CN101291780A - 修整工件表面的磨料制品以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于工件打磨或抛光的磨料制品，所述磨料制品包括具有第一表面和工作表面的三维、织构化、柔韧性固结磨料构造，其中所述工作表面包括多个精确成形的磨料复合物，其中所述精确成形的磨料复合物包括树脂相和金属相，其中所述金属相还包括超硬磨料。还提供一种工件抛光或打磨方法以及一种包括三维、织构化、柔韧性固结磨料构造和实施所述工件抛光或打磨方法的说明书的套件。

Description

修整工件表面的磨料制品以及方法
技术领域
本发明涉及修整工件表面的磨料制品和方法。
背景技术
带涂层的磨料制品通常有一层粘附在背衬上的磨料。三维、织构化的固结磨料制品包括多个排成图案的磨粒和粘合剂。然而，如果使用这种制品抛光或打磨诸如蓝宝石这种坚硬的工件，他们会损坏工件的表面，通常是严重损坏。此外，去除率通常不可测量，即使可测量也会快速降至零。将这种制品与调节颗粒组合使用可以提高并维持去除率。
常规金属打磨板可提供高去除率、精加工和低表面损伤。然而，稳定的去除率需要花费大量的时间和精力来修复金属表面。此外，这种打磨板通常又重又硬，操作和移动十分麻烦，因此限制了他们的实用范围。
复合型树脂-金属板则没有构型和约束轴承区域的能力。一些复合结构是由复合板被锯成槽或钻成孔而分别成形的。这种打磨板的几何图形和轴承区域的种类通常被限制为只由直线和圆形组合而成。此外，凹面和凸面结构不易加工。雕刻复合物也需要足够的材料和厚度，使得复合结构具有刚性和不可挠曲性。
刚性板可单独模制形成凸面或凹面结构，但是这些刚性结构的更换或配置不是特别容易。此外，模制或铸造的板有一定的厚度，就算具有力学响应，响应也不容易发生任何变化。
发明内容
在一个方面，本发明涉及用于工件打磨或抛光的磨料制品。这种磨料制品包括具有第一表面和工作表面的三维、织构化、柔韧性固结磨料构造。工作表面包括多个精确成形的磨料复合物。这种精确成形的磨料复合物包括树脂相和金属相。金属相还包括超硬磨料。
在另一个方面，本发明涉及一种磨料制品，这种磨料制品包括具有第一表面和工作表面的三维、织构化、柔韧性固结磨料构造。工作表面包括多个精确成形的磨料复合物，其中精确成形的磨料复合物包括树脂相和金属相。工作表面还包括在可洗去或可溶解基质中的超硬磨料区域。
在另一个方面，本发明涉及一种抛光或打磨工件的方法。该方法包括使工件的接触表面与三维、织构化、柔韧性固结磨料构造的工作表面接触。工作表面包括多个精确成形的磨料复合物。这种精确成形的磨料复合物包括树脂相和金属相。该方法还包括接触表面和工作表面相接触时，工件和磨料构造的相对移动。该方法还包括提供了超硬磨料，以使得超硬磨料被提供在金属相中。
在另一个方面，本发明涉及一种套件。该套件包括具有第一表面和工作表面的三维、织构化、柔韧性固结磨料构造。工作表面包括多个精确成形的磨料复合物，其中精确成形的磨料复合物包括树脂相和金属相。该套件还包括执行工件抛光或打磨方法的说明书。该方法包括使工件的接触表面与三维、织构化、柔韧性固结磨料构造的工作表面接触。工作表面包括多个精确成形的磨料复合物。这种精确成形的磨料复合物包括树脂相和金属相。该方法还包括接触表面和工作表面相接触时，工件和磨料构造的相对移动。该方法还包括提供了超硬磨料，以使得超硬磨料被提供在金属相中。
通过下面的具体实施方式和权利要求，本发明的其他特征和优点将显而易见。以上概述并非旨在描述本公开的每个图示实施例或每项具体实施。下面的附图和具体实施方式使用本文所公开的原理更具体地例述某些优选的实施例。
下列定义适用于本公开全文：
“模量”是指材料的弹性模量或杨氏模量；对于弹性材料，在材料的薄膜厚度方向采用动态压缩试验的方法测量，而对于刚性材料，在材料的平面采用静态拉伸试验的方法测量；
“固结磨料”和“固结磨料构造”是指除修整工件表面过程中可能产生的非附着磨粒外基本上不含非附着磨粒的整体的磨料或构造，如磨料制品；
用于描述固结磨料构造时的“三维”是指一种固结磨料构造，尤其是固结磨料制品，其含有大量在其厚度的至少一部分延伸的磨粒；
用于描述固结磨料构造时的“织构化的”是指具有凸起部分和凹陷部分的固结磨料元件，尤其是固结磨料制品，其中至少凸起部分含有树脂相和金属相；
“磨料复合物”是指共同形成包含树脂相和金属相、织构化的三维磨料构造的多个成形体的其中一个；以及
“精确成形的磨料复合物”是指有模制形状的磨料复合物，该模制形状基本上是从模具中移除复合物后保留下来的模具腔体的反相。
附图说明
图1是磨料制品的一部分放大的示意性剖视图。
图2是含有超硬磨料的金属相的放大示意图。
图3和4示出带有超硬磨料区域的磨料制品的示例性构造。
具体实施方式
在一个方面，本发明涉及用于打磨或抛光工件的磨料制品。这种磨料制品可包括具有第一表面和工作表面的三维、织构化、柔韧性固结磨料构造。工作表面可包括多个精确成形的磨料复合物。这种精确成形的磨料复合物可包括树脂相和金属相。金属相还可包括超硬磨料。
在一个实施方案中，如图1所示，磨料制品100包括带有压敏粘合层120的背衬110和保护衬里130。背衬110的前表面140是磨料构造150。磨料构造150是三维的(如上述术语定义)，包括多个磨料复合物160。磨料复合物160具有末梢表面161和侧表面162。在两个邻近的磨料复合物160之间有开口或谷170。在一些实施例中，开口或谷170可在磨料制品100的使用中允许浆液和/或工作流体流动。在一些实施例中，开口或谷170在磨料制品100的使用中也有利于移除切屑。在这个具体实施例中，磨料复合物160是截棱锥。磨料复合物160包含多个分立的金属相180和连续的树脂相190。
磨料复合物可以排成阵列，以形成三维、织构化、柔韧性固结磨料构造。合适的阵列包括，例如，美国专利No.5,958,794(Bruxvoort等人)中所描述的阵列。磨料制品可包括成图案的磨料构造。3MCompany制造的TrizactTM磨料是成图案的磨料的示例。成图案的磨料制品包括采用模具或其他技术生产出的、准确对齐的整体几排磨料复合物。这种成图案的磨料制品可用于研磨、打磨或同时用于研磨和打磨，在与本专利申请共同转让、共同未决的美国专利申请No.10/977,239中有所描述。当需要研磨、打磨或同时研磨和打磨时，可以使用任意数量的工具，包括将磨料制品应用于可旋转圆柱体、带或平的薄片的至少一部分来制造工具。
图1示出的一个实施例中，磨料制品包括背衬、压敏涂层和保护性衬里。在其它实施例中，固结磨料制品可能只有背衬。在这种实施例中，磨料复合物被连接到背衬上。可选地，此种磨料制品没有单独的背衬。这种具有“完整结构”的实施例已为人所知。参见图1，完整结构可包括一个实例，其中树脂相190和背衬110是连续的，并由相同材料制成。
这种磨料制品可包括具有第一表面和工作表面的三维、织构化、柔韧性固结磨料构造。在一些实施例中，第一表面还可与背衬接触，它们之间可选地加入粘合剂。可预期任何种类的背衬材料，包括弹性背衬和较为刚性的背衬。弹性背衬的实例包括，例如，聚合物薄膜、带引物的聚合物薄膜、金属箔、织物、纸张、硫化纤维、非织造材料及其改性材料和它们的组合。实例包括由聚酯、共聚酯、微孔聚酯、聚酸亚胺、聚碳酸酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯、聚乙烯等构成的聚合物薄膜。当用作背衬时，选择聚合物薄膜背衬的厚度，以保持磨料制品的所需弹性范围。
诸如图1所描述的一些实施例中，背衬是插入保护性衬里和磨料复合物之间的刚性元件，并且通常与保护性内衬和磨料复合物共延。“弹性元件”是指支承刚性元件、受到压力时可发生弹性形变的元件。“刚性元件”是指比弹性元件有更高模量的元件，在弯曲时发生形变。此种设计在抛光或打磨平面工件接触表面时尤其有用，在美国专利No.5,692,950(Rutherford等人)中有大致描述。
在另一个方面，工作表面可包括多个精确成形的磨料复合物。这种精确成形的磨料复合物可包括树脂相和金属相。可以根据具体应用对每个精确成形的磨料复合物的形状进行选择(例如工件材料、工件表面形状、接触表面形状、温度、树脂相材料、金属相材料)。每个精确成形的磨料复合物可以是任何可用的形状，如立方体、圆柱体、棱柱、正平行六面体、棱锥、截棱锥、锥形、半球体、截锥壳、十字形或带远端的柱状截面。复合棱锥可以是，如三面的、四面的、五面的或六面的。磨料复合物的基底的横截面形状可能与远端的横截面形状不同。这些形状之间的过渡既可以是平滑且连续的，又可以分立的阶段进行。精确成形的磨料复合物也可以是不同形状的混合物。这些精确成形的磨料复合物可以排列成行、成涡旋状、螺旋状或点阵式，或者随机分布。精确成形的磨料复合物可以按照设计排列，目的是导流和/或利于移除切屑。
形成精确成形磨料复合物的侧面可以呈锥形，越靠近远端的宽度越窄。锥角的范围可在1至小于90度之间，例如，1至75度，3至35度或5至15度。每个精确成形的磨料复合物的高度优选为相同，但是单件制品中精确成形的磨料复合物的高度也可能不同。
精确成形的磨料复合物基底可以相互邻接，或者作为选择，邻近的精确成形的磨料复合物基底之间隔开一定的距离。在一些实施例中，邻近磨料复合物之间的物理接触不超过精确成形的磨料复合物相互接触的垂直高度的33％。这种邻接限定还包括这样一种排布方式，其中邻近的精确成形的磨料复合物共用同一个基体或桥状结构，该基体或桥样结构在精确成形磨料复合物的相对侧面之间接触或延伸。磨料按照以下原则邻近：沿两个精确成形的磨料复合物中心之间所画的直接假想线上没有插入复合物。
在磨料制品中，精确成形的磨料复合物可以按照预定的图案或位置排布。例如，如果磨料制品是由在背衬和模具之间倒入浆液制成，那么精确成形的磨料复合物的预定图案与模具的图案相符。因此，这种图案可以在磨料制品间重复。
预定的图案可能是阵列或排列方式，也就是说，复合物以设计的阵列方式排列，诸如行与列对齐或者行和列交替层叠。在另一个实施例中，磨料复合物可能是按照“随机”阵列或图案排布。这时，复合物不在上述的规则排列的行或列中。然而，应理解“随机”阵列是一种预定的图案，因为精确成形的磨料复合物的位置是预定的并与模具相吻合。
在一个方面，金属相可以是连续相，而树脂相可以是离散相。在另一个方面，树脂相可以是连续相，而金属相可以是离散相。在另一个方面，树脂相和金属相都可以是连续相。后一个方面的实施例包括，例如，精确成形的树脂相。例如，金属相可以成一层或一片提供，与磨料复合物的侧表面平行，或与磨料复合物的末端表面平行，或者与两者都平行。
在一些实施例中，树脂相可包含固化的或可固化的有机材料。固化方法并不是关键，可包括，例如，通过紫外线或热能等能量来固化。合适的树脂相材料包括，例如氨基树脂、烷基化脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂和烷基化苯并胍胺-甲醛树脂。其他树脂相材料包括，例如，丙烯酸酯树脂(包括丙烯酸酯和异丁烯酸酯)、酚醛树脂、聚氨树脂和环氧树脂。典型的丙烯酸酯树脂包括，例如，乙烯酯-丙烯酸酯树脂、丙烯酸环氧树脂、丙烯酸聚氨酯、丙烯酸化油和丙烯酸化有机硅。具体的酚醛树脂包括，例如酚醛树脂和酚醛/乳胶树脂。这种树脂还可含有诸如美国专利No.5,958,794(Bruxvoort等人)中所描述的常规填充剂和固化剂。
精确成形的磨料复合物还包含金属相。金属相还可包括超硬磨料。例如，金属相包括相对较软的金属(相对于工件的硬度)。不希望受理论的束缚，据信在一些实施例中，其中相对较软的金属相包含超硬磨料，在金属相中可以允许这些超硬磨料有一定程度的移动，以使得暴露新的、有助于抛光或打磨的超硬磨料的表面，以及出现对局部压力的力学响应以减小对工件表面的刮伤。
图2是包含超硬磨料的金属相的放大视图。在这一具体实施例中，金属相180包含超硬磨料210。在图1中，金属相180被描述为分布于整个磨料复合物160。在其它实施例中，金属相180可能集中于磨料复合物160的表面，例如位于末梢表面161、侧表面162或两者上。
在一个方面，合适的金属包括，例如，锡、铋、铜、铅、铁、银、锑、镉以及它们的混合物和合金。精确成形的磨料复合物中所含金属相的体积百分率没有具体限制。如果多个精确成形的磨料复合物是三维、织构化、柔韧性固结磨料构造，每个精确成形的磨料复合物也不需要含有相同体积百分率的金属相，即使在一些实施例中他们含有基本上相同的体积百分率(也就是说，体积百分率差异小于20％，小于10％或小于5％)。
在一些实施例中，金属相还包含超硬磨料。合适的超硬磨料包括，例如，金刚石、立方氮化硼或它们的组合。在一个方面，如果金属相包括超硬磨料，那么可在形成含有金属相的磨料复合物之前通过金属相和超硬磨料的混合工艺来形成这种超硬磨料。这一实施例可以被认为是制造过程中的加料。
在另一个实施例中，形成的多个磨料复合物也可包括初始含有或不含有超硬磨料的树脂相和金属相。包含超硬磨料的浆液或混合物可用于向金属相加入超硬磨料。在另一方面，形成的多个磨料复合物也可包括含有或不含超硬磨料的树脂相和金属相。工作表面还可包括在易侵蚀或可溶基质中的超硬磨料区域。然后，例如在打磨应用中，这种超硬磨料(例如，在石油凝胶/钻石膏中)可被分散(例如，通过涂搽或其他方式分散到工件和三维、织构化、柔韧性固结磨料构造工作表面)以使得在使用过程中金属相可被加入超硬磨料。这一实施例可以视为原位加料。
用于完成这种提供并分散磨粒的可用构造包括图3和图4所示的构造。更具体地讲，图3示出的磨料制品300具有大体的磨料复合物区域302，在该区域的选定部位形成了超硬磨料区域304，该图示出的是环的环形图案。图4示出的磨料制品400具有大体的磨料复合物区域402，在该区域的选定部位形成了超硬磨料区域404，该图显示的是同心环形图案。
本文所述的磨料制品可以使用制造精确成形的磨料复合物的传统工序来生产。这些方法在例如美国专利No.5,152,917(Pieper等人)和5,435,816(Spurgeon等人)中有所描述。其它描述包括美国专利No.5,437,754和5,454,844(均为Hibbard等人)以及5,304,223(Pieper等人)中所描述的那些。简单来说，一方面，这些方法包括制备树脂相和金属相的混合物以及提供具有前表面和多个从前表面延伸出的腔体的模具。混合物被导入模具腔体中。然后可选地将背衬放入模具的前表面，从而使混合物将背衬的一个主表面湿润以形成制品。在一些实施例中，在制品被剥离模具外表面之前(在加入背衬之前或之后均可剥离)，树脂相被部分固化或凝胶化。所得制品从制造工具中取出即可得到精确成形的磨料复合物的磨料构造，可选择性的粘上背衬。取出后可选地进一步固化树脂相。制造这类磨料制品的代表性方法的具体描述可见于美国专利No.5,958,794(Bruxvoort等人)。
在一个方面，这种三维、织构化的固结磨料构造可以是柔性的。在一些实施例中，三维、织构化的固结磨料的凸面(也就是说，工作表面通常是凸面，第一表面通常是凹面)能够包绕圆柱体(例如轴柄)。这种构造可以允许，例如，同时进行工件研磨和打磨。当同时进行研磨和打磨时，工件接触表面会形成槽，与磨料复合物的负面形成的槽相对应(在与本申请共同转让、共同未决的美国专利申请No.10/977239中有所描述)。
在一些方面，带槽的工件可包括末梢表面和侧表面，其中槽的侧表面被精确成形的磨料复合物的侧表面所修整(例如，打磨或抛光)，磨料复合物在磨料制品的工作表面内。这类实施例的一个潜在优点是超硬磨料可以分散在工作表面上，不论工作表面的哪个位置与工件接触。例如，超硬磨料可以分散在末梢表面、侧表面或者两者上，或分散于贯穿每个精确成形的磨料复合物。
在其它实施例中，三维、织构化的固结磨料构造能够贴合到圆柱体的工件上(也就是说，工作表面是凹面，第一表面是凸面)。在这类实施例中，当与接触表面接触时，相对移动工件和磨料制品，工作表面可以对圆柱体表面进行打磨和/或研磨。与研磨套或其他刚性磨料制品不同，本发明中的磨料制品不需要制成与工件形状相匹配的形状。该磨料制品的柔韧性可允许其适形工件的形状。
在其它实施例中，三维、织构化、柔韧性固结磨料构造可以与背衬联合使用，背衬是插入保护性衬里和磨料复合物之间的、通常与这两者共延的刚性元件。联合使用时，在表面修整过程中(例如研磨、打磨)，磨料制品能够基本上贴合工件平的或大致平的表面的球面，但是不能基本上贴合工件表面的局部外形(例如，工件表面上邻近特征之间的空隙)。因此，这种磨料制品的一些实施例能修整工件表面，以达到所需程度的平面性、均一度和/或粗糙度。在本公开的指导下，本领域中的普通技术人员可以选择具体所需程度的平面性、均一性和/或粗糙度，取决于各个工件及其预期用途和工件所要进行的后续工序的性质。
三维、织构化、柔韧性固结磨料构造的柔韧特征还使得使用者在磨料用完时能容易地更换，由此可避免修复常规金属打磨板和刚性复合板的成本和时间。此外，该磨料制品可以与较大刚性的背衬联合使用，这取决于他们的具体应用。当需要具体的几何形状时，三维、织构化、柔韧性固结磨料构造可以与刚性支撑件结合使用。然而，如果使用适形的支撑件，在琢磨工件表面时，该磨料制品能够与工件的现有几何形状适形。
在一些实施例中，柔性是指对于给定长度的磨料制品，磨料制品在垂直其长度方向的弯曲能够最多达到其长度的5％、10％、20％、25％甚至最多达到长度的50％。
对于所述磨料制品能够在其上发挥功能的工件没有特殊限制。在一个方面，该磨料制品适用于坚硬的和/或易碎的工件材料。在一些实施例中，合适的工件材料可包括，例如蓝宝石、C面蓝宝石、氧化锌、碳化硅、锗、黄玉、金刚石、氧化锆、方解石、砷化镓、氮化镓、氮氧化铝(ALON)、钢、铬钢、玻璃、硅、晶体石英及其它们的组合。在其它实施例中，合适的工件材料可包括光学基板、发光二极管或半导体材料。
在一些方面，工件可具有接触表面，与三维、织构化、柔韧性固结磨料构造的工作表面接触。在一些实施例中，磨料构造的柔韧性允许工件接触表面为多个形状的任意一个。实例包括平的或大致平的接触表面、盘形接触表面、凸面或凹陷的接触表面或三维、柔韧性固结磨料构造适形的其他任意形状的表面。该磨料构造的柔韧特性允许其切割成雏菊图案，以使磨料制品的形状能基本上贴合弯曲或球形的工件。
打磨或抛光后工件的表面光洁度可以用一个熟知的量Ra评价，该数值可以使用干涉仪或接触式轮廓曲线仪测得。如果使用本文所述的磨料制品，硬的和/或易碎的工件表面可以获得理想的Ra值。例如，打磨C面蓝宝石时，所需的Ra值可低于200埃。
表面光洁度也可以通过目视检查来表征，这种方法可用于表面擦伤程度的精确度量。例如，表面擦伤程度高的表面比表面擦伤程度低的表面更不透明。这种差异与透明玻璃与毛玻璃之间的差异类似。与已知的相似打磨条件下的工艺相比，按照本发明所打磨的工件也会有镜面反射表面，其表面擦伤程度明显更低(擦伤数量和面积)。擦伤程度较高的工件会散射较高比例的入射光。
在一些实施例中，本文所述的磨料制品可用于打磨或抛光操作，特别是用于坚硬或/和易碎的工件。在一个方面，本发明的方法可以根据所需程度在延展期对工件保持恒定切削率，而不需要单独或离线的磨料打磨或者处理工艺。在另一方面，本文所述的磨料制品有更好的去除率、稳定性和可预见性，提高了加工效率，减少了打磨操作中的碎屑。
另一个方面，本发明涉及抛光或打磨的方法。该方法包括使工件的接触表面与三维、织构化、柔韧性固结磨料构造的工作表面接触。工作表面可包括多个精确成形的磨料复合物。这种精确成形的磨料复合物可包括树脂相和金属相。该方法还包括在接触表面与工作表面接触的同时，工件和磨料构造的相对移动。在另一方面，该方法包括提供了超硬磨料，以使得超硬磨料被提供在金属相中。
在一些方面，在接触表面与工作表面接触的同时两者的相对移动与提供超硬磨料可以同时进行。此类实施例包括，例如，形成的多重磨料复合物包含初始不含超硬磨料的树脂相和金属相。三维、柔韧性固结磨料构造(除了三维、柔韧性固结磨料构造中的腔体)可以提供次级图案(例如，模具切削)。然后，薄膜可以层合到背衬中。然后可将包含超硬磨料的混合物(例如石油凝胶/钻石膏)施用于次级图案和平面型结构(例如使用橡皮扫帚)。应用时，例如打磨时，超硬磨料分散在三维、柔韧性固结磨料构造的整个表面，以使得向金属相加入超硬磨料(也就是说，提供超硬磨料)可与相对移动和接触同时发生。
在其它实施例中，在在接触表面与工作表面接触的同时相对移动工件与磨料构造之前，提供超硬磨料相。这类实施例可包括，在形成含有金属相的磨料复合物之前通过金属相和超硬磨料的混合工艺来形成超硬磨料。在另一方面，这类实施例包括，形成的磨料复合物包括初始可能含有或不含有超硬磨料的树脂相和金属相，然后在在接触表面与工作表面接触的同时相对移动工件和磨料构造这一步骤前，用含有超硬磨料的浆液或混合物向金属相加入超硬磨料。
在又一方面，本发明涉及一种套件。这种套件可包括具有第一表面和工作表面的三维、织构化、柔韧性固结磨料构造。工作表面可包括多个精确成形的磨料复合物，其中精确成形的磨料复合物包括树脂相和金属相。金属相可包含或不包含超硬磨料。套件还包括实施本文所述方法的说明书。
本发明的对象和优点将在以下实例中进一步说明，实例中描述了具体的材料及其用量以及其他条件和细节。
实例
金属-树脂结合剂前体浆液1的制备
将25重量％分散体(SolsperseTM 32000，可得自Noveon Division，Lubrizol Ltd.(Manchester，U.K.))和75重量％丙烯酸脂(SR 368D，可得自Sartomer Co.，Inc.(Exton，PA))的分散体溶液用空气驱动混合器混合大约1h。混合时，将混合物置于热水浴中(60℃)以促进分散体融入树脂中。Vazo 52热引发剂(可得自Dupont Chemical SolutionEnterprise(Bell，WV))在融入树脂前被陶瓷研钵研成细小的颗粒。在95重量％丙烯酸酯(SR368D)中加入5重量％Vazo 52，使用空气驱动混合器混合大约1h制得热引发剂溶液。将偏硅酸钙(NYAD M400硅灰石，可得自NYCO Minerals Inc.(Hermosillo Sonora，Mexico))置于金属容器内，然后放到烘箱里于设定温度120℃下干燥2-4天，使其干燥后再使用。然后将NYAD M400冷却至室温，用聚氯乙烯绝缘带密封容器直至使用。
使用高速Cowels叶片式混合器将以下组分混合制得树脂预混物：89重量％368D树脂，10重量％上述分散体溶液和1重量％光引发剂(Irgacure 819，可得自Ciba Specialty Chemicals(Tarrytown，NY))。树脂预混物混合大约15分钟，直至光引发剂溶解。
金属树脂粘合剂前体浆液由以下方式制得：将134.5g上述树脂预混物、231.5g NYAD M400、10g热解二氧化硅(OX 50，可得自Degussa Corporation(Parsippany，NJ))和91.5g 1-5微米锡粉(SN-101，可得自Atlantic Equipment Engineers(Bergenfield，NJ))使用空气驱动高速Cowels叶片式混合器在高剪切下混合30分钟所得。在该浆液混合物中加入0.25g消泡剂(道康宁添加剂#7，可得自Dow CorningCorp.)。该混合物可冷却至室温(20-25℃)。然后使用空气驱动混合器在低剪切下混合浆液15分钟，期间加入32g热引发剂溶液。
金属-树脂结合剂前体浆液2的制备
将70g-100目的锡粉(Sigma Aldrich(Milwaukee，WI))分散体与30g酚醛树脂(3M R23155，75重量％固体，1.5∶1甲醛∶酚，经KOH催化)、15ml 50∶50异丙醇∶水混合。该分散体用空气驱动混合器混合大约30分钟。
金属-树脂结合剂前体浆液3的制备
将70g-200目铜粉(Sigma Aldrich(Milwaukee，WI))分散体与30g环氧树脂(以商品名Scotchweld 1838L A/B，双组分环氧树脂，可得自3M Company(St.Paul，MN))混合。该分散体用空气驱动混合器混合大约10分钟。
金属-树脂结合剂前体浆液4的制备
将-100目锡粉(Sigma Aldrich(Milwaukee，WI))分散体与30g环氧树脂(以商品名Scotchweld 1838L A/B，双组分环氧树脂，可得自3M Company(St.Paul，MN))混合。该分散体用空气驱动混合器混合大约10分钟。
三维、织构化、柔韧性固结磨料构造
制造-方法I
三维、织构化、柔韧性固结磨料复合物制品通常按照美国专利No.5,958,794(Bruxvoort等人)中描述的方法制造。提供的聚丙烯工具(模具)包括腔体阵列。模具中腔体的形状是倒置的截四棱锥，尺寸大约为：深800μm，开口为2800μm×2800μm，底面为2500μm×2500μm，中心至中心间距为4000μm。该模具基本上是所需形状、尺寸和磨料复合物结构的反相。
将尺寸约为305mm(12英寸)×508mm(20英寸)的聚丙烯模具用美纹纸胶带(可从3M Company(St.Paul，MN)商购获得)粘附到3mm(0.12英寸)厚的铝板上，模具腔体朝上(开口侧暴露)。然后使用橡皮扫帚将金属树脂粘合剂前体浆液(金属-树脂粘合剂前体浆液1)填入这些腔体内。接下来，将聚酯背衬(127μm厚(5密耳)，表面涂有乙烯-丙烯酸共聚物引物的聚酯薄膜，以商品名ScotchpakTM得自3M Company)与涂有金属-树脂浆液的模具接触，使得磨料浆液润湿背衬的带引物的表面。使用带有胶辊的台式层合机(ChemInstruments(Fairfield，OH))以使得金属树脂浆液与背衬紧密接触。层合机在宽61cm(24英寸)的辊对其施加414kPa(60psi)气动压的条件下操作。然后将铝板及填充了金属-树脂浆液涂层的模具和聚酯背衬暴露于紫外线(UV)辐射，方法是以4.6-7.6m/min(15-25ft./min)的速度传送板-模具-背衬构造，使其穿过UV处理器(可从American Ultraviolet Company(Murry Hill，NJ)商购获得)。UV能量穿过背衬进入金属树脂浆液。所用UV灯是中压汞灯，在157.5W/cm(400W/inch)下运作。平板-模具-背衬构造以4.6-7.6m/min(15-25ft./min)的速度穿过UV线两次，聚酯背衬面向UV线。然后将聚丙烯模具(带有部分固化的金属-树脂浆液和聚酯背衬)从铝板上移除并翻转，使得聚丙烯模具面朝上，再放到铝板上。将大约1cm(0.4英寸)的石英板置于聚丙烯模具上方，以在聚丙烯模具以4.6-7.6m/min(15-25ft./min)的速度穿过UV处理器时保持其平坦，这个过程中聚丙烯模具面向UV线。
一旦暴露于紫外线辐射，金属-树脂粘合剂前体就会转变成三维、织构化、柔韧性固结磨料的金属-树脂复合物。将模具从磨料复合物/背衬上移除。然后将金属-树脂磨料复合物于设定温度80至105℃的烘箱内加热1h，使粘合剂体系完成固化并活化聚酯背衬上的引物。
准备测试用的磨料制品：将磨料复合物/背衬薄片用压敏粘合胶带(442DL，可得自3M(St.Paul，MN))层合到0.762mm(0.030英寸)厚的聚碳酸酯薄片上(LexanTM 8010MC，可得自GE Polymer Shapes(Mount Vernon，IN))。对直径为30.48cm(12英寸)的环形测试样品进行冲切测试。
制造-方法II
将尺寸约为305mm(12英寸)×508mm(20英寸)的聚丙烯模具用美纹纸胶带(可从3M Company(St.Paul，Minnesota)商购获得)粘附到3mm(0.12英寸)厚的铝板上，模具腔体朝上(开口侧暴露)。然后使用橡皮扫帚将金属树脂粘合剂前体浆液(树脂粘合剂前体浆液2)填入这些腔体内。将铝板和填充的模具在室温下干燥10分钟，然后在空气循环箱中固化：60℃1h，85℃1h，105℃1h和120℃1h。然后将板和模具冷却至室温。将大约100g混合的Scotchweld 1838LA/B环氧树脂作为胶泥施用到金属/树脂和模具的顶部。将ScotchpakTM(3M Company)薄片覆盖到模具和环氧树脂的上方。然后将玻璃板覆盖在Scotchpak薄膜上，以使环氧树脂流过金属/树脂材料并形成平面。持续层合15h。环氧树脂变硬后移除模具，然后将复合物制品在70℃下加热2h。然后将该复合物制品冲切成一个12英寸的圆。在12英寸制品的中心附近另外冲切八个5cm的圆。这8个孔排成一个环形，每个孔距12英寸制品的外周2英寸，如图3所示。准备测试用的磨料制品：将磨料复合物/背衬薄片用压敏粘合胶带(442DL，可得自3M(St.Paul，MN))层合到直径为12英寸、厚0.762mm(0.030英寸)的聚碳酸酯薄片上(LexanTM 8010MC，可得自GE Polymer Shapes(Mount Vernon，IN))。
制造-方法III
将尺寸约为305mm(12英寸)×508mm(20英寸)的聚丙烯模具用美纹纸胶带(可从3M Company(St.Paul，Minnesota)商购获得)粘附到3mm(0.12英寸)厚的铝板上，模具腔体朝上(开口侧暴露)。然后使用橡皮扫帚将金属树脂粘合剂前体浆液(树脂粘合剂前体浆液3)填入这些腔体内。然后将其它的树脂材料用作模具的一个边缘的接线。将ScotchpakTM薄片覆盖到树脂和模具上方，然后向该构造用橡胶辊按照制造-方法I中的描述施加压力。该构造可在室温下固化15h。持续层合15h。环氧树脂变硬后移除模具，然后将复合物制品在70℃下加热2h。准备测试用的磨料制品：将磨料复合物/背衬薄片用压敏粘合胶带(442DL，可得自3M(St.Paul，MN))层合到0.762mm(0.030英寸)厚的聚碳酸酯薄片上(LexanTM 8010MC，可得自GE PolymerShapes(Mount Vernon，IN))。对直径为30.48cm(12英寸)的环形测试样品进行冲切测试。
制造-方法IV
将尺寸约为305mm(12英寸)×508mm(20英寸)的聚丙烯模具用美纹纸胶带(可从3M Company商购获得)粘附到3mm(0.12英寸)厚的铝板上，模具腔体向上(开口侧暴露)。然后使用橡皮扫帚将金属树脂粘合剂前体浆液(树脂粘合剂前体浆液4)填入这些腔体内。然后将其它的树脂材料用作模具的一个边缘的接线。将ScotchpakTM薄片覆盖到树脂和模具上方，然后向该构造用橡胶辊按照制造-方法I中的描述施加压力。该构造可在室温下固化15h。持续层合15h。环氧树脂变硬后移除模具，然后将复合物制品在70℃下加热2h。准备测试用的磨料制品：将磨料复合物/背衬薄片用压敏粘合胶带(442DL，可得自3M Company)层合到0.762mm(0.030英寸)厚的聚碳酸酯薄片上(LexanTM 8010MC，可得自GE PolymerShapes)。对直径为30.48cm(12英寸)的环形测试样品进行冲切测试。这些直径12英寸的制品用混合了DP-100环氧树脂(3MCompany)的1cm宽的接线进一步改良，做成三个同心圆环，用橡皮扫帚将其抹平，如图4所示。环氧树脂可固化1h。这三个同心环距12英寸直径的制品周边最外面的环6cm。
单面打磨测试
打磨
在可得自Strasbaugh(San Luis Obispo，CA)的6DC单面打磨机上进行测试。将金属树脂磨料复合物片用压敏粘合剂装载到台板上。使用氧化铝固定磨料(268XA-A35，可得自3M Company)对金属树脂磨料复合物片进行最初调整以准备进行测试。将268 XA氧化铝固定磨料放入三个直径为65mm(2.56英寸)、厚度为3.18mm(0.125英寸)的BorofloatTM厚玻璃盘中(Swift Glass(Elmira，NY))。使用包埋蜡(Crystalbond 509 Clear，Aremco Products，Inc.(Valley Cottage，NY))将这三个表面带有268XA磨料的BorofloatTM盘放到直径为152mm(6英寸)、厚度为15mm(0.6英寸)的铝板上以形成调节板。将调节板连接到打磨机的上部，采用180rpm的台板和反转100rpm的调节板使其在20.7kPa(3psi)的压力下运行1分钟。在调节过程中，以30mL/min的流速供应溶有10vol％Sabrelube 9016(Chemetall Oakite(Lake Bluff，IL))的去离子水。
打磨
使用高剪切空气混合器将打磨载体(V170水基载体，可得自Speedfam-Peter Wolters(Des Plaines，IL))和去离子水(重量比为1∶1)混合制得打磨流体。混合10分钟后，加入4-8μm多晶金刚石(TCD-PD，4-8号，可得自Tomei Corporation of America(Cedar Park，TX))，以0.2g金刚石：100g V170-H2O混合物的比例加入。将金刚石浆液混合10分钟。对C面蓝宝石(Crystal Systems(Salem，MA))进行一系列的10分钟打磨测试，其中台板(304mm(12英寸))的转速设为180rpm，与台板转动方向相反的基板(三个50mm部件)的转速设为100rpm。以6ml/min的流速向片的表面供应打磨流体。在打磨测试过程中，用磁力搅拌棒持续搅拌打磨流体。每项测试完成后，由蓝宝石基板的重量损失量度可确定去除率。蓝宝石工件去除率可采用如下公式，将打磨中的重量损失(M，单位为克)转换为移除的厚度(T，单位为μm)而计算得出。
T＝10,000*M/(A*D)
其中，A＝基板面积(cm2)，D＝基板密度(g/cm3)，蓝宝石的密度为3.9g/cm3。每片进行完最后一次打磨测试后，使用可得自KLATencor(Milpitas，CA)的Tencor P2接触式轮廓曲线仪测量蓝宝石工件的表面光洁度。该轮廓曲线仪的触针顶端半径为0.2μm。报告的数据是在50mm部件的中半径互相以90度进行四次0.25mm扫描的平均值。扫描速度是0.005mm/sec，采样频率是100Hz，水平分辨率为0.05微米，截止波长为8微米。
实例1-6
实例1-6所用的复合物列于表I。
表I-实例1-6所用复合物
Figure A20068003924000231
实例1
金属-树脂磨料复合物片使用上述制造-方法I来制造；并且按照上述单面打磨测试来进行测试。本实例的金属-树脂磨料复合物片含有5vol％的1-5μm锡粉。所得的去除率数据列于表II中。蓝宝石工件表面光洁度(Ra)是114埃。工件的目视检查显示了完美的镜面反射率和透明度。
表II-实例1的单面打磨结果
Figure A20068003924000241
实例2
用铜粉(-200目，Sigma Aldrich(St.Louis，MO))和上述制造-方法I来制作金属-树脂复合物片。准确组成如表I所示。C面蓝宝石的单面打磨测试结果显示于表III。表面光洁度Ra是200埃。工件的目视检查显示了完美的镜面反射率和透明度。
表III-实例2的单面打磨结果
Figure A20068003924000251
实例3
含2体积％1-5μm锡粉的金属-树脂磨料复合物片使用上述制造-方法I来制造。准确组成如表I所示。C面蓝宝石单面打磨测试及结果如表IV所示。表面光洁度Ra是181埃。工件的目视检查显示了完美的镜面反射率和透明度。
表IV-实例3的单面打磨结果
Figure A20068003924000252
实例4
含20体积％1-5μm锡粉的金属-树脂磨料复合物片使用上述制造-方法I来制造。准确组成如表I所示。C面蓝宝石的单面打磨测试结果显示于表V。表面光洁度Ra是160埃。工件的目视检查显示了完美的镜面反射率和透明度。
表V-实例4的单面打磨结果
Figure A20068003924000261
实例5
含有5体积％-325目(44μm)锡粉(Sigma Aldrich(St.Louis，MO))的金属-树脂磨料复合物使用上述制造-方法I来制造。准确组成如表I所示。C面蓝宝石的单面打磨测试结果显示于表VI。表面光洁度Ra是168埃。工件的目视检查显示了完美的镜面反射率和透明度。
表VI-实例5的单面打磨结果
Figure A20068003924000271
实例6
含有5体积％-100目(149μm)锡粉(Sigma Aldrich(St.Louis，MO))的金属-树脂磨料复合物使用上述制造-方法I来制造。准确组成如表I所示。C面蓝宝石的单面打磨测试结果显示于表VII。表面光洁度Ra是156埃。工件的目视检查显示了完美的镜面反射率和透明度。
表VII-实例6的单面打磨结果
Figure A20068003924000281
实例7
金属-树脂磨料复合物片使用制造-方法II制造，并且按照改进的单面打磨测试来进行。打磨制品后，5cm间隙使用矿脂(EM Science，Gibbstown，NJ)分散体来填充，并且用橡皮扫帚抹平，所述矿脂含有0.5重量％的9微米单晶金刚石(Tomei Corporation of America(Cedar Park，TX))。打磨15分钟后，使用额外的矿脂/金刚石分散体来填充孔。所得去除率数据列于表VIII中。工件的目视检查显示了完美的镜面反射率和透明度。
表VIII-实例7的单面打磨结果
Figure A20068003924000291
实例8
金属-树脂磨料复合物片使用制造-方法III制造，并且按照改进的单面打磨测试来进行。打磨次数间隔5分钟，最多为20分钟。所得去除率数据列于表IX中。工件的目视检查显示了完美的镜面反射率和透明度。
表IX-实例8的单面打磨结果
Figure A20068003924000292

Claims (22)

1.一种用于工件打磨或抛光的磨料制品，所述磨料制品包括：
具有第一表面和工作表面的三维、织构化、柔韧性固结磨料构造，所述工作表面包括多个精确成形的磨料复合物，
其中所述精确成形的磨料复合物包括树脂相和金属相，其中所述金属相还包括超硬磨料。
2.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述树脂相是连续相，并且所述金属相是离散相。
3.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述金属相是连续相，并且所述树脂相是离散相。
4.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述精确成形的磨料复合物适合对工件特征适形。
5.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述树脂相选自丙烯酸酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂以及它们的组合。
6.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述金属相包含铅、铁、锡、银、锑、铜、镉、铋以及它们的混合物和合金。
7.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述金属相占所述树脂相和所述金属相总体积的1至99vol％。
8.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述超硬磨料材料包括金刚石、立方氮化硼或它们的组合。
9.根据权利要求1所述的磨料制品，所述磨料制品还包括连接到所述第一表面的背衬材料。
10.根据权利要求9所述的磨料制品，其中所述背衬材料是柔韧性背衬材料。
11.根据权利要求10所述的磨料制品，其中所述柔韧性背衬材料是聚合物薄膜。
12.根据权利要求1所述的磨料制品，所述磨料制品还包括适于将所述磨料制品与抛光机部分结合的粘合剂，可选地，其中所述粘合剂是压敏粘合剂。
13.一种磨料制品，所述磨料制品包括具有第一表面和工作表面的三维、织构化、柔韧性固结磨料，所述工作表面包括多个精确成形的磨料复合物，其中所述精确成形的磨料复合物包括树脂相和金属相，其中所述工作表面还包括在可洗去或可溶解基质中的超硬磨料的区域。
14.根据权利要求13所述的磨料制品，其中所述金属相还包括超硬磨料。
15.一种抛光或打磨工件的方法，其包括：
使工件的接触表面与三维、织构化、柔韧性固结磨料构造的工作表面接触，所述工作表面包括多个精确成形的磨料复合物，
其中所述精确成形的磨料复合物包括树脂相和金属相；
在所述接触表面与所述工作表面接触的同时，相对移动所述工件和所述磨料构造；以及
提供超硬磨料，以使得所述超硬磨料被提供在所述金属相中。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在所述接触表面和所述工作表面接触同时的所述相对移动与提供超硬磨料是同时进行的。
17.根据权利要求15所述的方法，其中提供超硬磨料包括向所述精确成形的柔韧性磨料制品加入含有所述超硬磨料的浆液。
18.根据权利要求15所述的方法，其中提供超硬磨料包括提供分散在所述精确成形的柔韧性磨料制品的所述工作表面上的超硬磨料区域。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述工件的所述接触表面是非平面状表面。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述工件选自蓝宝石、C-面蓝宝石、氧化锌、碳化硅、锗、黄玉、砷化镓、氮化镓、氮氧化铝、钢、铬钢、玻璃、硅、晶体石英及它们的组合。
21.一种套件，其包括
具有第一表面和工作表面的三维、织构化、柔韧性固结磨料构造，所述工作表面包括多个精确成形的磨料复合物，其中所述精确成形的磨料复合物包括树脂相和金属相；以及
实施权利要求15所述方法的说明书。
22.根据权利要求21所述的套件，还包括超硬磨料。
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