CN102719220A

CN102719220A - 一种磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN102719220A
Application number: CN2012102101741A
Authority: CN
Inventors: 朱永伟; 刘蕴锋; 李军; 唐晓骁; 李标; 付杰; 墨洪磊; 左敦稳
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: CN102719220B

Abstract

本发明公开了一种磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒及其制备方法和应用。一种磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒，该复合磨粒内核选自作为磨粒的金刚石、碳化物等，外壳为氧化铝包覆层。制备时，首先将预处理后粉体加入到一定pH值的缓冲液中，超声分散1h后，升温至50～80℃；然后，将包覆物前驱体配制成0.05～0.4mol/L的溶液，逐滴加入到缓冲液中并剧烈搅拌，并保持pH值恒定；最后，将反应物分离后经120℃烘干24h，300～550℃热处理1h以上，得到磨粒/氧化铝核壳结构复合磨粒。本发明可增加磨具基体对磨粒的把持力，有效解决磨粒的脱落问题，提高磨粒的利用率和磨具使用寿命，同时，可显著提高磨粒的分布均匀性。

Description

一种磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于磨料加工技术领域，涉及一种磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒及其制备方法和应用。

背景技术

随着光学、光电子学、数码产品和IC产业的蓬勃发展，各种超光滑表面的功能性硬脆材料的需求日益增多。在精密超精密加工领域，化学机械抛光技术是获得超光滑无损伤表面的最有效方法。传统化学机械抛光工艺采用游离磨料加工，这种方法存在加工效率低、成本高、污染严重、工艺可控性差等缺点，而固结磨料化学机械抛光有效地克服了上述缺点，且达到平面化所需的材料去除量大大减小。固结磨料抛光时，当突出的磨粒所受的剪切力大于基体的把持力时，会导致磨粒脱落，从而降低了磨料利用率和磨具的使用寿命。而且，脱落的磨粒易划伤工件表面，降低工件表面质量。因此，磨料的无序脱落和分布不均问题困扰了固结磨料加工（研磨抛光）技术的广泛应用。

针对上述问题，国内外普遍采用表面镀覆“毛刺”镍或铜来提高磨粒与基体结合力的方法。DeBeers公司（现名Element Six）的CDA系列，GE公司（现名Diamond Innovations）的RVG系列，一般是镀30％、50％或55％的铜或镍，采用的方法一般为化学镀或电镀法。从制备角度看：化学镀法存在着镀层厚度有限，镀覆过程较慢，镀液易分解、易产生游离镍等缺点。电镀法只适用于金属粉末，对非金属粉末需在其表面涂覆一层导电膜，增加了工艺的复杂性。从使用角度看：磨料表面的镍层或铜层必然会降低磨粒的锋利性，限制了其在研磨与抛光领域的应用；另外，表面镀覆有镍或铜层的磨粒无法应用于陶瓷基体，应用领域受到限制。

目前尚未发现通过在磨粒（如）金刚石表面包覆氧化铝来提高基体与磨料结合力的报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的上述缺陷，提供一种磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒。

本发明的另一目的是提供该磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒的制备方法。

本发明的优异目的是提供该磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒的应用。

本发明的目的可通过如下技术方案实现：

一种磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒，该复合磨粒内核选自作为磨粒的金刚石、碳化物、氧化物或硼化物中的一种或多种，外壳为氧化铝包覆层。

所述的内核优选自金刚石、立方氮化硼、碳化硅、碳化硼、氧化铝、氧化硅中的一种或多种，其粒径为5nm～500μm，包覆层氧化铝质量为复合磨粒质量的1～52％。

所述的复合磨粒优选通过如下步骤制备得到：

（1）将预处理后的内核粉体加入到pH值为3～8的缓冲液中，配制成内核质量分数为5～15％的水溶液，超声分散1h后，升温至50～80℃；

（2）将包覆物前驱体配制成0.05～0.4mol/L的溶液，逐滴加入到步骤（1）制备的内核质量分数为5～15％的悬浮液中并剧烈搅拌，保持溶液pH值恒定，搅拌方式为机械搅拌；

（3）将上一步反应物离心，沉淀溶于酒精，超声分散后经120℃烘干24h，300～550℃热处理1h以上，得到所述的磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒。

其中，所述的缓冲液根据包覆体系所需pH值选择邻苯二甲酸、氢氧化钠、六次甲基四胺、氨水、磷酸二氢钠、盐酸、醋酸、邻苯二甲酸氢钾、醋酸钠、磷酸氢钠中的一种或几种组成用水配制而成。

所述的包覆物前驱体优选AlCl₃或Al(NO₃)₃中的一种或两种。

所述的磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒的制备方法，包含如下步骤：

（3）将上一步反应物离心，沉淀溶于酒精，超声分散后经120℃烘干24h，300～550℃热处理1h以上，得到所述的磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒；

其中，所述的内核选自作为磨粒的金刚石、碳化物、氧化物或硼化物中的一种或多种，所述的包覆物前驱体为AlCl₃或Al(NO₃)₃中的一种或两种。

其中，所述的内核选自金刚石、立方氮化硼、碳化硅、碳化硼、氧化铝、氧化硅中的一种或多种，其粒径为5nm～500μm。

所述的缓冲液根据包覆体系所需pH值选择邻苯二甲酸、氢氧化钠、六次甲基四胺、氨水、磷酸二氢钠、盐酸、醋酸、邻苯二甲酸氢钾、醋酸钠、磷酸氢钠中的一种或几种组成用水配制而成。

步骤（2）所述的搅拌转速为1000～1500rpm。

所述的磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒在制备金属基、树脂基、陶瓷基固结磨具中应用。

有益效果：

本发明制得的磨粒/氧化铝核壳结构复合磨粒，包覆层均匀致密，包覆厚度可控，工艺简单经济。包覆层氧化铝有效改善了磨粒在镀液中的分散性能，提高了磨粒在镀层中的分布均匀性。包覆层氧化铝呈鳞片状或微小块状凸起，复合磨粒表面积大，有效提高了基体对磨粒的把持力，有效解决磨粒的脱落问题，提高磨粒的利用率，且外壳硬度较低，不会影响磨粒对工件的作用，延长了磨具使用寿命。

附图说明

图1为金刚石磨粒的SEM图

图2为金刚石/氧化铝核壳结构复合磨粒的SEM图

图3为金刚石/氧化铝核壳结构复合磨粒的EDS谱图

图4含不同磨粒的树脂基研磨垫使用后表面形貌图

（a）为含金普通刚石磨粒的树脂基研磨垫使用后表面形貌图；（b）为含金刚石/氧化铝核壳结构复合磨料的树脂基研磨垫使用后表面形貌图

图5含不同磨粒的金属基复合镀层的截面SEM图

（a）为含普通金刚石磨粒的金属基复合镀层的截面SEM图；（b）为含金刚石/氧化铝核壳结构磨粒的金属基复合镀层的截面SEM图

具体实施方式

实施例1

将5克15～25μm的金刚石经酸浸泡1.5h，去离子水清洗，烘干后加入到磷酸氢钠-磷酸二氢钠缓冲液中，配成15wt％的水溶液，调节pH值为6，超声分散1h，加热至反应温度70℃。

将包覆物前驱体AlCl₃配制成0.15mol/L的溶液100ml，逐滴滴入金刚石悬浮液中，采用磁力搅拌器剧烈搅拌，搅拌转速为1000rpm。反应过程中，不断添加磷酸氢钠或氨水，保持体系pH值为6。

将反应物离心后溶于酒精，超声分散后经120℃烘干24h，500℃热处理的1h以上，得到金刚石/氧化铝核壳结构复合磨粒，采用Sartorius BS-224s型精密天平称量包覆前后的磨粒质量，得其包覆层氧化铝质量为复合磨粒质量的10％。采用SEM观察：磨粒表面形貌布满了鳞片状或微小块状凸起（图2），EDS分析表明表面已覆盖了氧化铝层（图3）。

实施例2

将3克1～3μm的碳化硅经酸浸泡1.5h，去离子水清洗，烘干后加入到六次甲基四胺-盐酸缓冲液中，配成15wt％的水溶液，调节pH值为5.5，超声分散1h，加热至反应温度65℃。

将包覆物前驱体Al(NO₃)₃配制成0.2mol/L的溶液300ml，逐滴滴入金刚石悬浮液中，采用磁力搅拌器剧烈搅拌，搅拌转速为1200rpm。反应过程中，不断添加六次甲基四胺或氢氧化钠，保持体系pH值为5.5。

将反应物离心后溶于酒精，超声分散后经120℃烘干24h，550℃热处理的1h以上，得到碳化硅/氧化铝核壳结构复合磨粒，采用Sartorius BS-224s型精密天平称量包覆前后的磨粒质量，得其包覆层氧化铝质量为复合磨料质量的40％。

实施例3

将8克纳米级的金刚石经酸浸泡1.5h，去离子水清洗，直接加入到醋酸-醋酸钠缓冲液中，配成15wt％的水溶液，调节pH值为5，超声分散1h，加热至反应温度60℃。

将包覆物前驱体AlCl₃配制成0.15mol/L的溶液100ml，逐滴滴入金刚石悬浮液中，采用磁力搅拌器剧烈搅拌，搅拌转速为1500rpm。反应过程中，不断添加醋酸钠或氨水，保持体系pH值为5。

将反应物离心后溶于酒精，超声分散后经120℃烘干4h，得到纳米金刚石/氧化铝核壳结构复合磨粒，采用Sartorius BS-224s型精密天平称量包覆前后的磨粒质量，得其包覆层氧化铝质量为复合磨料质量的5％。

比较例1

市售金刚石磨粒（15～25μm）经酸浸泡1.5h，去离子水清洗，烘干后保留。该磨粒的SEM图见图1，磨粒棱角鲜明，表面平整无异物。

比较例2

市售纳米金刚石经酸浸泡1.5h，去离子水清洗后保留。

研磨实验

分别采用实施例1和比较例1中的磨粒对K9玻璃进行固结磨料研磨实验，加工条件如表1所示。

表1研磨条件

抛光机	CP-4
		工件	K9玻璃
研磨垫	树脂基固结磨料研磨垫
		研磨压力	4Psi
研磨液种类	去离子水
		研磨液流量	50～100ml/min
研磨时间	30min
		上盘转速	55rpm
下盘转速	60rpm
		温度	25℃

研磨后清洗研磨垫，采用数码显微镜进行观察，实施例1和比较例1的研磨垫图片分别参见图4（a）和图4（b）。

图中可见，研磨后，较之对比例1的市售金刚石磨粒，采用实施例1制备的金刚石/氧化铝核壳结构复合磨粒制备的固结磨料研磨垫磨粒保持数量多、脱落少；按照该方法对实施例2、3制备的金刚石/氧化铝核壳结构复合磨粒进行了对K9玻璃进行固结磨料研磨实验，得到了与实施例1中复合磨粒及其近似的研磨垫图片，说明本发明所述磨料有效改善了树脂基体对磨料的把持力，延长了研磨垫使用寿命。

化学复合镀实验

分别采用实施例3和对比例2中磨粒进行Ni-P-纳米金刚石化学复合镀层的制备实验。

试样基体采用规格为φ48mm×2mm的20钢，化学镀液主要成分为：硫酸镍25～30g/L，次磷酸钠30～35g/L，乳酸25～30ml/L，添加少量柠檬酸、硫脲、丁二酸，镀液pH值为4.5。

复合镀工艺流程为：试样除油→去离子水冲洗→活化→去离子水冲洗→化学镀（10min）→复合镀（90min）→去离子水冲洗→除氢→热处理。施镀温度为（87±1）℃，搅拌转速为500～650rpm。

实施例3和比较例2镀层截面形貌如图5（a）和图5（b）所示。

图中可见，较之对比例2采用实施例3制备的金刚石/氧化铝核壳结构复合磨粒制备的Ni-P-纳米金刚石化学复合镀层中磨料沉积量多，磨粒分布均匀，说明本发明所述磨料有效改善了磨粒在镀层中的分布均匀性，且提高了镀层中的磨粒含量。

Claims

1.一种磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒，其特征在于该复合磨粒内核选自作为磨粒的金刚石、碳化物、氧化物或硼化物中的一种或多种，外壳为氧化铝包覆层。

2.根据权利要求1所述的磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒，其特征在于所述的内核选自金刚石、立方氮化硼、碳化硅、碳化硼、氧化铝、氧化硅中的一种或多种，其粒径为5nm～500μm，包覆层氧化铝质量为复合磨粒质量的1～52％。

3.根据权利要求2所述的磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒，其特征在于所述的复合磨粒主要通过如下步骤制备得到：

（1）将预处理后的内核磨粒粉体加入到pH值为3～8的缓冲液中，配制成内核磨粒质量分数为5～15％的水溶液，超声分散1h后，升温至50～80℃；

（2）将包覆物前驱体配制成0.05～0.4mol/L的溶液，逐滴加入到步骤（1）制备的内核磨粒质量分数为5～15％的水溶液中并剧烈搅拌，保持溶液pH值恒定，搅拌方式为机械搅拌；

4.根据权利要求3所述的磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒，其特征在于所述的缓冲液根据包覆体系所需的pH值进行选择邻苯二甲酸、氢氧化钠、六次甲基四胺、氨水、盐酸、醋酸、邻苯二甲酸氢钾、醋酸钠、磷酸氢钠中的一种或几种用水配制而成。

5.根据权利要求3所述的磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒，其特征在于所述的包覆物前驱体为AlCl₃或Al(NO₃)₃中的一种或两种。

6.权利要求1所述的磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒的制备方法，其特征在于包含如下步骤：

（3）将上一步反应物离心，沉淀溶于酒精，超声分散后经120℃烘干24h，300～550℃热处理1h以上，或不经热处理，得到所述的磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒；

其中，所述的内核磨粒选自作为磨粒的金刚石、碳化物、氧化物或硼化物中的一种或多种，所述的包覆物前驱体为AlCl₃或Al(NO₃)₃中的一种或两种。

7.根据权利要求6所述的复合磨粒的制备方法，其特征在于所述的内核磨粒选自金刚石、立方氮化硼、碳化硅、碳化硼、氧化铝、氧化硅中的一种或多种，其粒径为5nm～500μm。

8.根据权利要求6所述的复合磨粒的制备方法，其特征在于所述的缓冲液由邻苯二甲酸、氢氧化钠、六次甲基四胺、氨水、盐酸、醋酸、邻苯二甲酸氢钾、醋酸钠、磷酸氢钠中的一种或几种组成。

9.根据权利要求6所述的复合磨粒的制备方法，其特征在于步骤（2）所述的搅拌转速为1000～1500rpm。

10.权利要求1所述的磨粒/氧化铝核壳结构的复合磨粒在制备金属基、树脂基、陶瓷基固结磨具中应用。