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.
Campo de la invención
Esta invención se refiere generalmente a medios trituradores. Se describen métodos asociados con los mismos, así como composiciones de partículas pequeñas.
Antecedentes de la invención
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.
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.
Sumario de la invención
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.
Breve descripción de los dibujos
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.
Descripción detallada
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.
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.
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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.
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.
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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.
Ejemplo 1
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.
Ejemplo 2
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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