TW202338103A - 輥表面硬化 - Google Patents

Abstract

本揭露係關於具有塗層之輥（諸如軋輥及壓延輥），以及施加塗層之方法。更具體言之，本揭露係關於具有施加到表面以防止來自污染物之損壞的硬化層之軋輥或壓延輥。

Description

輥表面硬化

相關申請案之交叉引用

本申請案主張於2021年11月9日提出申請之美國臨時申請案第63/277,477號之優先權，該案以全文引用的方式併入本文中。

本揭露係關於具有塗層之輥（諸如軋輥及壓延輥），以及施加塗層之方法。更具體言之，本揭露係關於具有施加到表面以防止來自污染物之損壞的硬化層之軋輥或壓延輥。

膜之精確形成為業界挑戰，膜在本領域中替代性地稱為片材、卷材或基材。精確的膜形成尤其具挑戰性，其中必須在實際生產環境中施加顯著程度的壓力。施以壓力的輥必須精確地形成，使得其等本身形成具有落入所要求設計參數內之尺寸及表面特性的膜。

額外地，存在有在生產環境中自然存在的塵土、粒子及其他雜質的問題。即使有保養和清潔，不可避免地一或多種污染物粒子最終會駐留在輥的表面上。當於機器操作期間彼此接觸的輥之表面上有粒子沉積時，在機器操作期間粒子被壓縮在輥之間。當此類粒子在輥之間被壓縮時，它們會對輥之表面施以大的集中力。這被稱為接觸疲勞，且彼此接觸的輥之兩者表面上均有疲勞坑蝕(fatigue pitting)證據。

接觸疲勞對所形成産品的品質有負面衝擊，因為輥具有表面缺陷。對於在工作生產環境中防止累積在輥表面上的凹坑、表面變形及其他不符合期望的微結構特徵形成有需求。

考慮對膜的精確且均勻表面之需求，由污染物造成的甚至小的損壞可在膜被組裝至成品中並投入使用時對膜的作用有不利影響。因此，對於增加輥之硬度以防止因污染物施加集中壓力而發生的損壞有需求。提高硬度以防止輥發生損壞的一個方法包括施加硬化層。將硬度塗層施加至輥的習知方法包括射流噴塗(jet spray)碳化鎢以及電鍍鉻。然而，射流噴塗碳化鎢及電鍍鉻膜本身可具有微米規模缺陷，諸如針孔。除了避免此等缺點外，建造向輥提供甚至更高硬度且因此更高效能的塗層是有益處的。

無

提供一種壓延輥設備，其包括由類鑽石塗層(diamond like coating, DLC)之化學氣相沉積(CVD)或電漿輔助化學氣相沉積(PACVD)、及碳化鎢之物理氣相沉積(PVD)中之一者所形成的一硬化層，用於降低來自塵土、粒子及其他雜質的損壞。

在一個實施例中，本文中所描述之技術係關於一種形成一乾電極膜之方法，該方法包括：使一表面硬化輥與一乾電極或乾電極前驅物粉末接觸，用該表面硬化輥在該乾電極或該乾電極前驅物粉末上給予至少一力，以便形成該乾電極膜。

在一些實施例中，本文中所描述之技術係關於一種方法，其中該表面硬化輥包括至少類鑽石塗層或碳化鎢之一硬化層。

在一些實施例中，本文中所描述之技術係關於一種方法，其中該硬化層之厚度係1 µm到約300 µm。

在一些實施例中，本文中所描述之技術係關於一種方法，其中該表面硬化輥包括至少一底層。

在一些實施例中，本文中所描述之技術係關於一種方法，其中該底層係包括碳化鎢、一類鑽石塗層、銅或鉻中之一者。

在一些實施例中，本文中所描述之技術係關於一種方法，其中該底層具有約1 µm至約300 µm的一厚度。

在一些實施例中，本文中所描述之技術係關於一種方法，其中該表面硬化輥係一軋輥或一壓延輥中之至少一者。

在一個實施例中，本文中所描述之技術係關於一種系統，其包括：經定位在該輥之表面上的一硬化層。

在一些實施例中，本文中所描述之技術係關於一種系統，其中該硬化層係包括碳化鎢、鉻或一類鑽石塗層中之一者。

在一些實施例中，本文中所描述之技術係關於一種系統，其中該硬化層之厚度係約1 µm至約300 µm。

在一些實施例中，本文中所描述之技術係關於一種系統，其進一步包括經定位在該輥之該表面與該硬化層之間的一底層，其中：該底層係包括碳化鎢、一類鑽石塗層、銅或鉻中之一者。

在一些實施例中，本文中所描述之技術係關於一種系統，其中該底層具有約1 µm至約300 µm的一厚度。

本揭露不限於所描述之特定系統、裝置及方法，因為此等可變化。在描述中所使用的術語僅為了描述特定版本或實施例之目的，而非意欲限制範疇。

除非上下文另外清楚指明，否則如本文件中所使用，單數形式的「一(a/an)」及「該(the)」包括複數個參照對象。除非另外定義，否則本文中所使用之所有技術及科學用語具有與本領域具通常知識者之普遍理解相同的意義。本揭露中之任何內容均不得詮釋為承認本揭露中所描述之實施例無權因先前的發明而提前進行此類公開。如本文件所使用，用語「包含(comprising)」意指「包括但不限於」。

本揭露描述一種包括硬化層用於保護免於來自污染物和雜質之損壞的壓延輥設備，還有用於施加硬化層之方法。通過藉由類鑽石塗層的化學氣相沉積以及碳化鎢的物理氣相沉積來塗覆壓延輥，可增加輥的硬度，以防止在輥上由污染物和雜質所施以的高壓力所造成的損壞。

如本文中所使用，「未塗覆輥(uncoated roller)」意指未施加硬化層之輥。例如，未塗覆輥之一個實施例包括一輥，該輥不包括碳化鎢層或類鑽石塗層。

如本文中所描述，「類鑽石塗層」或「DLC」意指由結晶碳所構成的薄膜。例如，類鑽石塗層之一個實施例包括藉由碳的化學氣相沉積之方法所合成生產的硬化層。

如本文中所使用，「污染物(contaminant)」意指在建立膜期間輥上存在的小雜質，在施加壓力時能夠損壞膜或輥。污染物不受限制，且常常取決於輥所駐留的生產環境，而污染物的實例包括塵土粒子、金屬粒子、金屬碎屑、電極粒子、無機粒子、導電粒子、絕緣粒子、未固化聚合物粒子或固化聚合物粒子中之一或多者。

如本文所使用，「低壓環境(low pressure environment)」意指具有足以經由所選擇製程達成沉積之低壓力的環境。例如，低壓環境的一個實施例包括低於大氣壓的環境。

圖1繪示依據實施例之包括用於建立膜之壓延輥101的粉末研磨機100之圖100。粉末通過在壓延輥上方之料斗102進入，粉末在壓延輥被壓縮成膜。

圖2繪示依據實施例施加有硬化層202的壓延輥201之橫截面視圖200之圖例。所使用硬化層202可包括本領域具通常知識者已知的對壓延膜有效之任何材料。在一些實施例中，硬化層202係選自鉻、碳化鎢及類鑽石塗層中之一者。在一些實施例中，硬化層202經定位於壓延輥201之表面上。

在一些實施例中，硬化層202的厚度係約1 µm、約2 µm、約3 µm、約4 µm、約5 µm、約6 µm、約7 µm、約8 µm、約9 µm、約10 µm、約15 µm、約20 µm、約25 µm、約30 µm、約35 µm、約40 µm、約45 µm，或約50 µm、約100 µm、約150 µm、約200 µm、約250 µm、約300 µm，或介於前述值的任何兩者或更多者之間的任何範圍，例如約1 µm至約300 µm、約10 µm至約300 µm、約100 µm至約300 µm、1 µm至約200 µm、約10 µm至約200 µm、或約100 µm至約200 µm。

圖3繪示依據實施例藉由化學氣相沉積來沉積類鑽石塗層的方法300。在此方法中，於方塊301中將未塗覆輥放置於低壓環境內。在低壓環境內，於方塊302中將未塗覆輥暴露至揮發性前驅物，包括但不限於甲烷(CH4）及一氧化碳(CO)中之一或多者。此等前驅物在未塗覆輥的表面上起反應以形成類鑽石塗層。儘管上文藉由化學氣相沉積描述類鑽石塗層之沉積，應理解亦可使用CVD之變體，諸如電漿輔助化學氣相沉積(PACVD)。一旦沉積完成，於方塊303中可將輥自低壓環境移除。

所沉積之類鑽石塗層的厚度係約1 µm、約2 µm、約3 µm、約4 µm、約5 µm、約6 µm、約7 µm、約8 µm、約9 µm、約10 µm、約15 µm、約20 µm、約25 µm、約30 µm、約35 µm、約40 µm、約45 µm，或約50 µm、約100 µm、約150 µm、約200 µm、約250 µm、約300 µm，或介於前述值中的任何兩者或更多者之間的任何範圍，例如約1 µm至約300 µm、約10 µm至約300 µm、約100 µm至約300 µm、1 µm至約200 µm、約10 µm至約200 µm、或約100 µm至約200 µm。

圖4繪示依據實施例的沉積硬化層（例如碳化鎢）的方法400。在此方法中，於方塊401中將未塗覆輥放置於低壓環境內。在低壓環境內，於方塊402中將未塗覆輥暴露至揮發性前驅物。揮發性前驅物不受限制，且包括具有氫(H2)及甲烷(CH4)之六氯化鎢(WCl6)、或替代性地具有H2及甲醇(C3OH)的WCL6中之一或多者。此達成碳化鎢塗層之沉積。儘管上文藉由化學氣相沉積描述碳化鎢之沉積，應理解亦可使用CVD之變體，諸如電漿輔助化學氣相沉積(PACVD)。一旦沉積完成，於方塊403中可將輥自低壓環境移除。

所沉積之硬化層的厚度係約1 µm、約2 µm、約3 µm、約4 µm、約5 µm、約6 µm、約7 µm、約8 µm、約9 µm、約10 µm、約15 µm、約20 µm、約25 µm、約30 µm、約35 µm、約40 µm、約45 µm，或約50 µm、約100 µm、約150 µm、約200 µm、約250 µm、約300 µm，或介於前述值中的任何兩者或更多者之間的任何範圍，例如約1 µm至約300 µm、約10 µm至約300 µm、約100 µm至約300 µm、1 µm至約200 µm、約10 µm至約200 µm、或約100 µm至約200 µm。

在某些實施例中，底層提供額外保護或表面附著性。底層不受限制，且可包括鉻、類鑽石塗層(DLC)、碳化鎢(WC)或銅(Cu)中之一或多者。

在一些實施例中，底層具有的厚度係約1 µm、約2 µm、約3 µm、約4 µm、約5 µm、約6 µm、約7 µm、約8 µm、約9 µm、約10 µm、約15 µm、約20 µm、約25 µm、約30 µm、約35 µm、約40 µm、約45 µm，或約50 µm、約100 µm、約150 µm、約200 µm、約250 µm、約300 µm，或介於前述值中的任何兩者或更多者之間的任何範圍，例如約1 µm至約300 µm、約10 µm至約300 µm、約100 µm至約300 µm、1 µm至約200 µm、約10 µm至約200 µm、或約100 µm至約200 µm。

取決於表面硬度、耐化學性、韌性和其他所欲性質的要求，可調整類鑽石塗層的組成和微結構。包括此類的類鑽石塗層之實例包括ta-C形式（四面體鍵結無氫非晶碳）、a-C:H形式（具有氫的非晶碳）、a-C:H:Me形式（Me = W、Ti，具有氫的金屬摻雜非晶碳）、a-C:H:Si形式（具有氫的Si摻雜非晶碳）、a-C:H:X形式（具有氫的非金屬摻雜非晶碳）、a-C:Me形式（Me = Ti，金屬摻雜無氫非晶碳）、ta-C:H形式（具有氫的四面體鍵結非晶碳）中之一或多者。

本揭露的輥之用途（包括軋輥或壓延輥）不受限制。在一個實施例中，包括軋輥或壓延輥的輥藉由類鑽石塗層或碳化鎢中之至少一者使表面硬化，並用於處理電極材料。在一些實施例中，被處理的電極材料係陽極或陰極中之一或多者，且陽極或陰極各自可個別地係實質上無溶劑而形成的乾陽極或陰極。此等各種電極統稱為乾電極，雖然可具有變化的組成、微結構及功能性。

在一個實施例中，存在有一種形成乾電極膜之方法。在一些實施例中，該方法包括使輥與乾電極或乾電極前驅物材料接觸，用表面硬化輥在乾電極或乾電極前驅物粉末上給予至少一力，以便形成乾電極膜。

乾電極或乾電極前驅物材料可大致上係本領域具通常知識者已知的作為電極有效的任何材料。在一些實施例中，乾電極或乾電極前驅物材料係陽極或陰極中之一者。在一些實施例中，陽極或陰極可各自個別係實質上無溶劑而形成的乾陽極或陰極。

諸如乾電極之電極可實施於電能儲存單元內，其廣泛用於提供功率至電子、機電、電化學及其他有用的裝置。此類單元包括電池，諸如一次化學電池(primary chemical cell)及（可充電）次級電池(secondary cell)。

在一些實施例中，當輥用於給予力至電極上時（例如當輥經組態以較在輥上方移動的電極或其他片材或卷材更快或更慢轉動時），表面硬化輥提供額外的耐久性。

在上文詳細描述中，參照形成本文之一部分的隨附圖式。在圖式中，除非上下文另外指明，否則類似符號典型地鑑別類似組件。於詳細描述、圖式、及申請專利範圍中所描述之闡釋性實施例並不意為限制性。可使用其他實施例，且可在不脫離本文中所呈現標的之精神或範疇的情況下作出其他變更。應易於理解，如本文中大致上描述且繪示於圖中的本揭露態樣可經配置、取代、組合、分離及設計成各種不同的組態，其皆在本文中明確設想。

本揭露不欲就本申請案中描述的特定實施例受限制，該等實施例意欲作為各種態樣之闡釋。如本領域中具通常知識者所顯而易見，可不偏離其精神及範疇而作出許多修改及變化。本領域中具通常知識者從前述描述將顯而易見除本文中所列舉者外的在本揭露範疇內的功能等效方法及設備。此類修改及變化意欲落於文後申請專利範圍之範疇內。本揭露僅受文後申請專利範圍之條款還有此類申請專利範圍所授權之等效物之完整範疇限制。應理解，本揭露不受限於特定方法、試劑、化合物、組成或生物系統，其等當然可變化。亦應理解，本文中所使用之術語僅用於描述特定實施例之目的，且不意欲為限制性。

關於本文中實質上任何複數及/或單數用語之使用，本領域具通常知識者可如對上下文及/或應用適當者，而自複數轉譯為單數及/或自單數轉譯為複數。為清楚起見，本文中可明白提出各種單數/複數排列組合。

本領域具通常知識者將理解，大致上本文中所使用的用語大致上意欲作為「開放」用語，尤其是在文後申請專利範圍中（例如，文後申請專利範圍之主體中）（例如，用語「包括(including/include)」應解讀為「包括但不限於(including but not limited to/include but not limited to)」，用語「具有(having)」應解讀為「具有至少(having at least)」，等）。儘管各種組成、方法及裝置以「包含」各種組分/組件或步驟來描述（解讀為意指「包括但不限於」），但該等組成、方法及裝置亦可「基本上由各種組分/組件及步驟所組成」或「由各種組分/組件及步驟所組成」，且此類術語應解讀為定義基本上封閉的成員群組。本領域具通常知識者將進一步理解，若意欲具體數目的所引入申請專利範圍引述，此一意圖將在申請專利範圍中明確引述，而不存在此類引述則不存在此意圖。

例如，作為協助理解，下列文後申請專利範圍可含有引言片語「至少一」及「一或多」的使用以引入申請專利範圍引述。然而，此類片語之使用不應被詮釋為暗示藉由不定冠詞「一(a/an)」來引入申請專利範圍引述，而將含有此類所引入申請專利範圍引述的任何特定申請專利範圍限制到含有僅一個此類引述的實施例，即使當相同請求項包括引言片語「一或多」或「至少一」及諸如「一(a/an)」的不定冠詞時亦如此（例如，「一(a/an)」應解讀為意指「至少一」或「一或多個」）；相同原則亦適用於用來引入申請專利範圍引述的定冠詞之使用。

此外，即使明確地引述具體數目的所引入申請專利範圍引述，熟習此項技術者將認識到，此類引述應被解讀為意指至少引述之數目（例如，僅引述“兩次引述”而無其他修飾語意指至少兩個引述，或者兩個或更多個引述）。此外，在使用像是「A、B、及C等中之至少一者」之慣例的彼等例子中，大致上此一建構所意欲的係本領域中具通常知識者所理解該慣例的意思（例如，「具有A、B及C中之至少一者之系統」將包括（但不限於）具有單獨A的系統；具有單獨B的系統；具有單獨C的系統；具有A與B一起的系統；具有A與C一起的系統；具有B與C一起的系統；及/或具有A、B及C一起的系統，等）。在使用像是「A、B、或C等中之至少一者」之慣例的彼等例子中，大致上此一建構所意欲的係本領域中具通常知識者所理解該慣例的意思（例如，「具有A、B、或C中之至少一者之系統」將包括（但不限於）具有單獨A的系統；具有單獨B的系統；具有單獨C的系統；具有A與B一起的系統；具有A與C一起的系統；具有B與C一起的系統；及/或具有A、B及C一起的系統，等）。本領域中具通常知識者將進一步理解，無論在描述、申請專利範圍或圖式中，幾乎任何呈現兩個或更多個替代用語的反意連詞及/或片語應理解為設想包括該等用語中之一者、包括該等用語中之任一者、或該等用語中兩者均被包括的可能性。例如，理解片語「A或B」為包括「A」或「B」或「A及B」之可能性。

此外，當本揭露的特徵或態樣以馬庫西群組的方式描述時，本領域具通常知識者將認識到，本揭露亦藉此由該馬庫西群組中的任何個別成員或成員之子群組描述。

如本領域具通常知識者將理解，出於任何及所有目的，諸如以提供書面描述的方式，本文中揭示的所有範圍亦涵蓋其之任何及所有可行的子範圍及子範圍的組合。任何所列範圍可容易認識為充分描述且使相同範圍被分解成至少相等的二等分、三等分、四等分、五等分、十等分等。作為非限制性實例，本文中所論述之各範圍可輕易分解為較低的三分之一、中間的三分之一及最高的三分之一等。如本領域具通常知識者將理解，諸如「多至」、「至少」及類似者的所有語言包括所引述數目，且指可後續分解為如上文所論述之子範圍的範圍。最後，如本領域具通常知識者將理解，一範圍包括各個別成員。因此，例如，具有1至3個單元之群組係指具有1個、2個或3個單元之群組。類似地，具有1至5個單元之群組係指具有1個、2個、3個、4個或5個單元之群組，依此類推。

各種上文揭示及其他特徵及功能或其等之替代物可組合成許多其他不同系統或應用。其中各種目前未預見或非預期的替代物、修改、變化或改善可後續由本領域具通常知識者作出，其中之各者亦意欲涵蓋在所揭示之實施例中。

100:粉末研磨機 101:壓延輥 102:料斗 200:橫截面視圖 201:壓延輥 202:硬化層 300:方法 301:步驟 302:步驟 303:步驟 400:方法 401:步驟 402:步驟 403:步驟

本文中所描述之實施例的態樣、特徵、益處及優點將關於下列描述、文後申請專利範圍及隨附圖式而顯而易見，其中：

圖1繪示依據實施例之用於建立膜之壓延輥的圖。

圖2繪示依據實施例施加有硬化層的壓延輥之橫截面視圖的圖。

圖3繪示依據實施例藉由化學氣相沉積來施加類鑽石塗層的方法。

圖4繪示依據實施例藉由物理氣相沉積來施加碳化鎢之方法。

200:橫截面視圖

201:壓延輥

202:硬化層

Claims (12)

1. 一種形成一乾電極膜之方法，該方法包含： 使一表面硬化輥與一乾電極或乾電極前驅物粉末接觸， 用該表面硬化輥在該乾電極或該乾電極前驅物粉末上給予至少一力，以便形成該乾電極膜。
2. 如請求項1之方法，其中該表面硬化輥包括至少類鑽石塗層或碳化鎢之一硬化層。
3. 如請求項2之方法，其中該硬化層之厚度係約1 µm至約300 µm。
4. 如請求項1之方法，其中該表面硬化輥包括至少一底層。
5. 如請求項4之方法，其中該底層係由碳化鎢、一類鑽石塗層、銅或鉻中之一者所構成。
6. 如請求項4之方法，其中該底層具有約1 µm至約50 µm的一厚度。
7. 如請求項1之方法，其中該表面硬化輥係一軋輥或一壓延輥中之至少一者。
8. 一種系統，其包含： 一輥，其包含： 一硬化層，其經定位於該輥之表面上。
9. 如請求項8之系統，其中該硬化層係由碳化鎢、鉻或一類鑽石塗層中之一者所構成。
10. 如請求項8之系統，其中該硬化層之厚度係約1 µm至約300 µm。
11. 如請求項8之系統，其進一步包含一底層，該底層經定位於該輥之該表面與該硬化層之間，其中： 該底層係由碳化鎢、一類鑽石塗層、銅或鉻中之一者所構成。
12. 如請求項11之系統，其中該底層具有約1 µm至約300 µm的一厚度。