[发明专利]使集簇材料解附聚和/或解聚集的方法、系统和设备

说明书

发明背景

技术领域

本发明一般涉及用于解附聚、解聚集和/或研磨各种材料的各种化学和/或 机械方法，具体地，本发明涉及特定材料的化学-机械解附聚和/或解聚集，这 会造成特定材料集簇颗粒的分离，所述材料诸如超分散金刚石(UDD)、超纳米 晶体金刚石(UNCD)、各种碳材料(包括煤等)、以及其它聚集的和/或附聚的超 细粉末，诸如单金属氧化物、复合金属氧化物、涂层粉末等。

相关领域的说明

当今，粉末化材料、细颗粒材料、微米级颗粒、纳米级颗粒和类似材料正 被用于各种专业应用中。比如，这类材料被用于精细抛光工艺、化学机械平坦 化(CMP)、燃料电池应用、氧气生成、生物技术过程、石油化工处理、化学方 法、运输应用、特性材料部门等。然而，为了在这些专业应用中使用，需要对 这类粉末进行精炼以提供可用的形式，以便最终用途生产商能以合理的成本获 得高质量的粉末。因此，需要一种能够为各个行业的生产商提供这类材料的方 法，所述行业包括电子工业、发电工业、环境控制工业、石油化工工业和化学 工业。

如所论，由于被应用于这些特殊行业中，所以所述材料需要更好的工艺性 能以便满足更严格的规范并满足人们对高质量粉末日益增长的需求。要达到这 种严格的规范需要加强对颗粒材料性质的控制。根据待生产的材料的类型，每 一种材料都具有各种缺点，且需要生产纯粉末颗粒物质。比如，部分这些材料 可以包括UDD、UNCD、碳材料、煤、单金属氧化物粉末、复合金属氧化物粉 末、涂敷颗粒等。

所有这些小颗粒材料在生产过程中都易于形成聚集物、附聚物和/或絮凝 物。具体地，无论是在形成过程中还是在随后的处理过程中，单个颗粒通过较 弱的键以聚集物或簇团形式保持在一起，导致产生粘结力和形成这些簇团。为 了最大限度地利用这些粉末的物理和化学性质，人们需要克服这些粘结力，这 造成颗粒的分散和/或簇团尺寸的减小。

单金属氧化物具有广泛的工业用途，包括用作抛光材料、催化剂载体材料、 颜料、紫外线阻断剂等。非矿物陶瓷粉末的制备过程通常是，作为化合物或金 属分离有关的金属，然后使该材料反应以便形成所需的化合物。生产氧化铝通 常使用的方法是“拜尔”(BAYER)法，其中，通过对水铝矿进行消化和沉淀而 制成氢氧化铝化合物，从而分离出铝。然后将氢氧化铝加热至1050℃以便使氢 氧根离子分解，形成Al₂O₃和H₂O。该方法的最后一步是研磨Al₂O₃以便获得 所需的粒度。而且，Al₂O₃可以既制备成过渡氧化铝，也可以制备成α氧化铝， 两者的区别是晶体结构不同。过渡氧化铝因表面积高和硬度更低而被用于催化 剂和半导体的抛光。上述用于生产单金属氧化物粉末的方法的一个缺点是需要 通过研磨步骤来减小粒度。与该方法有关的其它技术壁垒包括，颗粒需要达到 能被有效地减小的最小尺寸(约500纳米)，粒度分布广，需要大量用于研磨的 能量和设备。

关于复合金属氧化物，这是一种含有不止一种金属的氧化物，这类化合物 (比如BaTiO₃)和固溶体包括均匀地分布在另一种氧化物的结构中的金属氧化 物，诸如Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)。目前，通过固态反应、熔体结晶和溶液法 来生产复合金属氧化物和金属氧化物的固溶体。

在固态反应法中，使含有有关金属的化合物合并，充分地混合，然后烧 制。在烧制过程中，前体化合物分解为单种金属的氧化物。然后，金属离子扩 散到一起以便产生含有两种金属的化合物。这种扩散过程倾向于缓慢，因此， 材料被冷却和再研磨以产生新的表面供单独的金属氧化物相互作用，从而在随 后的再烧制过程中产生更多所需的化合物。这种冷却、研磨和再烧制过程可以 重复三次或四次，以便达到需要的均一性和最终产物的转化率。这种方法的一 些主要技术限制包括形成次生相，前体材料反应不完全，在延长烧制过程中产 生大颗粒和附聚物，以及再烧制材料和研磨需要高能量。其它的不足是研磨过 程对最小粒度有限制。