ES2340319T3 - Medios trituradores formados por un material ceramico. - Google Patents
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Abstract
Medios trituradores que comprenden: partículas de medios trituradores formadas por un material cerámico, teniendo el material cerámico un espaciado interlaminar menor que 1250 nm.
Description
Medios trituradores formados por un material
cerámico.
Esta invención se refiere generalmente a medios
trituradores. Se describen métodos asociados con los mismos, así
como composiciones de partículas pequeñas.
La reducción de partículas (también conocida
como conminución) es una tecnología muy antigua, practicada, por
ejemplo, por los antiguos para producir harina a partir de grano
mediante trituración con rueda de piedra. Se desarrollaron técnicas
más refinadas, tales como la molienda, para producir polvos más
pequeños y más regulares para uso en una variedad de aplicaciones
industriales. Los procesos de molienda usan típicamente medios
trituradores para machacar, o golpear, un material producto hasta
dimensiones más pequeñas. Por ejemplo, el material producto se
puede proporcionar en forma de un polvo que tiene partículas
relativamente grandes, y el proceso de molienda se puede usar para
reducir el tamaño de las partículas.
Los medios trituradores pueden tener una
variedad de tamaños, desde machacadores de mineral que tienen varias
pulgadas de diámetro hasta partículas relativamente pequeñas que se
usan para moler partículas mucho más pequeñas. Los medios
trituradores también varían enormemente en forma, incluyendo
esférica, semiesférica, esférica achatada, cilíndrica, diagonal, y
varillas, entre otras formas, incluyendo formas naturales
irregulares tales como granos de
arena.
arena.
En un proceso de molienda típico, los medios
trituradores se usan en un dispositivo conocido como un molino (por
ejemplo, molino de bolas, molino de varillas, molino triturador,
molino de medios agitados, molino de guijarros, etc.). Los molinos
funcionan típicamente distribuyendo material producto alrededor de
los medios trituradores y haciéndolos girar para provocar
colisiones entre los medios trituradores que fracturan las
partículas del material producto en dimensiones más pequeñas.
Se demuestra que las composiciones de partículas
que tienen tamaños de partículas extremadamente pequeños (por
ejemplo, del tamaño nanométrico e inferior) son útiles para muchas
aplicaciones nuevas. Sin embargo, los métodos de molienda
convencionales actuales pueden estar limitados en su capacidad para
producir tales composiciones de partículas a los tamaños de
partículas y niveles de contaminación deseados. También se han
utilizado otros procesos para producir partículas pequeñas, tales
como precipitación química. Sin embargo, los procesos de
precipitación se pueden caracterizar por grandes variaciones del
proceso y del producto, tiempos prolongados de procesamiento, así
como coste elevado.
La invención proporciona composiciones de medios
trituradores.
Según la presente invención como se menciona en
las reivindicaciones, se proporcionan medios trituradores. Los
medios trituradores pueden comprender partículas de medios
trituradores formadas por un material que tiene una densidad mayor
que 8 gramos/centímetro cúbico, una dureza mayor que 900
kgf/mm^{2}, y una tenacidad a la fractura mayor que 6
MPa/m^{1/2}.
Según un aspecto de la presente invención como
se menciona en las reivindicaciones, los medios trituradores
comprenden partículas de medios trituradores formadas por un
material cerámico. El material cerámico tiene un espaciado
interlaminar menor que 1250 nm.
Los medios trituradores pueden comprender
partículas de medios trituradores que tienen un tamaño medio de
partículas menor que alrededor de 150 micrómetros, en los que las
partículas están formadas por un material que tiene una tenacidad
mayor que 6 MPa/m^{1/2}.
Según otro aspecto de la invención como se
menciona en las reivindicaciones, los medios trituradores comprenden
partículas de medios trituradores que comprenden un material
central y un revestimiento formado sobre el material central. El
revestimiento incluye una pluralidad de capas, teniendo al menos una
de las capas un grosor menor que 100 nanómetros.
Los medios trituradores pueden comprender
partículas de medios trituradores formadas por un material compuesto
nanocristalino que comprende una pluralidad de nanopartículas
dispersas en un material de matriz.
Los medios trituradores pueden comprender
partículas de medios trituradores formadas por un material compuesto
que comprende una pluralidad de partículas dispersas en un material
de matriz, en los que las partículas dispersas están formadas por un
material que tiene una densidad mayor que 8 gramos/centímetro
cúbico.
Los medios trituradores pueden comprender
partículas de medios trituradores formadas por un compuesto cerámico
que comprende más de un elemento metálico, teniendo las partículas
un tamaño medio menor que alrededor de 150 micrómetros.
Los medios trituradores pueden comprender
partículas de medios trituradores capaces de moler partículas de
alimentación inorgánicas para producir una composición de partículas
molidas inorgánicas que tiene un tamaño medio de partículas menor
que 100 nm y un nivel de contaminación menor que 500 ppm. Las
partículas de la alimentación pueden tener un tamaño medio de
partículas mayor que 10 veces el tamaño medio de partículas de la
composición de partículas molidas.
Los medios trituradores pueden comprender
partículas de medios trituradores capaces de moler partículas de
alimentación de titania para producir una composición de partículas
molidas de titania a una entrada de energía específica menor que
alrededor de 25.000 ld/kg. La composición de partículas molidas de
titania puede tener un tamaño medio de partículas menor que
alrededor de 100 nm y un nivel de contaminación menor que 500 ppm.
Las partículas de alimentación de titania pueden tener un tamaño
medio de partículas mayor que 50 veces el tamaño medio de
partículas de la composición de partículas molidas de titania.
Los medios trituradores pueden comprender
partículas de medios trituradores de forma que al menos 70% de las
partículas de medios trituradores tienen un tamaño medio de
partículas menor que alrededor de 150 micrómetros, y son capaces de
pasar un ensayo de compresión con plancha de acero.
Se describe una composición de partículas
molidas. No se reivindica una composición de partículas molidas. La
composición comprende partículas inorgánicas molidas que tienen un
tamaño medio de partículas menor que 100 nm y un nivel de
contaminación menor que 500 nm.
Se describe un método. No se reivindica un
método. El método comprende moler partículas de alimentación
inorgánicas usando medios trituradores para producir una
composición de partículas molidas inorgánicas que tiene un tamaño
medio de partículas menor que 100 nm y un nivel de contaminación
menor que 500 ppm. Las partículas de alimentación tienen un tamaño
medio de partículas mayor que 10 veces el tamaño medio de partículas
de la composición de partículas molidas.
Otros aspectos, realizaciones y características
de la invención serán manifiestos a partir de la siguiente
descripción detallada de la invención cuando se consideran junto con
los dibujos que se acompañan. Las figuras que se acompañan son
esquemáticas, y no pretenden estar dibujadas a escala. En las
figuras, cada componente idéntico, o sustancialmente similar, que
se ilustra en diversas figuras se representa mediante un único
número o notación. Con fines de claridad, cada componente no está
numerado en cada figura. Tampoco se muestra cada componente de cada
realización de la invención cuando la ilustración no es necesaria
para permitir a los expertos normales en la técnica comprender la
invención.
La Fig. 1 muestra esquemáticamente la
microestructura de una partícula de medios trituradores, según una
realización de la invención, que incluye una lámina \alpha y
\beta, y un espaciado interlaminar (\lambda).
La Fig. 2 es una copia de una microfotografía
electrónica de barrido que muestra partículas de titania como se
describen en el Ejemplo 2.
Se describen aquí medios trituradores. Los
medios trituradores se pueden usar en procesos de molienda para
producir composiciones de partículas. Las composiciones de
partículas molidas se pueden caracterizar por tener un tamaño muy
pequeño de partículas (por ejemplo, 100 nm o menos) y/o niveles muy
bajos de contaminación (por ejemplo, menores que 500 ppm). Como se
describe adicionalmente a continuación, puede ser deseable que las
partículas de medios trituradores tengan ciertas propiedades (por
ejemplo, densidad, dureza, tenacidad) para mejorar el
comportamiento de la molienda. Los medios trituradores también
pueden estar formados por composiciones de materiales específicos
(por ejemplo, materiales de múltiples carburos) y/o pueden tener
dimensiones seleccionadas y/o pueden tener una microestructura
particular, para proporcionar resultados preferidos. Con los medios
trituradores, que se pueden usar en numerosas aplicaciones, se
puede producir una amplia variedad de composiciones de
partículas.
Se describe el descubrimiento de que el uso de
medios trituradores formados por un material que tiene una cierta
combinación de propiedades puede conducir a un extraordinario
comportamiento de molienda (por ejemplo, tamaño muy pequeño de
partículas molidas, niveles muy bajos de contaminación). Por
ejemplo, se ha encontrado que los medios trituradores que tienen la
combinación de una densidad ultraelevada, una tenacidad elevada a
la fractura y una dureza muy elevada pueden promover tal
comportamiento.
Puede ser preferible que los medios trituradores
estén formados por material de densidad ultraelevada, que es
considerablemente mayor que la densidad de ciertos materiales de
medios trituradores convencionales. Se ha encontrado que los medios
trituradores de densidad ultraelevada pueden potenciar enormemente
la eficacia de los medios trituradores en el proceso de molienda.
Por ejemplo, en algunos casos, los medios trituradores están
formados por un material que tiene una densidad mayor que 8
gramos/centímetro cúbico; en algunos casos, la densidad es mayor
que 12 gramos/centímetro cúbico; y, en algunos casos, la densidad
puede incluso ser mayor que 15 gramos/centímetro cúbico (por
ejemplo, alrededor de 17 gramos/centímetro cúbico). En algunos
casos, puede ser preferible que la densidad sea menor que 30
gramos/centímetro cúbico. Se debería entender que la densidad del
material de medios trituradores se puede medir usando técnicas
convencionales.
En ciertas realizaciones, también puede ser
preferible que los medios trituradores tengan una elevada tenacidad
a la fractura. Se ha encontrado que una elevada tenacidad a la
fractura reduce significativamente el desgaste de los medios
trituradores, lo que puede conducir a niveles de contaminación
inesperadamente bajos en las composiciones de partículas
resultantes, como se describe posteriormente más abajo. Por ejemplo,
en algunos casos, el medio triturador está formado por un material
que tiene una tenacidad a la fractura mayor que 6 MPa/m^{1/2}; y,
en algunos casos, la tenacidad a la fractura es mayor que 9
MPa/m^{1/2}. La tenacidad a la fractura puede ser mayor que 12
MPa/m^{1/2} en ciertas realizaciones.
Para medir la tenacidad a la fractura, se pueden
usar técnicas convencionales. Las técnicas adecuadas pueden
depender, en parte, del tipo de material que se esté ensayando, y
son conocidas por los expertos normales en la técnica. Por ejemplo,
en ciertos casos puede ser adecuado un ensayo de tenacidad a la
fractura mediante indentación. También, puede ser adecuada una
técnica de tenacidad a la fractura de Palmqvist, por ejemplo cuando
se ensayan metales duros. Se debería entender que los valores de
tenacidad a la fractura descritos aquí se refieren a valores de
tenacidad a la fractura medidos en muestras brutas del material. En
algunos casos, por ejemplo cuando los medios trituradores están en
forma de partículas muy pequeñas (por ejemplo, menores que 150
micrómetros), puede ser difícil medir la tenacidad a la fractura, y
la tenacidad real a la fractura puede ser diferente de la medida
sobre las muestras brutas.
En ciertas realizaciones, también puede ser
preferible que los medios trituradores tengan una dureza muy
elevada. Se ha encontrado que los medios que tienen una dureza muy
elevada pueden conducir a una transferencia incrementada de energía
por colisión con el material producto, lo que, a su vez, puede
incrementar la eficacia de la molienda. En algunas realizaciones,
el medio triturador está formado por un material que tiene una
dureza mayor que 900 kgf/mm^{2}; y, en algunos casos, la dureza
es mayor que 1200 kgf/mm^{2}. La dureza puede ser incluso mayor
que 1700 kgf/mm^{2} en ciertas realizaciones.
Para medir la dureza, se pueden usar técnicas
convencionales. Las técnicas adecuadas dependen, en parte, del tipo
de material que se está ensayando, y son conocidas por los expertos
normales en la técnica. Por ejemplo, una técnica adecuada puede ser
el ensayo de dureza de Vickers (siguiendo ASTM 1327). Se debería
entender que los valores de dureza descritos aquí se refieren a
valores de dureza medidos sobre muestras brutas del material. En
algunos casos, por ejemplo cuando los medios trituradores están en
forma de partículas muy pequeñas (por ejemplo, menores que 150
micrómetros), puede ser difícil medir la dureza, y la dureza real
puede ser mayor que la medida sobre muestras brutas.
Se puede usar un ensayo de compresión para
evaluar las propiedades (por ejemplo, tenacidad a la fractura) de
medios trituradores cuando están en forma de partículas. Por
ejemplo, se puede usar un "ensayo de compresión con plancha de
acero". Como se usa aquí, un "ensayo de compresión con plancha
de acero" implica colocar una única partícula de medios
trituradores entre dos superficies pulidas de acero de aleación 4140
endurecido (ASTM A193) y aplicar una fuerza que comprima la
partícula de medios trituradores entre las superficies hasta un
punto en el que la partícula de medios trituradores se fracture, o
se indente al menos una de las superficies. Las superficies se
pueden cortar a partir de una varilla (por ejemplo, 2,22 centímetros
de diámetro), y se pueden pulir usando un disco pulidor de diamante
de 0,5 micrómetros. Una partícula de medios trituradores pasa el
"ensayo de compresión con plancha de acero" si no se fractura
durante el ensayo ni indenta al menos una de las planchas de acero.
En algunos casos, los métodos usan medios trituradores de forma que
al menos 70%, o al menos 90%, de las partículas de medios
trituradores son capaces de pasar el ensayo de compresión con
plancha de acero y tienen un tamaño medio de partículas menor que
alrededor de 150 micrómetros (por ejemplo, entre 70 micrómetros y
100 micrómetros). En algunos casos, sustancialmente todas las
partículas de medios trituradores son capaces de pasar el ensayo de
compresión con plancha de acero, y tienen un tamaño medio de
partículas menor que alrededor de 150 micrómetros (por ejemplo,
entre 70 micrómetros y 100 micrómetros).
Se debería entender que los medios trituradores
de la invención pueden tener cualquiera de los valores de densidad
descritos anteriormente, combinados con cualquiera de los valores de
tenacidad a la fractura descritos anteriormente, y combinados
además con cualquiera de los valores de dureza descritos
anteriormente. La combinación particular de propiedades puede
depender de un número de factores que incluyen la facilidad para
formar los medios trituradores, el coste, y las características de
la composición final deseada de partículas, entre otros. Se debería
entender también que, en ciertas realizaciones de la invención, los
medios trituradores pueden no tener una combinación de propiedades
que caen dentro de los intervalos descritos anteriormente. En
algunos casos, por ejemplo, sólo ciertas propiedades pueden caer
dentro de los intervalos descritos anteriormente.
En algunas realizaciones, los medios
trituradores pueden tener una baja velocidad de desgaste. Por
ejemplo, la velocidad de desgaste de los medios trituradores puede
ser menor que 0,01 por ciento en peso/hora de tiempo de molienda.
En algunos casos, la velocidad de desgaste puede ser incluso menor,
tal como menor que 0,005%, o menor que 0,001% (por ejemplo,
alrededor de 0,0005%), por ciento en peso/hora de tiempo de
molienda.
Los medios trituradores de la invención pueden
tener un amplio intervalo de dimensiones. Independientemente de su
tamaño, los medios trituradores se pueden denominar como partículas.
En general, el tamaño medio de los medios trituradores está entre
alrededor de 0,5 micrómetros y 10 cm. En ciertas realizaciones,
puede ser ventajoso usar medios trituradores que son muy pequeños.
Por ejemplo, se puede preferir usar medios trituradores que tengan
un tamaño medio menor que alrededor de 150 micrómetros (por ejemplo,
entre alrededor de 75 y alrededor de 125 micrómetros). En algunos
casos, los medios trituradores pueden tener un tamaño medio menor
que alrededor de 100 micrómetros; o incluso menor que alrededor de
10 micrómetros. En algunos casos, los medios trituradores pueden
tener un tamaño medio de partículas mayor que 1 micrómetro. Las
dimensiones específicas de los medios trituradores pueden depender
de una variedad de factores, que incluyen el tamaño de partículas
del material producto de partida, el tamaño de partículas del
producto molido final deseado, así como la composición de los
medios trituradores, entre otros. En particular, se puede preferir
que el tamaño de los medios trituradores sea entre alrededor de 10
veces y alrededor de 100 veces mayor que el tamaño medio de
partículas del material producto antes de la molienda. También se
ha descubierto que el uso de medios trituradores muy pequeños (por
ejemplo, tamaño medio menor que alrededor de 150 micrómetros) puede
conducir a un comportamiento de molienda sorprendentemente eficaz
(por ejemplo, tamaño muy pequeño de partículas, niveles muy bajos de
contaminación), particularmente cuando los medios trituradores
también tienen las propiedades descritas y/o las composiciones (y/u
otras características) descritas posteriormente más abajo.
Se debería entender que el tamaño medio de los
medios trituradores se puede determinar midiendo la dimensión media
de sección transversal (por ejemplo, diámetro para medios
trituradores sustancialmente esféricos) de un número representativo
de partículas de medios trituradores.
Los medios trituradores también pueden tener una
variedad de formas. En general, los medios trituradores pueden
tener cualquier forma adecuada conocida en la técnica. En algunas
realizaciones, se prefiere que los medios trituradores sean
sustancialmente esféricos (expresión que se usa aquí de forma
intercambiable con "esféricos"). Se ha encontrado que los
medios trituradores sustancialmente esféricos son particularmente
eficaces a la hora de obtener el comportamiento de molienda
deseado.
En algunas realizaciones, los medios
trituradores pueden estar formados por un material cerámico. Por
ejemplo, en algunas realizaciones, puede ser preferido que los
medios trituradores estén formados por un material de múltiples
carburos. Un material de múltiples carburos comprende al menos dos
elementos formadores de carburo (por ejemplo, elementos metálicos)
y carbono.
En ciertos casos preferidos, los medios
trituradores están formados por un material de múltiples carburos
que tiene las combinaciones de propiedades señaladas anteriormente.
También puede ser preferido que los medios trituradores de
materiales de múltiples carburos tengan los tamaños muy pequeños
señalados anteriormente. Se ha encontrado que tales tamaños
pequeños son particularmente eficaces en ciertos procesos.
Un material de múltiples carburos puede
comprender un compuesto de múltiples carburos (es decir, un
compuesto de carburo que tiene una estequiometría específica; o una
mezcla de compuestos de un solo carburo, tal como una mezcla de WC
y TiC); o tanto un compuesto de múltiples carburos como una mezcla
de compuestos de un solo carburo. Se debería entender que los
materiales de múltiples carburos también pueden incluir otros
componentes tales como nitrógeno, elementos formadores de carburo
que están en forma elemental (por ejemplo, que no se convirtieron
en un carburo durante el procesamiento del material de múltiples
carburos), entre otros, incluyendo aquellos presentes como
impurezas. Típicamente, pero no siempre, estos otros componentes
están presentes en cantidades relativamente minoritarias (por
ejemplo, menores que 10 por ciento atómico).
Los elementos formadores de carburo adecuados en
medios trituradores de múltiples carburos de la invención incluyen
hierro, cromo, hafnio, molibdeno, niobio, renio, tántalo, titanio,
volframio, vanadio, circonio, aunque también pueden ser adecuados
otros elementos. En algunos casos, el material de múltiples carburos
comprende al menos dos de estos elementos. Por ejemplo, en algunas
realizaciones, el material de múltiples carburos comprende
volframio, renio y carbono; en otros casos, volframio, hafnio y
carbono; en otros casos, molibdeno, titanio y carbono.
En algunas realizaciones, puede ser preferido
que el material de múltiples carburos comprenda al menos volframio,
titanio y carbono. En algunos de estos casos, el material de
múltiples carburos puede consistir esencialmente en volframio,
titanio y carbono, y está libre de elementos adicionales en
cantidades que afecten materialmente a las propiedades. Sin
embargo, en otros casos, el material de múltiples carburos puede
incluir elementos adicionales formadores de carburos metálicos, en
cantidades que afecten materialmente a las propiedades.
Por ejemplo, en estas realizaciones, el
volframio puede estar presente en el material de múltiples carburos
en cantidades entre 10 y 90% atómico; y, en algunas realizaciones,
en cantidades entre 30 y 50% atómico. La cantidad de titanio en el
material de múltiples carburos puede estar entre 1 y 97% atómico; y,
en algunas realizaciones, entre 2 y 50% atómico. En estas
realizaciones que utilizan material de múltiples carburos de
carburo de volframio y titanio, el resto puede ser carbono. Por
ejemplo, el carbono puede estar presente en cantidades entre 10 y
40% atómico. Como se ha señalado anteriormente, también se debería
entender que cualesquiera otros elementos formadores de carburo
adecuados también pueden estar presentes en el material de múltiples
carburos en estas realizaciones, además de volframio, titanio y
carbono. En algunos casos, uno o más elementos formadores de
carburo adecuados pueden sustituir al titanio en ciertos sitios en
la estructura cristalina de múltiples carburos. Como elementos que
pueden sustituir al titanio, se pueden preferir particularmente
hafnio, niobio, tántalo y circonio. Los elementos formadores de
carburo que sustituyen al titanio pueden estar presentes, por
ejemplo, en cantidades de hasta 30% atómico (basado en el material
de múltiples carburos). En algunos casos, los elementos de
múltiples carburos adecuados pueden sustituir al volframio en
ciertos sitios en la estructura cristalina de múltiples carburos.
Como elementos que pueden sustituir al volframio, se pueden
preferir particularmente cromo, molibdeno, vanadio, tántalo y
niobio. Los elementos formadores de carburo que sustituyen al
volframio pueden estar presentes, por ejemplo, en cantidades de
hasta 30% atómico (basado en el material de múltiples
carburos).
También se debería entender que los elementos
sustituyentes formadores de carburo señalados anteriormente pueden
sustituir completamente al titanio y/o volframio, para formar un
material de múltiples carburos libre de volframio y/o titanio.
Se debería entender que también se pueden usar
en ciertas realizaciones de la invención otras composiciones de
medios trituradores que no contienen múltiples carburos. En
particular, en ciertas realizaciones se pueden usar composiciones
que no contienen múltiples carburos, que tienen la combinación de
propiedades señalada anteriormente. En algunos casos, estas
composiciones que no contienen múltiples carburos pueden ser
materiales cerámicos, incluyendo materiales cerámicos que
comprenden más de un elemento metálico (pero no carbono). Más abajo
se describen composiciones de medios trituradores adecuadas
adicionales.
En general, se puede usar cualquier proceso
adecuado para formar composiciones de múltiples carburos en medios
trituradores que tengan las características deseadas. Típicamente,
los procesos implican calentar los componentes de la composición
del material de múltiples carburos hasta temperaturas mayores que
las respectivas temperaturas de fusión de los componentes, seguido
de una etapa de enfriamiento para formar los medios trituradores. Se
puede usar una variedad de diferentes técnicas de calentamiento,
incluyendo una antorcha de plasma térmica, atomización del fundido,
y fusión con arco, entre otras.
Un proceso adecuado es el siguiente. El proceso
implica mezclar partículas finas de los elementos destinados a
formar parte del material de múltiples carburos en relaciones
apropiadas. La estabilidad de la mezcla se puede potenciar
introduciendo un agente aglutinante inerte (por ejemplo, que no es
activo y no forma un componente del material de múltiples
carburos). La mezcla se puede subdividir en una pluralidad de
agregados (por ejemplo, teniendo cada uno una masa aproximadamente
igual a la de la partícula de los medios deseada a formar). Los
agregados se pueden calentar para fusionar (por ejemplo, hasta 90%
de la densidad teórica) y, eventualmente, fundir agregados
individuales para formar gotitas que se enfrían para formar los
medios trituradores.
El proceso descrito anteriormente puede ser
particularmente preferido cuando se forman medios trituradores de
múltiples carburos que tienen dimensiones relativamente pequeñas
(por ejemplo, menores que 500 micrómetros) y una forma esférica. Se
debería entender que también son posibles otras dimensiones y formas
variando las condiciones del proceso.
Como se ha señalado anteriormente, los medios
trituradores de la presente invención no están limitados a
materiales de múltiples carburos. En ciertas realizaciones de la
invención, los medios trituradores pueden comprender más de un
componente del material que tiene diferentes composiciones. Se
debería entender que dos componentes del material pueden tener una
composición diferente si comprenden elementos químicos diferentes, o
si comprenden los mismos elementos químicos pero presentes en
cantidades diferentes (por ejemplo, diferentes estequiometrías).
También es posible que los medios trituradores estén formados por
una composición de un solo material.
Los medios trituradores pueden estar formados
por mezclas de dos materiales diferentes. Por ejemplo, los medios
trituradores pueden estar formados por una mezcla de dos materiales
cerámicos diferentes (por ejemplo, una mezcla de partículas
cerámicas de alta densidad en una matriz cerámica); o una mezcla de
un material cerámico y un metal (por ejemplo, una mezcla de
partículas cerámicas de alta densidad en una matriz metálica).
En algunas realizaciones de medios trituradores
de múltiples componentes, los medios trituradores comprenden
partículas revestidas. Las partículas tienen un material central, y
un revestimiento formado sobre el material central. El
revestimiento típicamente cubre completamente el material central,
aunque no en todos los casos. La composición del material central y
de revestimiento se puede seleccionar para proporcionar a los medios
trituradores las propiedades deseadas y, en algunos casos
preferidos, propiedades dentro de los intervalos descritos
anteriormente. Una ventaja de usar una estructura revestida puede
ser el hecho de que los materiales central y de revestimiento
pueden impartir cada uno ciertas propiedades deseadas seleccionadas
(sin necesidad de impartir individualmente todas las propiedades
deseadas), debido a que las propiedades de la estructura global se
determinan mediante contribuciones tanto del material de
revestimiento como del material central. Esto puede facilitar el
logro del balance deseado de propiedades, y puede permitir una mayor
flexibilidad en la elección del material de los medios trituradores
que la que de otro modo estaría disponible en medios trituradores
formados por un único material.
En algunas realizaciones que implican medios
trituradores revestidos, puede ser preferible que el núcleo esté
formado por un material de alta densidad (por ejemplo, mayor que 5
gramos/centímetro cúbico, o los otros intervalos de densidades
descritos anteriormente). Por ejemplo, el núcleo puede estar hecho
de un metal tal como acero o uranio empobrecido; o un material
cerámico, tal como carburo de volframio o carburo cementado. En
algunos de estos casos, el material central puede no tener una
elevada tenacidad a la fractura ni una elevada dureza.
Puede ser preferible que el material de
revestimiento tenga una elevada tenacidad a la fractura y/o una
elevada dureza, particularmente si el material central no muestra
tales propiedades pero tiene una densidad elevada. Por ejemplo, el
revestimiento puede estar formado por un material que tiene los
valores de tenacidad a la fractura y dureza descritos anteriormente.
Como revestimiento, se pueden usar materiales extremadamente duros,
tales como diamante. También, el revestimiento puede estar formado
por un material cerámico. Los materiales cerámicos adecuados
incluyen carburos metálicos (por ejemplo, carburo de volframio),
múltiples carburos, alúmina, óxido de circonio, silicato de
circonio, Mg-PSZ, Ce-TZP e
Y-TZP. En algunos casos, para lograr propiedades
deseadas, el revestimiento se puede endurecer adicionalmente
dopándolo con un aditivo. Por ejemplo, el revestimiento puede estar
formado por 3 Y-TZP, que se ha endurecido
adicionalmente dopándolo con Sr_{2}Nb_{2}O_{7}.
En algunos casos, el propio revestimiento puede
tener múltiples componentes materiales. Por ejemplo, el
revestimiento puede estar formado por más de una capa que tiene
diferentes composiciones de material. En algunas realizaciones, las
capas se apilan para formar una estructura estratificada
"superdura". Puede ser preferible (por ejemplo, para
incrementar la dureza) que al menos una de las capas en el
revestimiento sea relativamente delgada (por ejemplo, menor que 100
nm). En algunos casos, la dureza se puede potenciar teniendo al
menos una capa extremadamente delgada (o, en algunos casos,
múltiples capas extremadamente delgadas) que tienen un grosor menor
que 10 nm. Particularmente cuando las capas son extremadamente
delgadas, las estructuras estratificadas pueden incluir un número
relativamente grande de capas (por ejemplo, mayor que 10).
En general, se puede usar cualquier proceso de
revestimiento adecuado para producir medios trituradores revestidos
de la presente invención. Tales procesos incluyen procesos de
pulverización y de evaporación.
En ciertas realizaciones de medios trituradores
de múltiples componentes, los medios trituradores comprenden una
estructura de material compuesto que incluye partículas dispersas en
un material de matriz. La estructura de material compuesto puede
incluir, por ejemplo, partículas cerámicas de alta densidad (por
ejemplo, que tienen cualquiera de las densidades ultraelevadas
señaladas anteriormente, tales como 8 gramos/centímetro cúbico). Las
partículas cerámicas se pueden dispersar en un material cerámico
(por ejemplo, un nitruro o un carburo), un material metálico, o una
mezcla de materiales cerámicos y metálicos. En algunas
realizaciones, las partículas cerámicas pueden ser materiales de
múltiples carburos.
En ciertos casos, los medios trituradores pueden
estar formados por un material compuesto nanocristalino que incluye
una pluralidad de nanopartículas (por ejemplo, tamaño de partículas
menor que 50 nm, o incluso menor que 10 nm) dispersas en un
material de matriz. La matriz puede ser un material cerámico tal
como un nitruro o carburo. En algunos casos, puede ser preferido
que el material de matriz tenga una estructura amorfa (por ejemplo,
nitruro de silicio amorfo, Si_{3}N_{4}). Las nanopartículas
también pueden ser un material cerámico, tal como un nitruro de
metal de transición (por ejemplo, Me_{n}N (Me = Ti, W; V; y
similares). Las nanopartículas pueden tener una estructura
cristalina. Tales materiales compuestos nanocristalinos pueden
presentar una dureza extremadamente elevada, tal como los
intervalos de dureza señalados anteriormente, y a menudo superiores.
En general, se puede usar cualquier proceso adecuado para producir
medios trituradores de materiales compuestos nanocristalinos de la
presente inven-
ción.
ción.
La microestructura de los medios trituradores de
la invención también puede contribuir al comportamiento de la
molienda en ciertos casos. Puede ser preferible que los medios
trituradores estén formados por un material que tenga cierto
espaciado interlaminar. Las láminas son fases distintas dentro de un
material, que se pueden formar una sobre otra. Como se muestra en la
Fig. 1, la microestructura de un medio triturador incluye láminas
\alpha y \beta, siendo el espaciado interlaminar (\lambda) la
distancia desde el centro de una lámina \alpha al centro de la
siguiente lámina \alpha.
Se ha descubierto que el uso de medios
trituradores formados por materiales que tienen pequeños espaciados
interlaminares (por ejemplo, menores que 1250 nm) puede mejorar el
comportamiento de la molienda. En algunos casos, para potenciar el
comportamiento, se pueden usar medios trituradores formados por un
material que tiene espaciados interlaminares extremadamente
pequeños menores que 100 nm, o incluso menores que 10 nm. Estos
espaciados interlaminares se pueden lograr, en algunos casos,
formando una serie de revestimientos de película muy delgados (por
ejemplo, menores que 100 nm o menores que 10 nm), siendo cada
película una fase diferente. En algunos casos, las películas pueden
comprender materiales que son relativamente blandos (por ejemplo,
cobre, aluminio), pero la estructura global puede presentar una
dureza elevada.
Sin embargo, se debería entender que sólo una
porción del material de un material individual de medios
trituradores de un aspecto de la invención puede tener tal
espaciado.
Los efectos positivos de los espaciados
interlaminares señalados anteriormente se pueden encontrar en
relación con una amplia variedad de materiales que incluyen las
composiciones señaladas anteriormente. En particular, el
comportamiento de molienda de medios trituradores formados por
materiales cerámicos tales como carburos (incluyendo carburos
metálicos (por ejemplo, carburos de volframio, talio, niobio, y
vanadio) o de múltiples carburos) puede beneficiarse
significativamente de los espaciados interlaminares deseables
descritos aquí.
En algunas realizaciones, puede ser preferido
que una mayoría de los medios trituradores usados en un proceso de
molienda tenga sustancialmente la misma composición y/o propiedades.
Esto es, al menos más de 50% de los medios trituradores usados en
el proceso tiene sustancialmente la misma composición y/o
propiedades. En algunas realizaciones, más del 75%, más del 90%, o
sustancialmente todo el medio triturador puede tener sustancialmente
la misma composición y/o propiedades.
Como se ha señalado anteriormente, los medios
trituradores de la presente invención se pueden usar en procesos de
molienda. Los medios trituradores son adecuados para uso en un
amplio intervalo de molinos convencionales que tienen una variedad
de diferentes diseños y capacidades. Los tipos adecuados de molinos
incluyen, pero no se limitan a, molinos de bolas, molinos de
varillas, molinos trituradores, molinos de medios agitados, y
molinos de guijarros, entre otros.
En algunos casos, se pueden usar condiciones
convencionales de molienda (por ejemplo, energía, tiempo) cuando se
procesa con los medios trituradores de la invención. En otros casos,
los medios trituradores de la invención pueden permitir el uso de
condiciones de molienda que son significativamente menos onerosas
(por ejemplo, menos energía, menos tiempo) que aquellas de los
procesos convencionales típicos de molienda, a la vez que se logra
un comportamiento equivalente o superior de molienda, como se
describe más abajo. En algunos casos, los medios trituradores que
tienen las combinaciones descritas anteriormente de propiedades de
dureza, tenacidad y densidad permiten procesar en condiciones que
serían perjudiciales para los medios trituradores y de molienda
convencionales.
Un proceso de molienda típico implica la
introducción de una suspensión de material producto (es decir,
material de alimentación) y un fluido de molienda (por ejemplo,
agua o metanol) en un espacio de procesamiento en un molino en el
que están confinados los medios trituradores. La viscosidad de la
suspensión se puede controlar, por ejemplo, añadiendo aditivos a la
suspensión, tales como dispersantes. El molino se hace girar a una
velocidad deseada, y las partículas del material producto se
mezclan con los medios trituradores. Las colisiones entre las
partículas del material producto y los medios trituradores dan como
resultado una reducción del tamaño de las partículas del material
producto. En ciertos procesos, se cree que el mecanismo de reducción
del tamaño de partículas está dominado por el desgaste de las
superficies de las partículas del material producto; mientras, en
otros procesos, se cree que el mecanismo de reducción del tamaño de
partículas está dominado por una fractura de las partículas. El
mecanismo particular puede afectar a las características finales
(por ejemplo, morfología) de la composición de las partículas
molidas. El material producto se expone típicamente a los medios
trituradores durante un cierto tiempo de molienda, después de lo
cual el material producto molido se separa de los medios
trituradores usando técnicas convencionales, tales como lavado y
filtrado, o separación gravimétrica. En algunos procesos, la
suspensión del material producto se introduce a través de una
entrada de molino y, tras la molienda, se recupera desde una salida
de molino. El proceso se puede repetir y, en ciertos procesos, se
puede usar secuencialmente un número de molinos, estando la salida
de un molino conectada de forma fluida con la entrada del molino
subsiguiente.
Se ha encontrado que los medios trituradores de
la invención, en particular aquellos que tienen las propiedades y/o
composiciones señaladas anteriormente, proporcionan un
extraordinario comportamiento de molienda (por ejemplo, tamaño muy
pequeño de las partículas molidas, niveles muy bajos de
contaminación). Ciertos procesos de molienda pueden producir
composiciones de partículas molidas que tienen un tamaño medio de
partículas menor que 500 nm. Es posible producir partículas
considerablemente más pequeñas usando medios trituradores de la
invención. Por ejemplo, los medios trituradores pueden producir
composiciones de partículas molidas que tienen un tamaño medio de
partículas menor que 100 nm, menor que 50 nm, o incluso menor que 10
nm. En algunos procesos, estos tamaños de partículas se logran
cuando el material de alimentación (antes de la molienda) tiene un
tamaño medio de partículas mayor que 1 micrómetro, mayor que 10
micrómetros, o incluso mayor que 50 micrómetros. En algunos
procesos, el tamaño medio de partículas del material de alimentación
puede ser mayor que 10 veces, 50 veces, 100 veces, o incluso mayor
que 500 veces el tamaño medio de partículas del material molido. El
tamaño específico de las partículas del material molido depende de
un número de factores, que incluyen condiciones de molienda (por
ejemplo, energía, tiempo), aunque también está dictado, en parte,
por la aplicación en la que se va a usar el material molido. En
general, las condiciones de molienda se pueden controlar para
proporcionar un tamaño deseado de partículas. En algunos casos,
aunque no todos, puede ser preferible que el tamaño de partículas
sea mayor que 1 nm, para facilitar el procesamiento. El tamaño de
partículas del material de alimentación puede depender de la
disponibilidad comercial, entre otros factores.
Una ventaja importante (y sorprendente) de
ciertos métodos de trituración es que los tamaños de partículas
señalados anteriormente se pueden lograr a niveles muy bajos de
contaminación. Las propiedades y/o composiciones de los medios
trituradores señaladas anteriormente pueden permitir niveles bajos
de contaminación debido a que tales características conducen a
velocidades muy bajas de desgaste. Por ejemplo, los niveles de
contaminación pueden ser menores que 900 ppm, menores que 500 ppm,
menores que 200 ppm, o incluso menores que 100 ppm. En algunos
procesos, virtualmente no se puede detectar contaminación, lo que
generalmente es representativo de niveles de contaminación menores
que 10 ppm. Como se usa aquí, un "contaminante" es un material
de medios trituradores introducido en la composición del material
producto durante la molienda. Se debería entender que los
materiales producto típicos comercialmente disponibles pueden
incluir una cierta concentración de impurezas (antes de la
molienda), y que tales impurezas no se incluyen en la definición de
contaminante como se usa aquí. También, otras fuentes de impurezas
introducidas en el material producto, tal como material procedente
del equipo de molienda, no se incluyen en la definición de
contaminante como se usa aquí. El "nivel de contaminación" se
refiere a la concentración en peso del contaminante con relación a
la concentración en peso del material molido. Las unidades típicas
para el nivel de contaminación son ppm. Las técnicas estándar para
medir niveles de concentración son conocidas por los expertos en la
técnica, incluyendo técnicas de análisis de la composición
química.
\newpage
Se debería entender que los métodos pueden
producir composiciones que tengan cualquiera de los valores de
tamaño de partículas descritos anteriormente (incluyendo valores de
tamaño relativo entre partículas antes y después de la molienda)
combinados con cualquiera de los niveles de contaminación descritos
anteriormente. Por ejemplo, un método de la invención implica moler
partículas de alimentación que tienen un tamaño medio inicial de
partículas para formar una composición de partículas molidas que
tiene un tamaño medio final de partículas menor que 100 nm, en el
que el tamaño inicial de partículas es mayor que 100 veces el tamaño
final de partículas, y la composición de partículas molidas tiene
un nivel de contaminación menor que 500 ppm.
También se debería entender que los procesos de
trituración pueden no producir composiciones de partículas molidas
que tienen los tamaños de partículas y/o niveles de contaminación
descritos anteriormente. En algunos casos, por ejemplo, sólo
algunas de estas características puede caer dentro de los intervalos
descritos anteriormente. También, los medios trituradores de la
invención se pueden usar para producir composiciones de partículas
molidas que tienen tamaños mucho más grandes de partículas que los
descritos anteriormente, en particular cuando el tamaño de
partículas del material producto antes de la molienda es muy grande
(por ejemplo, del orden de centímetros o superior).
Se debería entender que las partículas molidas
tienen una morfología "molida" característica. Los expertos
normales en la técnica pueden identificar "partículas molidas"
como partículas que incluyen uno o más de los siguientes rasgos
microscópicos: múltiples bordes nítidos, superficies con facetas, y
que están libres de "esquina" redondeada lisa, tal como las
observadas típicamente en partículas precipitadas químicamente.
Se debería entender que las partículas molidas
"sustancialmente esféricas", como se describen aquí, todavía
pueden tener uno o más de los rasgos microscópicos descritos
anteriormente, mientras que aparecen sustancialmente esféricas a
menores aumentos. En ciertas realizaciones, puede ser preferido que
las partículas molidas de la invención sean sustancialmente
esféricas. En otros casos, las partículas molidas pueden tener
formas de plaquetas, esferoide achatado, y/o lentes. También son
posibles otras formas de las partículas. Se debería entender que,
dentro de una composición de partículas molidas, las partículas
individuales pueden estar en forma de una o más de las formas
descritas anteriormente.
Ventajosamente, los medios trituradores permiten
condiciones de molienda ventajosas. Por ejemplo, se pueden utilizar
menores tiempos de molienda y entradas de energía específicas debido
a la elevada eficiencia de molienda de los medios trituradores de
la invención. Como se usa aquí, la "entrada de energía
específica" es la energía de molienda consumida por peso de
material producto. Incluso las composiciones de partículas molidas
que tienen los tamaños de partículas y niveles de contaminación
señalados anteriormente se pueden producir a bajas entradas de
energía de molienda y/o tiempos cortos de molienda. Por ejemplo, la
entrada de energía específica puede ser menor que 125.000 kJ/kg; o
menor que 90.000 kJ/kg. En algunos casos, la entrada de energía
específica puede ser incluso menor, tal como menor que 50.000 kJ/kg
o menor que 25.000 kJ/kg. La entrada de energía específica real y
el tiempo de molienda dependen fuertemente de la composición del
material producto y de la reducción deseada del tamaño de
partículas, entre otros factores. Por ejemplo, los medios
trituradores de la invención se pueden usar para producir una
composición de partículas molidas de titania a una entrada de
energía específica menor que alrededor de 25.000 kJ/kg (por
ejemplo, alrededor de 20.000 kJ/kg), un tamaño medio de partículas
menor que alrededor de 100 nm (por ejemplo, alrededor de 80 nm) y un
nivel de contaminación menor que 500 ppm, en la que las partículas
de alimentación de titania tienen un tamaño medio de partículas (por
ejemplo, alrededor de 600 nm) mayor que 50 veces el tamaño medio de
partículas de la composición de partículas de titania molidas.
Se debería entender que los medios trituradores
se pueden usar para procesar una amplia variedad de materiales
producto, incluyendo materiales orgánicos e inorgánicos. En general,
los procesos de trituración no se limitan a ningún tipo específico
de material. Sin embargo, es notable que los medios trituradores se
pueden usar para producir el tamaño muy pequeño de partículas
molidas y los niveles muy bajos de contaminación señalados
anteriormente incluso cuando se usan materiales producto
inorgánicos tales como cerámicos. Los materiales producto adecuados
incluyen metales (tales como cobalto, molibdeno, titanio,
volframio), compuestos metálicos (tales como compuestos
intermetálicos, hidruros metálicos o nitruros metálicos), aleaciones
metálicas, materiales cerámicos (incluyendo óxidos, tales como
óxido de titanio (titania), óxido de aluminio (Al_{2}O_{3}), y
carburos tales como carburo de silicio) y diamante, entre muchos
otros. Ciertos materiales se describen más abajo en relación con
métodos específicos de la inven-
ción.
ción.
La cantidad de composición de partículas molidas
depende del proceso y equipo de molienda específicos, y generalmente
no está limitada. En algunos métodos, la composición de partículas
molidas (que puede tener cualquiera de las características
señaladas anteriormente) puede pesar más de 10 gramos, más de 500
gramos, más de 1 kg, o incluso más de 100 kg.
Las composiciones de partículas molidas se
pueden usar en una amplia variedad de aplicaciones. En general, las
composiciones molidas se pueden usar en cualquier aplicación
adecuada que use composiciones de pequeñas partículas. Las
aplicaciones específicas incluyen pigmentos, compuestos para pulir,
cargas (por ejemplo, materiales poliméricos), catalizadores,
sensores, así como en la fabricación de productos cerámicos, u otros
componentes (por ejemplo, dispositivos MEMS, dispositivos
semiconductores, etc.). Se debería entender que también son
posibles muchas otras aplicaciones.
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En algunos casos, las composiciones de
partículas molidas se pueden procesar además según se desee para uso
final. Por ejemplo, las partículas se pueden procesar
adicionalmente mediante moldeo, deposición electrostática y otros
métodos conocidos en productos microelectromecánicos y otros
dispositivos de escala micrométrica. En algunos casos, las
partículas molidas (particularmente cuando tienen tamaños muy
pequeños de partículas) se pueden introducir en ciertos líquidos
para formar fluidos que muestran propiedades especiales de
transmisión de calor, solubilidad y otras cualidades. También son
adecuados otros tipos de procesamiento adicional, como es conocido
por los expertos en la técnica.
Las partículas molidas producidas según la
presente descripción pueden tener un tamaño medio de partículas
menor que 30 nm, y pueden tener un tamaño menor que 30 nm en cada
dimensión. En algunas realizaciones, las partículas molidas se
caracterizan por tener una pluralidad de facetas de escisión y/o
etapas de escisión. En algunos casos, las partículas molidas tienen
una pluralidad de caras intersecantes en las que la longitud de
arco del borde es menor que el radio del borde. Las partículas
molidas pueden tener unas concavidades superficiales mayores que 5%
del tamaño de las partículas (por ejemplo, diámetro de las
partículas). En algunos casos, las partículas molidas se
caracterizan por la nitidez de una preponderancia de superficies
intersecantes en las que el ángulo incluido del radio del borde es
alrededor o menor que el ángulo incluido de las superficies
intersecantes. Las partículas molidas que tienen estas
características se prefieren particularmente cuando se usan como
catalizadores. En algunos casos, tales partículas molidas pueden
estar formadas por compuestos intermetálicos.
Un método implica producir partículas finas
molidas de óxidos metálicos (en particular, óxido de titanio). Por
ejemplo, las partículas molidas pueden tener un tamaño medio de
partículas entre alrededor de 1 nm y 3 micrómetros. El método
incluye las etapas de:
- (a)
- obtener grandes partículas de los óxidos metálicos, especialmente de titanio, debido a que tales partículas de óxido son típicamente mucho más baratas de producir que las partículas finas de óxidos de titanio, denominándose en lo sucesivo tales partículas óxidos de alimentación; y
- (b)
- moler los óxidos de alimentación usando medios trituradores para reducir el tamaño de partículas hasta un tamaño preferido (por ejemplo, aquellos señalados anteriormente) y, en algunos casos, mantener los niveles bajos de contaminación señalados anteriormente, incluyendo menores que 200 ppm.
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Tales óxidos son útiles para aplicaciones tales
como pigmentos, cargas, sensores de gases, dispositivos optrónicos,
catalizadores, y la fabricación de materiales cerámicos, la
fabricación de componentes, a la vez que son más económicos de
producir que los obtenidos mediante ciertos métodos
convencionales.
Otro método implica producir óxidos de titanio
altamente transparentes. El método incluye las etapas de:
- (a)
- obtener una suspensión de titania no adecuadamente transparente; y
- (b)
- moler la suspensión de titania usando medios trituradores para reducir el tamaño de partículas hasta un tamaño preferido (por ejemplo, los señalados anteriormente) y, en algunos casos, mantener los niveles bajos de contaminación señalados anteriormente. En algunos casos, la distribución de tamaños de partículas D100 es 90 nm o menos.
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Otro método implica producir titanio metálico.
El método incluye las etapas de:
- (a)
- obtener material de alimentación de titania, en el que el material de alimentación procede de una fuente de alta pureza, tal como titania procesada con cloruro fácilmente disponible;
- (b)
- moler la titania usando medios trituradores para reducir el tamaño de partículas hasta un valor deseado (por ejemplo, los señalados anteriormente o menores que alrededor de 200 nm) y, en algunos casos, mantener los niveles bajos de contaminación señalados anteriormente;
- (c)
- reducir químicamente la titania a titanio metálico usando un agente reductor tal como hidrógeno en combinación con otro agente reductor, si es necesario, tal como un agente reductor carbotérmico tal como CO o carbón, en condiciones adecuadas para la reducción del óxido sin la formación de carburo de titanio; y
- (d)
- retirar el titanio metálico del equipo de reducción, sin exponerlo a oxígeno ni nitrógeno en condiciones que provoquen oxidación o nitruración del titanio metálico ultrafino, o elevar la temperatura del titanio metálico ultrafino para provocar la fusión de las partículas antes de la retirada del equipo de reducción. Otros agentes reductores son conocidos en la técnica.
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Otro método implica la producción de partículas
de diamante, por ejemplo que tienen un tamaño medio de partículas
menor que alrededor de 100 nm (y, en algunos casos, menor que 100 nm
en todas las dimensiones). En algunos casos, las partículas pueden
tener una distribución ajustada de tamaños de partículas. Las
partículas de diamante son adecuadas para uso en CMP (pulido
quimicomecánico) y otras aplicaciones de pulimentación. El método
incluye las etapas de:
- (a)
- obtener diamantes industriales de un tamaño adecuado de material de alimentación;
- (b)
- moler los diamantes usando medios trituradores para reducir el tamaño de partículas hasta un tamaño deseado (por ejemplo, los tamaños medios de partículas señalados anteriormente, y, en algunos casos, entre alrededor de 2 nm y 100 nm); y, en algunos casos, manteniendo los niveles bajos de contaminación señalados anteriormente; y
- (c)
- purificar los diamantes procesados, si es necesario, para eliminar contaminantes, mediante disolución química de impurezas o mediante otros métodos conocidos en la técnica.
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Otro método implica producir dispositivos de
silicio u otros semiconductores u otros materiales, de dimensiones
micrométricas o nanométricas, típicamente denominados MEMS,
construyendo el dispositivo con partículas ultrafinas en lugar de
formar sustractivamente el dispositivo a partir de un material
semiconductor sólido con grabado químico u otros métodos. El método
incluye las etapas de:
- (a)
- obtener material de alimentación en partículas de la composición deseada o combinaciones de materiales en partículas a componer en una composición diana;
- (b)
- moler el material de alimentación usando medios trituradores para reducir el tamaño de partículas hasta un tamaño deseado (por ejemplo, los tamaños medios de partículas señalados anteriormente, y en algunos casos entre alrededor de 50 nm y 200 nm); y, en algunos casos, manteniendo los bajos niveles de contaminación señalados anteriormente;
- (c)
- formar las partículas procesadas en un artículo moldeado, por un medio conocido en la técnica tal como moldeo a presión, moldeo por inyección, moldeo por congelación, conformación electroforética, deposición electrostática u otros métodos conocidos; con lo que el método de formación permite la creación de dispositivos de MEMS únicos en los que diferentes partes de la estructura pueden tener diferentes materiales de construcción; y
- (d)
- fusionar el artículo moldeado hasta una densidad suficiente para que tenga propiedades adecuadas para el comportamiento pretendido del dispositivo.
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Otro método implica producir partículas
cerámicas finas (por ejemplo, SiC o Al_{2}O_{3}), por ejemplo
entre 0,001 micrómetros y 1 micrómetro. El método incluye:
- (a)
- obtener grandes partículas del material cerámico, debido a que tales grandes partículas son típicamente mucho más baratas de producir que las partículas finas del material cerámico, denominándose estas partículas como partículas de alimentación;
- (b)
- moler las partículas de alimentación usando medios trituradores para reducir el tamaño de partículas hasta un tamaño preferido (por ejemplo, los señalados anteriormente); y, en algunos casos, manteniendo los niveles bajos de contaminación señalados anteriormente (incluyendo menores que 600 ppm).
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Las partículas cerámicas se pueden usar para la
fabricación de cuerpos cerámicos, aplicaciones tales como
pigmentos, compuestos de pulimentación, cargas poliméricas,
sensores, catalizadores, así como la fabricación de materiales
cerámicos y componentes.
Otro método implica producir nanofluidos que
tienen partículas suspendidas, por ejemplo con una distribución de
tamaños de D50 = 30 x 10^{-9} metros o menos. El método incluye
las etapas de:
- (a)
- obtener material de alimentación en partículas de la composición deseada;
- (b)
- moler el material de alimentación usando medios trituradores para reducir el tamaño de partículas hasta el producto molido hasta un valor deseado (por ejemplo, los valores señalados anteriormente, incluyendo menores que 200 nm, menores que 50 nm, o incluso menores que 10 nm); y, en algunos casos, manteniendo los bajos niveles de contaminación señalados d;
- (c)
- concentrar el producto molido en un fluido portador adecuado, especificándose tales fluidos portadores por la aplicación e incluyendo agua, aceite, e inorgánicos, especificándose el grado de concentración de material en partículas en el fluido por la aplicación.
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Otro método implica producir partículas finas de
volframio o molibdeno, por ejemplo que tienen un tamaño medio de
partículas entre 1 nm y 400 nm. El método incluye las etapas de:
- (a)
- obtener grandes partículas de alimentación (por ejemplo, de volframio o molibdeno), debido a que las grandes partículas son típicamente mucho más baratas de producir que las partículas finas;
- (b)
- nitrar el material de alimentación, sabiéndose que tal nitruro es frágil, mediante métodos conocidos de nitruración, tales como calentamiento en amoníaco disociado a 500 grados C durante un período de tiempo proporcional al tamaño del material de alimentación, pero suficiente para provocar la nitruración;
- (c)
- moler las partículas de alimentación nitruradas usando medios trituradores para provocar una reducción de tamaño de las partículas de alimentación hasta un tamaño deseado de las partículas (por ejemplo, los tamaños medios de partículas señalados anteriormente); y, en algunos casos, manteniendo los bajos niveles de contaminación señalados anteriormente, y
- (d)
- si se desea, desnitrurar las partículas de nitruro de volframio o de molibdeno calentando hasta alrededor de 600 grados C o más mediante métodos ahora conocidos en la técnica. Tales partículas son útiles para aplicaciones tales como pigmentos, compuestos de pulimentación, tintas electrónicas, compuestos organometálicos, cargas poliméricas, sensores, catalizadores, y la fabricación de compuestos cerámicos metálicos, la fabricación de componentes, y también son más económicas que las obtenidas por otros métodos.
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Otro método implica producir componentes de
volframio o de molibdeno, así como componentes de aleaciones de
volframio o aleaciones de molibdeno, a partir de las partículas
finas de volframio o molibdeno producidas por el método detallado
en el párrafo anterior. El método incluye las etapas de:
- (a)
- obtener un producto molido de volframio o molibdeno nitrurado, por ejemplo de un tamaño menor que 400 nm, menor que 100 nm, o menor que 50 nm;
- (b)
- producir componentes de volframio o molibdeno metálico mediante procesamiento de metalurgia en polvo mediante consolidación y formando el nitruro de volframio o de molibdeno antes de la desnitruración;
- (c)
- desnitrurar el componente de nitruro de volframio o de nitruro de molibdeno durante el calentamiento hasta temperaturas de sinterización con la liberación de nitrógeno, que contribuye a eliminar los gases residuales de entre las partículas; y
- (d)
- sinterizar el componente formado a temperaturas proporcionales al tamaño de partículas, siendo estas temperaturas sustancialmente menores que las usadas típicamente en polvos convencionales de volframio y molibdeno comercialmente disponibles.
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Otro método implica producir partículas finas de
cobalto o partículas de nitruro de cobalto, por ejemplo que tienen
un tamaño entre alrededor de 1 nm y 5 micrómetros. El método
incluye:
- (a)
- obtener grandes partículas de cobalto o de nitruro de cobalto, siendo típicamente tales grandes partículas atomizadas de forma gaseosa y por lo tanto mucho más baratas de producir que las partículas finas de cobalto o de nitruro de cobalto, denominándose tales partículas las partículas de alimentación;
- (b)
- nitrurar el material de alimentación, si no está ya nitrurado, sabiéndose que tal nitruro es frágil, mediante métodos conocidos de nitruración tales como el calentamiento de cobalto en amoníaco disociado a alrededor de 600 grados C durante un período de tiempo proporcional al tamaño del material de alimentación, pero suficiente para provocar la nitruración;
- (c)
- moler las partículas de alimentación nitruradas usando medios trituradores para reducir el tamaño de partículas hasta un tamaño preferido (por ejemplo, los tamaños medios de partículas señalados anteriormente); y, en algunos casos, manteniendo los bajos niveles de contaminación señalados anteriormente, y
- (e)
- si se desea, desnitrurar las partículas de nitruro de cobalto calentando hasta alrededor de 600 grados C o más mediante métodos ahora conocidos en la técnica. Tales partículas son útiles para la fabricación de catalizadores, cuerpos de aleación que contienen cobalto, cuerpos cerámicos que contienen cobalto en la composición, tintas electrónicas, compuestos metaloorgánicos, aplicaciones tales como pigmentos, compuestos de pulimentación, cargas poliméricas, sensores, catalizadores, promotores, la fabricación de componentes de superaleaciones que contienen cobalto, para uso en las industrias de metales duros en las que el cobalto es un metal aglutinante, y también son más económicas de producir que las obtenidas mediante otros métodos.
\newpage
Otro método implica producir partículas finas de
metal (por ejemplo, tamaños medios de partículas entre 1 nm y 20
micrómetros) a partir de nitruros metálicos. El método incluye las
etapas de:
- (a)
- obtener grandes partículas de metal o nitruros metálicos a partir de ese grupo de metales que tienen nitruros que se disocian cuando se calientan de 300 grados C a alrededor de 900 grados C; en algunos casos, produciéndose tales grandes partículas usando atomización gaseosa, y por lo tanto mucho más baratas de obtener que las partículas finas de metales o nitruros metálicos, denominándose tales partículas las partículas de alimentación;
- (b)
- nitrurar el material de alimentación, si no está ya nitrurado, sabiéndose que tal nitruro es más frágil que el metal que es dúctil, mediante métodos conocidos de nitruración tales como el calentamiento de las partículas metálicas en amoníaco disociado a una temperatura suficiente para provocar la nitruración durante un período de tiempo proporcional al tamaño del material de alimentación, pero suficiente para provocar la nitruración;
- (c)
- moler las partículas de alimentación nitruradas usando medios trituradores para reducir el tamaño de partículas hasta un tamaño preferido (por ejemplo, los tamaños medios de partículas señalados anteriormente); y, en algunos casos, manteniendo los bajos niveles de contaminación señalados anteriormente; y
- (d)
- si se desea, desnitrurar las partículas de nitruros metálicos calentando hasta alrededor de 600 grados C o más mediante métodos ahora conocidos en la técnica. Tales partículas son útiles para la fabricación de catalizadores, cuerpos de aleación que contienen metales, cuerpos cerámicos que contienen metales en la composición, tintas electrónicas, compuestos metaloorgánicos, aplicaciones tales como pigmentos, compuestos de pulimentación, cargas poliméricas, sensores, catalizadores, promotores, la fabricación de componentes de superaleaciones, la fabricación de componentes metálicos que combinan diversos metales procesados mediante esta reivindicación, para uso en las industrias de metales duros en las que los metales son un metal aglutinante, y también son más económicas de producir que las obtenidas mediante otros métodos.
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Otro método implica producir partículas
metálicas finas o partículas de hidruros metálicos a partir de
hidruros metálicos tales como titanio y tántalo. Por ejemplo, las
partículas pueden ser muy pequeñas, teniendo un tamaño medio de
partículas entre 1 nm y 300 nm. El método incluye:
- (a)
- obtener grandes partículas de hidruros metálicos a partir de ese grupo de metales que forma hidruros que se disocian cuando se calientan, hidrurándose típicamente a presión tales grandes partículas, y por lo tanto mucho más baratas de obtener que las partículas finas de metales o hidruros metálicos, denominándose a tales partículas las partículas de alimentación;
- (b)
- moler las partículas de alimentación hidruradas usando medios trituradores para reducir el tamaño de partículas hasta el tamaño preferido (por ejemplo, los tamaños medios de partículas señalados anteriormente); y, en algunos casos, manteniendo los bajos niveles de contaminación señalados anteriormente; y
- (c)
- si se desea, deshidrurar las partículas ultrafinas de hidruros metálicos calentando hasta la temperatura de deshidruración mediante métodos ahora conocidos en la técnica. Tales partículas son útiles para la fabricación de catalizadores, cuerpos de aleación que contienen metales, cuerpos cerámicos que contienen metales en la composición, tintas electrónicas, compuestos metaloorgánicos, aplicaciones tales como pigmentos, compuestos de pulimentación, cargas poliméricas, sensores, catalizadores, promotores, la fabricación de componentes de superaleaciones, la fabricación de componentes metálicos que combinan diversos metales procesados mediante esta reivindicación, para uso en las industrias de metales duros en las que los metales es un metal aglutinante, y siendo también más económicas que las obtenidas por otros medios.
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Aunque los medios trituradores de la invención
se han descrito anteriormente en relación con aplicaciones de
molienda, se debería entender que los medios trituradores también se
pueden usar en aplicaciones que no son de molienda. Los ejemplos
incluyen la fabricación de "cuerpos duros" para perforación o
trituración, chapado por láser u otros procesos de chapado, para
uso como materiales de superficie, y otras aplicaciones. Por
ejemplo, los medios trituradores se usan sin medios de molienda
como un componente de aleaciones a aplicar a superficies para una
resistencia mejorada al desgaste. Dos métodos habituales de
aplicación de tales revestimientos protectores son conocidos como
chapado y soldadura. Cada uno de estos tiene muchos métodos, cuya
elección depende del objeto y aleación a tratar. Genéricamente, los
materiales aglutinantes tales como polímeros o metales se usan para
mantener los medios trituradores sobre la superficie del objeto que
se está tratando mediante chapado o soldadura. Los materiales
aglutinantes se funden o moldean en el sitio junto con el material
de medios trituradores que no es fundido durante la operación de
chapado o soldadura. Los métodos de fusión típicos incluyen láser,
fusión en horno, tubos de soldadura y fuentes de calor por plasma.
Cuando se usa, el material aglutinante no puede a menudo por sí
mismo soportar el desgaste impuesto a la superficie mediante el
entorno de operación, tal como en una perforación de pozo
petrolífero. Este desgaste del aglutinante expone a los medios
trituradores a la superficie, proporcionando así una protección a
la superficie que resiste el desgaste. Estas mismas superficies se
exponen a menudo a impactos de choque muy elevados, los cuales el
medio triturador es capaz de soportar.
Se debería entender que los medios trituradores
también pueden tener otros usos más allá de los descritos aquí.
Los siguientes ejemplos pretenden ser
ilustrativos de ciertas realizaciones de la invención, y no
pretenden ser limitantes.
Este ejemplo describe la producción y
caracterización de medios trituradores de múltiples carburos según
una realización de la invención.
Los medios trituradores se formaron tomando
material compuesto de Ti, W y C, y preparando partículas esféricas
que tienen un diámetro de alrededor de 150 micrómetros. La
composición de ensayo en este ejemplo tenía 86,7% en peso de
volframio, 4,5% en peso de carbono, y el resto titanio. Los
aglomerados de partículas de esta composición de ensayo se
esferonizaron en una unidad de pulverización de plasma RF. Se
confirmó que la densidad del material es la misma que el material
de múltiples carburos que se buscaba obtener. La densidad fue
alrededor de 15,3 gramos/centímetro cúbico.
Los medios trituradores de múltiples carburos se
sometieron entonces a una serie de ensayos de dureza. Un primer
ensayo implicó aislar una partícula individual de medio triturador
entre dos piezas de plancha de volframio molido, y aplicar una
fuerza a una de las planchas. La intención fue incrementar la
presión aplicada hasta que los medios trituradores se fragmentaron
debido a la carga extrema en el punto de contacto entre la plancha
y los medios trituradores. Inesperadamente, el medio triturador no
se fracturó y, de este modo, pasó el ensayo. En su lugar, el medio
triturador se embebió en la plancha de volframio, demostrando una
dureza del material de ensayo muy por encima de la del volframio
puro.
En un segundo ensayo, se colocaron varios medios
trituradores entre dos planchas de volframio, y la plancha superior
se golpeó con un peso para inducir fuerzas g transitorias elevadas
sobre los medios trituradores. Ninguno de los medios se fracturó,
embebiéndose muchos de los medios en la plancha de volframio. En dos
casos del experimento, la plancha de volframio se fracturó y se
separó, pero sin daño aparente a los medios.
En otro experimento, los medios trituradores se
colocaron entre dos planchas de vidrio molido. Al aplicar presión,
el vidrio se microfragmentó alrededor de su punto de contacto con
los medios trituradores, pero no se observó daño en los medios
trituradores.
Los medios trituradores de múltiples carburos se
sometieron a ensayo de tenacidad mecánica colocándolos en un molino
vibrador con carburo de calcio, y se agitaron durante un período de
tiempo suficiente que podría provocar típicamente la degradación
significativa de los medios trituradores cuando se usan medios
trituradores convencionales. No se observó signos de contaminación
por la degradación de los medios trituradores a partir de tal uso
de los medios resultantes, y se obtuvo un carburo de calcio muy
fino, regular y puro.
Los medios trituradores de múltiples carburos
también se sometieron a ensayo mediante uso en procesos de industria
estándar. Los medios se usaron en un molino de medios de volumen
elevado, y se hicieron funcionar en condiciones de producción
industrial nominales usadas para moler titania. La titania es
particularmente sensible a la decoloración por contaminación, y se
escogió por ser un indicador sensible para observar si los medios
fueron capaces de proporcionar desgaste sin que ellos se
desgastasen significativamente. Se procesaron miles de millones de
partículas de titania hasta un tamaño final de partículas de
aproximadamente 7 x 10^{-8} metros, sin signos perceptibles de
degradación de los medios trituradores.
Este ejemplo ilustra la producción de una
composición de titania de partículas pequeñas usando composiciones
de medios trituradores de la invención.
Una suspensión de 675 g de titania (rutilo)
(fabricada por Millennium Chemicals, www.milleniumchem.com,
como RL11AP) en 1275 ml de agua desionizada (35% de sólidos en peso)
se introdujo en un espacio de procesamiento de un molino de bolas
horizontal de 600 ml (fabricado por Netzchm,
http://www.netzschusa.com, como Netzsch Zeta Grinding
System). La titania tuvo un tamaño medio de partículas de 600
nm.
También se confinaron en el espacio de
procesamiento medios trituradores de la invención que comprenden
(W:Ti)C, con 95% en peso de W, de forma que el 84% del
volumen del espacio de procesamiento estuvo ocupado por los medios
trituradores. Se añadió hidróxido potásico a la suspensión para
mantener un pH de alrededor de 10 (KOH).
Las condiciones de molienda incluyeron un polvo
de 1,8-2,8 kW (velocidad del agitador:
1650-1850, bomba rpm: 220). El molino se hizo
funcionar durante una energía de molienda específica total de
182.238 kJ/kg. Durante la molienda, el tamaño de partículas se
determinó usando un analizador de partículas acústico modelo
DT-1200 producido por Dispersion Technology Inc.
(Bedford Hills, NY; www.dispersion.com). Cuando las
partículas se redujeron hasta un tamaño medio de partículas de
alrededor de 82 nm, se añadió un tensioactivo a la suspensión.
Las partículas tuvieron una morfología
equiaxial. Según la unidad DT-1200, el tamaño medio
de partículas (D50) de las partículas molidas fue 15 nm; D10 fue 3
nm; y D90 fue 72 nm. Las partículas molidas de titania se separaron
automáticamente de los medios trituradores usando el tamizado
dinámico proporcionado en el molino Zeta. Las partículas molidas
resultantes se examinaron usando un microscopio electrónico de
barrido. La Fig. 2 es una copia de una microfotografía de SEM de una
porción representativa de una composición de partículas molidas. La
microfotografía presenta tamaños de partículas de titania
consistentes con los medidos por la unidad DT-1200.
En la foto, los puntos negros son partículas de titania, y los
puntos más claros son del sustrato de grafito usado para soportar la
muestra durante la microscopía.
Este ejemplo establece que las composiciones de
medios trituradores de la invención se pueden usar para producir
composiciones de partículas muy pequeñas.
Habiéndose descrito así varios aspectos y
realizaciones de esta invención, se apreciará que los expertos en la
técnica realizarán fácilmente diversas alteraciones, modificaciones
y mejoras. Tales alteraciones, modificaciones y mejoras pretenden
formar parte de esta descripción, y están destinadas a pertenecer al
alcance de la invención. En consecuencia, la descripción anterior y
los dibujos son simplemente a título de ejemplo.
Claims (11)
1. Medios trituradores que comprenden:
- partículas de medios trituradores formadas por un material cerámico, teniendo el material cerámico un espaciado interlaminar menor que 1250 nm.
2. Los medios trituradores de la reivindicación
1, en los que el espaciado interlaminar es menor que 100 nm.
3. Los medios trituradores de la reivindicación
1, en los que el espaciado interlaminar es menor que 10 nm.
4. Los medios trituradores de la reivindicación
1, en los que las partículas de los medios trituradores tienen un
tamaño medio menor que alrededor de 150 micrómetros.
5. Medios trituradores que comprenden:
- partículas de medios trituradores que comprenden un material central y un revestimiento formado sobre el material central, incluyendo el revestimiento una pluralidad de capas, teniendo al menos una de las capas un grosor menor que 100 nanómetros.
6. Los medios trituradores de la reivindicación
5, en los que al menos una de las capas tiene un grosor menor que 10
nanómetros.
7. Los medios trituradores de la reivindicación
5, en los que múltiples capas tienen un grosor menor que 10
nanómetros.
8. Los medios trituradores de la reivindicación
5, en los que el revestimiento incluye al menos 10 capas.
9. Los medios trituradores de la reivindicación
5, en los que una primera capa comprende circonio, y una segunda
capa, formada sobre la primera capa, comprende aluminio.
10. Los medios trituradores de la reivindicación
5, en los que las partículas tienen un tamaño medio menor que 150
micrómetros.
11. Los medios trituradores de la reivindicación
5, en los que el material central tiene una densidad mayor que 5
gramos/centímetro cúbico.
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