一种金刚石复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及硬脆材料精细研磨技术领域，尤其涉及一种金刚石复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

氧化锆陶瓷、人造蓝宝石等超硬质材料在智能手机上应用具有相当大的潜力，例如指纹识别片、陶瓷后盖、镜头保护片等。硬质材料产品的生产在于材料表面的精细研磨抛光，使之具有光亮的表面。

硬质材料表面抛光加工需经历粗磨、精磨和抛光三个工段，其中精磨工艺使用的是磨料游离式加工方法，即将含有粒径为2～4μm的金刚石研磨液滴加在一个旋转的平面铜盘上，再将样品被加工表面压在铜盘上进行加工。由于金属铜具有良好的延展性，部分金刚石研磨颗粒在样品的压力作用下会镶嵌在铜盘的表面，这些固定的磨粒会连同盘面上滚动的磨料一起对样品作用，样品的表面逐渐被磨光亮。在精磨时偶尔会产生大的样品颗粒脱落，这些超硬颗粒如果在盘面上游走会划伤整批样品。因此解决精磨加工划伤问题的关键方案是：在铜盘表面刻一系列深度约0.5mm、宽度约1mm、间隔约1mm的同心环形浅槽。加工时脱落的颗粒会滚落到这些浅槽中，而不是在盘面上游走。另外，盘面浅槽不能过深，否则研磨液无法回爬至铜盘面上，切削效率会大打折扣甚至消失。

用铜盘做精磨加工存在的问题是：使用过程中铜盘会损耗，导致槽深减小和盘面平面精度变差，因此需要经常性开槽和修整盘面。同时，这种加工方式涉及使用大量昂贵的金刚石研磨液，很多金刚石并没有充分利用就流走，致使加工成本较高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金刚石复合材料及其制备方法和应用。本发明解决了铜盘精磨需要经常性开槽加深的问题，同时不需要滴加金刚石研磨液这种方式，减少金刚石磨粒用量，节约耗材成本。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种金刚石复合材料，包括蜂窝芯材和填充于所述蜂窝芯材孔内的水溶性石膏泡沫，所述水溶性石膏泡沫包括以下重量百分比的组分：无机复合粘结剂30～80％、金刚石磨粒1～30％、滑石粉10～30％、水性胶黏剂0.5～15％、泡沫5～20％、玻璃纤维0.2～1％、聚羧酸减水剂0.3～1％、水8～50％，所述水溶性石膏泡沫各组分的重量百分比之和为100％。

优选地，所述蜂窝芯材与水溶性石膏泡沫的重量比为0.2～0.05：1。

优选地，所述金刚石磨粒的粒径为0.5～5μm。

优选地，所述无机复合粘结剂包括半水石膏和硅灰，所述半水石膏和硅灰的质量比为90～97：1～10。

优选地，所述水性胶黏剂为丙烯酸乳液、聚乙烯醇水溶液、聚氨酯乳液或乙烯-醋酸乙烯酯乳液。

优选地，所述蜂窝芯材的蜂窝形状为六角形，所述蜂窝芯材的蜂窝孔边长为3～10mm。

优选地，所述蜂窝芯材的材质为铝或铜。

本发明还提供了上述技术方案所述的金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将水和水性胶黏剂混合，得到水性胶黏剂溶液；

将无机复合粘结剂、金刚石磨粒、滑石粉、聚羧酸减水剂和玻璃纤维混合，得到预混料；

将水性胶黏剂溶液和预混料混合，得到浆料；

将浆料与泡沫混合，得到泡沫金刚石复合浆料；

将泡沫金刚石复合浆料倒入蜂窝芯材的孔洞中，经烘烤，得到金刚石复合材料。

优选地，所述烘烤的温度为100～120℃，所述烘烤的时间为3～5h。

本发明还提供了上述技术方案所述金刚石复合材料或上述技术方案所述制备方法制得的金刚石复合材料在精磨领域中的应用。

本发明提供了一种金刚石复合材料，包括蜂窝芯材和填充于所述蜂窝芯材孔内的水溶性石膏泡沫，所述水溶性石膏泡沫包括以下重量百分比的组分：无机复合粘结剂30～80％、金刚石磨粒1～30％、滑石粉10～30％、水性胶黏剂0.5～15％、泡沫5～20％、玻璃纤维0.2～1％、聚羧酸减水剂0.3～1％、水8～50％，所述水溶性石膏泡沫各组分的重量百分比之和为100％。本发明中，无机复合粘结剂将金刚石磨料粘接；金刚石磨粒为精细研磨的磨料；滑石粉是一种填料，用于分散金刚石磨料，金刚石磨料以均匀可控地微量脱落；水性胶黏剂固化后会在无机颗粒间形成弹性高分子膜，将无机颗粒粘接起来，起增韧作用，通过调整水性胶黏剂的用量，可以调节金刚石磨粒的剥落速率；玻璃纤维可以形成相互交错的网络，可以增加石膏泡沫的韧性，防止石膏泡沫整块断裂；泡沫起发泡作用，形成多孔发泡复合磨块，孔洞的存在可以有助于金刚石磨粒脱落。本发明中，金刚石复合材料用于精磨时，在接触到纯净水后会发生微溶，此时金刚石磨粒会被释放出来，与水形成研磨液，蜂窝芯材具有一定的机械支撑力，研磨时研磨液会爬到芯材壁的顶面上与被加工样品进行作用，同时微溶的磨块会产生轻微的凹陷，研磨产生的大颗粒会滚落到这些凹坑中，避免划伤样品。在这种结构中，水溶性石膏泡沫的损耗与蜂窝芯材的磨损速率同步，这样就避免了象铜盘那样经常性开槽，也无需额外滴加金刚石研磨液，提高了金刚石磨粒的利用效率。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的精磨平板结构示意图，其中100-精磨平板；101-蜂窝芯材壁；200-含有金刚石磨粒的水溶性石膏泡沫；

图2为本发明制得的精磨平板用于精磨时的结构示意图，其中200-含有金刚石磨粒的水溶性石膏泡沫；201-气泡；202-含有金刚石磨粒的石膏壁；203-金刚石磨粒。

具体实施方式

本发明提供了一种金刚石复合材料，包括蜂窝芯材和填充于所述蜂窝芯材孔内的水溶性石膏泡沫，所述水溶性石膏泡沫包括以下重量百分比的组分：无机复合粘结剂30～80％、金刚石磨粒1～30％、滑石粉10～30％、水性胶黏剂0.5～15％、泡沫5～20％、玻璃纤维0.2～1％、聚羧酸减水剂0.3～1％、水8～50％，所述水溶性石膏泡沫各组分的重量百分比之和为100％。

在本发明中，所述蜂窝芯材与水溶性石膏泡沫的重量比优选为0.2～0.05：1，更优选为0.1～0.15：1。

本发明提供的金刚石复合材料优选包括2～5％重量百分比的金刚石磨粒，更优选为3％。在本发明中，所述金刚石磨粒的粒径优选为0.5～5μm，更优选为1～4μm，最优选为2～3μm。在本发明中，所述金刚石磨粒为精细研磨的磨料。

本发明提供的金刚石复合材料优选包括39～52％重量百分比的无机复合粘结剂，更优选为42～47％。在本发明中，所述无机复合粘结剂优选包括半水石膏和硅灰，所述半水石膏和硅灰的质量比优选为90～97：1～10。在本发明中，无机复合粘结剂将金刚石磨料粘接。在本发明中，所述硅灰的粒径优选为50～200nm。本发明中，半水石膏和水作用之后会发生水化反应进而固化，半水石膏是脆性的，金刚石磨料容易在磨削压力条件下脱落，脱落的金刚石磨料将参与到精磨过程中；硅灰是一种微观上呈球形的粉体，可以填充到半水石膏中增加半水石膏粘结剂的抗压强度，同时硅灰具有火山灰效应，也可以和水发生一定的水化反应；硅灰与半水石膏结合形成的无机复合粘结剂可以有效提高粘结剂的强度。

本发明提供的金刚石复合材料优选包括12～25％重量百分比的滑石粉，更优选为15％。本发明中，滑石粉是一种填料，用于分散金刚石磨料，金刚石磨料以均匀可控地微量脱落。本发明对所述滑石粉的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。

本发明提供的金刚石复合材料优选包括2～10％重量百分比的水性胶黏剂，更优选为5％。在本发明中，所述水性胶黏剂优选为丙烯酸乳液、聚乙烯醇水溶液、聚氨酯乳液或乙烯-醋酸乙烯酯乳液。本发明中，所述水性胶黏剂固化后会在无机颗粒间形成弹性高分子膜，将无机颗粒粘接起来，起增韧作用，通过调整水性胶黏剂的用量，可以调节金刚石磨粒的剥落速率。

在本发明中，所述聚乙烯醇水溶液的质量分数优选为3～5％。

本发明提供的金刚石复合材料优选包括0.3～1％重量百分比的聚羧酸减水剂，更优选为0.5％。本发明对所述聚羧酸减水剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。

本发明提供的金刚石复合材料优选包括8～16％重量百分比的泡沫，更优选为12～14％。在本发明中，所述泡沫起发泡作用，形成多孔发泡复合磨块，孔洞的存在可以有助于金刚石磨粒脱落。

在本发明中，所述泡沫优选由发泡剂溶液制备得到。在本发明中，所述发泡剂溶液优选包括发泡剂、水性胶黏剂和水。在本发明中，所述发泡剂溶液中发泡剂的质量浓度优选为10～30％，所述水性胶黏剂在发泡剂溶液中的质量比例为3～5％。

在本发明中，所述发泡剂优选为动植物蛋白发泡剂；所述水性胶黏剂优选为与上述一致，在此不再赘述。

在本发明中，所述泡沫的密度优选为50～80kg/m³，更优选为60～70kg/m³。

本发明提供的金刚石复合材料优选包括0.3～0.5％重量百分比的玻璃纤维。在本发明中，所述玻璃纤维可以形成相互交错的网络，增加石膏泡沫的韧性，防止石膏泡沫整块断裂。本发明对所述玻璃纤维的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。

在本发明中，所述蜂窝芯材的蜂窝形状优选为六角形，所述蜂窝芯材的蜂窝孔边长优选为3～10mm，更优选为5～6mm。

在本发明中，所述蜂窝芯材的材质优选为铝或铜。本发明对所述蜂窝芯材的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。

本发明还提供了上述技术方案所述的金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将水和水性胶黏剂混合，得到水性胶黏剂溶液；

将无机复合粘结剂、金刚石磨粒、滑石粉、聚羧酸减水剂和玻璃纤维混合，得到预混料；

将水性胶黏剂溶液和预混料混合，得到浆料；

将浆料与泡沫混合，得到泡沫金刚石复合浆料；

将泡沫金刚石复合浆料倒入蜂窝芯材的孔洞中，经烘烤，得到金刚石复合材料。

本发明将水和水性胶黏剂混合，得到水性胶黏剂溶液。

本发明将无机复合粘结剂、金刚石磨粒、滑石粉、聚羧酸减水剂和玻璃纤维混合，得到预混料。

本发明对所述混合方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的，如搅拌。

得到水性胶黏剂溶液和预混料后，本发明将水性胶黏剂溶液和预混料混合，得到浆料。在本发明中，优选将所述预混料加入到所述水性胶黏剂溶液中。

得到浆料后，本发明将所述浆料与泡沫混合，得到泡沫金刚石复合浆料。本发明对所述混合方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可。

得到泡沫金刚石复合浆料后，本发明将所述泡沫金刚石复合浆料倒入蜂窝芯材的孔洞中，经烘烤，得到金刚石复合材料。在本发明中，所述烘烤的温度优选为100～120℃，所述烘烤的时间优选为3～5h。

本发明还提供了上述技术方案所述金刚石复合材料或上述技术方案所述制备方法制得的金刚石复合材料在精磨领域中的应用。

在本发明中，所述金刚石复合材料优选经水磨床修平后，得到精磨平板，用于精磨领域。本发明对所述水磨床修平的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

下面结合实施例对本发明提供的金刚石复合材料及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

按重量百分比称取各组分：半水石膏37％、硅灰2％、金刚石磨粒3％，滑石粉15％、聚乙烯醇溶液5％(浓度为5％)、泡沫16％、玻璃纤维0.5％、聚羧酸减水剂0.3％，水21.2％；

其中，泡沫按如下方法制备：配制发泡剂水溶液，其中动植物发泡剂浓度为10％，聚乙烯醇水溶液比例为3％，然后将发泡剂溶液送至发泡机，制备出密度为50kg/m³的泡沫；

上述金刚石磨粒的粒径为0.5μm；

将水、聚乙烯醇溶液加入搅拌釜中；将半水石膏、硅灰、金刚石磨粒，滑石粉、玻璃纤维、聚羧酸减水剂固态组分进行预混，预混完毕后再在搅拌条件下将预混逐步加入搅拌釜中，使固、液组分充分混合，制成浆料；

将泡沫送入搅拌釜，慢速搅拌均匀，制得泡沫金刚石复合浆料；

将泡沫金刚石复合浆料倒入蜂窝芯材的孔洞中，在100℃温度下烘烤3小时，水分蒸发后金刚石复合浆料形成一种水溶性金刚石复合泡沫磨块，并固定在蜂窝芯材的孔洞中，由此获得一种含有金刚石复合泡沫磨块的蜂窝芯材板，将蜂窝芯材板正反面用水磨床修平，获得用于精磨平板，结构如图1所示。其中100-精磨平板；101-蜂窝芯材壁；200-含有金刚石磨粒的水溶性石膏泡沫。

实施例2～8

实施例2～8为7种不同配方的对比试验。这些配方与实施例1的配方一起列于表1中，均按实施例1的工艺步骤制备。

表1.金刚石复合材料重量百分比配方

本发明提供的金刚石复合材料可用于平面硬脆材料的精磨，对硬脆材料进行平面加工时，将硬脆材料平面压贴在金刚石平板上，加水研磨。如图2所示，其中200-含有金刚石磨粒的水溶性石膏泡沫；201-气泡；202-含有金刚石磨粒的石膏壁；203-金刚石磨粒。金刚石复合泡沫磨块由大量气泡、粘结剂和金刚石磨粒构成。当金刚石复合泡沫磨块在接触到纯净水后会发生微溶，此时金刚石磨粒会被释放出来，与水形成研磨液，蜂窝芯材具有一定的机械支撑力，研磨时研磨液会爬到芯材壁的顶面上与被加工样品进行作用，同时微溶的磨块会产生轻微的凹陷，研磨产生的大颗粒会滚落到这些凹坑中，避免划伤样品。在这种结构中，水溶性金刚石复合泡沫磨块的损耗与蜂窝芯材的磨损速率同步，这样就避免了象铜盘那样经常性开槽。也无需额外滴加金刚石研磨液，提高了金刚石磨粒的利用效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。