專利名稱：制備陶瓷結構的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制造復雜陶瓷結構例如具有蜂窩結構的陶瓷揚聲器振膜、陶瓷過濾器、和在高溫下使用的陶瓷彈簧的方法，該陶瓷結構都由氧化鈦組成背景技術制備各種陶瓷結構的一般方法包括如下過程細粒陶瓷分散于氣體中形成氣溶膠。形成的氣溶膠由噴嘴高速噴出，碰撞到安置在噴嘴前的基體上，由此形成陶瓷層的沉積。也就是說，這種氣溶膠從亞音速加速到音速，并且碰撞到由例如金屬、陶瓷、玻璃、或塑料構成的基體上，由此形成具有大于或相當于燒結體密度的陶瓷結構。
碳化硅(SiC)陶瓷具有極好的耐熱性、耐腐蝕性、和耐磨損性。制備碳化硅陶瓷的方法包括反應燒結步驟和采用致密化助劑的燒結步驟。在采用致密化助劑的燒結步驟中，細粒SiC與硼、硼化合物和碳、或者碳和碳化合物混合，接著在2000℃左右的溫度下燒結混合物。
進而，有人提出通過化學呈相沉積(CVD)來沉積陶瓷如碳化硅(SiC)的方法；和一種把碳化硅與石墨和樹脂混合成形、再通過燒制來完全地形成燒結體的方法。
公開號為51-12130的日本未審專利申請公開了一種在含有氧氣的氬氣氣氛中、在金屬鈦的表面上形成二氧化鈦(TiO2)層的揚聲器振膜。公開號為2-152399的日本未審專利申請公開了一種通過陽極氧化在金屬鈦的表面上形成厚度為20-200nm或者至少1μm的二氧化鈦層的揚聲器振膜。這種包括在金屬鈦上形成氧化鈦層的聲振膜的硬度比單獨由金屬鈦組成的聲振膜的硬度高，因而具有極好的聲學特性。
公開號為2001-145199的日本未審專利申請公開了一種由揚聲器振膜的形狀的薄鈦板在含氧的氣體中經過熱處理而制備的氧化鈦組成的陶瓷振膜。
然而，上述制備不同陶瓷結構的方法需要昂貴的設備和復雜的操作。
在公開號為2001-145199的日本未審專利申請中，可以容易的制造陶瓷聲振膜。然而，當制造具有復雜形狀的陶瓷結構，如具有蜂窩結構的三維陶瓷揚聲器振膜，陶瓷過濾器，和在高溫下使用的陶瓷彈簧，就必須先用陶瓷材料生成該陶瓷結構的各個部件，再通過例如粘接劑相互連接這些部件。因此，問題在于制造過程相對困難和昂貴。

發(fā)明內容
由于這些問題，本發(fā)明的目的是提供一種相對簡單和低成本的制造復雜陶瓷結構的方法。
制造陶瓷結構的方法包括以下步驟將金屬鈦成型為所需形狀以制造多個鈦元件；機械的使該多個鈦元件相互接觸以產生鈦結構；通過熱處理該鈦結構以氧化該多個鈦元件，其中該機械的相互接觸的多個鈦元件在金屬鈦氧化的同時連接在一起。
從而，根據本發(fā)明可以以低成本生產相對復雜的陶瓷結構。


圖1是表示一種根據本發(fā)明制備陶瓷結構的方法制造的陶瓷結構的透視圖；圖2是表示一種熱處理設備的示意圖；圖3是表示另一種熱處理設備的示意圖；圖4是表示再一種熱處理設備的示意圖；圖5是根據本發(fā)明制備陶瓷結構的方法制造的具有矩形形狀的氧化鈦樣品X-射線衍射圖。
具體實施例方式
將對照附圖進行描述實施本發(fā)明制備陶瓷結構的方法的優(yōu)選實施方案。
圖1表示根據這個實施方案，制備具有所需形狀的、完全由氧化鈦(TiO2)組成的復雜陶瓷結構的方法。圖1所示的形狀是為了解釋說明，但是這個形狀沒有特殊的目的。
氧化鈦與金屬鈦相比具有極好的特性，例如較小的重量密度、較高的彈性模量、和高溫穩(wěn)定性。
在這個實施方案中，金屬鈦成型為預定形狀以生產如圖1所示的鈦元件1a、1b和1c。
將金屬鈦成型為預定形狀的方法包括例如壓力加工。即使在需要復雜形狀的時候，金屬鈦也可以成型為所需形狀，這是由于它極好的可加工性。
如圖1所示，這些鈦元件1a、1b和1c機械的相互接觸，以形成所需鈦結構1x。
將鈦結構1x置于熱處理設備的爐內，以便進行熱處理。然后，調整熱處理的條件。
熱處理可以在例如下面的氣氛中進行含氧的惰性氣體；含氧氣和水份的惰性氣體；含氧的氮氣；含氧氣和水份的氮氣；單獨的氧氣；含水份的氧氣；單獨的臭氧；含水份的惰性氣體；含水份的氮氣；和空氣。
當在空氣中進行熱處理時，例如，如圖2所示，使用的熱處理設備包括其中放置鈦結構1x的爐2，加熱爐2的加熱器3，和使空氣經過的通風開口4。爐2可以被關閉，或者空氣可以經過爐2。
當在由氧氣；含氧的惰性氣體；含氧的氮氣；或臭氧(在下文中，稱這些氣體為“含氧氣體”)組成的氣氛中進行熱處理時，例如，如圖3所示，使用的熱處理設備包括其中放置鈦結構1x的爐2，加熱爐2的加熱器3，儲存含氧氣體的罐5，控制含氧氣體供應的閥6，和排出含氧氣體的出口7。
鈦結構1x放置在熱處理設備的爐2中，然后打開閥6，從罐5中供應含氧氣體到爐2，因此含氧氣體取代在爐2內空氣。取代之后，可以繼續(xù)或停止給爐2供應含氧氣體。
當在由含氧氣和水份的惰性氣體；含氧氣和水份的氮氣；含水份的氧氣；含水份的惰性氣體；或含水份的氮氣(在下文中，稱這些氣體為“含水份的氣體”)組成的氣氛中進行熱處理時，例如，如圖4所示，使用的熱處理設備包括其中放置鈦結構1x的爐2，加熱爐2的加熱器3，儲存含氧氣體的罐5，控制含氧氣體供應的閥6，向來自罐5供應的氣體中增加水份以獲得含水份氣體的起泡器8，排出含水份的氣體的出口7。在這個熱處理設備中，水份可以通過讓氣體經過起泡器8而容易地加入到儲存在罐5中的氣體中。
將鈦結構1x置于熱處理設備的爐2內，然后打開閥6，經過起泡器8從罐5中供應含水份的氣體到達爐2，由此含水份的氣體取代爐2內的空氣。取代之后，可以繼續(xù)或停止向爐2的供應含水份的氣體。
接下來，用加熱器3使爐2內的溫度升高至熱處理所需的溫度。加熱速度最好有所控制以使鈦結構1x不變形或損壞。
爐2維持在預定溫度下對鈦結構1x進行熱處理。從而，鈦結構1x完全被氧化形成氧化鈦。
熱處理是在800℃或者更高的溫度下進行。當在880℃進行熱處理時，這是鈦的相變溫度，產生一種淺黃色的氧化鈦，并帶有許多在電子顯微鏡下可觀察到的微孔。這樣的氧化鈦由于它的低重量密度和高彈性模量而具有極好的剛度。當鈦結構1x在低于880℃進行熱處理時，產生一種灰色的氧化鈦，其具有不令人滿意的減少的重量密度和不令人滿意的增加的剛度，這種灰色氧化鈦的密度比淺黃色氧化鈦的高。
熱處理之后，爐2被冷卻以獲得完全由氧化鈦組成的陶瓷結構1。冷卻可以是自然冷卻或者例如，使用冷卻水的強制冷卻，只要陶瓷結構1不變形或損壞就行由于陶瓷結構1完全由氧化鈦組成，顯現出氧化鈦的充分極好的內在特性。因此，陶瓷結構1具有極好的特性，如在高溫下的高剛度和穩(wěn)定性。
氧化鈦作為結構材料具有極好的特性，但是難以形成復雜的形狀。本發(fā)明的方法是如下進行的將具有極好的可加工性的金屬鈦成型為所需形狀以生產鈦元件1a、1b和1c。這些鈦元件1a、1b和1c機械的相互接觸以成型為鈦結構1x。當鈦結構1x被氧化以生產陶瓷結構1時，與此同時，在鈦元件1a、1b和1c中機械接觸的部分通過分子間結合相互連接。也就是說，這些鈦元件1a、1b和1c通過氧化同時相互連接，容易地生產出復雜的完全由氧化鈦組成的陶瓷結構1。而且，由于許多產品可以同時被氧化而無需昂貴的薄膜形成設備，例如化學氣相沉積(CVD)設備，所以可以以低成本制造完全由氧化鈦組成的陶瓷結構1。
陶瓷結構由根據本發(fā)明制備陶瓷結構的方法來制造。
樣品1制備兩種由金屬鈦構成的鈦結構。用于鈦結構之一的鈦板厚度為20μm，另一種的厚度為3μm。成型每一種鈦結構以使熱處理后可生產出所需陶瓷結構。除了這兩種鈦結構，再制備一個用于測量的20μm厚的矩形金屬鈦樣品。
將這兩種鈦結構和矩形的金屬鈦樣品置于熱處理設備的爐內，如圖2所示，而后增高爐內溫度?？梢躁P閉爐，也可以讓空氣從爐穿過。用90分鐘使爐內的溫度從25℃升高至900℃，此溫度高于金屬鈦的相變溫度。
爐內溫度維持在900℃，直到鈦結構完全被氧化以生產氧化鈦結構。20μm厚的鈦板需要至少30min的保持時間，30μm厚的鈦板需要至少60min的保持時間。
爐自然冷卻，產生完全由氧化鈦構成的樣品1的陶瓷結構和矩形的氧化鈦樣品。
得到的陶瓷結構和矩形的氧化鈦樣品為淺黃色。機械接觸的部分被完全氧化，并牢固地相互連接。圖5是矩形氧化鈦樣品的X射線衍射圖。觀察到的衍射峰表示得到的物質是具有金紅石結構的氧化鈦。
熱處理后矩形氧化鈦樣品與熱處理前的矩形金屬鈦樣品的延伸百分率是1.2％。
樣品2如樣品1制備陶瓷結構和矩形氧化鈦樣品，但是使用如圖3所示的熱處理設備，并且熱處理在由含氧氣體組成的氣氛中進行。得到的聲振膜和氧化鈦樣品與樣品1一樣為淺黃色。
樣品3如樣品1制備陶瓷結構和矩形氧化鈦樣品，但是使用如圖4所示的熱處理設備，并且在由含水份的氣體組成的氣氛中進行熱處理。得到的聲振膜和氧化鈦樣品與樣品1一樣為淺黃色。
樣品4如樣品1制備陶瓷結構和矩形氧化鈦樣品，但是在850℃下進行熱處理。得到的聲振膜和氧化鈦樣品為灰色。
在這個例子中，機械接觸的部分被完全氧化，并牢固地相互連接。
計算樣品1-4中得到的每一種矩形氧化鈦樣品和每一種熱處理前的矩形金屬鈦樣品的厚度、重量密度和彈性模量。結果列于表1。從樣品2和3中獲得的結果被省略，因為其結果與樣品1的值相同。
表1

從表1顯然可見，樣品1的厚度是熱處理前的大約2倍，彈性模量是熱處理前的2倍以上。樣品1的重量密度降低。這樣，由于樣品1的熱處理溫度高于金屬鈦的相變溫度，樣品1表現出極好的氧化鈦的內在特性。
與樣品1的相比，樣品4的重量密度和彈性模量都不好。由于樣品4的熱處理溫度為850℃，低于金屬鈦的相變溫度，樣品4不能獲得氧化鈦的極好的內在特性。然而，樣品4表現的特性優(yōu)于熱處理前的樣品。
在樣品1-3中，樣品1的陶瓷結構在空氣中熱處理，可以以最低的成本制造。
本發(fā)明不局限于這些公開的實施方案。本發(fā)明包括了在發(fā)明范圍內的各種變化。
權利要求
1.制造陶瓷結構的方法，包括下列步驟將金屬鈦成型為所需形狀以產生多個鈦元件；機械的使該多個鈦元件相互接觸以產生鈦結構；并且通過熱處理該鈦結構以氧化該多個鈦元件，其中這些機械的相互接觸的該多個鈦元件在金屬鈦氧化的同時連接在一起。
2.如權利要求1制備陶瓷結構的方法，其中氧化步驟中的熱處理是在800℃或更高的溫度下進行的。
全文摘要
制造陶瓷結構的方法包括下列步驟將金屬鈦成型為所需形狀以產生多個鈦元件；機械的使該多個鈦元件相互接觸以產生鈦結構；并且通過熱處理該鈦結構以氧化該多個鈦元件，其中機械的相互接觸的該多個鈦元件在金屬鈦的氧化的同時連接在一起。
文檔編號H04R7/00GK1610450SQ20041008744
公開日2005年4月27日 申請日期2004年9月3日 優(yōu)先權日2003年9月4日
發(fā)明者大橋芳雄, 瓜生勝 申請人:索尼株式會社