成結(jié)晶，所述結(jié)晶可以是(例如)等軸、柱形或平板形的。
一般地，根據(jù)本發(fā)明方法制備的陶瓷的(真實(shí))密度(有時(shí)稱作比重)至少為理論解釋密度的70％。根據(jù)本發(fā)明方法制備的陶瓷的(真實(shí))密度宜至少為理論解釋密度的75％、80％、85％、90％、92％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％或100％。磨料顆粒的(真實(shí))密度至少為理論解釋密度的85％、90％、92％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％或100％。
本發(fā)明材料的平均硬度可按如下方法測(cè)定。將部分材料鑲裝在鑲裝樹(shù)脂中(例如以商品名“TRANSOPTIC POWDER”購(gòu)于Buehler，Lake Bluff，IL的樹(shù)脂)，通常鑲裝在直徑約2.5cm、高約1.9cm的樹(shù)脂圓塊中。可利用常規(guī)拋光技術(shù)，用拋光劑(如以商品名“ECOMET 3”購(gòu)于Buehler，Lake Bluff，IL的拋光劑)制備安鑲裝截面。用金剛石輪對(duì)樣品拋光約3分鐘，然后用45、30、15、9、3和1微米漿液各拋光5分鐘。利用常規(guī)微硬度測(cè)定儀(如以商品名“MITUTOYO MVK-VL”購(gòu)于Mitutoyo Corporation，Tokyo，Japan的測(cè)定儀)進(jìn)行微硬度測(cè)定，測(cè)定儀上裝有Vickers壓頭，壓頭負(fù)重100克。微硬度測(cè)定根據(jù)ASTM Test Method E384《材料微硬度測(cè)定方法(1991)》所述方法指導(dǎo)進(jìn)行。
某些實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明方法制備的玻璃陶瓷的平均硬度至少為12、13、14、15、16、17或18GPa。本發(fā)明制備的磨料顆粒的平均硬度至少為15GPa，某些實(shí)施方式中，至少為16GPa、17GPa或18GPa。
有關(guān)無(wú)定形材料、玻璃陶瓷的其他細(xì)節(jié)，包括其制備、使用和性質(zhì)，可參見(jiàn)提交于2001年8月2日的美國(guó)申請(qǐng)09/922526、09/922527和09/922530，以及同時(shí)提交的臨時(shí)申請(qǐng)Attorney Docket56931US005、56931US006、56931US008、56931US009、56931US010、57980US002和57981US002。
根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒通常包含微晶陶瓷，某些實(shí)施方式中，宜至少包含75vol％、80vol％、85vol％、90vol％、91vol％、92vol％、93vol％、94vol％、95vol％、96vol％、97vol％、98vol％、99vol％、99.5vol％或100vol％微晶陶瓷。
磨料顆?？梢匝b入磨具中，也可以取松散形式使用。磨具包含粘合劑和大量磨料顆粒，其中至少部分磨料顆粒是通過(guò)本發(fā)明方法制備的。磨具的例子有涂敷磨具、粘結(jié)磨具(例如研磨輪)、非織構(gòu)磨具和研磨刷。涂敷磨具通常包含具有第一和第二兩個(gè)相背主表面的背襯，有粘合劑和大量磨料顆粒至少在第一主表面的一部分上形成研磨層。
某些實(shí)施方式中，以磨具中磨料顆粒的總重計(jì)，磨具中至少有5wt％、10wt％、15wt％、20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％、70wt％、75wt％、80wt％、85wt％、90wt％、95wt％或100wt％的磨料顆粒是根據(jù)本發(fā)明的方法制備的。
在使用之前，通常要對(duì)磨料顆粒進(jìn)行分級(jí)，形成給定的顆粒尺寸分布。這種分布一般具有一個(gè)從粗顆粒到細(xì)顆粒的尺寸范圍。在研磨領(lǐng)域，此范圍有時(shí)分為“粗”級(jí)分、“中”級(jí)分和“細(xì)”級(jí)分。根據(jù)工業(yè)上接受的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分級(jí)的磨料顆粒，用數(shù)字范圍為每個(gè)標(biāo)稱級(jí)別指定顆粒尺寸分布。這種工業(yè)上接受的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(即指定標(biāo)稱級(jí)別)包括眾所周知的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ANSI)標(biāo)準(zhǔn)、歐洲研磨產(chǎn)品制造商聯(lián)合會(huì)(FEPA)標(biāo)準(zhǔn)和日本工業(yè)(JIS)標(biāo)準(zhǔn)。一方面，本發(fā)明提供了大量具有指定標(biāo)稱級(jí)別的磨料顆粒，其中至少一部分顆粒是根據(jù)本發(fā)明方法制備的。某些實(shí)施方式中，以磨料顆粒的總重計(jì)，所述大量磨料顆粒中至少有5wt％、10wt％、15wt％、20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％、70wt％、75wt％、80wt％、85wt％、90wt％、95wt％或100wt％是根據(jù)本發(fā)明方法制備的。
ANSI級(jí)別包括ANSI4、ANSI6、ANSI8、ANSI16、ANSI24、ANSI36、ANSI40ANSI50、ANSI60、ANSI80、ANSI100、ANSI120、ANSI150、ANSI180、ANSI220、ANSI240、ANSI280、ANSI320、ANSI360、ANSI400和ANSI600。包含本發(fā)明的磨料顆粒的ANSI級(jí)別優(yōu)選ANSI8-220。FEPA級(jí)別包括P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、P600、P800、PL000和P1200。包含本發(fā)明的磨料顆粒的FEPA級(jí)別優(yōu)選P12-P220。JIS級(jí)別包括JIS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000和JIS10000。包含本發(fā)明的磨料顆粒的JIS級(jí)別優(yōu)選JIS8-220。
粉碎并篩分之后，通常有多個(gè)不同的磨料顆粒尺寸分布或級(jí)別。這些級(jí)別在一定時(shí)間有可能與生產(chǎn)商或供應(yīng)商的需要不匹配。為最大程度減少存貨，可以將不合需求的級(jí)別里的顆粒重新熔化，形成無(wú)定形材料。此循環(huán)利用步驟可發(fā)生在粉碎步驟之后，此時(shí)顆粒為大塊狀或小片狀(有時(shí)稱作“細(xì)顆?！?，尚未篩分成一定分布。
另一方面，本發(fā)明提供了制備磨料顆粒的方法，所述方法包括對(duì)包含顆粒的無(wú)定形材料(例如玻璃)進(jìn)行熱處理，使至少部分無(wú)定形材料轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ沾?，形成包含玻璃陶瓷的磨料顆粒。本發(fā)明還提供了制備包含玻璃陶瓷的磨料顆粒的方法，所述方法包括對(duì)無(wú)定形材料進(jìn)行熱處理，使至少一部分無(wú)定形材料轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ沾?，粉碎所得?jīng)過(guò)熱處理的材料，形成磨料顆粒。在被粉碎時(shí)，玻璃傾向于形成比粉碎明顯結(jié)晶的玻璃陶瓷或結(jié)晶材料更尖銳的顆粒。
另一方面，本發(fā)明提供了磨料顆粒聚集體，每個(gè)磨料顆粒聚集體包含大量通過(guò)粘結(jié)劑結(jié)合起來(lái)的本發(fā)明方法制備的磨料顆粒。另一方面，本發(fā)明提供了包含粘合劑和大量磨料顆粒的磨具(例如涂敷磨具、粘合磨具(包括玻璃質(zhì)研磨輪、類樹(shù)脂研磨輪和粘結(jié)金屬研磨輪、切割輪、鑲嵌點(diǎn)和磨石)、非織構(gòu)磨具和研磨刷)，其中至少部分磨料顆粒是根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒(包括磨料顆粒聚集體)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員都熟悉含有磨料顆粒的磨具的制備和使用方法。此外，根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆?？捎糜谛枥媚チ项w粒的用途，如研磨化合物(例如拋光化合物)的漿液、磨介、噴沙清理介質(zhì)、振動(dòng)磨介等。
涂敷磨具通常包括一個(gè)背襯、磨料顆粒和至少一種將磨料顆粒固定在背襯上的粘合劑。所述背襯可以是任何合適的材料，包括布料、聚合物膜、纖維、非織造布、紙、它們的組合，以及經(jīng)過(guò)處理的上述材料。粘合劑可以是任何合適的粘合劑，包括無(wú)機(jī)或有機(jī)粘合劑(包括可熱固樹(shù)脂和可輻射固化樹(shù)脂)。磨料顆?？纱嬖谟谕糠竽ゾ叩囊粚踊騼蓪又?。
涂敷磨具的一個(gè)例子見(jiàn)圖1。如此圖所示，本發(fā)明經(jīng)涂敷磨具1有一個(gè)背襯(基底)2和研磨層3。研磨層3中有根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒4，這些磨料顆粒通過(guò)初始結(jié)合涂層5和脫結(jié)涂層6固定在背襯2的主表面上。某些情況下采用上膠結(jié)涂層(未示出)。
粘合磨具一般包括通過(guò)有機(jī)粘合劑、金屬粘合劑或玻璃質(zhì)粘合劑結(jié)合在一起的磨料顆粒的一個(gè)成形體。舉例來(lái)說(shuō)，這種成形體的形式可以是輪，如研磨輪或切割輪。研磨輪的直徑通常約為1cm-1米；切割輪的直徑約為1cm-80cm(更宜為3cm-50cm)。切割輪的厚度通常約為0.5mm-5cm，更宜約為0.5mm-2cm。舉例來(lái)說(shuō)，磨料顆粒的成形體也可以是磨石、片段、鑲嵌點(diǎn)、盤(pán)(例如雙面磨盤(pán))或其他常規(guī)粘合磨具形式。以粘合磨具的總體積計(jì)，粘合磨具通常包含約3-50vol％粘合材料、約30-90vol％磨料顆粒(或混合磨料顆粒)、高達(dá)50vol％添加劑(包括研磨助劑)和高達(dá)70vol％的孔隙。
優(yōu)選形式是研磨輪。圖2所示為研磨輪10，它包含根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒11，它是模制的輪，固定于轂12上。
非織構(gòu)磨具一般包含敞開(kāi)多孔疏松的聚合物纖物結(jié)構(gòu)，它含有根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒，所述顆粒通過(guò)有機(jī)粘合劑的粘合分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)當(dāng)中。纖維結(jié)構(gòu)的例子包括聚酯纖維、聚酰胺纖維和芳族聚酸胺纖維。圖3所示為典型的非織構(gòu)磨具放大約100倍后的簡(jiǎn)圖。本發(fā)明的這種非織構(gòu)磨具包含作為基底的纖維墊50，根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒52通過(guò)粘合劑54粘結(jié)到纖維墊上。
有用的研磨刷包括那些具有大量與背襯形成一體的硬毛的研磨刷(例如美國(guó)專利5427595(Pihl等)、5443906(Pihl等)、5679067(Johnson等)和5903951(Ionta等))。這樣的刷子宜通過(guò)注塑聚合物與磨料顆粒的混合物來(lái)制備。
用于制備磨具的合適的有機(jī)粘合劑包括熱固性有機(jī)聚合物。合適的熱固性有機(jī)聚合物的例子包括酚醛樹(shù)脂、脲甲醛樹(shù)脂、密胺甲醛樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、含有α，β-不飽和羰基側(cè)基的氨基塑料樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸化氨基甲酸酯、丙烯酸化環(huán)氧化合物及其組合。粘合劑和/或磨具也可以包含添加劑，如纖維、潤(rùn)滑劑、濕潤(rùn)劑、觸變材料、表面活性劑、顏料、染料、抗靜電劑(例如碳黑、氧化礬、石墨等)、偶聯(lián)劑(例如硅烷、鈦酸鹽、鋁鋯酸鹽等)、增塑劑、懸浮劑等。選擇這些任選添加劑的量，以獲得所需性質(zhì)。偶聯(lián)劑可增強(qiáng)磨料顆粒和/或填充劑的粘合性。粘合劑可以熱固化、輻射固化或兩種方法組合。有關(guān)粘合劑的其他細(xì)節(jié)可參見(jiàn)美國(guó)專利4588419(Caul等)、4751138(Tumey等)和5436063(Follett等)。
更具體地，至于玻璃質(zhì)研磨劑，具有無(wú)定形結(jié)構(gòu)并且通常較硬的玻璃質(zhì)粘合材料在本領(lǐng)域是人所共知的。某些情況下，玻璃質(zhì)粘合材料包括結(jié)晶材料。粘合的玻璃質(zhì)磨具可以是輪形(包括切割輪)、磨石、鑲嵌點(diǎn)或其他常規(guī)粘合磨具形狀。玻璃質(zhì)粘合磨具優(yōu)選研磨輪。
用來(lái)形成玻璃質(zhì)粘合材料的金屬氧化物的例子包括氧化硅、硅酸鹽、氧化鋁、蘇打、氧化鈣、氧化鉀、氧化鈦、氧化鐵、氧化鋅、氧化鋰、氧化鎂、氧化硼、硅酸鋁、硅硼酸鹽玻璃、硅酸鋰鋁玻璃及其組合等。一般地，玻璃質(zhì)粘合材料可由包含10-100％玻璃粉的組合物形成，但更宜用含20-80％或30-70％玻璃粉的組合物。玻璃質(zhì)粘合材料的剩余部分可以是非燒結(jié)玻璃料?；蛘?，玻璃質(zhì)粘合材料可由不含燒結(jié)玻璃料的組合物形成。玻璃質(zhì)粘合材料的典型熟化溫度范圍是約700°-1500℃，通常在約800°-1300℃范圍內(nèi)，有時(shí)在約900°-1200℃范圍內(nèi)，甚或在約950°-1100℃范圍內(nèi)。粘合熟化的實(shí)際溫度依賴于(例如)具體的粘合化學(xué)性質(zhì)。
玻璃質(zhì)粘合材料優(yōu)選那些包含氧化硅、氧化鋁(宜至少含10wt％氧化鋁)和氧化硼(宜至少含10wt％氧化硼)。多數(shù)情況下，玻璃質(zhì)粘合材料可進(jìn)一步包含堿金屬氧化物(例如Na2O和K2O)(某些情況下含至少10wt％堿金屬氧化物)。
粘合材料還可包含填充材料或研磨助劑，通常是顆粒材料形式。一般地，此顆粒材料是無(wú)機(jī)材料?？捎糜诒景l(fā)明的填充劑的例子包括金屬碳酸鹽(例如碳酸鈣(例如白堊、方解石、泥灰、石灰華、大理石和石灰石)、碳酸鈣鎂、碳酸鈉、碳酸鎂)、氧化硅(例如石英、玻璃珠、玻璃泡和玻璃纖維)、硅酸鹽(例如滑石、陶土、(蒙脫石)長(zhǎng)石、云母、硅酸鈣、原硅酸鈣、硅鋁酸鈉、硅酸鈉)、金屬硫酸鹽(例如硫酸鈣、硫酸鋇、硫酸鈉、硫酸鈉鋁、硫酸鋁)、石膏、蛭石、木粉、三水合鋁、碳黑、金屬氧化物(例如氧化鈣(生石灰)、氧化鋁、二氧化鈦))和金屬亞硫酸鹽(例如亞硫酸鈣)。
通常，加入研磨助劑可增加磨具的使用壽命。研磨助劑是對(duì)研磨的化學(xué)和物理過(guò)程有顯著影響的材料，能改善性能。雖然不想受限于理論解釋，但我們認(rèn)為研磨助劑可(a)減少磨料顆粒和被研磨工件之間的摩擦，(b)防止磨料顆?！吧w帽”(即防止金屬顆粒焊旬磨料顆粒頂部上)，或者至少可減少磨料顆粒蓋帽的傾向，(c)降低磨料顆粒和工件的界面溫度，(d)減少研磨力。
研磨助劑含有眾多的不同材料，可以無(wú)機(jī)物基的，也可以有機(jī)物基的。研磨助劑的例子有石蠟、有機(jī)鹵化物、鹵鹽和金屬及其合金。有機(jī)鹵化物通常在研磨期間分解，釋放出鹵酸或氣體鹵化物。這種材料的例子包括氯化石蠟，如四氯萘、五氯萘和聚氯乙烯。鹵鹽的例子包括氯化鈉、冰晶石鉀、冰晶石鈉、冰晶石銨、四氟硼酸鉀、四氟硼酸鈉、氟化硅、氯化鉀和氯化鎂。金屬的例子包括錫、鉛、鉍、鈷、銻、鎘和鐵、鈦。其他研磨助劑包括硫、有機(jī)硫化物、石墨和金屬硫化物。組合使用不同研磨助劑也在本發(fā)明范圍之內(nèi)，而且在某些情況下，這會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用。研磨助劑優(yōu)選冰晶石，最好是四氟硼酸鉀。
在涂敷磨具和粘合磨具中，研磨助劑尤其有用。在涂敷淹沒(méi)制品中，研磨助劑通常用在上膠結(jié)涂層中，它可施涂在磨料顆粒的表面上。但有時(shí)候，研磨助劑加于膠結(jié)涂層中。一般地，加到涂敷磨具中的研磨助劑的量約為50-300g/m2(宜為約80-160g/m2)。在玻璃質(zhì)粘合磨具中，研磨助劑通常嵌入制品的孔隙中。
磨具可100％包含根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒，或這種磨料顆粒與其他磨料顆粒和/或稀釋顆粒的混合物。不過(guò)，磨具中的磨料顆粒至少有約2wt％，宜至少有約5wt％，更宜至少有約30-100wt％是根據(jù)本發(fā)明方法制備的。在某些情況下，根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆?？膳c其他磨料顆粒和/或稀釋顆?；旌?，比例為5-75wt％、約為25-75wt％、約40-60wt％或約50-50wt％(即等重量)。合適的常規(guī)磨料顆粒的例子包括熔凝氧化鋁(包括白剛玉、熱處理氧化鋁和棕剛玉)、碳化硅、碳化硼、碳化鈦、金剛石、立方氮化硼、石榴石、熔凝氧化鋁-氧化鋯、溶膠-凝膠磨料顆粒等。溶膠-凝膠磨料顆?？梢杂梅N子形成，也可以不用種子形成。類似地，溶膠-凝膠磨料顆?？梢允请S和形狀，也可以具一定形狀，如棒形或三角形。溶膠-凝膠磨料顆粒的例子包括下述專利所述的顆粒美國(guó)專利4314827(Leitheiser等)、4518379(Leitheiser等)、4623364(Cottringer等)、4744802(Schwabel)、4770671(Monroe等)、4881951(Wood等)、5011508(Wald等)、5090968(Pellow)、5139978(Wood)、5201916(Berg等)、5227104(Bauer)、5366523(Rowenhorst等)、5429647(Larmie)、5498269(Larmie)和5551963(Larmie)。有關(guān)用氧化鋁粉末作原料制備的燒結(jié)氧化鋁磨料顆粒的其他細(xì)節(jié)還可參見(jiàn)，例如美國(guó)專利5259147(Falz)、5593467(Monroe)和5665127(Moltgen)。有關(guān)熔融磨料顆粒的其他細(xì)節(jié)可參見(jiàn)，例如美國(guó)專利1161620(Coulter)、1192709(Tone)、1247337(Saunders等)、1268533(Allen)、2424645(Baumann等)、3891408(Rowse等)、3781172(Pett等)、3893826(Quinan等)、4126429(Watson)、4457767(Poon等)、5023212(Dubots等)、5143522(Gibson等)和5336280(Dubots等)，及提交于2000年2月2日、美國(guó)序列號(hào)為09/495978，09/496638和09/496713的申請(qǐng)，提交于2000年1月19日、序列號(hào)為09/618876、09/618879、09/619106、09/619191、09/619192、09/619215、09/619289、09/619563、09/619729、09/619744和09/620262的申請(qǐng)，及提交于2001年1月30日、序列號(hào)為09/772730的申請(qǐng)。某些情況下，與包含100％單一類型磨料顆粒的磨具相比，由混合磨料顆粒可形成研磨性能得到改善的磨具。
對(duì)于混合磨料顆粒，形成混合物的各種磨料顆粒可以具有相同尺寸。或者，各種磨料顆粒也可以具有不同尺寸。例如，較大尺寸的磨料顆粒可以是根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒，而尺寸較小的顆粒是另一種類型的磨料顆粒。相反，例如，，較小尺寸的磨料顆?？梢允歉鶕?jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒，而尺寸較大的顆粒是另一種類型的磨料顆粒。
合適的稀釋顆粒的例子包括大理石、石膏、燧石、石英、氧化鐵、硅酸鋁、玻璃(包括玻璃泡和玻璃珠)、氧化鋁泡、氧化鋁珠和稀釋聚集體。根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒也可以結(jié)合到研磨聚集體中。研磨聚集體通常包含大量磨料顆粒、粘合劑和可用的添加劑。粘合劑可以是有機(jī)和/或無(wú)機(jī)粘合劑。研磨聚集體可以是任意形狀，也可以具有一定形狀。所述形狀可以是塊狀、柱狀、棱錐形、圓形、方塊形或類似形狀。研磨聚集體顆粒的顆粒尺寸通常為約100-5000微米，通常約為250-2500微米。有關(guān)研磨聚集體顆粒的其他細(xì)節(jié)可參見(jiàn)，例如美國(guó)專利4311489(Kressner)、4652275(Bloecher等)、4799939(Bloecher等)、5549962(Holmes等)和5975988(Christianson)，提交于2000年10月16日、序列號(hào)為09/688444和09/688484的美國(guó)申請(qǐng)。
磨料顆?？删鶆蚍稚⒂谀ゾ咧校部梢约性谀ゾ咧械倪x定區(qū)域或部分中。例如，在涂敷磨具中，可以有兩層磨料顆粒，第一層包含不是根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒，第二層(最外層)包含根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒。類似地在粘合磨具中，研磨輪可分為兩個(gè)不連續(xù)的部分，最外面部分可包含根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒，而最里面部分則不包含。根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆?？删鶆蚍稚⒃谡麄€(gè)粘合磨具中。
有關(guān)涂敷磨具的其他細(xì)節(jié)可參見(jiàn)，例如美國(guó)專利4734104(Broberg)、4737163(Larkey)、5203884(Buchanan等)、5152917(Pieper等)、5378251(Culler等)、5417726(Stout等)、5436063(Follett等)、5496386(Broberg等)、5609706(Benedict等)、5520711(Helmin)、5954844(Law等)、5961674(Gagliardi等)和5975988(Christinason)。有關(guān)粘合磨具的其他細(xì)節(jié)可參見(jiàn)，例如，美國(guó)專利4543107(Rue)、4741743(Narayanan等)、4800685(Haynes等)、4898597(Hay等)、4997461(Markhoff-Mantheny等)、5037453(Narayanan等)、5110332(Narayanan等)和5863308(Qi等)。有關(guān)玻璃質(zhì)粘合磨具的其他細(xì)節(jié)可參見(jiàn)，例如，美國(guó)專利4543107(Rue)、4898597(Hay等)、4997461(Markhoff-Mantheny等)、5094672(Giles Jr.等)、5118326(Sheldon等)、5131926(Sheldon等)、5203886(Sheldon等)、5282875(Wood等)、5738696(Wu等)和5863308(Qi)。有關(guān)非織構(gòu)磨具的其他細(xì)節(jié)可參見(jiàn)，例如，美國(guó)專利2958593(Hoover等)。
本發(fā)明提供了一種對(duì)表面研磨的方法，所述方法包括使工件表面與至少一種根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨具接觸；移動(dòng)此磨具或接觸表面，用以磨料顆粒研磨至少一部分所述表面。利用由本發(fā)明方法制備的磨料顆粒進(jìn)行研磨的方法包括從打磨(即高壓高磨削率)到拋光(例如用涂敷研磨帶對(duì)醫(yī)學(xué)移植材料進(jìn)行拋光)范圍內(nèi)的各種方法，其中后者通常用精細(xì)級(jí)別(例如小于ANSI220及更細(xì))的磨料顆粒。磨料顆粒也可用于精密研磨應(yīng)用中，如用玻璃質(zhì)粘合輪研磨凸輪軸。用于一具體研磨用途的磨料顆粒尺寸對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆?？梢杂糜诟赡?，也可用于濕磨。對(duì)于濕磨，可引入液體，液體可以從輕霧到瓢潑的形式提供。常用液體的例子包括水、水溶性油、有機(jī)潤(rùn)滑劑和乳液。液體可用來(lái)減少研磨過(guò)程中產(chǎn)生的熱量并/或用作潤(rùn)滑劑。液體可包含少量添加劑，如殺菌劑、消泡劑等。
根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨料顆粒可用來(lái)研磨工件，如金屬鋁、碳鋼、低碳鋼、工具鋼、不銹鋼、硬化鋼、鈦、玻璃、陶瓷、木材、類木材料、油漆、漆面、有機(jī)涂敷表面等。研磨過(guò)程中施加的力量通常在約1-100千克范圍內(nèi)。
舉例來(lái)說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明方法制備的無(wú)定形顆粒和玻璃陶瓷的實(shí)施方式，可用作聚合復(fù)合物、金屬?gòu)?fù)合物或陶瓷基質(zhì)復(fù)合物的填料，用作等離子體噴射的進(jìn)料顆?；蛴脕?lái)形成陶瓷材料的原料。其透明形式可用作逆反射珠。根據(jù)本發(fā)明方法制備的無(wú)定形顆粒和玻璃陶瓷的實(shí)施方式，可以粘彈性變形形成具有簡(jiǎn)單或復(fù)雜形狀的塊體材料。
下面的實(shí)施例將進(jìn)一步闡述本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施方式，但這些實(shí)施例中所引用的具體材料及其用量，以及其他條件和細(xì)節(jié)，不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限制。除非另外指出，所有的份和百分?jǐn)?shù)均以重量為基礎(chǔ)。除非另有說(shuō)明，所有實(shí)施例都不含顯著量的SiO2、B2O3、P2O5、GeO2、TeO2、As2O3和V2O5。
實(shí)施例
實(shí)施例1-6和比較例A、B和C
在250ml聚乙烯瓶(直徑7.3cm)中加入50克各種粉末的混合物(如表1所示，原料來(lái)源列于表2)、75克異丙醇和200克氧化鋁研磨介(圓柱形，高和直徑均為0.635cm；99.9％氧化鋁；得自Coors，Golden CO)。對(duì)聚乙烯瓶中的內(nèi)容物以60轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)的速度研磨16小時(shí)。研磨之后，除去研磨介，將漿液倒在溫?zé)?約75℃)的玻璃(“PYREX”)盤(pán)上，干燥。借助油漆刷，用70目篩子(開(kāi)孔尺寸212微米)對(duì)干燥混合物過(guò)篩。
研磨并過(guò)篩之后，將研磨過(guò)的進(jìn)料顆?；旌衔锞徛?0.5克/分鐘)送入氫氧焰火炬中，熔化顆粒。用來(lái)熔化顆粒并由此產(chǎn)生熔滴的火炬是購(gòu)于BethlehemApparatus Co.，Hellertown，PA的PM2D B型Bethlehem臺(tái)式爐。火炬中氫和氧的流量如下所述對(duì)于內(nèi)環(huán)，氫氣流量為8標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(SLPM)，氧氣流量為3.5SLPM。對(duì)于外環(huán)，氫氣流量為23SLPM，而氧氣流量為12SLPM。將干燥并分了級(jí)的顆粒緩慢(0.5克/分鐘)送入火炬的火焰中，所述火焰將顆粒熔化，然后將熔化的顆粒輸送到一傾斜的不銹鋼表面(約51厘米(20英寸)寬，坡度為45°)上，表面上有冷水流過(guò)(約8升/分鐘)，可快速對(duì)熔滴淬冷。將所得熔融并經(jīng)淬冷的顆粒收集在盤(pán)中，于110℃干燥。所述顆粒為球形，尺寸在幾微米到250微米之間，可以是透明(即無(wú)定形)和/或不透明的(即結(jié)晶)。
通過(guò)火焰形成的珠子的無(wú)定形百分產(chǎn)率可以利用-100+200目的尺寸級(jí)分(即，用開(kāi)口尺寸為150微米利125微米的兩個(gè)篩子收集的級(jí)分)來(lái)計(jì)算。可按下述方式進(jìn)行測(cè)量。在載玻片上鋪一單層珠子，用光學(xué)顯微鏡觀察珠子。利用光學(xué)顯微鏡目鏡上的十字準(zhǔn)星作為基準(zhǔn)，按直線排列的珠子可依據(jù)其光學(xué)透明度計(jì)作無(wú)定形或晶形?？偣矓?shù)500粒珠子，以無(wú)定形珠子數(shù)除以參與計(jì)數(shù)的總珠子數(shù)，就得到無(wú)定形百分產(chǎn)率。
表1
表2
實(shí)施例7和8及比較例D和E
實(shí)施例7和8及比較例D和E珠子按照上述實(shí)施例1-6和比較例A、B和C制備，不同的是原料用量列于表3，原料來(lái)源列于表4，氫焰直接射向位于19升(5加侖)圓柱形容器(直徑30厘米，高34厘米)中并劇烈流動(dòng)的循環(huán)水，循環(huán)水對(duì)熔滴快速淬冷。火焰撞擊水的角度約為45°，火焰長(zhǎng)度，即爐子到水表面的距離約為18厘米。通過(guò)火焰形成的珠子的無(wú)定形百分產(chǎn)率可以利用實(shí)施例1-6和比較例A、B和C所用相同的方法計(jì)算。實(shí)施例7和8及比較例D和E的無(wú)定形百分產(chǎn)率數(shù)據(jù)和組成的信息一道列于表3。
表3
表4
實(shí)施例9和比較例F
實(shí)施例9及比較例F珠子按照上述實(shí)施例7和8及比較例D和E制備，不同的是原料用量列于表5，原料來(lái)源列于表6。通過(guò)火焰形成的珠子的無(wú)定形百分產(chǎn)率可以利用實(shí)施例1-6和比較例A、B和C所用相同的方法計(jì)算。實(shí)施例9及比較例F的無(wú)定形百分產(chǎn)率數(shù)據(jù)和組成的信息一道列于表5。
表5
表6
相組成(玻璃相/無(wú)定形相/結(jié)晶)通過(guò)差熱分析(DTA)測(cè)定。如果與材料對(duì)應(yīng)的DTA曲線包含一個(gè)放熱結(jié)晶溫度(Tx)，則該材料歸為無(wú)定形。如果同一條曲線包含低于Tx的吸熱溫度(Tg)，則認(rèn)為它包含玻璃相。如果材料的DTA曲線不含這些的溫度，則可認(rèn)為它包含結(jié)晶。
對(duì)實(shí)施例9的珠子利用下述方法進(jìn)行差熱分析(DTA)。DTA測(cè)試(所用儀器為Netzsch Instruments，Selb，Germany生產(chǎn)的“NETZSCH STA 409 DTA/TGA”)可以采用-140+170目尺寸級(jí)分(即用開(kāi)口尺寸為105微米和90微米的兩個(gè)篩子收集的級(jí)分)。將一定量(通常約為400毫克)的每種過(guò)篩樣品置于100毫升Al2O3樣品管中。在靜止空氣中，以10℃/分鐘的速率將每個(gè)樣品從室溫(約25℃)加熱到1100℃。
實(shí)施例9制備的珠子的DTA曲線在約894℃的附近顯示吸熱，如曲線上存在一個(gè)向下的變化所證實(shí)的。我們認(rèn)為此現(xiàn)象是由玻璃材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)引起的。同一材料在約943℃顯示放熱，如曲線上的一個(gè)尖銳峰所證實(shí)的。我們認(rèn)為此現(xiàn)象是材料的結(jié)晶過(guò)程(Tx)所引起的。因此，該材料經(jīng)測(cè)定為玻璃相。
實(shí)施例9的玻璃態(tài)珠子可通過(guò)在電熱爐中于1300℃熱處理1小時(shí)而發(fā)生結(jié)晶過(guò)程。用光學(xué)顯微鏡觀察到熱處理所得珠子是不透明的，(在熱處理之前，珠子是透明的)。我們認(rèn)為，熱處理過(guò)的珠子不透明是珠子發(fā)生結(jié)晶的結(jié)果。由于缺乏光散射中心，如晶粒間界，無(wú)定形材料(包括玻璃相材料)一般基本上是透明的，而結(jié)晶材料則由于晶粒間界的光散射效應(yīng)，是不透明的。
將部分經(jīng)結(jié)晶的顆粒鑲裝在鑲裝樹(shù)脂中(例如以商品名“TRANSOPTICPOWDER”購(gòu)于Buehler，Lake Bluff，IL的樹(shù)脂)，通常鑲裝在直徑約2.5cm、高約1.9cm的樹(shù)脂圓塊中?？衫贸Ｒ?guī)拋光技術(shù)，用拋光劑(如以商品名“ECOMET3”購(gòu)于Buehler，Lake Bluff，IL的拋光劑)制備鑲裝截面。用金剛石輪對(duì)樣品拋光約3分鐘，然后用45、30、15、9、3和1微米漿液各拋光5分鐘。在鑲裝好并拋了光的樣品上濺射一薄層金-鈀，用掃描電鏡(如JEOL SEM ModelJSM 840A)觀察。利用SEM的背散射電子(BSE)圖像模式進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)樣品的顯微結(jié)構(gòu)不含超過(guò)200納米的晶體。
實(shí)施例10和11及比較例G和H
實(shí)施例10和11及比較例G和H珠子按照上述實(shí)施例7和8及比較例D和E制備，不同的是原料用量列于表7，原料來(lái)源列于表8。通過(guò)火焰形成的珠子的無(wú)定形百分產(chǎn)率可以利用實(shí)施例1-6和比較例A、B和C所用相同的方法計(jì)算。實(shí)施例10和11及比較例G和H的無(wú)定形百分產(chǎn)率數(shù)據(jù)與組成的信息一道列于表7。
表7
表8
實(shí)施例12
實(shí)施例12珠子按照上述實(shí)施例7和8及比較例D和E制備，不同的是原料用量列于表9，原料來(lái)源列于表10。通過(guò)火焰形成的珠子的無(wú)定形百分產(chǎn)率可以利用實(shí)施例1-6和比較例A、B和C所用相同的方法計(jì)算。實(shí)施例12的無(wú)定形百分產(chǎn)率數(shù)據(jù)組成的信息一道列于表9。
表9
表10
實(shí)施例12制備的珠子的DTA曲線如實(shí)施例9所述測(cè)定。所述DTA曲線在約900℃的附近顯示吸熱，如曲線上存在一個(gè)向下的變化所證實(shí)的。我們認(rèn)為此現(xiàn)象是由玻璃材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)引起的。同一材料在約935℃顯示放熱，如曲線上的一個(gè)尖銳峰所證實(shí)的。我們認(rèn)為此現(xiàn)象是材料的結(jié)晶化(Tx)所引起的。因此，該材料經(jīng)測(cè)定為玻璃相。
實(shí)施例12的玻璃態(tài)珠子可使其在電熱爐中于1300℃熱處理1小時(shí)而進(jìn)行結(jié)晶化。光學(xué)顯微鏡觀察到熱處理所得珠子是不透明的，(在熱處理之前，珠子是透明的)。我們認(rèn)為，熱處理過(guò)的珠子不透明是珠子發(fā)生結(jié)晶化的結(jié)果。由于缺乏光散射中心，如晶粒間界，無(wú)定形材料(包括玻璃相材料)一般基本上是透明的，而晶體材料則由于晶粒間界的光散射效應(yīng)，是不透明的。
實(shí)施例13
實(shí)施例13珠子可按照上述實(shí)施例7和8及比較例D和E制備，不同的是原料用量列于表11，原料來(lái)源列于表12。通過(guò)火焰形成的珠子的無(wú)定形百分產(chǎn)率可以利用實(shí)施例1-6和比較例A、B和C所用相同的方法計(jì)算。實(shí)施例13的無(wú)定形百分產(chǎn)率數(shù)據(jù)和組成的信息一道列于表11。
表11
表12
實(shí)施例13制備的珠子的DTA曲線如實(shí)施例9所述測(cè)定。所述DTA曲線在約880℃的附近顯示吸熱，如曲線上存在一個(gè)向下的變化所證實(shí)的。我們認(rèn)為此現(xiàn)象是由玻璃材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)引起的。同一材料在約933℃所顯示放熱，如曲線上的一個(gè)尖銳峰所證實(shí)的。我們認(rèn)為此現(xiàn)象是材料的結(jié)晶化(Tx)所引起的。因此，該材料經(jīng)測(cè)定為玻璃相。
實(shí)施例13的玻璃態(tài)珠子讓其在電熱爐中于1300℃熱處理1小時(shí)而結(jié)晶化。用X-射線粉末衍射(XRD)法(所用衍射儀是Phillips，Mahwah，NJ生產(chǎn)的“PHILLIPS XRG 3100”，銅Kα1射線，1.54050)測(cè)定結(jié)晶化珠子中存在的相。通過(guò)比較結(jié)晶材料的XRD圖樣中的衍射峰和JCPDS(粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會(huì))數(shù)據(jù)庫(kù)(衍射數(shù)據(jù)國(guó)際中心出版)提供的結(jié)晶相XRD圖樣，測(cè)定所述相。測(cè)出結(jié)晶物質(zhì)包括LaAlO3、ZrO2(立方相、四方相)、LaAl11O18和過(guò)渡Al2O3相。
將實(shí)施例13中制備的玻璃相珠子約25克置于石墨模子中，用單軸壓機(jī)(以商品名“HP-50”購(gòu)于Thermal Technology Inc.，Brea，CA)進(jìn)行熱壓。熱壓在氬氣氣氛和13.8兆帕(MPa)(2000磅/平方英寸或2ksi)的壓力下進(jìn)行。熱壓爐以25℃/分鐘的速度逐漸升溫至970℃。所得透明圓盤(pán)直徑約34毫米(mm)，厚度約6mm，用“Chipmunk”顎式粉碎機(jī)(BICO Inc.，Burbank，CA生產(chǎn)的VD型粉碎機(jī))將圓盤(pán)粉碎成磨料顆粒，并分級(jí)成-30+35目級(jí)分(即用開(kāi)口尺寸在600微米和500微米的兩個(gè)篩子收集的級(jí)分)和-35+40目級(jí)分(即用開(kāi)口尺寸在500微米和425微米的兩個(gè)篩子收集的級(jí)分)。
分了級(jí)的磨料顆粒通過(guò)在電熱爐中于1300℃熱處理45分鐘而結(jié)晶化。所得顆粒是不透明/結(jié)晶顆粒，如用光學(xué)顯微鏡所觀察到的。
將部分結(jié)晶化的顆粒如實(shí)施例9和比較例F所述鑲裝在鑲裝樹(shù)脂中。利用SEM的背散射電子(BSE)圖像模式進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)樣品的顯微結(jié)構(gòu)不含超過(guò)200納米的晶體。
實(shí)施例14-17
實(shí)施例14-17珠子按照上述實(shí)施例7和8及比較例D和E制備，不同的是原料用量列于表13，原料來(lái)源列于表14。通過(guò)火焰形成的珠子的無(wú)定形百分產(chǎn)率可以利用實(shí)施例1-6和比較例A、B和C所用相同的方法計(jì)算。實(shí)施例14-17的無(wú)定形百分產(chǎn)率數(shù)據(jù)和組成的信息一道列于表13。
表13
表14
在不背離本發(fā)明范圍和宗旨的情況下，對(duì)本發(fā)明的各種改進(jìn)和變化對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)都是顯而易見(jiàn)的。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不受上面所列闡釋性實(shí)施方式的不當(dāng)限制。
權(quán)利要求
1.制備包含Al2O3的無(wú)定形材料的方法，所述方法包括
熔制
(a)包含至少一種金屬M(fèi)或它們的合金的金屬微粒材料，它具有負(fù)的氧
化物生成焓；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M和氧化M之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
冷卻熔體，得到無(wú)定形材料。
2.制備無(wú)定形材料的方法，所述方法包括
熔化
(a)包含Al或其合金的金屬微粒材料；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化Al和氧化Al之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含氧化Al的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分Al被氧化；
冷卻熔體，得到無(wú)定形材料。
3.權(quán)利要求2所述方法，其特征在于所述無(wú)定形材料是玻璃。
4.權(quán)利要求3所述方法，其特征在于所述玻璃包含60-70wt％的Al2O3基于玻璃總重。
5.權(quán)利要求3所述方法，其特征在于所述包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物是復(fù)合Al2O3·金屬氧化物。
6.權(quán)利要求3所述方法，其特征在于熔體和玻璃各自包含Al2O3、Y2O3，ZrO2或HfO2中的至少一種，以熔體和玻璃總重計(jì)，其中至少80wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、Y2O3，ZrO2或HfO2中的至少一種。
7.權(quán)利要求3所述方法，其特征在于熔體和玻璃各自包含Al2O3、REO，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，以熔體和玻璃總重計(jì)，其中至少80wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、REO，以及ZrO2或HfO2中的至少一種。
8.權(quán)利要求3所述方法，其特征在于熔體和玻璃各自包含Al2O3、REO、Y2O3，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，以熔體和玻璃總重計(jì)，其中至少80wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、REO、Y2O3，以及ZrO2或HfO2中的至少一種。
9.權(quán)利要求3所述方法，其特征在于熔體和玻璃包含Al2O3、REO，ZrO2或HfO2中的至少一種，其中，以熔體和玻璃的總重計(jì)，至少60wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、REO，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于20wt％的SiO2和低于20wt％的B2O3。
10.權(quán)利要求3所述方法，其特征在于熔體和玻璃包含Al2O3、Y2O3，ZrO2或HfO2中的至少一種，其中，以熔體和玻璃的總重計(jì)，至少60wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、Y2O3，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于20wt％的SiO2和低于20wt％的B2O3。
11.權(quán)利要求3所述方法，其特征在于熔體和玻璃包含Al2O3、REO，ZrO2或HfO2中的至少一種，其中，以熔體和玻璃的總重計(jì)，至少60wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、REO，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于40wt％的SiO2、B2O3和P2O5。
12.權(quán)利要求3所述方法，其特征在于熔體和玻璃包含Al2O3、Y2O3，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，其中，以熔體和玻璃的總重計(jì)，至少60wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、Y2O3，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于40wt％的SiO2、B2O3和P2O5。
13.制備包含玻璃的陶瓷的方法，所述玻璃包含Al2O3，該方法包括
熔制
(c)包含至少一種金屬M(fèi)或它們的合金的金屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓；
(d)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M和氧化M之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
冷卻熔體得到陶瓷，其中至少一部分熔體形成玻璃。
14.制備包含玻璃的陶瓷的方法，該方法包括
熔化
(a)包含Al或其合金的金屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化Al和氧化Al之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含Al的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分Al被氧化；
冷卻熔體得到陶瓷，其中至少一部分熔體形成玻璃。
15.制備包含玻璃的制品的方法，所述玻璃包含Al2O3，該方法包括
熔制
(a)包含至少一種金屬M(fèi)或它們的合金的金屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M和氧化M之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
冷卻熔體得到玻璃顆粒，該玻璃具有Tg；
在Tg以上的溫度加熱玻璃顆粒，使玻璃顆粒聚結(jié)成一形體；
冷卻該形體，得到制品。
16.制備包含玻璃的制品的方法，該方法包括
熔化
(a)包含Al或其合金的金屬微粒材料；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化Al和氧化Al之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含Al的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分Al被氧化；
冷卻熔體得到玻璃顆粒，玻璃具有Tg；
在Tg以上的溫度下加熱玻璃顆粒，使玻璃顆粒結(jié)合成一形體；
冷卻該形體，得到制品。
17.制備包含玻璃的制品的方法，所述玻璃包含Al2O3，該方法包括
熔制
(a)包含至少一種金屬M(fèi)或它們的合金的金屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M和氧化M之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
冷卻熔體得到玻璃珠，該玻璃具有Tg；
粉碎該玻璃珠，形成玻璃顆粒；
在Tg以上的溫度下加熱玻璃顆粒，使玻璃顆粒聚結(jié)成一形體；
冷卻該形體，得到制品。
18.制備包含玻璃的制品的方法，該方法包括
熔制
(a)包含Al或其合金的金屬微粒材料；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化Al和氧化Al之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分Al被氧化；
冷卻熔體得到玻璃珠，該玻璃具有Tg；
粉碎玻璃珠，形成玻璃顆粒；
在Tg以上的溫度下加熱玻璃顆粒，使玻璃顆粒聚結(jié)成一形體；
冷卻該形體，得到制品。
19.制備包含Al2O3的玻璃陶瓷的方法，該方法包括
熔制
(a)包含至少一種金屬M(fèi)或它們的合金的金屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M和氧化M之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
冷卻熔體得到無(wú)定形材料；
加熱該無(wú)定形材料得到玻璃陶瓷。
20.制備玻璃陶瓷的方法，該方法包括
熔制
(a)包含Al或其合金的金屬微粒材料；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化Al和氧化Al之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含氧化Al的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分Al被氧化；
冷卻熔體得到無(wú)定形材料；
加熱無(wú)定形材料得到玻璃陶瓷。
21.權(quán)利要求20所述方法，其特征在于所述無(wú)定形材料是玻璃。
22.權(quán)利要求21所述方法，其特征在于玻璃包含60-70wt％的Al2O3，基于玻璃總重。
23.權(quán)利要求21所述方法，其特征在于所述包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物是復(fù)合Al2O3·金屬氧化物。
24.權(quán)利要求21所述方法，其特征在于熔體和玻璃各自包含Al2O3、Y2O3，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，以熔體和玻璃總重計(jì)，其中至少80wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、Y2O3，以及ZrO2或HfO2中的至少一種。
25.權(quán)利要求21所述方法，其特征在于熔體和玻璃各自包含Al2O3、REO，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，以熔體和玻璃總重計(jì)，其中至少80wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、REO，以及ZrO2或HfO2中的至少一種。
26.權(quán)利要求21所述方法，其特征在于熔體和玻璃各自包含Al2O3、REO、Y2O3，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，以熔體和玻璃總重計(jì)，其中至少80wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、REO、Y2O3，以及ZrO2或HfO2中的至少一種。
27.權(quán)利要求21所述方法，其特征在于熔體和玻璃包含Al2O3、REO，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，其中，以熔體和玻璃的總重計(jì)，至少60wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、REO，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于20wt％的SiO2和低于20wt％的B2O3。
28.權(quán)利要求21所述方法，其特征在于熔體和玻璃包含Al2O3、Y2O3，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，其中，以熔體和玻璃的總重計(jì)，至少60wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、Y2O3，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于20wt％的SiO2和低于20wt％的B2O3。
29.權(quán)利要求21所述方法，其特征在于熔體和玻璃包含Al2O3、REO，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，其中，以熔體和玻璃的總重計(jì)，至少60wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、REO，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于40wt％的SiO2、B2O3和P2O5。
30.權(quán)利要求21所述方法，其特征在于熔體和玻璃包含Al2O3、Y2O3，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，其中，以熔體和玻璃的總重計(jì)，至少60wt％的熔體和玻璃各自共同包含Al2O3、Y2O3，以及ZrO2或HfO2中的至少一種，含低于40wt％的SiO2、B2O3和P2O5。
31.制備包含Al2O3的玻璃陶瓷制品的方法，該方法包括
熔制
(a)包含至少一種金屬M(fèi)或它們的合金的金屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M和氧化M之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
冷卻熔體得到玻璃；
粉碎玻璃形成玻璃顆粒，玻璃具有Tg；
在Tg以上的溫度下加熱玻璃顆粒，使玻璃顆粒聚結(jié)成一形體；
冷卻該形體，得到玻璃制品；
對(duì)玻璃制品進(jìn)行熱處理，得到玻璃陶瓷制品。
32.制備玻璃陶瓷制品的方法，該方法包括
熔制
(a)包含Al或其合金的金屬微粒材料；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化Al和氧化Al之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含Al的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分Al被氧化；
冷卻熔體得到玻璃；
粉碎玻璃形成玻璃顆粒，玻璃具有Tg；
在Tg以上的溫度下加熱玻璃顆粒，使玻璃顆粒聚結(jié)成一形體；
冷卻該形體，得到玻璃制品；
對(duì)玻璃制品進(jìn)行熱處理，得到玻璃陶瓷制品。
33.制備包含Al2O3的磨料顆粒的方法，該方法包括
熔制
(a)包含至少一種金屬M(fèi)或它們的合金的金屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓，或它們的合金；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M和氧化M之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
冷卻熔體得到無(wú)定形材料；
粉碎無(wú)定形材料形成無(wú)定形材料顆粒；
對(duì)顆粒進(jìn)行熱處理，使至少部分無(wú)定形材料轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ沾桑玫桨Ａ沾傻哪チ项w粒。
34.制備磨料顆粒的方法，該方法包括
熔制
(a)包含Al或其合金的金屬微粒材料；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化Al和氧化Al之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含氧化Al的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分Al被氧化；
冷卻熔體得到無(wú)定形材料；
粉碎無(wú)定形材料形成無(wú)定形材料顆粒；
對(duì)顆粒進(jìn)行熱處理，使至少部分無(wú)定形材料轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ沾?，得到包含玻璃陶瓷的磨料顆粒。
35.制備包含Al2O3的磨料顆粒的方法，該方法包括
熔制
(a)包含至少一種金屬M(fèi)或它們的合金的金屬微粒材料，它具有負(fù)的氧化物生成焓；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化M和氧化M之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含氧化M的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分金屬M(fèi)被氧化，且氧化M、氧化M之外的金屬氧化物或復(fù)合金屬氧化物中至少有一個(gè)包含Al2O3；
將熔體轉(zhuǎn)變成包含無(wú)定形材料的顆粒，所述轉(zhuǎn)變包括冷卻熔體形成無(wú)定形材料；
對(duì)無(wú)定形材料進(jìn)行熱處理，得到包含玻璃陶瓷的磨料顆粒。
36.制備磨料顆粒的方法，該方法包括
熔制
(a)包含Al或其合金的金屬微粒材料；
(b)下述物質(zhì)中的至少一種
(i)氧化Al和氧化Al之外的金屬氧化物源；或
(ii)包含氧化Al的復(fù)合金屬氧化物以產(chǎn)生熔體，熔體中至少有一部分Al被氧化；
將熔體轉(zhuǎn)變成包含無(wú)定形材料的顆粒，所述轉(zhuǎn)變包括冷卻熔體形成無(wú)定形材料；
對(duì)無(wú)定形材料進(jìn)行熱處理，得到包含玻璃陶瓷的磨料顆粒。
全文摘要
制備無(wú)定形材料和陶瓷材料的方法。本發(fā)明實(shí)施方式可用來(lái)制備磨料顆粒。所述磨料顆?？汕度敫鞣N磨具，包括粘合磨具、涂敷磨具、非織構(gòu)磨具和研磨刷。
文檔編號(hào)C03C6/00GK1537082SQ0281499
公開(kāi)日2004年10月13日 申請(qǐng)日期2002年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月2日
發(fā)明者A·Z·羅森弗蘭茲, A Z 羅森弗蘭茲, A·賽里卡亞, 錕ㄑ, T·J·安德森, 安德森 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司