CN102046751B

CN102046751B - 高孔隙率磨料物品及其制造方法

Info

Publication number: CN102046751B
Application number: CN2009801201382A
Authority: CN
Inventors: R·乌帕德亚雅; R·W·霍尔
Original assignee: Saint Gobain Abrasifs SA; Saint Gobain Abrasives Inc
Current assignee: Saint Gobain Abrasifs SA; Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-02-17
Also published as: WO2009128982A2; JP5274647B2; US20090264050A1; JP2011519732A; EP2276820A4; US8986407B2; CN102046751A; WO2009128982A3; EP2276820A2; US20150174735A1

Abstract

一种磨料物品包括一个聚合物基体以及分散在该聚合物基体中的磨料颗粒，其中该磨料物品具有的空隙体积为至少50％。该聚合物基体是从一种包括至少一个双键的单体聚合的。

Description

高孔隙率磨料物品及其制造方法

技术领域

本披露总体上涉及高孔隙率磨料物品以及用于制造此类高孔隙率磨料物品的方法。

背景技术

在不同的工业中使用磨料物品通过如精研、研磨、或者抛光机来加工工件。使用的磨料物品的机加工横跨从光学产业、汽车车身维修业到半导体制造业的一个宽的工业范围。在这些实例的每一个中，使用磨料来去除大块材料或影响产品或工件的表面特征。

在一个具体事例中，半导体产业使用磨料物品以从半导体晶片的背面去大块材料，被称为背面研磨。背面研磨经常包括多个机加工步骤，包括进行大块材料去除的粗研磨、随后一个或多个细研磨步骤以减少表面下的损害，并且提供可以在例如50至500埃范围内的一个光滑表面精加工。据信这种处理产生了在半导体晶片的正面上印刷的电路的基片更加一致的电特性。此外，随着依靠通过晶片电连接的形成的技术来到，背面平坦化、大块材料去除、以及表面质量正变得日益重要。

然而，值得注意地该半导体晶片的背面的大块材料去除率和表面质量是不仅取决于该磨料物品的砂砾尺寸，还取决于该磨料物品的结构。具体地讲，捕集了移动的磨料颗粒和在磨料物品与晶片之间的切屑的磨料物品经常引起在该晶片的表面上的刮痕。这样，研磨之后该晶圆的背面上的表面质量是差的，它可以影响这些晶片的电性能以及在其正面上形成的电路。

这样，一种改进的磨料物品将是令人希望的。

发明的披露

在一个具体的实施方案，一种磨料物品包括一个聚合物基体以及分散的在该聚合物基体中的磨料颗粒。该聚合物基体是从一种包括至少一个双键的单体聚合的。该磨料物品具有的空隙体积为至少50％，如至少65％。在一个具体的实例中，这些磨料颗粒具有的平均粒径为0.1μm至100μm，如0.1μm至10μm。在另一个具体的实例中，这些磨料颗粒是选自下组，其构成为：硅石、氧化铝、氧化锆、氧化锆/氧化铝氧化物、碳化硅、石榴石、金刚石、立方氮化硼、氮化硅、二氧化铈、二氧化钛、二硼化钛、碳化硼、氧化锡、碳化钨、碳化钛、氧化铁、氧化铬、燧石、以及金刚砂。例如，这些磨料颗粒可以是选自下组的超级磨料颗粒，该组的构成为：立方氮化硼、硬质含碳材料以及它们的一种混合物。在一个另外的实例中，这些磨料颗粒具有的莫氏硬度为至少8。在一个具体的实例中，该磨料物品包括大于10wt％的这些磨料颗粒。在另一个具体的实例中，该磨料物品包括2vol％至30vol％的这些磨料颗粒。在一个示例性的情况中，该聚合物基体包括由选自下组的一种单体形成的一种聚合物，该组的构成为：乙烯基、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、共轭二烯、丙二烯、以及烯烃卤化物单体类。在另一个实例中，该聚合物基体具有一种开放的孔结构，如具有一个孔和喉管构型的一种开放的孔结构。此外，该磨料物品可以具有的表面积为至少2.0m²/g，如至少3.0m²/g。

在另一个示例性实施方案中，形成磨料物品的一种方法包括将聚合物前体和磨料颗粒相结合以形成一种第一液体组分，从该第一液体组分与一种第二液体组分形成一种乳液，并且固化该第一液体组分的聚合物前体。该第二液体组分与该第一液体组分基本上不互溶。该聚合物前体包括一种单体，该单体包括至少一个双键。在一个实例中，将这些聚合物前体与这些磨料颗粒进行结合包括将一种乳化剂与这些聚合物前体以及这些磨料颗粒相结合。在一个附加的实例中，将这些聚合物前体和这些磨料颗粒相结合包括结合了一种稳定剂。在一个具体的实例中，固化包括将该乳液暴露在光化学辐射或热能量中。在另一个具体的实例中，形成该乳液包括用至少65vol％的该第二液体组分形成该乳液。在一个附加的实例中，该方法进一步包括用一种偶联剂处理这些磨料颗粒。在一个具体实例中，该偶联剂是疏水的。在一个另外的具体的实例中，这些聚合物前体是可热固化的。在另一个具体的实例中，这些聚合物前体是通过自由基聚合可聚合的。具体地将，该第一液体组分可以是疏水的。在一个实例中，将这些聚合物前体与这些磨料颗粒相结合包括结合了至少10wt％的这些磨料颗粒。在一个另外的实例中，这些磨料颗粒具有的平均粒径为0.5μm至6μm。

在一个附加的示例性实施方案中，抛光物品的一种方法包括将一种磨料物品施加到该物品的表面上并且研磨该物品的表面。该磨料物品包括一个聚合物基体以及分散在该聚合物基体中的磨料颗粒。该聚合物基体是从一种包括至少一个双键的单体聚合的。该磨料物品具有的空隙体积为至少50vol％，如至少65vol％。在一个实例中，该磨料物品包括大于10wt％的这些磨料颗粒。

附图简要说明

通过参见附图可以更好地理解本披露，并且使其许多特征和优点对于本领域的普通技术人员变得清楚。

图1包括呈现了一个孔和喉管构型的一种开放的孔结构的图。

图2和图3包括展示多个样品的磨损率的图示。

在不同的图中使用相同的参考符号表示相似的或相同的事项。

优选实施方案的说明

在一个具体的实施方案，一种磨料物品包括一个聚合物基体以及分散在在该聚合物基体内的磨料颗粒。该磨料物品具有的空隙体积为至少50vol％。在一个具体的实例中，该磨料物品具有一种开放的孔结构，在该结构中该空隙空间呈现一个孔和喉管构型。在一个实例中，这些磨料颗粒具有的平均粒径为至少0.5μm。在一个另外的实例中，这些磨料颗粒可以具有的莫氏硬度为至少8并且可以包括超级磨料颗粒。

在一个另外的示例性实施方案中，该磨料物品可以使用中至高界面的聚合物乳液来形成。例如，一种乳液可以是由一个第一液体组分和一个第二液体组分形成的，该第二液体组分是与该第一液体组分不互溶的。在此实施方案中，该第一液体组分围绕该不连续的第二液体组分形成了一种连续相。在一个实例中，该第一液体组分包括聚合物前体以及磨料颗粒。一旦该乳液形成了，则衍生自该第一液体组分的聚合物前体的一种共聚物进一步进行聚合(如通过辐射固化或热固化)以形成的一种聚合物基体，其中磨料颗粒分散在该基体中。在一个实例中，这些聚合物前体通过自由基机理是可固化的。取决于相对于该第二液体组分使用的第一液体组分的量，从这些聚合物前体的聚合反应生成的聚合物基体形成了呈现一个孔和喉管构型的一种开放的孔结构。

在一个另外的示例性实施方案中，该磨料物品被用于研磨工件的一个表面。此处，该磨料物品是由一种聚合物基体形成的并且磨料颗粒是被分散在该聚合物基体内的。该磨料物品具有的空隙体积为至少50vol％。使该磨料物品与一个工件的表面相接触，并且该工件和该磨料物品中的至少一个表面是相对于另一个移动的。此外，可以将冷却液施加给该磨料物品的表面并且它可以在该磨料物品与该工件之间流动。可以使该冷却液展开穿过该磨料物品流动或者切屑可以通过该磨料物品抽出。

在一个示例性实施方案中该第一和第二液体组分是在彼此中不互溶的在一个实例中，该第一液体组分是疏水的，而该第二液体组分是亲水的或者是由基于水的溶液形成的。可替代地，该第一液体组分可以是包括亲水性聚合物组分的一种基于水的溶液，而该第二液体组分是一种基于油的疏水组分。可替代地，该第一和第二液体组分两者可以是形成了基本上不互溶的相的基于油的组分。在上述这些实例中，该第一液体组分形成该乳液的一个连续相并且该第一液体组分包括聚合形成该固体聚合物基体的这些聚合物前体。

当形成该乳液时，该第一液体组分可以以按体积计3％至50％，如按体积计不大于约50％的量值存在。例如，该第一液体组分可以以不大于约40vol％、如不大于35vol％、不大于约30vol％、或者甚至不大于25vol％的量值存在。在另一方面，该第二液体组分可以以50vol％至98vol％、如至少50vol％、至少60vol％、至少65vol％、至少70vol％、至少75vol％或更大的量值存在。

在一个实施方案中，该第一液体组分包含聚合物前体以及磨料颗粒。此外，该第一液体组分可以包括添加剂，如催化剂类，交联剂类、乳化剂类、乳液稳定剂类、偶联剂类、或它们的一个组合。

该聚合物前体可以是一种单体或者可以是一种预聚合物。例如，该聚合物前体可以包括多种单体，这些单体可以聚合以形成一种均聚物或一种共聚物。在另一个实例中，该聚合物前体包括多种聚合物组分，如预聚合物类，这些聚合物组分包括可以进一步反应以形成一种聚合物基体的多个功能基团。在一个实例中，此类功能基团相互反应或者与扩链剂类或交联剂类反应。在一个具体的实例中，该聚合物前体包括一种单体，该单体包括至少一个双键。

在一个实例中，该聚合物前体通过一种自由基聚合法聚合。在另一个实例中，该聚合物前体通过一种阳离子聚合法聚合。此外，取决于该聚合物的体系以及用来引发该聚合反应的催化体系，该聚合物前体可以使用光化学辐射或热处理来聚合。

具体地讲，该聚合物前体和其他的添加剂的性质取决于该第一液体组分是一种疏水的还是亲水的组分。在其中该第一液体组分形成了一种疏水相的情况下，这些聚合物前体通常是疏水的并且在水相中呈现低溶解度。

在一种疏水的第一液体组分中有用的聚合物前体的一个实例包括具有可聚合的乙烯基的一种单体，诸如单链烯基芳烃单体类，例如α-甲基苯乙烯、氯甲基苯乙烯、乙烯基乙苯、或乙烯基甲苯；一种丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，例如2-乙基己基丙烯酸酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、或丙烯酸叔丁酯、丙烯酸己酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸月桂酯、或甲基丙烯酸异癸酯；一种共轭二烯，如丁二烯、异戊二烯、或戊间二烯；丙二烯类，例如丙二烯、甲基丙二烯、或氯代丙二烯；一种烯烃卤化物，例如氯乙烯、氟乙烯、或多氟-烯烃；或它们的一种组合。在一个具体实例中，该聚合物前体是苯乙烯。在任何情况下，该聚合物前体具有低的水溶解度，并且更优选地是在水中不可溶的。可任选地，该第一液体组分可以包括两种或多种聚合物前体，这些单体可以例如是选自以上单体的列表并且可以随着该聚合反应形成一种共聚物。

除这些聚合物前体之外，一种疏水第一液体组分可以包括一种交联剂。一种示例性的交联剂包括能够与该聚合物前体反应的一种多功能的不饱和的单体。此类交联剂可以包括至少两个功能基团，如乙烯基基团、丙烯酸酯基团或甲基丙烯酸酯基团。该交联剂可以包括例如双功能的不饱和的交联单体类，如二乙烯基苯、二甲基丙烯酸二乙二醇酯、1-3-丁二醇二甲基丙烯酸酯、或甲基丙烯酸烯丙酯；或三、四或五功能的不饱和的交联单体类，如三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、季戊四醇四甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、葡萄糖五丙烯酸酯、葡萄糖二乙基缩硫醛五丙烯酸酯、或山梨聚糖三丙烯酸酯；多功能不饱和的交联单体类，如聚丙烯酸酯类(例如，蔗糖过(甲基)丙烯酸酯或纤维素(甲基)丙烯酸酯)；或它们的一种组合。在一个具体的实例中，该交联剂包括二乙烯基苯。在另一个实例中，该交联剂包括1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯。此外，交联剂对于该聚合物前体的相对量可以是基于聚合物前体的量在约0.5wt％至约70wt％的范围内、如在约2wt％至约40wt％的范围内、或者甚至在约5wt％至约20wt％的范围内。此外，一种疏水第一液体组分可以包括一种乳化剂。

此外，该疏水第一液体组分可以包括一种乳液稳定剂。一种示例性的稳定剂包括在一种油相中可溶的表面活性剂，如疏水的第一液体组分。此类表面活性剂的适合性可以根据一种表面活性剂的亲水亲油平衡值(HLB值)来确定。典型地，适合的表面活性剂在内相(例如一种油包水乳剂的水相)中具有有限的溶解度以适当地稳定一种高级内相乳液并防止相转化自然发生。在一个具体的实例中，该表面活性剂具有的HLB值在从2至6的范围内，如约4。该表面活性剂可以是非离子的、阳离子的、阴离子的、或两性的。表面活性剂的一个实例可以包括一种山梨醇脂肪酸酯、一种聚甘油脂肪酸酯、或一种聚氧乙烯脂肪酸或酯、或一种它们的一种组合。山梨醇脂肪酸酯的一个实例包括脱水山梨醇单月桂酸酯(作为

20可获得)、脱水山梨醇单油酸酯(

80)、脱水山梨醇单油酸酯(

80)与脱水山梨醇三油酸酯(

85)的多种组合、或它们的一种组合。另一种适合的表面活性剂包括“

20”，它是从可获得的一种聚甘油酯，或“EMSORB^TM 252”，它是从可获得的一种脱水山梨醇倍半油酸酯。

在一个实例中，该表面活性剂是在该乳液中以基于存在的聚合物前体的量的约1wt％至约50wt％的范围内、如约5wt％至约40wt％的范围内、约15wt％至约40wt％的范围内、约20wt％至约35wt％的范围内、或者甚至约25wt％至约33wt％的范围内的量存在的。

此外，该第一液体组分可以包括一种催化剂或引发剂。取决于该聚合物前体的反应的性质，该催化剂可以是一种自由基引发剂或可以是一种阳离子的催化剂。此外，该催化剂可以是通过辐射活化了的或者可以是通过热处理活化了的。

该聚合反应的引发可以通过简单加热包括一种可聚合的单体组合物的乳液或者通过用UV辐射或其他电磁的或光化学辐射来完成。在一个实例中，该聚合反应的引发包括加热该乳液以形成一种聚合引发剂类，例如一种自由基引发剂(来自该乳液中存在的一种引发剂前体)。油可溶性引发剂的一个实例包括一种偶氮化物，如偶氮二异丁腈；一种过氧化物如苯甲酰基过氧化物、甲基乙基酮过氧化物、烷基过氧碳酸酯，如二-2-乙基己基过氧二碳酸酯，或二(仲丁基)过氧二碳酸酯、或烷基过氧碳酸酯，如叔丁基过氧化异丁酸酯、2，5-二甲基-2，5-二(2，3-乙基己酰基过氧)己烷、或叔丁基过氧辛酸酯；或它们的一种组合。一种示例性的烷基过氧碳酸酯是在1-位置处分支的并且一种示例性的烷基过氧羧酸酯是在α-位置或1-位置处分支的。

根据一个实施方案，尽管这些聚合物前体是在该疏水的第一液体组分中，但一种引发剂前体在该疏水相(例如，油)与该水相两者中存在或单独在水相中存在可以是希望的以确保该聚合反应的更加快速的完成。这样，引发剂前体的一个实例包括油可溶性引发剂前体以及水溶性引发剂前体。水溶性引发剂的一个实例可以包括一种过硫酸盐，如过硫酸钾或过硫酸钠，一个氧化还原偶联剂引发剂体系，例如过硫酸铵连同焦亚硫酸钠，或它们的一种组合。具体地讲，该引发剂前体包括过硫酸钾、AIBN(偶氮二异丁腈)、或包括例如过硫酸铵和焦亚硫酸钠的一种氧化还原偶联引发剂体系中的一种或多种。该引发剂前体可以形成油相(例如AIBN)或水相(例如过硫酸钾或一种水性氧化还原偶联体系)或两者(例如AIBN在该油相中并且过硫酸钾在该水相中)的部分。

在其他方面，该第一液体组分可以是亲水的或者可以是在一种水溶液中形成的。一个示例性的聚合物前体包括亲水的功能基团。例如，用于在一种亲水的或水性第一液体组分中使用的一种聚合物组分包括具有不饱和的磺酸基团(例如，丙烯酰基酰氨基甲基丙烷磺酸、烯丙基磺酸、或它们的一种组合)的乙烯基单体。具有一种不饱和的氨基基团的示例性的乙烯基单体是二甲基氨乙基甲基丙烯酸酯。具有不饱和的羧基基团的一种示例性的乙烯基单体包括，例如，丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、或富马酸，并且适合的具有不饱和的羧酸酯基团的乙烯基单体实例包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、羟乙基甲基丙烯酸酯、二乙基氨乙基甲基丙烯酸酯、羟乙基丙烯酸酯、二乙基氨乙基丙烯酸酯、苹果酸酯、富马酸酯、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、苯氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯，或它们的一种组合。

该聚合物前体还可以包括一种不饱和的羧酸的溶于水的盐。例如，一种溶于水的盐可以包括碱金属盐、碱土金属盐、或丙烯酸的铵盐、甲基丙烯酸、丙烯酸的甲基丙烯酸，或它们的一种组合。适合的亲水的单体的另一实例包括乙烯基吡啶类、乙烯吡咯烷酮类、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-甲基甲基丙烯酰胺、N-丙烯酰吗啉、N-乙烯基-N-甲基乙酰胺、其衍生物、或它们的一种组合。

在一个具体的实例中，该第一液体组分包括处于该乳液的约0.5wt％至约30wt％的范围，如约5wt％至约20wt％的范围内的量值的聚合物前体。在一个实例中，这些聚合物前体包括具有至少一个双键和一个亲水的功能基团的一种单体。

此外，一种亲水的第一液体组分可以包括一种交联剂。总体上，该交联剂可以是选自多种多样的多官能单体，这些单体是亲水的或者至少部分可溶于该乳液的单体组分中。对于部分可溶于该单体组分中的一种交联剂，当该混合物被允许分成两个相时溶解在亲水的单体和不连续的油相的一种50∶50混合物中的交联剂的至少约50％分成该亲水的单体相。

一个示例性的交联剂包括：一种聚烯丙基化合物，如N，N′-二烯丙基丙烯酰胺、二烯丙基胺、二烯丙基甲基丙烯酰胺、二烯丙基胺二烯丙基甲基丙烯酰胺、邻苯二甲酸二烯丙酯、二烯丙基苹果酸酯、二烯丙基磷酸酯、二烯丙基对苯二酸酯、N，N′-二烯丙基酒石二酰胺、柠檬酸三烯丙酯、氰尿酸三烯丙酯、或三烯丙基磷酸酯；一种聚乙烯基化合物，例如二乙烯基苯、二乙烯基砜、乙二醇二乙烯基醚(例如，二乙二醇二乙烯基醚)、N，N′-亚甲基-双-丙烯酰胺、哌嗪二丙烯酰胺、N，N′-二羟基-亚乙基-双-丙烯酰胺、乙二醇丙烯酸酯(例如，乙二醇二、三、或四丙烯酸酯)、乙二醇甲基丙烯酸酯(例如乙二醇二、三、或四甲基丙烯酸酯)、或丙三醇三甲基丙烯酸酯；一种羟基乙烯基化合物，如丙烯酸羟乙基酯、或甲基丙烯酸2-羟基乙酯；产生多价(polyhydric)离子(如钙、镁、锌、或铝)的一种无机盐或有机金属盐；或它们的一种组合。N，N′-双-丙烯酰基胱胺以及类似物也适合于在生产亲水性聚合物中使用。一种单交联剂类型或多种类型一种混合物可以使用在该乳液中。具体地讲，该交联剂可以是N，N′-亚甲基-双-丙烯酰胺、二乙烯基砜、二乙二醇二乙烯基醚、二丙烯酸乙二醇酯、或它们的一种组合。

在一个实例中，该第一液体组分包括处于该乳液的约0.005wt％至约30wt％的范围，如约1wt％至约10wt％的范围内的量的交联剂。

此外，该亲水的第一液体组分可以包括一种乳化剂。一个示例性的乳化剂包括一种疏水的环状首基团和一个亲水的尾基团。一个示例性的疏水的环状首基团可以包括在约3至约7个之间的碳原子并且对该首基团进行选择以在分子的疏水端处提供足够的刚度以就减少乳液反转的趋势(即，不连续的油相到变成连续相的趋势)。例如，该首基团可以是具有多个疏水基团(例如像烷基、环烃基团、或芳族基团、或它们的一种组合)的一种环状基团。优选地，该首基团不包括亲水基团(例如，包括氧、氮、以及硫的离子基团)。具体地将，该首基团由碳以及氢原子构成。

乳化剂的一个实例包括糖脂肪酸酯，如二硬脂酸酯、烷芳基聚醚醇、或它们的一种组合。在一个另外的实例中，适合于在生产这些亲水聚合物中使用的一种烷芳基聚醚醇的制备具有每个醚侧链约14或更多平均数目的的氧化乙烯单元。示例性的乳化剂是在商业名称Triton^TM X下出售的。

在一个实例中，该第一液体组分包括处于该乳液的约1wt％至约30wt％的范围，如约1wt％至约20wt％的范围、或者甚至约1wt％至约5wt％的范围内的量的一种乳化剂。

此外，该第一液体组分可以包括一种稳定剂。该稳定剂可以是一种形成膜的化合物，它在亲水单体相中是可溶的并且它是足够疏水的以使具有该乳液的不连续的油相的界面稳定。适合的稳定剂通过缠结相对强的聚合物链通过形成一个连续的膜来作用。就这点而言有用的稳定剂包括在该乳液的亲水单体相与该或这些油相之间的界面的聚合物膜形成物。一种示例性的稳定剂可以包括一种纤维素衍生物的聚合物、聚丙烯酸脂(例如，聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸)、聚亚烷基二醇(例如，聚乙二醇)、部分水解的聚乙烯醇(例如，小于约70％-80％水解的PVA)、另外的多元醇、瓜尔胶、琼脂胶、或者它们的一种组合。同样适合于用作稳定剂使用的是烯键不饱和的单体(如，马来酸聚丁二烯、马来酸聚乙烯、马来酸聚α-烯烃、或它们的一种组合)的共聚物。例如，纤维素衍生物包括甲基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、其他的纤维素醚类、纤维素酯类，如纤维素乙酸酯、纤维素丁酸酯、或纤维素乙酸酯丁酸酯、或它们的一种组合。具体地讲，该稳定剂可以是甲基纤维素、羟乙基纤维素、PVA、或者它们的一种组合。具体地讲，该第一液体组分可以包括处于该乳液的约0.001wt％至约2wt％的范围，如约0.001wt％至约1wt％的范围，或者甚至该乳液的约0.001wt％至约0.7wt％的范围内的量一种稳定剂。

除该聚合物前体之外，该第一液体组分可以包括磨料颗粒。示例性的磨料颗粒可以包括一种金属或半金属氧化物、氮化物、或者碳化物。可替代地，这些磨料颗粒可以包括一种无机含碳颗粒，如金刚石。磨料颗粒的实例包括硅石，氧化铝(熔融的或烧结的)、氧化锆、氧化锆/氧化铝氧化物、碳化硅、石榴石、金刚石、立方氮化硼、氮化硅、二氧化铈、二氧化钛、二硼化钛、碳化硼、氧化锡、碳化钨、碳化钛、氧化铁、氧化铬、燧石、以及金刚砂、或者它们的一种组合。例如，这些磨料颗粒可以是选自下组，其构成为：硅石，氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、氮化硼、石榴石、金刚石、共融合的氧化铝氧化锆、二氧化铈、二硼化钛、碳化硼、燧石、金刚砂、氮化铝、硬质含碳材料、或者它们的一种共混物。具体的多个实施方案通过使用主要由α-氧化铝组成的致密的磨料颗粒产生。在一个具体的实例中，这些磨料颗粒具有的莫氏硬度为至少8，如至少8.5，或者甚至至少9。在一个实例中，这些磨料颗粒是碳化硅。在一个另外的实例中，这些磨料颗粒可以是选自超级磨料颗粒，如硬质含碳材料、立方氮化硼、或者它们的任一组合。例如，硬质含碳材料包括金刚石、聚集的金刚石纳米棒、或它们的任一组合。在一个具体的实施方案中，这些磨料颗粒包括金刚石。这些磨料颗粒还可以具有一种特殊的形状这种形状的一个实例包括杆形、三角形、棱锥形、圆锥形、实心球、空心球等。可替代地，这些磨料颗粒可以是不规则成形的。在一个具体的实例中，该磨料颗粒具有多个尖锐的边缘或者破裂以形成多个尖锐的边缘。

总体上，这些磨料颗粒具有的平均粒径在约0.1μm至约100μm的范围内。例如，这些磨料颗粒可以具有的平均粒径在约0.1μm至约10μm，如约0.1μm至约6μm，约0.5μm至约6μm，或者甚至约0.1μm至约3μm的范围内。此外，这些磨料颗粒可以具有的平均粒径大于500nm，如至少约1μm。此外，这些磨料颗粒可以具有的平均粒径不大于约6μm，如不大于约3μm。

该第一液体组分可以包括处于以下一个量值的磨料颗粒，该量值产生了一种磨料物品，该磨料物品包括基于该磨料物品的总体积的在约2vol％至约30vol％的范围内的磨料颗粒。例如，该生成的磨料物品可以包括处于基于该磨料物品的总体积的4vol％至26vol％，如10vol％至25vol％的量值的磨料颗粒。在一个实例中，该第一液体组分包括在约5vol％至约80vol％的范围，如约10vol％至约75vol％的范围、或者甚至约20vol％至约60vol％的范围内的磨料颗粒。在一个具体的实例中，该第一液体组分包括在形成该最终磨料物品的按重量计至少约10％的量值的磨料颗粒。例如，该最终磨料物品可以包括按重量计大于10％的磨料颗粒，如按重量计至少约15％的磨料颗粒或者甚至按重量计高至约20％或者更高的磨料颗粒。

此外，该第一液体组分可以包括一种更增强填充剂。一种示例性的增强填充剂包括硅石、氧化锌、二氧化钛、氧化铝、氧化锆、氧化钒、氧化铬、氧化铁、氧化锑、氧化锡、其他胶体金属氧化物、或它们的一种组合。该增强填充剂可以以基于该磨料物品的总重量的不大于约10wt％、如不大于约5wt％的量值被包括。在一个具体的实例中，该增强填充剂具有的平均粒径在25nm至500nm，如不大于约0.5μm，不大于约300nm的范围内，并且具体地在约30nm至约250nm的范围内。

这些磨料颗粒或该可任选的增强填充剂可以用一种表面处理或偶联剂进行处理以有助于分散在该第一液体组分内。例如，一种偶联剂或者表面剂可以包括在该第一液体组分中以有助于这些磨料颗粒分散在那种液体组分内的。此外，该偶联剂或表面积可以与该聚合物前体进行反应以将这些磨料颗粒粘合在由该第一液体组分形成的聚合物基体内。该偶联剂的性质取决于该磨料颗粒的性质以及该第一液体组分和聚合物前体的性质。当这些聚合物组分包括多种疏水的组分时，该偶联剂可以包括与这些聚合物前体相容或是反应性的一个疏水端。可替代地，当这些聚合物组分是亲水的时，该偶联剂可以包括极性的并且亲水的功能基团。例如，该聚合物前体反应性基团可以包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、羟基硅烷、氢硅烷、环氧树脂、或乙烯基基团、或它们的一种组合。此外，该偶联剂可以包括被配置成与这些磨料颗粒的功能基团反应的多个功能基团。具体的金属氧化物倾向于包括可以与功能基团(如羧酸、膦酸、磺酸、或它们的一种组合)反应的氢氧化物表面基团。可替代地，该磨料颗粒可以包括一种无机含碳化合物，如金刚石。该偶联剂可以包括被配置成与这些金刚石颗粒的表面界面相互作用的一种官能基团并且它可以粘合至这些金刚石颗粒的表面上。

一种示例性的偶联剂包括能够与一种反应性的单体聚合的一种硅烷处理剂。硅烷处理剂的一个实例剂包括γ-甲基丙烯酰基氧基丙基三甲氧基硅烷或γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷。用来改性这些磨料颗粒的极性或疏水性的附加的表面试剂包括，例如，异辛基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、正十八烷基三甲氧基硅烷、3-氰基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、或它们的任一组合。

一种亲水的、非反应性的表面处理剂包括2-[2-(2-甲氧基)乙氧基]乙氧基乙酸(MEEAA)、单(聚乙二醇)琥珀酸酯、单(聚乙二醇)马来酸酯、或它们的一种组合。适合于表面处理的亲水的并且反应的酸的一个实例包括2-羟甲基-2-[(N-甲基丙烯酰基氧乙基)氨甲酰甲基]丙酸(PAMA)、单(丙烯酰氧基聚乙二醇)琥珀酸酯、单(丙烯酰氧基聚乙二醇)马来酸酯、或它们的一种组合。另一种适合的反应性酸包括2，2-二[(N-甲基丙烯酰氧基乙基)氨甲酰甲基]丙酸(PDMA)、丙烯酸、甲基丙烯酸、β羧乙基丙烯酸酯、单-2-(甲基丙烯酰氧基)乙基琥珀酸酯、或单-2-(甲基丙烯酰氧基)乙基马来酸酯。对于表面处理有用的另一种酸混合物可以包括脂肪族羧酸，例如像油酸、硬脂酸、或辛酸；芳香族非反应性的酸类，例如像甲氧基苯基乙酸或3，4，5三乙氧基苯甲酸、衣康酸、甲苯磺酸、乙二醇甲基丙烯酸酯磷酸酯；它们的盐类；或它们的共混物。

取决于该第一液体组分的性质，该第二液体组分是与该第一液体组分不互溶的并且可以是疏水的或者亲水的。例如，当该第一液体组分是亲水的时，该第二液体组分可以是疏水的。一种示例性的疏水第二液体组分包括基于油的液体，如直连或支链的烷烃类，例如，己烷、辛烷、癸烷、十二烷、或者它们的一种混合物；长链脂肪酸类；芳香族烃类，如苯、甲苯、二甲苯、或它们的一种组合；醚类，例如，二乙醚；酯类，例如乙酸乙酯；硅油类；或它们的一种组合。此外，该第二液体组分可以包括一种乳化剂或一种稳定剂。

可替代地，当该第一液体组分是疏水的时，该第二液体组分可以是一种基于水的溶液或可以是一种有机组分，如一种极性有机组分，它是与该第一液体组分不互溶的。例如，该第二液体组分可以是一种水溶液，例如一种盐水溶液；一种短链醇，例如，乙醇、丁醇、甲醇、异丙醇、丙醇、或它们的一种组合；丙三醇；或它们的一种混合物。此外，该第二液体组分可以包括一种乳化剂或一种稳定剂。

具体地讲，该第二液体组分可以是基于介电常数选择的。例如，当该第一液体组分是亲水的时，该第二液体组分可以具有小于15的介电常数并且当该第一液体组分是疏水的时，该第二液体组分可以具有大于15的介电常数。

此外，该第二液体组分可以包括一种增稠剂。取决于该第一液体组分的性质，该增稠剂可以是一种基于纤维素的增稠剂、一种蛋白基增稠剂、一种无机增稠剂、或它们的一种组合。

在一个具体的实施方案中，这些磨料物品是通过将聚合物前体和磨料颗粒混合以形成该第一液体组分来制备的。此外，可以将催化剂或引发剂、交联剂类、偶联剂类、乳化剂类、或稳定剂类加入该第一液体组分中。该第一液体组分用与该第一液体组分不互溶的第二液体组分进行乳化。该第二液体组分还可以包括乳化剂类或稳定剂类。将该乳液进行处理以有助于这些聚合物前体的聚合反应。例如，可以将这些聚合物前体通过暴露于辐射中或者通过热处理固化。在固化时，将该第二液体组分去除。典型地，具有分散的磨料颗粒的所生成的聚合物基体具有呈现一个孔和喉管构型的一种开放的孔结构。例如，图1包括呈现了一个孔和喉管构型的一种开放的孔结构的图。具体地讲，该开放的孔结构包括多个连通孔。当该第二液体组分的这些液滴非常靠近地定位时，形成了该孔和喉管构型。该聚合物基体在这些第二液体组分液滴非常靠近的区域中形成喉管。

在一个具体的实例中，该物品的空隙体积是在50vol％至98vol％，如至少约50vol％的范围内。例如，该磨料物品的空隙体积可以为至少约60vol％，如至少约65vol％，至少约70vol％，或者甚至高达75vol％或者更高。该空隙体积总体上是不大于98vol％，如不大于96vol％。聚合物基体与分散在其中的这些磨料颗粒形成了按体积计不大于50％的磨料物品，如不大于40％、不大于35％、不大于30％或者甚至小至25％或者更小的磨料物品。

此外，该磨料物品具有的比表面积为至少2.0m²/g。例如，该磨料物品具有的比表面积为至少3.0m²/g，如至少3.5m²/g。

实例

实例1

制备一个样品，该样品已经将金刚石磨料颗粒分散在该聚合物相内了。该样品是使用一种有机相聚合物和一种水内相在20∶80有机相∶水内相的比例下来制备的。该有机相是通过将5ml的聚(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)加入5ml的在细腰杯(covet)的苯乙烯中来制备的。将用油酸浸湿的二氧化钛(＜1μm)加入处于0.3g的量的混合物中并且将金刚石颗粒(1-2μm)加入处于0.5g量的混合物中。将含该混合物的covet放在一个含有冰的玻璃烧杯中。将该混合物在50RPM的速度下搅拌15分钟。

将来自该细腰杯的混合物输送至一个三颈烧瓶中。将一种AIBN引发剂以0.15g的量值加入该三颈烧瓶中。将该混合物在500RPM下搅拌2分钟。

将该水相使用一个移液管逐滴加入该三颈烧瓶中。该水相是通过将10gCaCl₂.2H₂O加入250ml的H₂O中而制备的一种溶液。在将该水相加入到该烧瓶中之后，将速率增加至600RPM。将该乳液倒入一个塑料管中并且在70℃下处理24小时以聚合这些聚合物组分。

实例2

制备一个样品，该样品已经将金刚石磨料分散在该聚合物相内了。该样品是使用一种有机相聚合物和一种水内相在40∶60有机相∶水内相的比例下来制备的。该水相是通过将20g的CaCl₂.2H₂O加入250ml的H₂O中来制备的。

该有机相是通过将4ml Hypermer、0.2g的AIBN引发剂、以及8ml的苯乙烯加入一个烧杯中来制备的并且将其搅拌以形成一种第一混合物。将八(8)ml聚(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)加入具有0.8g金刚石微粒(1-2μm))的一个细腰杯中。将该细腰杯放入含有冰的一个玻璃烧杯中并且将其在50RPM下搅拌15分钟以形成一种第二混合物。将该第一混合物和该第二混合物加入一个三颈烧瓶中并且在50RPM下搅拌。将该水相使用一个移液管逐滴加入该三颈烧瓶中。将该搅拌速率增加至600RPM。

将该乳液倒入一个塑料管中并且将该乳液在70℃下处理24小时以聚合这些聚合物组分。

实例3

类似于实例2的方法使用这些聚合物组分和在表1中指明的处于多个量值的微粒(＜1μm)制备多个样品以形成表1中指明的孔隙率。这些聚合物组分和微粒形成了一种油相。将与实例2相关描述的水相按比例使用以产生指明的孔隙率。

表1.

a-用甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)接枝的表面

实例4

包括上述的那些的样品使用以下方法进行测试以确定耐磨损性。此外，将来自圣戈班公司(Saint-Gobain Corporation)的两个商业产品，表示为BXL6550和BX623D进行测试。将这些样品用一种碳化硅砂纸侵蚀性地进行研磨以评估材料(重量)损失和线性损失。

该测试方法包括将与实例1、实例2对应的一个1.25英寸x1.25英寸的样品、或者实例3的样品1-12放置在一个铝制样品支架中。该样品支架是清洁的，将双面胶带放置在该样品支架的表面上。将该样品放置在该双面胶带上并且按压进入该样品支架中。

将一张600粗砂碳化硅纸放置在一个Struers Rotopol-31旋转工作台上。将该铝制样品支架放置在一个Struers Rotoforce-4旋转头上并且将其调节以接触该纸。使该头顺时针旋转并且使该工作台在150RPM的速度下逆时针旋转。将该样品用5N或10N的力研磨10秒钟。

为确定耐磨损性，通过将该样品在研磨前后称重来确定该样品的重量损失。此外，在研磨前后对厚度上的减少进行了测量。

如在图2和图3中展示的，实例2的样品的磨损率呈现出与BX623D产品相同等级的重量损失和线性损失。类似地，实例3的样品1、2、3、以及4呈现相当的重量损失以及线性损失。

应注意，并非要求在一般性说明或这些实例中的以上说明的所有这些活动，也不要求一项特定活动的一个部分、并且除了所描述的那些之外可以进行一种或多种另外的活动。仍进一步地，将这些活动列出的顺序并不必须是进行它们的顺序。

在以上的说明书中，参照多个具体的实施方案对这些概念进行了说明。然而，本领域的普通技术人员应理解无需脱离如在以下的权利要求中所给出的本发明的范围即可做出不同的修改和变化。因此，应该在一种解说性的而非一种限制性的意义上看待本说明书和附图，并且所有此类改变均旨在包括于本发明的范围之内。

如在此所用的，术语“包括(comprises)”、“包括了(comprising)”、“包含(includes)”、“包含了(including)”、“具有(has)”、“具有了(having)”或它们的任何其他变形均旨在覆盖一种非排他性的涵盖意义。例如，包括一系列特征的一种工艺、方法、物品或装置并非必须仅限于那些特征，而是可以包括对于该工艺、方法、物品或装置的未明确列出或固有的其他特征。另外，除非有相反意义的明确陈述，或者指的是一种包含性的或者而不是一种排他性的或者。例如，条件A或B是通过以下的任一项而得到满足：A是真(或者存在)且B是假(或者不存在)，A是假(或者不存在)且B是真(或者存在)，并且A和B均为真(或者存在)。

同样，使用“一种/一个(a/an)”来描述在此所述的元件和部件。这样做仅是为了方便并且给出本发明范围的一般性意义。这种说法应该被阅读为包括一个或至少一个，并且单数还包括复数、除非它显而易见是另有所指。

以上对于多个具体的实施方案说明了多种益处、其他的优点、以及对问题的解决方案。然而，这些益处、优点、对于问题的解决方案、以及任何一项或多项特征(它们可以致使任何益处、优点、对于问题的解决方案发生或变得更突出)不得被解释为是任何或所有权利要求中的一个关键性的、所要求的、或者必不可少的特征。

在阅读本说明书之后，熟练的技术人员将理解为了清楚起见在多个分离的实施方案的背景下在此描述的某些特征也可以组合在一起而提供在一个单一的实施方案中。与此相反，为了简洁起见，在一个单一的实施方案的背景中描述的多个不同特征还可以分别地或以任何子组合的方式来提供。另外，所提及的以范围来说明的数值包括在该范围之内的每一个值。

Claims

1.一种形成磨料物品的方法，该方法包括：

将包括一种单体的聚合物的前体和磨料颗粒进行结合以形成一种第一液体组分；

从该第一液体组分和一种第二液体组分形成一种乳液，该第二液体组分与该第一液体组分基本上不互溶；并且

固化该第一液体组分的聚合物前体，由此形成了一种从该单体聚合的聚合物基体，

其中所述单体选自由下述组成的群：具有可聚合的乙烯基的单体、丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯、共轭二烯、丙二烯类单体、或其组合。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括将这些磨料颗粒用一种偶联剂进行处理。

3.如权利要求2所述的方法，其中该偶联剂是疏水的。

4.如权利要求1所述的方法，其中这些聚合物前体是可热固化的。

5.如权利要求1所述的方法，其中这些聚合物前体是通过自由基聚合可聚合的。

6.如权利要求1、4、以及5中的任一项所述的方法，其中该第一液体组分是疏水的。

7.如权利要求1、4、以及5中的任一项所述的方法，其中将这些聚合物前体和这些磨料颗粒进行结合包括结合了至少10wt％的这些磨料颗粒。

8.如权利要求1、4、以及5中的任一项所述的方法，其中这些磨料颗粒具有的平均粒径为0.5μm至6μm。

9.如权利要求1、4、以及5中的任一项所述的方法，其中将这些聚合物前体与这些磨料颗粒进行结合包括将一种乳化剂与这些聚合物前体以及这些磨料颗粒进行结合。

10.如权利要求1、4、以及5中的任一项所述的方法，其中将这些聚合物前体与这些磨料颗粒进行结合包括将一种稳定剂与这些聚合物前体以及这些磨料颗粒进行结合。

11.如权利要求1、4、以及5中的任一项所述的方法，其中固化包括将该乳液暴露于光化学辐射或热能量中。

12.如权利要求1、4、以及5中的任一项所述的方法，其中形成该乳液包括用该第二液体组分的至少65vol％形成该乳液。

13.一种磨料物品，包括：

具有开放的孔结构的聚合物基体，其中所述开放的孔结构由乳液形成，所述乳液包含第一液体组分，所述第一液体组分包括聚合物前体以及磨料颗粒，所述聚合物前体含有选自由下述组成的群组的单体：具有可聚合的乙烯基的单体、丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯、共轭二烯、丙二烯类单体、或其组合；

所述乳液进一步包含第二液体组分，其中所述第二液体组分与所述第一液体组分基本上不互溶，且其中所述第一液体组分的所述聚合物前体经固化以形成所述聚合物基体；且

其中该磨料物品具有的空隙体积为至少50％，且

其中该磨料物品具有的表面积为至少2.0m²/g。

14.如权利要求13所述的磨料物品，其中该表面积为至少3.0m²/g。

15.如权利要求13所述的磨料物品，其中该空隙体积为至少65％。

16.如权利要求13所述的磨料物品，其中这些磨料颗粒具有的平均粒径为0.1μm至100μm。