TWI719580B - 微粒材料及其形成方法 - Google Patents

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史蒂芬 武伊契奇
拉夫 鮑爾
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Abstract

一種微粒材料，其具有主體，該主體包括內含於該主體中之摻雜劑， 該摻雜劑係非均一地分布於整個該主體，且該主體具有至少35%的最大正規化摻雜劑含量差異。

Description

微粒材料及其形成方法
下列係關於微粒材料，諸如包括摻雜劑之微粒材料，該摻雜劑係非均一地分布於整個主體。
磨料顆粒及由磨料顆粒所製成之物件可用於各種材料移除操作，包括研磨(grinding)、最後加工(finishing)和拋光(polishing)。取決於磨料材料的類型，此等磨料顆粒可用於在製造商品中成形或研磨各種材料和表面。迄今，已調製某些類型的磨料顆粒，其具有特定幾何形狀，諸如三角形磨料顆粒和併入此等物體的磨料物件。參見例如美國專利第5,201,916；5,366,523；及5,984,988號。
已用於製造具有特定形狀的磨料顆粒的三種基本技術是(1)熔融、(2)燒結和(3)化學陶瓷。在熔融程序中，磨料顆粒可藉由冷輥(其表面可經雕刻或不經雕刻)、模具(熔融材料澆注於其中)或散熱材料(其經浸入氧化鋁熔體中)來成形。參見例如美國專利第3,377,660號，其揭示一種方法，該方法包含下列步驟：將熔融的磨料材料從爐流到冷卻的旋轉鑄造缸(casting cylinder)上；快速地固化該材料以形成薄的半固體彎曲片材；用壓力輥使該半固 體材料緻密化；接著以快速驅動的冷卻輸送機藉由將該半固體材料條帶從該缸拉出使其曲率反轉而部分地破裂。
在燒結程序中，磨料顆粒可由顆粒尺寸達至直徑10微米的耐火粉末所形成。可將黏合劑與潤滑劑和適合的溶劑(例如水)一起加入粉末中。所得混合物、混合物或漿體可經成形為各種長度和直徑的小片或桿料。參見例如美國專利第3,079,242號，其揭示一種從經煅燒之鋁土礦材料製造磨料顆粒之方法，該方法包含下列步驟：(1)使材料成為精細粉末；(2)在確認壓力下壓實並將該粉末的精細顆粒形成晶粒大小的(grain sized)的聚結；以及(3)在低於鋁土礦熔融溫度的溫度下燒結該等顆粒聚結，以誘發顆粒的有限再結晶，由此直接產生尺寸化的磨料顆粒。
化學陶瓷技術涉及將膠體分散液或水溶膠(有時稱為溶膠)(可選地在混合物中)與其他金屬氧化物前驅物的溶液轉化成凝膠或任何其他限制組分移動性之物理狀態，乾燥及燒製，以獲得陶瓷材料。參見例如美國專利第4,744,802及4,848,041號。
根據一個態樣，本案包括形成磨料微粒之方法，其包含將微粒前驅物粉碎；將該微粒前驅物浸漬；以及進行富集程序，並且，相較於連接主體之中央區域的經摻雜之區域，在該磨料微粒之該主體之經富集區域中選擇性沉積較高濃度之該摻雜劑。
在另一態樣中，本案包括磨料微粒，其包含主體及內含於該主體中之摻雜劑，其中該摻雜劑係非均一地分布於整個該主體，且其中該主體包含至少35%的最大正規化摻雜劑含量差異。
在又另一態樣中，本案包括磨料微粒，其包含主體及內含於該主體中之摻雜劑，其中該摻雜劑係非均一地分布於整個該主體且界定在該主體中如下列之區域：a)經富集之區域，其鄰接該主體之外部表面且具有第一摻雜劑含量；b)經摻雜之區域，其在該主體之中央區域中且不同於該經富集之區域，該經摻雜之區域具有第二摻雜劑含量；以及c)空乏區域(depletion region)，其介於該經富集之區域與經摻雜之區域之間，該空乏區域界定大於0.04%/nm之該摻雜劑之正規化含量之降低。
200:成形磨料顆粒
201:主體
202:主表面
203:主表面
204:側表面
210:縱軸
211:橫軸
212:垂直軸
250:中點
300:成形磨料顆粒
301:主體
302:表面/端面
303:表面/端面
304:主表面
305:主表面
306:主表面
307:主表面
310:縱軸
311:橫軸
312:垂直軸
340:中點
400:受控高度磨料顆 粒(CHAP)
401:主體
402:第一主表面
403:第二主表面
404:側表面
410:縱軸
411:橫軸
412:垂直軸
420:中點
550:非成形顆粒
551:主體
552:縱軸
553:橫軸
554:垂直軸
555:邊緣
556:中點
601:主體/ 曲線
602:曲線
603:曲線/ 經富集之區域
604:經摻雜之區域
605:空乏區域
606:中心點
610:摻雜劑/ 經富集之區域
611:空乏區域
612:經摻雜之區域
621:經富集之區域
622:空乏區域
623:經摻雜之區域
631:區域
632:區域
650:外部表面
700:經塗覆之磨料
701:基材
703:底塗覆(make coat)
704:膠料塗覆(size coat)
705:第一類型磨料微 粒
706:第二類型磨料微 粒
707:第三種類型的微 粒材料
800:固定磨料物件
801:主體
802:上表面
803:側表面
804:底表面
805:磨料顆粒群組
806:磨料顆粒群組
807:黏合材料
821:第一徑向平面
822:第二徑向平面
831:第一軸向平面
832:第二軸向平面
841:加強構件
880:軸向軸線
881:厚度
883:直徑
884:扇區
885:中心開口
891:磨料顆粒
892:磨料顆粒
900:經塗覆之磨料
901:經塗覆之磨料
910:第一區域
911:磨料微粒
920:第二區域
921:磨料微粒
930:第三區域
931:成形磨料顆粒
932:次級顆粒
940:第四區域
941:成形磨料顆粒
942:次級顆粒
950:通道區域
980:長度
981:寬度
通過參考附圖，可以更好地理解本發明，且其眾多特徵和優點對於本領域技術人員而言是顯而易見的。
圖1包括描繪根據一實施例形成微粒材料之程序之流程圖。
圖2至圖5包括根據本文中之實施例之磨料微粒之透視圖描繪。
圖6A包括根據一實施例之磨料微粒之橫截面描繪。
圖6B包括針對三個磨料微粒的最大強度正規化(maximum intensity normalization)相對於穿透深度(penetration depth)之三個一般化繪製圖(generalized plot)，其中一些代表本文中之實施例。
圖7包括根據一實施例之併入磨料微粒的經塗覆之磨料物件之橫截面描繪。
圖8包括根據一實施例之併入磨料微粒的經黏合之磨料物件之橫截面描繪。
圖9包括根據一實施例之經塗覆之磨料物件的一部分之俯視圖描繪。
圖10包括針對實例之磨料微粒的最大強度正規化相對於穿透深度之繪製圖。
圖11包括根據一實施例之磨料顆粒的SEM影像和平均曲率半徑之測量。
下列內容係關於磨料微粒及形成磨料微粒之方法。該磨料微粒可用於各種應用，其包括但不限於游離磨料應用(free abrasive application)(例如研磨或拋光漿體)或固定磨料應用(包括例如經塗覆之磨料(coated abrasive)、經黏合之磨料(bonded abrasive)、非織物磨料(nonwoven abrasive)及類似者)。
圖1包括根據一實施例形成磨料微粒之方法之流程圖。如圖1中所描繪，該程序在步驟101藉由形成微粒前驅物開始。用於形成微粒前驅物的適合程序可包括多種程序，其包括但不限於水熱處理、經加晶種之溶膠凝膠程序(seeded sol gel process)、化學反應及類似者。
形成該微粒前驅物可從原料粉末開始。在至少一個實施例中，原料粉末可係選自下列之群組之材料：氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、碳氧化物、氮氧化物、硼氧化物及其組合。在某些例子中，原料粉末可包括氧化物。此外，原料粉末可包括氧化鋁。在一個實施例中，原料粉末可包括水合氧化鋁。在另一實施例中，原料粉末可包括α氧化鋁。
如在本文中所述，原料粉末可包括經加晶種之材料，諸如透過經加晶種之加工途徑(seeded processing pathway)加工之材料。即，例如，原料可包括晶種材料，其可係化合物、複合物或經建構以控制原料粉末內特定結晶相之生長的元素。經加晶種之原料粉末可包括少量含量之晶種材料，其可促進在原料粉末的進一步加工期間形成特定結晶相。如本文中所述者係一種非限制性經加晶種之加工途徑。在其他例子中，原料粉末可包括未加晶種之材料，並且可基本上不含晶種材料。
提供原料粉末可包括藉由獲得鋁質原料來合成微粒材料。雖然某些鋁質原料可來自商購，但在其他例子中，可製造鋁質原料。根據一實施例，形成之程序可包括諸如分散、混合、膠凝、加晶種、煅燒、成形、印刷、模塑、擠壓、壓製、乾燥，粉碎、篩分、分選及其組合之程序。
如在本文中所述，原料粉末可藉由製造粉末而獲得，其包括例如根據經加晶種之途徑來製造鋁質原料。在一個實施例中，鋁質原料可包括懸浮液(或者溶膠或漿體)中之水鋁石(boehmite)前驅物和水鋁石晶種，其可經熱處理(諸如藉由水熱處理)以將水鋁石前驅物轉化為由顆粒或微晶形成之水鋁石微粒材料。用語“水鋁石(boehmite)”通常在本文中用來表示包括礦物水鋁石的氧化鋁水合物(通常為Al2O3‧H2O且含水量為約15%)以及假水鋁石(pseudoboehmite)(含水量高於15重量%，諸如20至38重量%)。應注意的是，水鋁石(包括假水鋁石)具有特定且可識別的晶體結構，且因此具有獨特的X射線衍射圖案，且由此，係不同於其他鋁質材料(包括其他水合氧化鋁，諸如ATH(氫氧化鋁)(一種本文所用之用於製造水鋁石微粒材料之常見前驅物材料)。
在形成適合的水鋁石微粒材料後，可進行熱處理程序以產生多形性轉變(polymorphic transformation)，其去除水並形成氧化鋁材料。根據一個態 樣，水鋁石微粒材料可具有相對延長的形態，在本文中通常以初級(以及次級和三級)縱橫比來描述。
初級縱橫比(primary aspect ratio)定義為最長尺寸對垂直於最長尺寸的下一個最長尺寸之比率，並且通常不小於2：1，較佳的是不小於3：1、4：1或6：1。特別參照針形顆粒，該顆粒可進一步參照次級縱橫比(secondary aspect ratio)(定義為第二最長尺寸對第三最長尺寸之比率)來特徵分析。次級縱橫比大致上不大於3：1，通常不大於2：1或甚至1.5：1，並且常約為1：1。次級縱橫比通常描述顆粒在垂直於最長尺寸的平面中之橫截面幾何形狀。應注意的是，由於用語縱橫比在本文中用於表示最長尺寸對下一個最長尺寸之比率，因此可將其稱為初級縱橫比。
或者，水鋁石微粒材料可具有平板形或片形的輪廓，通常具有延長結構，該結構具有與上述針狀顆粒相關之初級縱橫比。然而，片形顆粒通常具有相對的主表面，相對的主表面通常是平面的並且通常彼此平行。此外，片形顆粒可係特徵在於具有大於針形顆粒之次級縱橫比，通常不小於約3：1，諸如不小於約6：1，或甚至不小於約10：1。
透過加晶種程序所形成的水鋁石微粒材料的形態可具有相對精細之顆粒尺寸。通常，水鋁石材料之平均顆粒尺寸係不大於約100奈米，並且落在約10至100奈米的範圍內。其他實施例甚至具有更精細之平均顆粒尺寸，諸如不大於約80奈米、75奈米、60奈米、50奈米、40奈米，以及甚至平均顆粒尺寸小於30奈米的顆粒，代表精細微粒材料。如本文中所使用，與高縱橫比水鋁石微粒材料相關的“平均顆粒尺寸(average particle size)”用於表示顆粒的平均最長尺寸。
除了水鋁石微粒材料的縱橫比和平均顆粒尺寸之外，水鋁石微粒材料之形態可進一步以比表面積來特徵分析。這裡，BET技術係利用來測量水鋁石微粒材料之比表面積。根據本文中之實施例，水鋁石微粒材料可具有相對高的比表面積，通常不小於約10m2/g，諸如不小於約50m2/g、不小於約70m2/g或不小於約90m2/g。由於比表面積係顆粒形態以及顆粒尺寸的函數，因此實施例之比表面積通常小於約400m2/g，例如小於約350或300m2/g。比表面積的具體範圍為約75m2/g至200m2/g。
關於可製造經加晶種之水鋁石微粒材料之程序的細節，通常橢圓形、針形或片形的水鋁石係自水鋁石前驅物形成，通常是包括鋁氧礦物的鋁質材料，藉由水熱處理形成，如於上述共同擁有之專利(美國專利4,797,139)中所大致描述。更特定言之，水鋁石微粒材料可藉由下列步驟而形成：將水鋁石前驅物和水鋁石晶種組合在懸浮液中；將該懸浮液(或者溶膠或漿體)暴露於熱處理以使原料轉化為水鋁石微粒材料；進一步受提供於懸浮液中之水鋁石晶種影響。加熱通常在自生環境(autogenous environment)中(也就是在高壓釜中)進行，使得在加工期間中產生升高的壓力。懸浮液的pH通常選自小於7或大於8的值，並且水鋁石晶種材料可具有細小於約0.5微米之顆粒尺寸。通常，晶種顆粒的存在量大於水鋁石前驅物(以Al2O3計算)的約1重量%，並且加熱在大於約120℃的溫度下(諸如大於約125℃，或者甚至大於約130℃)、並且在自生產生的壓力下(通常約為30psi)進行。
在熱處理(諸如藉由水熱處理)以及水鋁石轉化之後，液體內含物通常會移除(諸如透過超過濾程序或藉由熱處理以蒸發剩餘的液體)。應注 意的是，如本文中所述的微粒尺寸通常描述透過加工所形成之個別顆粒，而非在某些實施例中可能保留的聚集體(例如，對於需要聚集材料之產品者)。
在水鋁石微粒材料的形成期間，某些加工變量可予修改，以影響所欲之形態。這些變量包括重量比(即水鋁石前驅物對水鋁石晶種的比例)、加工期間所使用之酸或鹼之特定類型或種類(以及相對pH值)以及系統溫度(其直接與自生水熱環境中的壓力成正比)。
適合的酸和鹼包括無機酸(諸如硝酸)、有機酸(諸如甲酸)、氫鹵酸(諸如鹽酸)以及酸性鹽(諸如硝酸鋁和硫酸鎂)。有效的鹼包括例如胺類(包括氨)、鹼金屬氫氧化物(諸如氫氧化鉀)、鹼土金屬氫氧化物(諸如氫氧化鈣)和鹼性鹽類。
在形成水鋁石微粒材料之後，該程序可進一步包括水鋁石微粒材料之熱處理以形成作為微粒前驅物的鋁質材料。熱處理可包括在足以引起轉變成氧化鋁的特定相(例如γ、δ、θ、α)或提供適合的鋁質材料的氧化鋁相的組合之溫度下煅燒水鋁石微粒材料。為明確之目的，鋁質材料係包含大部分含量(wt%)之氧化鋁(Al2O3)，且較佳的是至少約80wt%、至少90wt%、至少95wt%之氧化鋁或甚至基本上由氧化鋁組成者。又，水鋁石微粒材料可在熱處理之前用於其他程序，包括例如提供添加劑，其將在本文中更詳細地描述。
煅燒程序可包括將前驅物微粒加熱到適合移除特定揮發性組分的溫度並促進多孔材料的形成。在一個特定的例子中，煅燒程序可在至少約300℃的溫度下進行。在其他例子中，煅燒溫度可更高，諸如至少約600℃、至少約700℃或甚至至少約750℃。又，煅燒程序可在不高於約1200℃的溫度下進行，諸如不高於約1000℃或甚至不高於約900℃。應理解的是，煅燒程序可在上述任何最小值和最大值之間的溫度範圍內進行。
在某些例子中，在部分煅燒之前、期間或甚至之後，前驅物微粒可係經爆炸性粉碎。爆炸性粉碎包含將具有至少5重量%之可揮發內含物的經乾燥或經部分煅燒、但未經燒製之材料直接進料至溫度保持在高於400℃的爐中並控制溫度和停留時間以製造經爆炸性粉碎之材料。在溫度和持續時間係經適當控制的某些條件下，微粒中的揮發性材料迅速蒸發，導致微粒破裂。相較於透過其他粉碎技術所形成的其他磨料顆粒，此種程序可產生具有一或多種獨特形狀特徵(諸如尖銳度和縱橫比)的隨機成形之磨料微粒。
再參考圖1，在步驟101之後，該程序可在步驟102藉由向微粒前驅物提供摻雜劑(例如添加劑)以形成經浸漬之微粒前驅物而繼續。根據一實施例，包括摻雜劑的程序可包括浸漬程序，其可包括將摻雜劑提供到微粒前驅物的孔隙中。微粒前驅物的孔隙率可透過天然或人工程序來獲得。例如，煅燒可促進多孔原料粉末的形成，然後，可將摻雜劑添加到經煅燒且多孔之微粒前驅物以促進浸漬。
在某些例子中，浸漬程序可包括用摻雜劑飽和微粒粉末的孔隙。飽和可包括用摻雜劑填充微粒前驅物的孔隙體積的至少一部分。又，飽和程序可包括用摻雜劑填充大部分孔隙，且更具言之，可包括用摻雜劑填充實質上微粒前驅物的總孔隙體積的全部。
在某些例子中，摻雜劑可包括多於一種組分。例如，摻雜劑可由一或多種前驅物或組分製成，其透過後續加工將在最終形成的磨料微粒中形成所欲之摻雜劑材料。根據一實施例，摻雜劑或第一組分可包括鹼金族元素、鹼土族元素、過渡金屬元素、稀土元素或其任何組合的一或多者。更特定言之，摻雜劑可包括選自由下列所組成之群組之元素：鉿、鋯、鈮、鉭、鉬、釩、鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鍶、鋇、鈧、釔、鑭、銫、鐠、鉻、鈷、鐵、鍺、錳、鎳、 鈦、鋅、鈰、釹、釓、銪、矽、磷或其任何組合。根據一個實施例，摻雜劑包含鎂，並且可基本上由鎂或氧化鎂組成。鎂或氧化鎂可不一定直接浸漬到前驅物微粒中，而是摻雜劑或第一組分可包括鹽類，並且可以包含摻雜劑的溶液存在。例如，第一組分可包括鹽溶液。在一個具體實施例中，第一組分可包括鎂(Mg)，且更具言之，可包括鎂鹽，諸如氯化鎂、硝酸鎂、乙酸鎂或類似者。
摻雜劑可包括但不一定包括不同於第一組分的第二組分。例如，第二組分可包括鹼金族元素、鹼土族元素、過渡金屬元素、稀土元素或其任何組合。
用摻雜劑(或一或多種摻雜劑組分)浸漬前驅物微粒的程序可包括將前驅物微粒暴露於摻雜劑。例如，可將前驅物微粒沉積到含有摻雜劑的溶液中，以促進摻雜劑浸漬到前驅物微粒的孔隙中。可控制浸漬程序的持續時間和溫度，以促進摻雜劑浸漬到前驅物微粒中。
可選地，一或多種富集程序可與浸漬程序一起利用或另加上浸漬程序利用，以促進形成具有本文中之實施例中所述的某些特徵之磨料微粒。例如，本文中之實施例之磨料微粒可具有經富集之區域，其可鄰接顆粒的外部表面並且含有與磨料微粒的主體內的其他區域相比顯著更大含量的摻雜劑。不希望受到特定理論的束縛，咸認為藉由本文中之程序所產生的摻雜劑在整個主體中之特定非均一分布可促進改善磨料微粒和相關磨料物件的效能。可促進形成摻雜劑之特定非均一分佈的富集程序可包括但不限於選擇性沉積、液浸(dipping)、塗覆、漫漬(soaking)、混合、加熱、乾燥、冷卻或其任何組合。更特定言之，富集程序可控制外部表面相對於主體的中心區域的摻雜劑含量、濃度或暴露時間。在某些例子中，相較於內含於主體體積中且與外部表面相隔的主體中心區域，外部表面及在主體內部中緊鄰的區域可隨時間暴露於更大含量的摻雜劑。富集程序可包括控制含摻雜劑介質(例如，一或多種摻雜劑組分)的 浸漬時間、溫度、壓力、摻雜劑濃度、相及/或黏度的至少一者，以控制摻雜劑浸漬的深度。在一個具體實施例中，富集程序可在初始浸漬程序之後進行。富集程序可包括將摻雜劑沉積到經浸漬之前驅物微粒的外部表面上。在一個實施例中，摻雜劑可係漿體、糊劑或甚至粉末的形式。經浸漬之前驅物顆粒可在密閉容器中與摻雜劑一起滾製(roll)或混合，以完成富集程序。在另一實施例中，富集程序可包括在含有摻雜劑的材料中將顆粒漫漬和乾燥。可控制時間、溫度、壓力、摻雜劑濃度和其他條件以控制浸漬速率，以在磨料微粒的主體中產生經富集之區域。
在步驟102中形成經浸漬之微粒前驅物之後，該程序可藉由從經浸漬之微粒前驅物形成磨料微粒而在步驟103繼續。根據一實施例，形成程序可進一步包括將經浸漬之微粒前驅物轉化為最終形成的磨料微粒。形成磨料微粒可包括一或多種程序，諸如揮發、燒結、某些結晶相的轉化、緻密化、形成所欲之摻雜劑材料或其組合。在至少一個例子中，形成程序可包括燒結經浸漬之微粒前驅物以形成經緻密化之磨料微粒，其具有含在磨料微粒主體中的所欲之摻雜劑物種。燒結可促進高溫相的形成，諸如α氧化鋁。燒結可在至少約500℃的溫度下進行，諸如至少約700℃，或甚至至少約800℃。又，燒結可在不大於約1400℃的溫度下進行，諸如不大於1300℃，諸如不大於1200℃，諸如不大於1100℃或甚至不大於約1000℃。應理解的是，燒結可在任何上述最小溫度與最大溫度之間的溫度範圍內進行。
此外，應理解的是，燒結可在特定時間和特定氣氛下進行。例如，燒結可在周圍條件下進行至少約1分鐘，或甚至至少約4分鐘、至少約一小時，諸如至少約二小時或甚至至少約三小時。此外，燒結期間所利用的氣氛可包括氧化氣氛、還原氣氛或惰性氣氛。
根據一實施例，在進行成形程序之後，磨料微粒可具有至少約95%理論密度的密度。在其他例子中，磨料微粒可具有更大的密度，諸如至少約96%或甚至至少約97%理論密度。
在進行成形程序之後，磨料微粒可具有不大於約100m2/g的比表面積。又在其他實施例中，比表面積可不大於約90m2/g，諸如不大於80m2/g或甚至不大於約10m2/g或甚至不大於約1m2/g。又，磨料微粒的比表面積可係至少約0.01m2/g或甚至至少約0.05m2/g。應理解的是，磨料微粒的比表面積可在任何上述最小值與最大值之間的範圍內。
在又另一實施例中，磨料微粒可具有平均或均值顆粒尺寸的主體，其可選自一組預定的篩分尺寸。例如，主體可具有不大於5000微米且至少0.1微米的平均顆粒尺寸。在某些例子中，主體可具有不大於約4mm，諸如不大於約3mm、不大於約2mm、不大於約1mm、或甚至不大於約0.8mm的平均顆粒尺寸。又，在另一實施例中，主體可具有至少約0.1μm的平均顆粒尺寸。應理解的是，主體可具有介於任何上文所述之最小值與最大值之間的範圍內之平均顆粒尺寸。
用於磨料產業的顆粒通常在使用前分級為給定的顆粒尺寸分布。此分布通常具有一系列顆粒尺寸，從粗顆粒到精細顆粒。在磨料技術中，此範圍有時被稱為“粗(coarse)”、“對照(control)”和“精細(fine)”級分。根據磨料產業所接受之分級標準所分級的磨料顆粒指定數值限制內各標稱等級的顆粒尺寸分布。此產業所接受之分級標準(即磨料產業指定的標稱等級)包括稱為美國國家標準協會(ANSI)標準、歐洲磨料產品製造商聯合會(FEPA)標準及日本工業標準(JIS)的標準者。
ANSI等級標記(grade designation)(即指定的標稱等級)包括：ANSI 4、ANSI 6、ANSI 8、ANSI 16、ANSI 24、ANSI 36、ANSI 40、ANSI 50、 ANSI 60、ANSI 80、ANSI 100、ANSI 120、ANSI 150、ANSI 180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI 280、ANSI 320、ANSI 360、ANSI 400及ANSI 600。FEPA等級標記包括P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、P600、P800、P1000及P1200。JIS等級標記包括JIS8、JIS12、JIS 16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS 100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000及JIS10,000。或者，可使用符合ASTM E-11“用於測試目的的金屬絲布和篩的標準規格(Standard Specification for Wire Cloth and Sieves for Testing Purposes)”之美國標準測試篩(U.S.A.Standard Test Sieves)將磨料微粒分級至標稱篩分等級。ASTM E-11規定使用安裝在框架中的編織金屬絲布介質的測試篩的設計和構造要求，該測試篩用於根據指定的顆粒尺寸對材料進行分類。通常標記可表示為-18+20，這意味著顆粒通過符合ASTM E-11規格的18號篩的測試篩並留存在符合ASTM E-11規格的20號篩的測試篩上。在各種實施例中，磨料微粒可具有標稱篩分等級，其包含：-18+20、-20+25、-25+30、-30+35、-35+40、-40+45、-45+50、-50+60、-60+70、-70+80、-80+100、-100+120、-120+140、-140+170、-170+200、-200+230、-230+270、-270+325、-325+400、-400+450、-450+500、或-500+635。或者，可使用客製化網格尺寸，諸如-90+100。
在步驟103形成磨料微粒之後，可在步驟104利用一或多個程序。如圖1所示，磨料微粒可用於一或多種磨料或非磨料應用中。例如，磨料微粒可用於微粒材料的摻合物中，諸如不同磨料顆粒的摻合物，並併入固定磨料中或用作游離磨料。或者，磨料微粒不需要經摻合，且可直接用於一或多種固定磨料或游離磨料應用中。
磨料微粒可包括主體，其可包括第一相和第二相，其中第二相包括摻雜劑或來自摻雜劑之物種。根據一實施例，第一相可包括氧化物，諸如氧化鋁，且更具言之是α氧化鋁。在一個例子中，第一相可基本上由α氧化鋁組成。在某些例子中，主體可經形成使得其不大於約1wt%的低溫氧化鋁相。如本文中所使用，低溫氧化鋁相可包括過渡相氧化鋁、鋁土礦或水合氧化鋁，包括例如水鋁礦、水鋁石、硬鋁石(diaspore)以及含有此等化合物和礦物質的混合物。某些低溫氧化鋁材料亦可包括一些含量的氧化鐵。再者，低溫氧化鋁相可包括其他礦物質，諸如針鐵礦、赤鐵礦、高嶺石和銳鈦礦。在特定例子中，微粒材料可基本上由作為第一相的α氧化鋁組成，且可基本上不含低溫氧化鋁相。
此外，磨料微粒可經形成使得主體包括不大於約1wt%的雜質元素，其中雜質元素是無意的該些物種。摻雜劑不是雜質。一些例示性雜質元素可包括過渡金屬元素、鹼土族元素、鹼金族元素、或其任何組合。在一個具體例子中，主體可包括有限量的水，諸如主體內含量不大於約1wt%的水(對於主體的總重量)。再者，主體基本上可不含水。
在一個態樣中，磨料微粒可具有包括第一相的主體，該第一相具有至少約70wt%的氧化鋁(對於該第一相的總重量)。對於其他實施例，主體可包括至少約71wt%的氧化鋁(對於第一相的總重量)，諸如至少約75wt%、至少約77wt%、至少約80wt%、至少約83wt%、至少約85wt%、至少約88wt%、至少約90wt%、至少約93wt%、至少約95wt%的氧化鋁，或甚至基本上由氧化鋁組成。
此外，磨料微粒可具有主體，並且至少60wt%的主體是氧化鋁(對於主體的總重量)。在其他例子中，主體中的氧化鋁的量可更大，諸如至少70wt%或至少75wt%或至少80wt%或至少約85wt%或至少約90wt%。 又，主體可包括不大於約99wt%、諸如不大於98wt%或不大於97wt%或不大於96wt%或不大於95wt%或不大於94wt%或不大於93wt%或不大於92wt%或不大於91wt%或不大於90wt%的氧化鋁(對於主體的總重量)。應理解的是，主體中的氧化鋁的總含量可在上述任何最小和最大百分比之間的範圍內。
在又另一實施例中，磨料微粒可包括具有離散結晶晶粒的第一相(例如氧化物材料)，該結晶晶粒界定平均晶粒大小(即微晶尺寸)不大於500微米的微晶。
又，在其他例子中，第一相的平均晶粒大小可不大於250微米，諸如不大於100微米或不大於80微米或不大於50微米或不大於30微米或不大於20微米或不大於10微米或不大於1微米或不大於0.9微米或不大於0.8微米或不大於0.7微米或不大於0.6微米。又，在至少一個實施例中，第一相可具有至少約0.01微米或至少0.05微米的平均晶粒大小。應理解的是，第一相的平均晶粒大小可在任何上述最小值和最大值之間的範圍內。
平均晶粒大小(即平均晶體尺寸)可使用掃描電子顯微法(SEM)顯微照片，基於未經校正之截距法來測量。磨料顆粒之樣本係藉由在環氧樹脂中製造電木嵌裝(bakelite mount)，接著使用Struers Tegramin 30拋光單元以金剛石拋光漿體來拋光而製備。在拋光之後，在熱板上加熱環氧樹脂，接著將經拋光之表面在低於燒結溫度的150℃下熱蝕刻5分鐘。將個別顆粒(5至10粒)裝在SEM支架上，接著塗覆金以用於SEM准備。三份個別磨料顆粒的SEM顯微照片在大約50,000倍放大率下拍攝，接著使用下列步驟計算未經校正之微晶尺寸：1)從晶體結構視圖的一個角到其相對角繪製對角線，不包括照片底部的黑色數據帶；2)測量對角線的長度L1和L2至精確到0.1厘米；3)計算每條對角線相交的晶粒邊界數(即晶粒邊界相交點I1和I2)，並記錄每條對角線的該數字；4)藉由測量各顯微照片或視窗底部的微米條尺的長度(以厘米為單位) (即“條尺長度(bar length)”)並將條尺長度(以微米為單位)除以條尺長度(以厘米為單位)，來判定計算出之條尺數字(calculated bar number)；5)將顯微照片上繪製的對角線的總厘米相加(L1+L2)，以獲得對角線長度之總和；6)將兩條對角線晶粒邊界交點的數量相加(I1+I2)，以獲得晶粒邊界交點之的總和；7)將以厘米為單位的對角線長度之總和(L1+L2)除以晶粒邊界交點之總和(I1+I2)，並將該數乘以計算出之條尺數字。此程序在至少三次不同的時間、針對三種不同的隨機選擇的樣本來完成，以獲得平均微晶尺寸。
如在本文中所述，主體可進一步包括在主體內的第二相，其可包括摻雜劑。在一個例子中，主體可包括不大於50%的第二相(對於主體的總重量)。對於其他實施例，主體內第二相之含量可較少，諸如不大於40wt%或不大於30wt%或不大於20wt%或不大於10wt%或不大於8wt%或不大於6wt%或不大於5wt%或不大於4wt%或不大於3wt%的摻雜劑(對於主體的總重量)。此外，主體內第二相之含量可係至少0.5wt%，諸如至少1wt%或至少2wt%或至少3wt%(對於主體的總重量)。應理解的是，主體內第二相之含量可在上述任何最小和最大百分比之間的範圍內。
在一個實施例中，第二相可基本上由摻雜劑組成。在另一實施例中，第二相可包括化合物，其包括摻雜劑和其他元素。在一個例子中，主體可包括不大於18wt%的摻雜劑(對於主體的總重量)。對於其他實施例，主體可包括較少摻雜劑，諸如不大於16wt%或不大於14wt%或不大於12wt%或不大於10wt%或不大於8wt%或不大於6wt%或不大於5wt%或不大於4wt%或不大於3wt%的摻雜劑(對於主體的總重量)。此外，主體內摻雜劑之含量可係至少0.5wt%，諸如至少1wt%或至少2wt%或至少3wt%(對於主體的總重量)。應理解的是，主體內摻雜劑之含量可在上述任何最小和最大百分比之間的範圍內。
在某些例子中，磨料微粒可包括選自由下列所組成之特定類型的摻雜劑：鉿、鋯、鈮、鉭、鉬、釩、鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鍶、鋇、鈧、釔、鑭、銫、鐠、鉻、鈷、鐵、鍺、錳、鎳、鈦、鋅、鈰、釹、釓、銪、矽、磷或其任何組合。根據一個實施例，摻雜劑包含鎂，並且可基本上由鎂或氧化鎂組成。
摻雜劑可設置在微結構中的某些位置，這可促進改善磨料微粒的效能。例如，摻雜劑或含有摻雜劑的化合物(即摻雜劑化合物)可主要位於第一相(例如氧化物)之晶體晶粒之間的結晶晶粒邊界處。
在某些例子中，磨料微粒可具有主體，該主體具有一定孔隙含量(content of porosity)。例如，對於主體的總體積，孔隙率可不大於5vol%或不大於4vol%或不大於3vol%或不大於2vol%或不大於1vol%。又，在某些例子中，適合的是，磨料微粒是黏聚物的一部分，並且應理解的是，此種黏聚物可具有較大孔隙含量。
磨料微粒或磨料微粒的主體可具有各種形狀和尺寸。例如，磨料微粒可具有隨機成形的磨料主體或成形磨料顆粒或半成形磨料顆粒。
圖2包括根據一實施例的磨料微粒作為成形磨料顆粒的透視圖圖示。成形磨料顆粒200可包括主體201，其包括主表面202、主表面203、及在主表面202與203之間延伸的側表面204。如圖2所示，成形磨料顆粒200的主體201可係薄形主體，其中主表面202和203係大於側表面204。此外，主體201可包括縱軸210，其從一點延伸到基底並穿過主表面202或203上的中點250。縱軸210可界定主體沿主表面並穿過主表面202的中點250的最長尺寸。在某些顆粒中，如果主體的主表面的中點不是很明顯，可由上而下觀察主表面，圍繞主表面的二維形狀繪製最貼近的圓，並使用圓的中心作為主表面的中點。
成形磨料顆粒可透過特定程序(包括模塑、印刷、鑄造、擠壓及類似者)而形成。成形磨料顆粒可經形成使得各顆粒具有相對於彼此實質上相同的表面和邊緣之排列。例如，一組成形磨料顆粒通常具有相對於彼此相同的排列和定向及/或表面之二維形狀和邊緣。由此，成形磨料顆粒相對於彼此在表面和邊緣之排列方面具有相對高的形狀保真度和一致性。此外，恆定高度的磨料顆粒(CHAP)亦可透過特定程序而形成，該等程序促進形成薄形主體，當由上而下觀察主表面時，該薄形主體可具有不規則的二維形狀。參見例如圖4。CHAP可具有比成形磨料顆粒低的形狀保真度，但是可具有由側表面分開的實質上平面和平行的主表面。
相比之下，與成形磨料顆粒和CHAP相比，非成形顆粒(參見例如圖5)可以透過不同的程序來形成並且具有不同的形狀屬性。例如，非成形顆粒通常藉由粉碎程序而形成，其中大量材料係經形成且接著經破碎或經爆炸且接著經篩分以獲得一定尺寸的磨料顆粒。然而，非成形顆粒將具有通常隨機的表面和邊緣之排列，且通常在表面和邊緣之排列中缺乏任何可識別的二維或三維形狀。再者，非成形顆粒相對於彼此不一定具有一致的形狀，且因此相較於成形磨料顆粒或CHAP具有顯著更低的形狀保真度。非成形顆粒通常藉由各顆粒的表面和邊緣之隨機排列以及相對於其他非成形顆粒來界定。
再參考圖2，主體201可進一步包括橫軸(lateral axis)211，其界定主體201的寬度，並通常垂直於縱軸210在相同主表面202上延伸。最後，如圖所示，主體201可包括垂直軸212，其在薄形主體的情況下可界定主體201的高度(或厚度)。對於薄形主體，縱軸210的長度大於垂直軸212。如圖所示，厚度212可沿著主表面202與203之間的側表面204延伸，並且垂直於由縱軸210和橫軸211所界定的平面。應理解的是，在本文中參照之磨料顆粒的長度、 寬度和高度可參照從較大組的合適取樣大小的磨料顆粒(包括例如固定在固定磨料上的一組磨料顆粒)所取得的平均值。
在本文中之實施例的成形磨料顆粒，包括薄形磨料顆粒，可具有長度：寬度之初級縱橫比(primary aspect ratio)，使得長度可大於或等於寬度。此外，主體201的長度可大於或等於高度。最後，主體201的寬度可大於或等於高度。根據一實施例，長度：寬度之初級縱橫比可係至少1：1，諸如至少1.1：1、至少1.2：1、至少1.5：1、至少1.8：1、至少2：1、至少3：1、至少4：1、至少5：1、至少6：1、或甚至至少10：1。在另一非限制性實施例中，成形磨料顆粒的主體201可具有長度：寬度不大於100：1、不大於50：1、不大於10：1、不大於6：1、不大於5：1、不大於4：1、不大於3：1、不大於2：1、或甚至不大於1：1之初級縱橫比。應理解的是，主體201的初級縱橫比可在包括上述任何最小比和最大比的範圍內。
然而，在某些其他實施例中，寬度可大於長度。例如，在其中主體201是等邊三角形的那些實施例中，寬度可大於長度。在此等實施例中，長度：寬度之初級縱橫比可係至少1：1.1或至少1：1.2或至少1：1.3或至少1：1.5或至少1：1.8或至少1：2或至少1：2.5或至少1：3或至少1：4或至少1：5或至少1：10。又，在非限制性實施例中，初級縱橫比長度：寬度可係不大於1：100或不大於1：50或不大於1：25或不大於1：10或不大於1：5或不大於1：3。應理解的是，主體201的初級縱橫比可在包括上述任何最小比和最大比的範圍內。
又，主體201可具有寬度：高度可係至少1：1，諸如至少1.1：1、至少1.2：1、至少1.5：1、至少1.8：1、至少2：1、至少3：1、至少4：1、至少5：1、至少8：1、或甚至至少10：1之次級縱橫比。又，在另一非限制性實施例中，主體201的次級縱橫比寬度：高度可係不大於100：1，諸如不大於50：1、不大於10：1、不大於8：1、不大於6：1、不大於5：1、不大於4：1、不大於3：1、或甚至不大於2：1。 應理解的是，寬度：高度之次級縱橫比可在包括上述任何最小比和最大比的範圍內。
在另一實施例中，主體201可具有長度：高度可係至少1.1：1，諸如至少1.2：1、至少1.5：1、至少1.8：1、至少2：1、至少3：1、至少4：1、至少5：1、至少8：1、或甚至至少10：1之三級縱橫比。又，在另一非限制性實施例中，主體201的三級縱橫比長度：高度可係不大於100：1，諸如不大於50：1、不大於10：1、不大於8：1、不大於6：1、不大於5：1、不大於4：1、不大於3：1。應理解的是，主體201的三級縱橫比可在包括上述任何最小比和最大比的範圍內。
本文中之實施例的磨料微粒，包括成型磨料顆粒，可包括結晶材料，且更具言之，多晶形材料。應注意的是，多晶形材料可包括磨料晶粒(abrasive grain)。在一個實施例中，磨料顆粒的主體，包括例如成形磨料顆粒的主體，可係基本上不含有機材料，諸如黏合劑。在至少一個實施例中，磨料顆粒可基本上由多晶形材料組成。在另一實施例中，磨料顆粒，諸如成形磨料顆粒可以不含矽烷，且特別是可不具有矽烷塗覆。
圖2包括具有二維形狀的成形磨料顆粒的圖示，該二維形狀由上主表面202或主表面203的平面所界定，其具有通常三角形的二維形狀。應理解的是，本文中之實施例的成形磨料顆粒不限於此並且可包括其他二維形狀。例如，本文中之實施例的成形磨料顆粒可包括具有二維形狀的主體之顆粒，該二維形狀藉由來自包括下列形狀群組的主體之主表面所界定：正多邊形、不規則多邊形、包括弧形或彎曲側邊或部分側邊的不規則多邊形、橢圓體、數字、希臘字母字元、拉丁字母字元、俄文字母字元、漢字字元、具有多邊形形狀組合的複雜形狀、包括中心區域和複數個從中心區域延伸之臂(例如，至少三個臂)之形狀(例如星形)、及其組合。特定的多邊形形狀包括矩形、梯形、四邊形、五邊形、六邊形、七邊形、八邊形、九邊形、十邊形、及其任何組合。 在另一例子中，最終形成的成形磨料顆粒可具有主體，該主體具有二維形狀，諸如不規則的四邊形、不規則的矩形、不規則的梯形、不規則的五邊形、不規則的六邊形、不規則的七邊形、不規則的八邊形、不規則的九邊形、不規則的十邊形、及其任何組合。不規則多邊形形狀係其中界定多邊形形狀的各側邊的至少一者在尺寸(例如長度)方面相對於另一側邊係不同者。如在本文中的其他實施例中所示，某些成形磨料顆粒的二維形狀可具有特定數量的外部點或外角。例如，成形磨料顆粒的主體在由長度和寬度界定的平面中觀察時可具有二維多邊形形狀，其中主體包含具有至少4個外部點的二維形狀(例如四邊形)、至少5個外部點的二維形狀(例如五邊形)、至少6個外部點的二維形狀(例如六邊形)、至少7個外部點的二維形狀(例如七邊形)、至少8個外部點的二維形狀(例如八邊形)、至少9個外部點的二維形狀(例如九邊形)、及類似者。
圖3包括根據另一實施例的成形磨料顆粒的透視圖圖示。應注意的是，成形磨料顆粒300可包括主體301，其包括表面302和表面303，彼等可稱為端面302和303。主體301可進一步包括在端面302和303之間延伸且偶合於彼的主表面304、305、306、307。圖3的成形磨料顆粒係延長成形磨料顆粒，其具有縱軸310，該縱軸310沿主表面305延伸並穿過端面302和303之間的中點340。對於具有可識別的二維形狀之顆粒，諸如圖2和3的成形磨料顆粒，該縱軸是易於理解的用來界定穿過主表面上的中點的主體長度之尺寸。例如，在圖3中，成形磨料顆粒300的縱軸310在端面302和303之間延伸，且平行於界定主表面的邊緣，如圖所示。此種縱軸與如何界定桿的長度是一致的。應注意的是，縱軸310不在連接端面302和303的角部與界定主表面305的邊緣之間對角地延伸，即使這樣的線可界定最大長度的尺寸。在主表面具有起伏或微小 缺陷而非完美平坦表面的程度下，則可使用忽略起伏的由上而下的二維影像來判定縱軸。
應理解的是，選擇表面305用於說明縱軸310，是因為主體301具有由端面302和303所界定的大致上方形的橫截面輪廓。由此，表面304、305、306和307相對於彼此可係大約相同的尺寸。在其他延長磨料顆粒的情況下，表面302和303可具有不同的形狀，例如矩形，並且因此，表面304、305、306和307中的至少一者可相對大於其他者。在這種例子中，最大表面可界定主表面，且縱軸會沿著該些表面中的最大者延伸穿過中點340並可平行於界定主表面的邊緣延伸。如進一步所示，主體301可包括橫軸311，其在由表面305所界定的相同平面內垂直於縱軸310來延伸。如進一步所示，主體301可進一步包括界定磨料顆粒高度的垂直軸312，其中垂直軸312在垂直於由表面305的縱軸310和橫軸311所界定的平面的方向上延伸。
應理解的是，與圖2的薄形磨料顆粒一樣，圖3的延長成形磨料顆粒可具有各種二維形狀，諸如就圖10的成形磨料顆粒所界定者。主體301的二維形狀可藉由端面302和303的周邊的形狀來界定。延長成形磨料顆粒300可具有本文中之實施例的成形磨料顆粒的任何屬性。
圖4包括根據一實施例的受控高度磨料顆粒(CHAP)的透視圖圖示。如圖所示，CHAP 400可包括主體401，其包括第一主表面402、第二主表面403、及在第一主表面402及第二主表面403之間延伸的側表面404。如圖4所示，主體401可具有薄且相對平面的形狀，其中第一主表面402和第二主表面403係大於側表面404且實質上彼此平行。再者，主體401可包括縱軸410，其延伸穿過中點420並界定主體401的長度。主體401可進一步包括在第一主表 面402上的橫軸411，其延伸穿過第一主表面402的中點420且垂直於縱軸410，並界定主體401的寬度。
主體401可進一步包括垂直軸412，其可界定主體401的高度(或厚度)。如圖所示，垂直軸412可在通常垂直於由第一主表面上的軸線410和411所界定的平面的方向上，沿第一主表面402和第二主表面403之間的側表面404延伸。對於薄形主體，例如圖4中所示的CHAP，長度可係等於或大於寬度，且長度可係大於高度。應理解的是，在本文中參照之磨料顆粒的長度、寬度和高度可參照從一批合適取樣大小的磨料顆粒所取得的平均值。
不同於圖2和圖3的成形磨料顆粒，圖4的CHAP基於第一主表面402或第二主表面403的周邊不具有易於識別的二維形狀。此種磨料顆粒可以不同方式來形成，其包括但不限於薄層材料的破裂以形成具有受控高度但具有不規則形成的平面主表面的磨料顆粒。針對此等顆粒，縱軸係被定義為主表面上延伸通過表面中點的最長尺寸。於主表面具有起伏的程度下，則可使用忽略起伏的由上而下的二維影像來判定縱軸。再者，如上所述，最貼近的圓可用於識別主表面的中點及縱軸和橫軸的鑑別。
圖5包括非成形顆粒的圖示，其可係延長、非成形磨料顆粒或次級顆粒，諸如稀釋晶粒、填料、黏聚物或類似者。非成形顆粒550可具有主體551，其包括沿主體551的外部表面延伸的通常隨機排列的邊緣555。主體可進一步包括界定顆粒的最長尺寸的縱軸552。縱軸552界定在二維中觀察的主體的最長尺寸。因此，不同於與成形磨料顆粒和CHAP(其中縱軸在主表面上測量)，非成形顆粒的縱軸由主體上彼此最遠的的點來界定，因為使用提供顆粒最長尺寸的視圖的影像或有利視圖(vantage)在二維中觀察顆粒。即，延長顆粒、但非成形顆粒，諸如如圖5所示，應從使得最長尺寸明顯的視點來觀察，以適當地評估縱軸。主體551可進一步包括橫軸553，其垂直於縱軸552延伸並界定顆粒 的寬度。橫軸553可在與用於鑑別縱軸552的相同平面中垂直於縱軸552延伸穿過縱軸的中點556。磨料顆粒可具有由垂直軸554所界定的高度(或厚度)。垂直軸554可延伸穿過中點556，但是在垂直於用於界定縱軸552及橫軸553的平面的方向上。為了評估高度，可能必須將磨料顆粒的視角改變為從與用於評估長度和寬度的有利位置不同的有利位置觀察顆粒。
將會理解的是，磨料顆粒可具有由縱軸552所界定的長度、由橫軸553所界定的寬度、以及由垂直軸554所界定的高度。將會理解的是，主體551可具有長度：寬度之初級縱橫比，使得長度等於或大於寬度。此外，主體551的長度可等於或大於或等於高度。最後，主體551的寬度可大於或等於高度554。根據一實施例，長度：寬度之初級縱橫比可係至少1.1：1、至少1.2：1、至少1.5：1、至少1.8：1、至少2：1、至少3：1、至少4：1、至少5：1、至少6：1、或甚至至少10：1。在另一非限制性實施例中，延長成形磨料顆粒的主體551可具有長度：寬度不大於100：1、不大於50：1、不大於10：1、不大於6：1、不大於5：1、不大於4：1、不大於3：1、或甚至不大於2：1之初級縱橫比。應理解的是，主體551的初級縱橫比可在包括上述任何最小比和最大比的範圍內。
又，主體551可包括寬度：高度係至少1.1：1，諸如至少1.2：1、至少1.5：1、至少1.8：1、至少2：1、至少3：1、至少4：1、至少5：1、至少8：1、或甚至至少10：1之次級縱橫比。又，在另一非限制性實施例中，主體551的次級縱橫比寬度：高度可係不大於100：1，諸如不大於50：1、不大於10：1、不大於8：1、不大於6：1、不大於5：1、不大於4：1、不大於3：1、或甚至不大於2：1。應理解的是，長度：高度之次級縱橫比可在包括上述任何最小比和最大比的範圍內。
在另一實施例中，主體551可具有長度：高度可係至少1.1：1，諸如至少1.2：1、至少1.5：1、至少1.8：1、至少2：1、至少3：1、至少4：1、至少5：1、至少8：1、或甚至至少10：1之三級縱橫比。又，在另一非限制性實施例中，主體 551的三級縱橫比長度：高度可係不大於100：1，諸如不大於50：1、不大於10：1、不大於8：1、不大於6：1、不大於5：1、不大於4：1、不大於3：1。應理解的是，主體551的三級縱橫比可在包括上述任何最小比和最大比的範圍內。
非成形顆粒550可具有本文中之實施例中所述的磨料顆粒的任何屬性，包括例如但不限於組成物、微結構特徵(例如平均晶粒大小)、硬度、孔隙率及類似者。
透過經驗手段評估某些非成形磨料顆粒的主體可以彼此不同。例如，在比較透過二種產生非成形磨料顆粒的粉碎技術所產生的形狀的相對銳度時，注意到相較於透過其他習知粉碎手段所形成者，透過爆炸粉碎手段所形成的磨料顆粒可具有更尖銳的形狀。例如，主體可具有不大於115微米，諸如不大於110微米或不大於105微米或不大於100微米或不大於95微米之平均曲率半徑(其與銳度成反比)。本文中之實施例之磨料微粒可係爆炸狀非成形磨料顆粒(exploded non-shaped abrasive particle)。
磨料顆粒之平均銳度係藉由曲率半徑途徑來評估。測量晶粒突起的曲率半徑，其與銳度成反比。給定晶粒的曲率半徑是從晶粒的骨架化影像來估計，其係1個像素寬代表晶粒的整體形狀。存在許多不同的骨架化演算法並且具有細微差別，在此工作中，用於計算曲率半徑的骨架係使用python(版本3.6.3)程式語言的skimage庫(版本0.13.1)中的“Skeletonize”函數來計算的。骨架的端點對應於整體形狀中的突起，並且可經鑑識為磨料晶粒中的切割點。骨架的這些端點由像素界定，其具有以1個相鄰像素為中心的3×3框內的該像素的連通性值。保證骨架中不是端點的其他像素必須具有多於一個相鄰像素。從骨架化影像的終點，可將切線圓繪製到原始物體的邊界，並且可以計算它們的半徑。參見例如圖11。如果物體有尖銳部分，圓將非常接近形狀的邊界，並且所計算的半徑將很小。相反地，如果有一個鈍的特徵，與邊界相切的圓將會 大得多。對於給定的分支點，曲率半徑係使用運算從連通性1個像素到原始形狀的邊界中的任何(x,y)值對的最小幾何距離的函數來計算，使用的公式如下：
Figure 108128168-A0305-02-0027-1
其中"i“是邊界像素(x,y)對的指示符號，而(X,Y)是分支終點。可平均給定晶粒的所有曲率半徑以獲得晶粒平均曲率半徑，並且可平均晶粒平均曲率半徑以獲得批量平均曲率半徑。
複數個磨料顆粒可具有特定比長度(specific length)，其中比長度係以Feret最大長度的平方(Feret Max2)除以顆粒的面積來測量。最大Feret長度係基於距離測量來判定，其中在所測量的顆粒的相對側之間的二條直線定位(像是滑動卡尺)在32個角位置。藉由這些測量判定的最大值是最大Feret。測量係使用在相機上適合的影像軟體(諸如Zeiss Image Analysis軟體(Zen Pro))、在至少400個顆粒上來進行。比長度的計算可具有分布。在本文中，比長度係相關於比長度的第50百分位數或中位數比長度。根據一個實施例，本文中之實施例之磨料顆粒可具有至少1.8的比長度，諸如至少1.9或至少2.0或至少2.1或至少2.2或至少2.3或至少2.4或至少2.5或至少2.6或至少2.7或至少2.8或至少2.9或至少3.0。又，在一個非限制性實施例中，比長度可不大於4.0或不大於3.9或不大於3.8或不大於3.7或不大於3.6或不大於3.5或不大於3.4或不大於3.3或不大於3.2或不大於3.1或不大於3.0或不大於2.9或不大於2.8或不大於2.7或不大於2.6或不大於2.5或不大於2.4或不大於2.3或不大於2.2或不大於2.1或不大於2.0。應理解的是，比長度可在包括上述任何最小值和最大值的範圍內。
圖6A包括磨料微粒的橫截面圖描繪，該磨料微粒具有主體601，其包括外部表面650和在整個主體體積內的摻雜劑610的非均一分布。磨 料微粒可以透過如本文中之實施例之程序來形成，並且可包括經富集之區域603，其鄰接外部表面650並且界定相較於主體601內之其他區域摻雜劑610含量顯著更高之區域。主體601可進一步包括在主體的中心區域中與外部表面650間隔開的經摻雜之區域604。中心區域圍繞主體601的體積的中心點606。如圖6A的實施例中所示，經富集之區域603可界定包括外部表面的主體的一部分並且延伸到主體601中較小深度。進一步進入主體601超出經富集之區域603，摻雜劑的含量顯著減少並且可界定在經富集之區域603與經摻雜之區域604之間的空乏區域605。相較於在經富集之區域603及/或經摻雜之區域604中的摻雜劑含量的改變，空乏區域605中摻雜劑含量的改變最重度。
圖6B包括基於最大強度正規化相對於穿透深度之摻雜劑濃度的一般化繪製圖。應注意的是，圖6B的曲線圖示出了對於給定的進入主體內的穿透深度的摻雜劑的含量。下面更詳細地提供了創建此種曲線圖並評估如本文中所述的特徵的方法。如上圖所示，磨料微粒的外部表面650由y軸界定，並且遠離外部表面650的深度界定為以奈米計的穿透深度。曲線601是一般曲線(generic curve)，通常表明摻雜劑含量隨著在習知經浸漬之顆粒上的磨料微粒之主體內的穿透深度的變化。曲線602和603描繪藉由使用本揭露的富集程序所形成的磨料微粒的各種可能的實施例和摻雜劑含量的改變。
更特定言之，曲線602包括經富集之區域610、經摻雜之區域612和介於經富集之區域610與經摻雜之區域612之間的空乏區域611。經富集之區域610可在主體的外部表面650和界定摻雜劑最大含量(即Cmax)的曲線上的點之間延伸。空乏區域611在曲線上界定摻雜劑最大含量(Cmax)與摻雜劑最低含量或其中在曲線的前半部分隨著穿透深度的增加摻雜劑含量的下降改變為低得多的降低(%/nm)(即Cmin)的點之間延伸。經摻雜之區域612是曲線中延伸到主體超過Cmin之外的部分。經摻雜之區域612藉由空乏區域611與經富集 之區域610相隔。經摻雜之區域612的特徵可在於隨著穿透深度變化，摻雜劑含量的改變通常是小的，使得經摻雜之區域612的特徵在於實質上恆定的摻雜劑含量。在特定例子中，實質上恆定的摻雜劑含量的特徵在於摻雜劑含量的變化在大多數測量區域內不大於大約20%或不大於15%或不大於10%。
曲線603亦界定經富集之區域621、空乏區域622和經摻雜之區域623。應注意的是，相較於經富集之區域610，經富集之區域621延伸進入主體內的距離更小。空乏區域622的特徵亦在於相較於空乏區域611，在較短的深度距離上摻雜劑含量的較大降低。
曲線601係所欲來表示基於經驗研究的代表性習知經浸漬之主體之一般曲線。摻雜劑的最大含量在表面(Y=0)。區域631表明摻雜劑含量逐漸降低至Cmin。曲線601的區域632表現出隨著穿透深度的改變相對穩定的摻雜劑含量。
產生此種圖的程序係藉由獲得最終形成的磨料顆粒之樣本並以適合經由飛行時間二次離子質譜法(即TOF-SIMS)分析之方式來准備它們而開始。使用適合數量的隨機選擇的磨料顆粒來產生一或多個樣本。根據條件使用25keV的Bi1 +的初級離子和大約2.5pA的電流以及50 x 50μm2的分析面積(即128 x 128像素)，經由TOF-SIMS分析一或多個樣本。該分析亦使用正二次離子和小於20eV的電荷補償。濺射條件包括2keV和610nA的O2 +的初級離子，濺射面積為200 x 200μm2。分析周期是從0到210uma(最大飛行時間=50μs)獲得1次掃描，撞蝕(erosion)50幀，暫停0.5秒。來自此分析，常數參考強度正規化相對穿透深度(nm)的數據。藉由對相同曲線圖上的曲線正規化並將曲線上的每個點除以最高參考強度正規化值來一起分析多條曲線，使得每個圖具有100%的最大值。這產生了最大強度正規化相對穿透深度的曲線圖，其可用於評 估在本文中之實施例中所描述的特徵。最佳擬合線亦可應用於曲線，其可幫助鑑定磨料顆粒中的不同區域，如在本文中詳述者。
在一個實施例中，本文中之實施例之磨料微粒可具有至少35%之特定最大正規化摻雜劑含量差異(△C=Cmax-Cmin)。最大正規化摻雜劑含量差異是最大正規化摻雜劑含量值(即100%下的Cmax)減去在最大強度正規化相對穿透深度曲線的前半部分上的最低摻雜劑含量值(即Cmin)之間的差值。如圖6B所示，Cmin對應於其中空乏區域結束且經摻雜之區域開始的點。在某特定實施例中，摻雜劑濃度可隨著經摻雜之區域中的穿透深度的增加而進一步降低，然而，為了計算△C，使用從空乏區域到經摻雜之區域的改變，而不是經摻雜之區域中的最低值。在一個實施例中，最大正規化摻雜劑含量差異可係至少36%或至少37%或至少38%或至少40%或至少42%或至少44%或至少46%或至少48%或至少50%或至少52%或至少54%或至少56%或至少58%或至少60%或至少62%或至少64%或至少66%或至少68%或至少70%。又，在另一非限制性實施例中，該最大正規化摻雜劑含量差異可係不大於99%、諸如不大於95%或不大於90%或不大於85%或不大於80%或不大於75%或不大於70%或不大於65%或不大於60%。應理解的是，最大正規化摻雜劑含量差異可在包括上述任何最小百分比和最大百分比的範圍內。相較於與習知經浸漬之微粒，磨料微粒可具有更大的最大正規化摻雜劑含量差異。
在另一實施例中，空乏區域611或622可界定具有摻雜劑之正規化含量顯著降低(諸如大於0.04%/nm)之區域。正規化摻雜劑含量之改變計算為△Dr=(△C/d)，其中“△C”=(Cmax-Cmin)且“d”是以深度(nm)測量的Cmax和Cmin之間的距離。在其他例子中，該摻雜劑之正規化含量之降低可係至少0.04%/nm，諸如至少0.05%/nm或至少0.06%/nm或至少0.08%/nm或至少0.10%/nm或至少0.20%/nm或至少0.22%/nm或至少0.23%/nm或至少 0.25%/nm或至少0.26%/nm或至少0.27%/nm或至少0.28%/nm或至少0.29%/nm或至少0.30%/nm。減少表示為正數，因為稱為降低。如果要提及改變，適合的是將上述值設為負值以表示降低。此外，在另一非限制性實施例中，該摻雜劑之正規化含量之降低可係小於0.5%/nm，諸如不大於0.48%/nm或不大於0.45%/nm或不大於0.43%/nm或不大於0.40%/nm或不大於0.35%/nm。應理解的是，空乏區域中摻雜劑之正規化含量之降低可在包括上述任何最小值和最大值的範圍內。在本文中所提供之關於正規化摻雜劑含量及/或正規化摻雜劑含量之改變的任何值可係基於一批磨料微粒的適合樣本數量的平均值。
經摻雜之區域612或623的特徵可在於實質上恆定的摻雜劑含量，且由此藉由△Dd=((Cmax(l)-Cmin)/d)計算的正規化摻雜劑含量之改變特別小，其中“Cmax(l)”是經摻雜之區域612或623中的局部最大值，“Cmin”是曲線上的界定經摻雜之區域612或623之開始的摻雜劑的最小含量，並且“d”是以深度(nm)測量的Cmax(l)與Cmin之間的距離。在一個實施例中，摻雜劑之正規化含量之改變(增加或降低)可不大於0.04%/nm或不大於0.03%/nm或不大於0.02%/nm或不大於0,01%/nm。又，在另一非限制性實施例中，摻雜劑之正規化含量之改變可係至少0.001%/nm或至少0.005%/nm或至少0.008%/nm或至少0.01%/nm。應理解的是，經摻雜之區域612或623中摻雜劑之正規化含量之改變可在包括上述任何最小值和最大值的範圍內。上述值是絕對值，沒有正號或負號。經摻雜之區域612或623中的正規化摻雜劑含量之改變可能增加或降低，但百分比改變記錄為絕對值。
經富集之區域610或621的特徵可在於實質上恆定的摻雜劑含量，且由此藉由△De=((Cmax-Cmin(l))/d)計算的正規化摻雜劑含量之改變特別小，其中“Cmax”是曲線上的界定經富集之區域610或621之末端的摻雜劑之最大含量，“Cmin(l)”是介於外部表面650與Cmax之間的局部最小值，並且 “d”是以深度(nm)測量的Cmax與Cmin(l)之間的距離。在一個實施例中，摻雜劑之正規化含量之改變(增加或降低)可不大於0.04%/nm或不大於0.03%/nm或不大於0.02%/nm或不大於0,01%/nm。又，在另一非限制性實施例中，摻雜劑之正規化含量之改變可係至少0.001%/nm或至少0.005%/nm或至少0.007%/nm。應理解的是，經富集之區域610或621中摻雜劑之正規化含量之改變可在包括上述任何最小值和最大值的範圍內。上述值是絕對值，沒有正號或負號。經富集之區域610或621中的正規化摻雜劑含量之改變可能增加或降低，但百分比改變記錄為絕對值。
根據另一實施例，空乏區域611或622的特徵可在於其摻雜劑含量之最大正規化改變大於經富集之區域610或621中摻雜劑含量之最大正規化改變。例如，空乏區域611或622中摻雜劑含量之最大正規化改變，係由(△C=Cmax-Cmin)表示，可係該經富集之區域610或621中摻雜劑含量之最大正規化改變的至少2倍大，諸如係該經富集之區域610或621中摻雜劑含量之最大正規化改變的至少3倍大或至少4倍大或至少5倍大。經富集之區域610或621中摻雜劑含量之最大正規化改變係以Cmax及外部表面650和Cmax之間的最低局部最小值之間的差異來測量。
根據另一實施例，空乏區域611或622的特徵可在於其摻雜劑含量之最大正規化改變大於經摻雜之區域612或623中摻雜劑含量之最大正規化改變。例如，空乏區域611或622中摻雜劑含量之最大正規化改變，係由(△C=Cmax-Cmin)表示，可係該經摻雜之區域612或623中摻雜劑含量之最大正規化改變的至少2倍大，諸如係該經摻雜之區域612或623中摻雜劑含量之最大正規化改變的至少3倍大或至少4倍大或至少5倍大。經摻雜之區域612或623中摻雜劑含量之最大正規化改變可係以經摻雜之區域612或623中最大局部最大值與Cmin之間的差異來測量。
在另一實施例中，曲線602上的空乏區域611可比主體的中心區域中的中心點606更靠近主體的外部表面601。在特定例子中，相較於主體之中心點606，空乏區域的起始處(其特徵可在於Cmax)可係更靠近該主體之外部表面650。在又另一例子中，相較於主體之中心點606，空乏區域610或621的末端(特徵在於Cmin)可係更靠近該主體之外部表面650。
經富集之區域610或621可向主體內延伸不大於3000nm的平均深度，諸如不大於2800nm或不大於2500nm或不大於2300nm或不大於2000nm或不大於1800nm或不大於1600nm或不大於1400nm或不大於1200nm或不大於1000nm或不大於900nm或不大於800nm或不大於700nm或不大於600nm、或不大於500nm、或不大於400nm、或不大於350nm、或不大於300nm、或不大於250nm、或不大於200nm、或不大於150nm、或不大於100nm。又，在至少一個非限制性實施例中，經富集之區域610或621可自主體之外部表面650延伸至該主體中至少1nm，諸如至少5nm或甚至至少10nm。
最大摻雜劑含量(Cmax)區域的點界定在經富集之區域610或621與空乏區域611和622的邊界處的空乏區域611或622的起始。界定主體內摻雜劑的最小含量(Cmin)的點可在經摻雜之區域612或623內，並界定空乏區域611和622與經摻雜之區域612或623之間的邊界。根據一個實施例，經摻雜之區域612或623可在主體中延伸比經富集之區域610或621的距離更大的距離(藉由穿透深度測量)。在另一實施例中，經摻雜之區域612或623可在主體內延伸比空乏區域611或621更大的距離。在仍另一實施例中，空乏區域611或621可在主體內延伸比經摻雜之區域612或623更大的距離。在又另一替代實施例中，經富集之區域610或621可在主體內延伸比空乏區域611或622更大的距離。
以更具體用語，經摻雜之區域612或623可藉由穿透深度(nm)測量延伸至少1000nm的長度。例如，經摻雜之區域612或623的長度可係至少1200nm或至少1500nm或至少2000nm。又，在另一實施例中，經摻雜之區域可不延伸到主體的整個長度。
磨料微粒可併入各種類型的磨料物件中，其包括固定磨料物件，諸如經塗覆之磨料、經黏合之磨料、非織物磨料及類似者。固定磨料物件可包括複數個磨料顆粒。在某些例子中，複數個磨料顆粒的所有磨料顆粒可係本文中之實施例的磨料微粒。在其他實施例中，固定磨料可包括磨料顆粒的摻合物，而使該摻合物包括第一類型(包括複數個磨料微粒)及至少一種磨料特徵不同於該第一類型之第二類型磨料，該磨料特徵係選自下列之群組：平均顆粒尺寸、二維形狀、三維形狀、組成物、硬度、韌性、脆性、密度、晶粒大小、聚結狀態或其任何組合。
磨料顆粒的摻合物可包括特定含量之複數個磨料微粒，其可促進磨料物件的效能改善。例如，磨料顆粒的摻合物可包括至少10%的磨料微粒，諸如至少15%或至少20%或至少30%或至少40%或至少50%或至少60%或至少70%或至少80%或甚至至少90%的磨料微粒。又，在另一非限制性實施例中，摻合物中磨料微粒的百分比可係不大於99%，諸如不大於95%或不大於90%或不大於80%或不大於70%或不大於60%或不大於50%或不大於40%或不大於30%或不大於20%或不大於15%。應理解的是，摻合物中磨料微粒的含量可在包括上述任何最小百分比和最大百分比的範圍內。
圖7包括根據一實施例之併入磨料微粒的經塗覆之磨料物件之橫截面描繪。如圖所示，經塗覆之磨料700可包括基材701和覆蓋在基材701表面上的底塗覆(make coat)703。經塗覆之磨料700可包括磨料顆粒的摻合物，其包括第一類型磨料微粒705和第二類型磨料微粒706。第一類型磨料微粒705可 係本文中之實施例的磨料微粒，並且可係成形磨料顆粒。第二類型磨料微粒706可係本文中之實施例的磨料微粒，並且可包括非成形磨料顆粒。經塗覆之磨料700亦可包括第三種類型的微粒材料707，其可係次級顆粒，諸如稀釋劑顆粒、填料及類似者。經塗覆之磨料700可進一步包括覆蓋並黏合到微粒材料705、706、707及底塗覆703的膠料塗覆(size coat)704。
根據一個實施例，基材701可包括有機材料、無機材料及其組合。在某些例子中，基材701可包括織物材料。然而，基材701可由非織物材料製成。特別適合的基材材料可包括有機材料，包括聚合物，且特別是聚酯、聚胺甲酸酯、聚丙烯、聚醯亞胺(諸如來自DuPont的KAPTON)、紙或其任何組合。一些適合的無機材料可包括金屬、金屬合金，且特別是銅、鋁、鋼及其組合之箔。
底塗覆703可在單一程序中施加到基材701的表面上，或者，微粒705、706、707可與底塗覆703材料組合，且底塗覆703和微粒705至707的組合可作為混合物施加到基材701的表面上。在某些例子中，底塗覆中的微粒705至707之受控沉積或排置可藉由將底塗覆703的施加程序與底塗覆703中的微粒705至707的沉積分開而更有利。又，應設想的是，此等程序可予組合。底塗覆703的適合材料可包括有機材料，特別是聚合物材料，包括例如聚酯、環氧樹脂、聚胺甲酸酯、聚醯胺、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚矽氧烷、聚矽氧、乙酸纖維素、硝化纖維素、天然橡膠、澱粉、蟲膠、及其混合物。在一個實施例中，底塗覆703可包括聚酯樹脂。經塗覆之基材可接著加熱，以使樹脂和磨料微粒材料固化到基材上。通常，在此固化程序期間，經塗覆之基材701可經加熱到介於約100℃至小於約250℃之間的溫度。
根據本文中之實施例，微粒705至707可包括不同類型的磨料顆粒。不同類型的磨料顆粒可包括不同類型的成形磨料顆粒、CHAP、非成形磨料 顆粒、次級顆粒、填料、或其任何組合。不同類型的顆粒在組成物、二維形狀、三維形狀、晶粒大小、平均顆粒尺寸、硬度、脆性、聚結、或其任何組合方面可彼此不同。如圖所示，經塗覆之磨料700可包括具有大致上金字塔形狀的第一類型磨料微粒705和具有大致上三角形二維形狀的第二類型磨料微粒706。經塗覆之磨料700可包括不同量的第一類型磨料微粒705和第二類型磨料微粒706。應理解的是，經塗覆之磨料可不必包括不同類型的成形磨料顆粒，並且可基本上由單一類型的磨料顆粒組成。如可理解的是，本文中之實施例的成形磨料顆粒可併入各種固定磨料中(例如經黏合之磨料、經塗覆之磨料、非織物磨料、薄輪、切割輪、增強磨料物件及類似者)，包括以摻合物形式，其可包括不同類型的成形磨料顆粒、次級顆粒及類似者。
在充分形成其中含微粒705至707的底塗覆703之後，可形成膠料塗覆704以覆蓋磨料微粒材料705並將其黏合在適當位置。膠料塗覆704可包括有機材料，可基本上由聚合物材料製成，且應注意的是，可使用聚酯、環氧樹脂、聚胺甲酸酯、聚醯胺、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚矽氧烷、聚矽氧、乙酸纖維素、硝化纖維素、天然橡膠、澱粉、蟲膠及其混合物。
圖8包括根據一實施例的固定磨料物件的透視圖描繪。如圖所示，固定磨料物件800可具有大致圓柱形狀的主體801，其包括上表面802、底表面804和在上表面802與底表面804之間延伸的側表面803。應理解的是，圖8的固定磨料物件是非限制性實例，且可利用其他主體形狀，其包括但不限於圓錐形、杯形、凹陷中心輪(例如T42)及類似者。最後，如進一步所示，主體801可包括中心開口885，其可經建構以接納心軸或軸，用於將主體801安裝在機器上，該機器經建構以旋轉主體801並促進材料移除操作。
固定磨料物件800可具有包括磨料顆粒(包括例如含在主體801的體積內的磨料顆粒群組805和806)的主體801。磨料顆粒群組805和806可藉由黏合材料807(其可延伸遍及主體801的三維體積)含在主體801的三維體積內。根據一實施例，黏合材料807可包括諸如玻化、多晶形、單晶形、有機(例如樹脂)、金屬、金屬合金及其組合之材料。
在一具體實施例中，磨料顆粒群組805和806可包封在黏合材料807內。如本文中所使用，“包封(encapsulated)”係指至少一個磨料顆粒完全被均一或者大致均一的黏合材料的組成物包圍的狀態。在一實施例中，經包封在黏合材料內的磨料顆粒可被均一組成物完全包圍。更具言之，經包封之磨料顆粒可被基本上不與可辨別的層(例如分層)相關的組成物完全包圍。在一具體實施例中，大部分磨料顆粒可包封在黏合材料807內。在一更具體實施例中，全部磨料顆粒可包封在黏合材料807內。
磨料顆粒群組805和806中的至少一者可包括本文中之實施例之磨料微粒。固定磨料物件800可包括各種類型微粒(包括一或多種類型的磨料顆粒，例如初級和次級類型的磨料顆粒)的組合或摻合物。初級和次級類型可係指固定磨料物件的主體內的磨料顆粒的含量，其中初級類型磨料顆粒以比次級類型磨料顆粒更高的含量存在。在其他例子中，初級和次級類型磨料顆粒之間的區別可基於磨料顆粒在主體內的位置，其中初級磨料顆粒與次級磨料顆粒相比可經定位以進行材料移除的初始階段或進行大部分材料移除。又在其他例子中，初級和次級磨料顆粒之間的區別可與磨料顆粒的磨料性質(例如硬度、脆性、斷裂力學等)有關，其中，與次級類型磨料顆粒相比，初級顆粒的磨料性質通常更強健。可認為是次級類型磨料顆粒的磨料顆粒的一些適合實例包括稀釋劑顆粒、附聚顆粒、未附聚顆粒、天然存在的材料(例如礦物質)、合成材料及其組合。
在某些例子中，固定磨料物件800可在主體801內包括特定含量的磨料顆粒，其可促進適合的材料移除操作。例如，對於主體801的總體積，主體801可包括至少0.5vol%且不大於60vol%的磨料顆粒的含量，諸如至少1vol%且不大於45vol%，或甚至在至少5vol%且不大於40vol%的範圍內。
此外，固定磨料物件800的主體801可包括特定含量的黏合材料807，其可促進固定磨料物件800的適合操作。例如，主體801可包括含量在包括至少0.5vol%且不大於80vol%之範圍內的黏合材料807，諸如在至少0.5vol%且不大於50vol%之範圍內、或甚至在至少1vol%至不大於40vol%之範圍內。
在某些例子中，固定磨料物件可具有主體801，其包括孔隙含量(content of porosity)。孔隙可在主體101的整個體積的至少一部分中延伸，並且在某些例子中，可在主體801的整個體積內實質上均勻地延伸。例如，孔隙可包括封閉孔隙或開放孔隙。封閉孔隙可以是離散孔的形式，其藉由黏合材料及/或磨料顆粒彼此隔離。這種封閉孔隙可以由成孔劑形成。在其他例子中，孔隙可以是開放孔隙，其界定在主體801的三維體積的至少一部分中延伸的互連的通道網絡。應理解的是，主體801可包括封閉孔隙和開放孔隙的組合。
根據一實施例，固定磨料物件可具有主體801，其包括特定量的孔隙，其可促進適合的材料移除操作。例如，主體801可包括孔隙，其在包括至少0.5vol%且不大於80vol%，諸如在至少1vol%且不大於70vol%或甚至在至少5vol%且不大於50vol%之範圍內。
根據另一實施例，應理解，固定磨料物件800可包括主體801，其包括可促進某些研磨操作的某些添加劑。例如，主體801可包括添加劑，例如填料、助磨劑、孔誘導劑、中空材料、催化劑、偶聯劑、固化劑、抗靜電劑、 懸浮劑、抗負載劑、潤滑劑、潤濕劑、染料、黏度改質劑、分散劑、消泡劑及其組合。
主體801可具有直徑883，其可根據期望的材料移除操作而變化。直徑可係指主體的最大直徑，特別是在主體801具有圓錐形或杯形輪廓的情況下。此外，主體801可具有沿著軸向軸線880在上表面802和底表面804之間之側表面803延伸的特定厚度881。主體801可具有適合於預期應用的厚度。根據一實施例，主體801可在直徑883和厚度881之間具有特定關係，界定直徑：厚度的比率，其可適合於某些材料移除操作。例如，主體801可具有直徑：厚度為至少10：1之比率，諸如至少15：1、至少20：1、至少50：1或甚至至少100：1。應理解，主體可具有直徑：厚度不大於10,000：1或不大於1000：1之比率。
固定磨料物件800可包括一或多個可選的加強構件841。在特定例子中，加強構件841可延伸到主體801的整個寬度(例如直徑883)的大部分。然而，在其他例子中，加強構件841可僅延伸到主體801的整個寬度(例如直徑883)的一小部分。根據一實施例，加強構件841可包括諸如織物材料、非織物材料、複合材料、層壓材料、整體材料(monolithic material)、天然材料、合成材料及其組合之材料。更具言之，在某些例子中，加強構件841可包括諸如單晶形材料、多晶形材料、玻化材料、非晶質材料、玻璃(例如玻璃纖維)、陶瓷、金屬、有機材料、無機材料及其組合之材料。在特定例子中，加強構件841可包括玻璃纖維，並且可基本上由玻璃纖維形成。
如進一步所示，主體801可包括界定主體801的三維體積的某些軸和平面。例如，主體801可包括軸向軸線880。如沿軸向軸線880進一步所示，主體801可包括第一軸向平面831，其沿軸向軸線880延伸並且以特定的角度定向(在本文中表示為0°)穿過主體801的特定直徑。主體801可進一步包括與第一軸向平面831不同的第二軸向平面832。第二軸向平面832可沿軸向軸線 880延伸並在一角位置(如在本文實例中表示為30°)穿過主體801的直徑。主體801的第一軸向平面831和第二軸向平面832可界定主體801內的磨料顆粒的特定軸向集合，包括例如軸向平面831內的磨料顆粒891的軸向集合和軸向平面832內的磨料顆粒892的軸向集合。此外，主體801的軸向平面可界定它們之間的扇區，包括例如經界定為主體801內的軸向平面831和832之間的區域的扇區884。扇區可以包括特定的磨料顆粒群組，其可促進經改善的材料移除操作。本文中提及的主體內磨料顆粒部分(包括例如軸向平面內的磨料顆粒)的特徵也將與含在主體的一或多個扇區內的磨料顆粒群組相關。
如進一步所示，主體801可包括第一徑向平面821，其沿軸向軸線880並在一特定軸向位置處沿著實質上平行於上表面802及/或底表面804的平面延伸。主體可進一步包括第二徑向平面822，其可沿軸向軸線880並在一特定軸向位置處以實質上平行于上表面802及/或底表面804的方式延伸。在主體801內，第一徑向平面821和第二徑向平面822可彼此分開，且更具言之，第一徑向平面821和第二徑向平面822可彼此軸向分離。第一徑向平面821和第二徑向平面822可包括一或多個特定的磨料顆粒群組，其包括例如第一徑向平面821的磨料顆粒群組806和第二徑向平面822的磨料顆粒群組805，其可具有相對於彼此的某些特徵，這可促進改善的研磨效能。含在主體801中的磨料顆粒可在磨料物件的體積內具有受控的排置和/或定向。
圖9包括根據一實施例的經塗覆之磨料的一部分的俯視圖。經塗覆之磨料900可包括複數個區域，諸如第一區域910、第二區域920、第三區域930和第四區域940。區域910、920、930和940中的每一個可由通道區域950分開，其中通道區域950界定背襯之沒有顆粒的區域。通道區域950可具有任何尺寸和形狀，並且可以特別用於去除切屑和改善研磨操作。通道區域950可具有長度980(即最長尺寸)和寬度981(即垂直於長度的最短尺寸)，其大於區域910、 920、930及940中的任何區域內的緊鄰的磨料顆粒之間的平均間距。通道區域950是本文中之任何實施例的可選特徵。
如進一步所示，第一區域910可包括磨料微粒911之群組，其可為對於彼此具有大致隨機的旋轉定向的成形磨料顆粒。磨料微粒911之群組可相對於彼此以隨機分布排列，使得關於磨料微粒911的排置沒有可辨別的短距秩序排列或長距秩序排列。應注意的是，磨料微粒911之群組可實質上均一地分布在第一區域910內，使得團塊(二或更多個彼此接觸的顆粒)的形成受到限制。應理解，第一區域910中的磨料微粒911之群組的晶粒重量可基於經塗覆之磨料的預期應用來控制。
第二區域920可包括磨料微粒921之群組，其可包括相對於彼此以受控分布排列的成形磨料顆粒。再者，磨料微粒921之群組可相對於彼此具有規則且受控的旋轉定向。如圖所示，磨料微粒921之群組可具有與藉由經塗覆之磨料901的背襯上相同的旋轉角度所界定的大致上相同之旋轉定向。磨料微粒921之群組可實質上均一地分布在第二區域920內，使得團塊(二或更多個彼此接觸的顆粒)的形成受到限制。應理解，第二區域920中的磨料微粒921之群組的晶粒重量可基於經塗覆之磨料的預期應用來控制。
第三區域930可包括複數個磨料顆粒之群組，其可包括成形磨料顆粒931和次級顆粒932。成形磨料顆粒931和次級顆粒932之群組可相對於彼此以受控分布來排列。再者，成形磨料顆粒931之群組可相對於彼此具有規則且受控的旋轉定向。如圖所示，成形磨料顆粒931之群組通常可在經塗覆之磨料901的背襯上具有二種類型的旋轉定向中的一種。應注意的是，成形磨料顆粒931和次級顆粒932之群組可實質上均一地分布在第三區域930內，使得團塊(二或更多個彼此接觸的顆粒)的形成受到限制。應理解，在第三區域930中 的成形磨料顆粒931和次級顆粒932之群組之晶粒重量可基於經塗覆之磨料的預期應用來控制。
第四區域940可包括磨料微粒，其包括成形磨料顆粒941和次級顆粒942之群組，其相對於彼此具有大致隨機的分布。另外，成形磨料顆粒941之群組可相對於彼此具有隨機的旋轉定向。成形磨料顆粒941和次級顆粒942之群組可相對於彼此以隨機分布排列，使得沒有可辨別的短距秩序排列或長距秩序排列。應注意的是，成形磨料顆粒941和次級顆粒942之群組可實質上均一地分布在第四區域940內，使得團塊(二或更多個彼此接觸的顆粒)的形成受到限制。應理解，在第四區域940中的成形磨料顆粒941和次級顆粒942之群組之晶粒重量可基於經塗覆之磨料的預期應用來控制。
如圖9中所示，經塗覆之磨料物件900可包括不同區域910、920、930和940，根據本文中的實施例，每個區域可包括磨料微粒之不同群組。經塗覆之磨料物件900旨在說明使用本文中之實施例的系統和程序可產生的不同類型的顆粒的分組、排列和分布。該圖示並不意欲限定僅該些顆粒分組，且應理解，經塗覆之磨料物件可經製成包括如圖9中所示的僅一個區域。亦應理解的是，其他經塗覆之磨料物件可包括圖9中所示的一或多個區域的不同組合或排列而製成。
許多不同態樣及實施例係可行的。一些該等態樣及實施例已於本文中描述。在閱讀本說明書之後，熟習本技術者將理解該等態樣及實施例僅係說明性，且並不限制本發明的範圍。實施例可根據如下列實施例之任何一或多者。
實施例
實施例1.一種磨料微粒，其包含主體及內含於主體中之摻雜劑，其中該摻雜劑係非均一地分布於整個該主體，且其中該主體包含至少35%的最大正規化摻雜劑含量差異。
實施例2.一種磨料微粒，其包含主體及內含於主體中之摻雜劑，其中該摻雜劑係非均一地分布於整個該主體且界定該主體中如下列之區域：經富集之區域，其鄰接該主體之外部表面且具有第一摻雜劑含量；經摻雜之區域，其在該主體之中央區域中且不同於該經富集之區域，該經摻雜之區域具有第二摻雜劑含量；以及空乏區域，其介於該經富集之區域與該經摻雜之區域之間，該空乏區域界定大於0.04%/nm之該摻雜劑之正規化含量之降低。
實施例3.如實施例2之磨料微粒，其中該主體包含至少35%的最大正規化摻雜劑含量差異。
實施例4.如實施例1及3中任一項之磨料微粒，其中該最大正規化摻雜劑含量差異係至少36%或至少37%或至少38%或至少40%或至少42%或至少44%或至少46%或至少48%或至少50%或至少52%或至少54%或至少56%或至少58%或至少60%或至少62%或至少64%或至少66%或至少68%或至少70%。
實施例5.如實施例1及3中任一項之磨料微粒，其中該最大正規化摻雜劑含量差異係不大於99%或不大於95%或不大於90%或不大於85%或不大於80%或不大於75%或不大於70%或不大於65%或不大於60%。
實施例6.如實施例1之磨料微粒，其中該摻雜劑係非均一地分布於整個該主體且界定該主體中如下列之區域：經富集之區域，其鄰接該主體之外部表面且具有第一摻雜劑含量； 經摻雜之區域，其在該主體之中央區域中且不同於該經富集之區域，該經摻雜之區域具有第二摻雜劑含量；以及空乏區域，其介於該經富集之區域與該經摻雜之區域之間，該空乏區域界定大於0.04%/nm之該摻雜劑之正規化含量之降低。
實施例7.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中在該空乏區域中的該摻雜劑之正規化含量之降低係至少0.04%/nm或至少0.05%/nm或至少0.06%/nm或至少0.08%/nm或至少0.10%/nm或至少0.22%/nm或至少0.23%/nm或至少0.25%/nm或至少0.26%/nm或至少0.27%/nm或至少0.28%/nm或至少0.29%/nm或至少0.30%/nm。
實施例8.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中在該空乏區域中的該摻雜劑之正規化含量之降低係不大於0.5%/nm或不大於0.48%/nm或不大於0.45%/nm或不大於0.43%/nm或不大於0.40%/nm或不大於0.35%/nm。
實施例9.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中在該空乏區域中的該摻雜劑含量之降低係大於在該經富集之區域或經摻雜之區域中的摻雜劑含量之降低。
實施例10.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中在該空乏區域中的正規化摻雜劑含量之降低係在該經富集之區域中的正規化摻雜劑含量之降低的至少2倍大，或係該經富集之區域中的摻雜劑含量之最大正規化改變的至少3倍大或至少4倍大或至少5倍大。
實施例11.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中在該空乏區域中的正規化摻雜劑含量之降低係在該經摻雜之區域中的正規化摻雜劑含量之降低的至少2倍大，或係該經摻雜之區域中的摻雜劑含量之最大正規化改變的至少3倍大或至少4倍大或至少5倍大。
實施例12.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中相較於該主體之中心點，該空乏區域的起始處係更接近該主體之外部表面。
實施例13.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中，相較於該主體之中心點，該空乏區域的末端處係更接近該主體之外部表面。
實施例14.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中該經富集之區域自該主體之外部表面延伸至該主體中不大於3000nm或不大於2800nm或不大於2500nm或不大於2300nm或不大於2000nm或不大於1800nm或不大於1600nm或不大於1400nm或不大於1200nm或不大於1000nm或不大於900nm或不大於800nm或不大於700nm或不大於600nm。
實施例15.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中該經富集之區域自該主體之外部表面延伸至該主體中至少1nm。
實施例16.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中該第一摻雜劑含量係該主體中摻雜劑之最大含量(Cmax)且該第二摻雜劑含量係該主體中摻雜劑之最小含量(Cmin)。
實施例17.如實施例16之磨料微粒，其中該主體中摻雜劑之最大含量(Cmax)界定位於該經富集之區域及該空乏區域之邊界的該空乏區域之起始。
實施例18.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中該經摻雜之區域在該主體中的延伸長度大於該經富集之區域。
實施例19.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中該經摻雜之區域在該主體中的延伸長度大於該空乏區域。
實施例20.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中該空乏區域在該主體中的延伸長度大於該經摻雜之區域。
實施例21.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中該經富集之區域在該主體中的延伸長度大於該空乏區域。
實施例22.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中該經摻雜之區域在該主體中的延伸長度係至少1000nm或至少1200nm或至少1500nm或至少2000nm或至少3000nm或至少4000nm。
實施例23.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中該經摻雜之區域包含不大於0.04%/nm或不大於0.03%/nm或不大於0.02%/nm或不大於0.01%/nm之該摻雜劑之正規化含量之改變。
實施例24.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中該經摻雜之區域包含至少0.001%/nm或至少0.005%/nm或至少0.008%/nm或至少0.01%/nm之該摻雜劑之正規化含量之改變。
實施例25.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中該經富集之區域包含不大於0.16%/nm或不大於0.15%/nm或不大於0.13%/nm或不大於0.10%/nm或不大於0.080%/nm或不大於0.060%/nm之該摻雜劑之正規化含量之改變。
實施例26.如實施例2及6中任一項之磨料微粒，其中該經富集之區域包含至少0.001%/nm或至少0.005%/nm或至少0.007%/nm之該摻雜劑之正規化含量之改變。
實施例27.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該主體包含氧化物，或其中該主體包含氧化鋁，或其中該主體包含α氧化鋁，或其中該主體包含多晶形α氧化鋁。
實施例28.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該主體基本上由氧化物及該摻雜劑組成。
實施例29.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該主體基本上由α氧化鋁及該摻雜劑組成。
實施例30.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該主體對於該主體的總重量包含至少60wt%的氧化鋁，或至少70wt%或至少80wt%或至少90wt%的氧化鋁。
實施例31.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該主體包含對於該主體的總重量不大於99wt%或不大於98wt%或不大於97wt%或不大於96wt%或不大於95wt%或不大於94wt%或不大於93wt%或不大於92wt%或不大於91wt%或不大於90wt%的氧化鋁。
實施例32.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該主體包括氧化物材料之微晶，且其中該微晶具有不大於100微米或不大於80微米或不大於50微米或不大於30微米或不大於20微米或不大於10微米或不大於1微米或不大於0.9微米或不大於0.8微米或不大於0.7微米或不大於0.6微米之平均晶粒大小。
實施例33.如實施例32之磨料微粒，其中該平均晶粒大小係至少0.01微米或至少約0.05微米。
實施例34.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該磨料顆粒包含不大於5000微米且至少0.1微米之平均顆粒尺寸。
實施例35.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該磨料顆粒包含對於該主體的總體積不大於5vol%或不大於4vol%或不大於3vol%或不大於2vol%或不大於1vol%之孔隙率。
實施例36.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該摻雜劑包括選自由下列所組成之群組之元素：鉿、鋯、鈮、鉭、鉬、釩、鋰、鈉、鉀、 鎂、鈣、鍶、鋇、鈧、釔、鑭、銫、鐠、鉻、鈷、鐵、鍺、錳、鎳、鈦、鋅、鈰、釹、釓、銪、矽、磷或其任何組合。
實施例37.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該摻雜劑包含鎂。
實施例38.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該摻雜劑基本上由鎂或氧化鎂組成。
實施例39.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該主體基本上由α氧化鋁及鎂或氧化鎂之摻雜劑組成。
實施例40.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該摻雜劑係主要位在介於該氧化物之結晶晶粒之間之結晶晶粒邊界。
實施例41.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該主體包含對於該主體的總重量不大於18wt%的摻雜劑，或對於該主體的總重量不大於16wt%或不大於14wt%或不大於12wt%或不大於10wt%或不大於8wt%或不大於6wt%或不大於5wt%或不大於4wt%或不大於3wt%之摻雜劑。
實施例42.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該主體包含對於該主體的總重量至少0.5wt%的摻雜劑，或至少1wt%或至少2wt%或至少3wt%的摻雜劑。
實施例43.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該主體係經爆炸之磨料顆粒。
實施例44.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該主體包含不大於115微米或不大於110微米或不大於105微米或不大於100微米或不大於95微米之平均曲率半徑，且其中該主體包含至少1.8至不大於4.0的範圍內之比長度。
實施例45.如實施例1及2中任一項之磨料微粒，其中該主體係成形磨料顆粒，其具有第一表面、第二表面、和介於該第一表面與第二多邊形形狀組合之間延伸的側表面，形狀包括中心區域和複數個從中心區域延伸之臂(例如，至少三個臂)(例如，星形)、及其組合。
實施例46.一種固定磨料物件，其包括磨料表面，且其中該第一表面具有選自由以下所組成之群組之二維形狀：正多邊形、不規則多邊形、包括弧形或彎曲側邊或部分側邊的不規則多邊形、橢圓體、數字、希臘字母字元、拉丁字母字元、俄文字母字元、漢字字元、具有實施例1及2中任一項之微粒之複雜形狀。
實施例47.如實施例46之固定磨料物件，其中該磨料物件包括經塗覆之磨料、經黏合之磨料、非織物磨料、或其任何組合。
實施例48.如實施例46之固定磨料物件，其中該磨料微粒包括在該固定磨料物件之主體內的受控之排置或定向。
實施例49.如實施例46之固定磨料物件，其進一步包含複數個磨料顆粒，其中該複數個磨料顆粒包括複數個磨料微粒。
實施例50.如實施例49之固定磨料物件，其中該複數個磨料顆粒包括磨料顆粒的摻合物，該摻合物包括由該複數個磨料微粒組成的第一類型和至少一個磨料特徵不同於該第一類型之第二類型，該磨料特徵係選自由下列所組成之群組：平均顆粒尺寸、二維形狀、三維形狀、組成、硬度、韌性、脆性、密度、晶粒大小、聚結狀態、或其任何組合。
實施例51.一種複數個之磨料顆粒，其包括如實施例1及2中任一項之磨料微粒。
實施例52.如實施例51之複數個之磨料微粒，其中該複數個之磨料顆粒包括複數個之磨料微粒。
實施例53.如實施例51之複數個之磨料微粒，其中該磨料顆粒之至少60%係磨料微粒，該等磨料微粒之各者具有摻雜劑，其係非均一地分布於整個該主體或至少70%或至少80%或至少90%或至少95%。
實施例54.一種形成磨料微粒之方法，其包含：將微粒前驅物粉碎；將該微粒前驅物浸漬；以及進行富集程序，並且，相較於連接該主體之中央區域的經摻雜之區域，在該磨料微粒之該主體之經富集區域中選擇性沉積較高濃度之該摻雜劑。
實施例55.如實施例54之方法，其中該富集程序包括控制時間、溫度、摻雜劑含量、摻雜劑濃度、壓力、摻雜劑的相、摻雜劑的黏度或其任何組合中的至少一者。
實施例56.如實施例54之方法，其中該富集程序係在浸漬程序後進行，且包括將該摻雜劑奈米粒子沉積在該經浸漬之微粒前驅物之外部表面上。
實施例57.如實施例54之方法，其中該富集程序包括選自由選擇性沉積、液浸、塗覆、漫漬、混合、加熱、乾燥、冷卻、或其任何組合所組成之群組之至少一種程序。
實施例58.如實施例54之方法，其中該富集程序係與浸漬同時進行。
實施例59.如實施例54之方法，其中該富集程序係在浸漬後進行。
實施例60.如實施例54之方法，其中該主體包含至少35%或至少36%或至少37%或至少38%或至少40%或至少42%或至少44%或至少46%或至少48%或至少50%或至少52%或至少54%或至少56%或至少58%或至少60%或至少62%或至少64%或至少66%或至少68%或至少70%之最大正規化摻雜劑含量差異。
實施例61.如實施例60之方法，其中該最大正規化摻雜劑含量差異係不大於99%或不大於95%或不大於90%或不大於85%或不大於80%或不大於75%或不大於70%或不大於65%或不大於60%。
實施例62.如實施例54之方法，其中該摻雜劑係非均一地分布於整個該主體且界定在該主體中如下列之區域：經富集之區域，其鄰接該主體之外部表面且具有第一摻雜劑含量；經摻雜之區域，其在該主體之中央區域中且不同於該經富集之區域，該經摻雜之區域具有第二摻雜劑含量；以及空乏區域，其介於該經富集之區域與該經摻雜之區域之間，該空乏區域界定大於0.04%/nm之該摻雜劑之正規化含量之降低。
實施例63.如實施例62之方法，其中在該空乏區域中的該摻雜劑之正規化含量之降低係至少0.04%/nm或至少0.05%/nm或至少0.06%/nm或至少0.08%/nm或至少0.10%/nm或至少0.20%/nm或至少0.22%/nm或至少0.23%/nm或至少0.25%/nm或至少0.26%/nm或至少0.27%/nm或至少0.28%/nm或至少0.29%/nm或至少0.30%/nm。
實施例64.如實施例63之方法，其中在該空乏區域中的該摻雜劑之正規化含量之降低係不大於0.5%/nm或不大於0.48%/nm或不大於0.45%/nm或不大於0.43%/nm或不大於0.40%/nm或不大於0.35%/nm。
實施例65.如實施例54之方法，其中在該空乏區域中的摻雜劑含量之改變係大於在該經富集之區域或經摻雜之區域中的摻雜劑含量之改變。
實施例66.如實施例54之方法，其中在該空乏區域中的摻雜劑含量之最大正規化改變係在該經富集之區域中的該摻雜劑含量之最大正規化改變的至少2倍大，或係該經富集之區域中的該摻雜劑含量之最大正規化改變的至少3倍大或至少4倍大或至少5倍大。
實施例67.如實施例54之方法，其中在該空乏區域中的摻雜劑含量之最大正規化改變係在該經摻雜之區域中的該摻雜劑含量之最大正規化改變的至少2倍大，或係該經摻雜之區域中的該摻雜劑含量之最大正規化改變的至少3倍大或至少4倍大或至少5倍大。
實施例68.如實施例54之方法，其中，相較於該主體之中心點，該空乏區域的起始處係較接近該主體之外部表面。
實施例69.如實施例54之方法，其中，相較於該主體之中心點，該空乏區域的末端處係較接近該主體之外部表面。
實施例70.如實施例54之方法，其中該經富集之區域自該主體之外部表面延伸至該主體中不大於3000nm或不大於2800nm或不大於2500nm或不大於2300nm或不大於2000nm或不大於1800nm或不大於1600nm或不大於1400nm或不大於1200nm或不大於1000nm或不大於900nm或不大於800nm或不大於700nm或不大於600nm，或不大於500nm或不大於400nm或不大於350nm或不大於300nm或不大於250nm或不大於200nm或不大於150nm或不大於100nm。
實施例71.如實施例54之方法，其中該經富集之區域自該主體之外部表面延伸至該主體中至少1nm。
實施例72.如實施例54之方法，其中該第一摻雜劑含量係該主體中之摻雜劑最大含量(Cmax)且該第二摻雜劑含量係該主體中之摻雜劑最小含量(Cmin)。
實施例73.如實施例54之方法，其中該經摻雜之區域包含不大於0.04%/nm或不大於0.03%/nm或不大於0.02%/nm或不大於0.01%/nm之該摻雜劑之正規化含量之改變。
實施例74.如實施例54之方法，其中該經摻雜之區域包含至少0.001%/nm或至少0.005%/nm或至少0.008%/nm或至少0.01%/nm之該摻雜劑之正規化含量之改變。
實施例75.如實施例54之方法，其中該經富集之區域包含不大於0.16%/nm或不大於0.15%/nm或不大於0.13%/nm或不大於0.10%/nm或不大於0.080%/nm或不大於0.060%/nm之該摻雜劑之正規化含量之改變。
實施例76.如實施例54之方法，其中該經富集之區域包含至少0.001%/nm或至少0.005%/nm或至少0.007%/nm之該摻雜劑之正規化含量之改變。
實施例77.如實施例54之方法，其中該主體包含氧化物或其中該主體包含氧化鋁或其中該主體包含α氧化鋁或其中該主體包含多晶形α氧化鋁。
實施例78.如實施例77之方法，其中該主體基本上由α氧化鋁及該摻雜劑組成。
實施例79.如實施例54之方法，其中該主體包含下列之至少一者：
a)對於主體的總重量，至少60wt%的氧化鋁且不大於99wt%的氧化鋁；
b)第一相的微晶，其包含氧化物且具有至少0.01微米且不大於100微米之平均晶粒大小；
c)不大於5000微米且至少0.1微米之平均顆粒尺寸；
d)對於該主體的總體積不大於5vol%之孔隙率；
e)摻雜劑包括選自由下列所組成之群組之元素：鉿、鋯、鈮、鉭、鉬、釩、鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鍶、鋇、鈧、釔、鑭、銫、鐠、鉻、鈷、鐵、鍺、錳、鎳、鈦、鋅、鈰、釹、釓、銪、矽、磷或其任何組合。
f)摻雜劑主要位在介於該氧化物之結晶晶粒之間之結晶晶粒邊界；
g)對於主體的總重量，至少0.5wt%且不大於18wt%的摻雜劑；
h)其中該主體係爆炸狀磨料顆粒；
i)不大於115微米之平均曲率半徑；
j)成形磨料顆粒；及
k)其任何組合。
實例1
根據下列程序製作磨料微粒之第一樣本(樣本S1)。爆炸性粉碎、但未燒結的氧化鋁前驅物微粒係根據US 6,083,622的教示所製。
所獲得的原料具有850至1000微米之顆粒尺寸及約0.45cm3/g之孔隙體積。使用BET測量孔隙體積，並用於判定原料粉末的飽和條件。
將量為25g之原料粉末用超飽和六水合硝酸鎂鹽(Mg鹽)水溶液(以該Mg鹽溶液之總量計為67wt%的Mg鹽)噴霧浸漬，以對應於100%孔隙體積。將混合物在95℃下在空氣下乾燥至少8小時，並在800℃下煅燒10分鐘。在浸漬之後，進行進一步的富集程序，其中將1wt%含有膠體氫氧化鎂溶液(來自Nyacol的MagSol)(具有介於150nm至250nm之間的顆粒尺寸)藉由噴霧浸漬於經乾燥和經浸漬之前驅物微粒之外部表面上來沉積。將所獲得的顆粒乾燥並在介於1250至1280℃之間的溫度下燒結。
經由飛行時間二次離子質譜法(TOF-SIMS)對樣本S1的磨料微粒進行粒度分級和分析，以基於如本文中先前所述的最大強度正規化相對於穿透深度來判定摻雜劑濃度，並且亦在圖10和下列表1描繪出。TOF-SIMS測量顆粒中存在的鎂為Mg+，其藉由計算將其轉化為氧化鎂。樣本S1具有大約48%的最大正規化摻雜劑含量差異，且在空乏區域中之摻雜劑之正規化含量之降低約0.28%/nm。以顆粒之總重量計，樣本S1的平均總氧化鎂摻雜含量係約5wt%。
實例2
另一樣本係樣本S2，係使用與實例1中的樣本S1相同的原料來形成。樣本2亦予以富集程序。在富集程序之後，樣本S2在約1250℃的溫度下燒結。以磨料微粒之總重量計，樣本S2的平均總MgO摻雜劑含量係約8wt%。
如圖10和表1中所描繪，樣本S2具有大約62%的最大正規化摻雜劑含量差異，且在空乏區域中之摻雜劑之正規化含量之降低約0.06%/nm。
以磨料微粒之總重量計，樣本S2的平均總MgO摻雜劑含量係約8wt%。
實例3
比較樣本CS1是市售及習知的經Mg鹽浸漬並經燒結之氧化鋁磨料微粒材料(來自3M的Cubitron II)。
將樣本CS1係以與樣本S1和S2相同的進行方式予以TOF-SIMS分析，並且在圖10和表1中描繪出。
樣本CS1具有大約26%的最大正規化Mg摻雜劑含量差異，且摻雜劑之正規化含量之降低約0.01%/nm。
樣本S1、S2和CS1的Cmax和Cmin值的總結及經計算之最大正規化摻雜劑含量差異(△強度)和空乏區域中之摻雜劑之正規化含量之改變(從Cmax至Cmin的下降以%/nm來表示)，可見於下表1中。
Figure 108128168-A0305-02-0055-2
以上公開的主題應被認為是說明性的而非限制性的，並且所附申請專利範圍旨在覆蓋落入本發明的真實範圍內的所有這樣的修改、增強和其他實施例。因此，在法律允許的最大範圍內，本發明的範圍由所附申請專利範圍及其等同物的最寬泛的可允許解釋來確定，並且不應受前述具體實施方式的限製。
本公開之摘要係提供以符合專利法且係在了解其不會用於解釋或限制申請專利範圍之範圍或意義下而呈送。另外，在前述具體實施方式中，出於簡化本公開的目的，各種特徵可組合在一起或在單個實施例中描述。本公開不應被解釋為反映所要求保護的實施例需要比每個申請專利範圍中明確記載的更多特徵的意圖。而是，如以下申請專利範圍所反映的，發明標的物可針對少於任何所公開實施例的所有特徵。因此，以下申請專利範圍被併入具體實施方式中，每個申請專利範圍自身作為定義單獨要求保護的主題。
601:曲線
602:曲線
603:曲線
606:中心點
610:經富集之區域
611:空乏區域
612:經摻雜之區域
621:經富集之區域
622:空乏區域
623:經摻雜之區域
631:區域
632:區域
650:外部表面

Claims (14)

  1. 一種磨料微粒，其包含主體及內含於主體中之摻雜劑，其中該摻雜劑係非均一地分布於整個該主體且界定該主體中如下列之區域：經富集之區域，其鄰接該主體之外部表面且具有第一摻雜劑含量，該經富集之區域向該主體內延伸至少10nm及不大於3000nm的深度，其中該經富集之區域起始自該主體的該外部表面及結束於該主體之最大摻雜劑含量(Cmax)之點；經摻雜之區域，其在該主體之中央區域中且不同於該經富集之區域，該經摻雜之區域具有第二摻雜劑含量；以及空乏區域，其介於該經富集之區域與摻雜之區域之間，該空乏區域起始自Cmax處及界定至少0.04%/nm之該摻雜劑之正規化含量之降低。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磨料微粒，其中該主體包含至少35%的最大正規化摻雜劑含量差異。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項中任一項所述之磨料微粒，其中在該空乏區域中的摻雜劑含量之改變係大於在該經富集之區域或經摻雜之區域中的摻雜劑含量之改變。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項中任一項所述之磨料微粒，其中在該空乏區域中的摻雜劑之正規化含量之降低係在該經摻雜之區域中的正規化摻雜劑含量之降低的至少3倍大。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項中任一項所述之磨料微粒，其中該經富集之區域自該主體之外部表面延伸至該主體中不大於500nm。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項中任一項所述之磨料微粒，其中該經摻雜之區域在該主體中延伸長度大於該經富集之區域。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項中任一項所述之磨料微粒，其中該經摻雜之區域在該主體中延伸長度大於該空乏區域，且在該經摻雜之區域中的該摻雜劑之正規化摻雜劑含量之降低係不大於0.03%/nm。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項中任一項所述之磨料微粒，其中該經摻雜之區域在該主體中延伸至少3000nm之長度。
  9. 如申請專利範圍第1項或第2項中任一項所述之磨料微粒，其中該主體基本上由α氧化鋁及該摻雜劑組成。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之磨料微粒，其中該摻雜劑基本上由鎂或氧化鎂組成。
  11. 如申請專利範圍第1項或第2項中任一項所述之磨料微粒，其中該主體包含以該主體之總重量計至少1wt%的摻雜劑及不大於14wt%的摻雜劑。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之磨料微粒，其中該主體包含以該主體之總重量計至少4wt%的摻雜劑。
  13. 如申請專利範圍第1項或第2項中任一項所述之磨料微粒，其中該主體係爆炸狀磨料顆粒且具有不大於115微米之曲率半徑。
  14. 一種形成磨料微粒之方法，其包含：將微粒前驅物粉碎；將該微粒前驅物浸漬；以及進行富集程序，並且，相較於連接該主體之中央區域的經摻雜之區域，在該磨料微粒之該主體之經富集區域中選擇性沉積較高濃度之該摻雜劑，且其中該主體包含至少35%的最大正規化摻雜劑含量差異。
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