CN101171357B - 制造多功能材料的方法 - Google Patents

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Abstract

提供制造多功能材料的方法，该多功能材料表现出高的光催化活性，甚至可容易地吸收VOCs，具有高的涂层硬度，并表现出优异的耐热性、耐腐蚀性、耐剥离性和耐磨性。该方法包括通过施加燃烧火焰到基体表面上热处理表面层由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的基体使得表面层的温度升高到600℃或更高，或在含氧气氛中热处理基体表面使得表面层的温度升高到600℃或更高，借此在表面层的内部形成由氧化钛或钛合金氧化物的林立微柱形成的层；和随后与表面层平行地切割由林立微柱形成的层，借此产生包括基体和在基体的至少一部分上露出的由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层的材料，以及包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱的材料，其中突起和微柱由氧化钛或钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。

Description

制造多功能材料的方法
技术领域
本发明涉及制造多功能材料的方法。更详细地，本发明涉及制造多功能材料的方法，该多功能材料甚至可容易地吸收挥发性有机化合物(VOCs)，具有大的表面积并因此表现出高的光催化活性，其具有高的涂层硬度，并表现出优异的耐热性、耐腐蚀性、耐剥离性和耐磨性。
背景技术
迄今为止，已知二氧化钛(TiO2)(在本说明书和权利要求书中简单地称为“氧化钛”)为表现出光催化功能的物质。自二十世纪七十年代起，就尝试在金属钛的表面上形成氧化钛薄膜。已知的氧化钛薄膜形成方法包括：通过阳极化在金属钛的表面上形成氧化钛薄膜的方法；在被供给氧气的电炉中在金属钛板的表面上热形成氧化钛薄膜的方法；和在1100-1400℃的城市煤气燃烧火焰中加热金属钛板从而在金属钛板的表面上形成氧化钛薄膜的方法(见非专利文献1)。
为了产生利用其光催化功能而表现出除臭、抗菌、防雾或防污作用的光催化产品，通常通过喷涂、旋涂、浸涂或类似技术用氧化钛溶胶涂敷基体，从而形成薄膜(参见例如专利文献1-3)。但是，形成的涂膜可能会发生剥离或磨损，因此这样制造的产品难以长期使用。同时，还知道通过溅射形成光催化涂层的方法(参见例如专利文献4-5)。
还知道，当将通过任何工艺(例如CVD或PVD)产生的晶核放在包含无机或有机金属化合物的溶胶中以借此由晶核生长氧化钛晶体时，或当将溶胶涂布到晶核上然后固化和热处理以借此由晶核生长氧化钛晶体时，这样生长的氧化钛晶体是柱状的，并表现出高的光催化活性(见例如专利文献6-8)。但是，在这种情况下，柱状晶体只由置于基体上的晶种生长，因此这样生长的柱状晶体对基体的结合强度不足。因此，这样制造的光催化剂在耐久性(例如耐磨性)方面不能令人满意。
专利文献1：日本特开平09-241038号公报
专利文献2：日本特开平09-262481号公报
专利文献3：日本特开平10-053437号公报
专利文献4：日本特开平11-012720号公报
专利文献5：日本特开平2001-205105号公报
专利文献6：日本特开平2002-253975号公报
专利文献7：日本特开平2002-370027号公报
专利文献8：日本特开平2002-370034号公报
非专利文献1：A.Fujishima等人，J.Electrochem.Soc.Vol.122，No.11，1487-1489页，1975年11月
发明内容
本发明要解决的问题
本发明的一个目的是提供制造多功能材料的方法，该多功能材料表现出高光催化活性，甚至可容易地吸收VOCs，其具有高的涂层硬度，并表现出优异的耐热性、耐腐蚀性、耐剥离性和耐磨性。
解决问题的手段
为了达到上述目的，本发明人进行了深入研究。结果，本发明人发现，当通过将任何所需燃料的燃烧火焰直接施加到基体表面在特定条件下热处理至少其表面层由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的基体时，或当在特定条件下在含氧气氛中热处理基体表面时，在表面层的内部形成具有氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱的层(下文中这种层可被称为“林立微柱形成的层”)；当与表面层平行地切割林立微柱形成的层时，产生了包括基体和在基体的至少一部分上露出的由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层的材料，以及包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱的材料，其中突起和微柱由氧化钛或钛合金氧化物形成并露出在薄膜上；这样产生的两种材料都为有用的多功能材料。基于这些发现完成了本发明。
因此，本发明提供一种制造多功能材料的方法，该方法特征在于包括通过将燃烧火焰直接施加到基体表面上热处理至少表面层由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的基体，使得表面层的温度升高到600℃或更高，或在含氧气氛中热处理基体表面使得表面层的温度升高到600℃或更高，借此使在表面层的内部形成由氧化钛或钛合金氧化物的林立微柱形成的层；和随后通过施加例如热应力、剪切应力或拉力与表面层平行地切割由林立微柱形成的层，借此产生包括基体和在基体的至少一部分上露出的由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层的材料，以及包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱的材料，其中突起和微柱由氧化钛或钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。
本发明还提供了一种制造多功能材料的方法，该方法特征在于包括通过将燃烧火焰直接施加到基体表面上热处理至少表面层由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的基体使得表面层的温度升高到600℃或更高，或在含氧气氛中热处理基体表面使得表面层的温度升高到600℃或更高，借此在表面层的内部形成由氧化钛或钛合金氧化物的林立微柱形成的层；和随后通过施加由于基体表面和背面之间的温度差引起的热应力与表面层平行地切割由林立微柱形成的层，借此产生包括基体和在基体的至少一部分上露出的由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层的材料，以及包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱的材料，其中突起和微柱由氧化钛或钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。
发明效果
本发明的制造方法产生以下多功能材料：包括基体和由氧化钛或钛合金氧化物的林立微柱形成的层的材料，微柱露出在基体的至少一部分上；和包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱的材料，其中突起和微柱由氧化钛或钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。这些材料中的每一种都表现出高的光催化活性，甚至可容易地吸收VOCs，具有高的涂层硬度，并表现出优异的耐热性、耐腐蚀性、耐剥离性和耐磨性。
附图说明
[图1]图1是实施例1中得到的多功能材料的显微照片。
[图2]图2为显示从与薄膜表面相对的侧观察的小片材料3的薄膜表面状态的显微照片，在薄膜表面上具有氧化钛形成的大量连续白色小宽度突起，林立微柱在突起上被露出。
[图3]图3为从薄膜上具有氧化钛形成的大量连续白色小宽度突起的侧观察的小片材料3的表面状态的显微照片，微柱在突起上被露出。
[图4]图4为显示由白色氧化钛林立微柱形成的层2的状态的显微照片。
[图5]图5为显示已除去林立微柱形成的层2的钛板表面1的状态的显微照片。
[图6]图6为显示由白色氧化钛林立微柱形成的层的状态的显微照片，所述层构成实施例5中得到的材料，其中由林立微柱形成的层露出在钛板表面的大部分上。
[图7]图7为显示试验例4(防污试验)中得到的结果的图。
[图8]图8为显示试验例5(晶体结构和结合特性)中得到的结果的图。
[图9]图9为显示实施例8中被加热120秒的试样的SEM显微照片。
[图10]图10为显示实施例8中被加热180秒的试样的SEM显微照片。
[图11]图11为显示实施例8中被加热480秒的试样的SEM显微照片。
具体实施方式
在本发明的制造方法中使用的至少表面层由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的基体可完全由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成。或者，基体可包括由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的表面部形成层，和由不同于这些钛材料的材料形成的芯材。对用于形成表现出光催化活性的最终产品的基体形状没有特殊限制，基体可具有任何形状(例如平板状、立体状)。
在至少表面层由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的基体包括由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的表面部形成层和由不同于这些钛材料的材料形成的芯材的情况下，表面部形成层的厚度(量)可等于由氧化钛或钛合金氧化物的林立微柱形成的层的厚度(即表面部形成层整个用作氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层)，或可大于由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层的厚度(即表面部形成层的一部分(在厚度方向上)用作林立微柱形成的层，剩余部分未发生任何变化)。对芯材的材料没有特殊限制，只要该材料在本发明的制造方法的热处理过程中不燃烧、熔化或变形即可。芯材可由例如铁、铁合金、非铁合金、玻璃或陶瓷材料形成。这种包括薄膜状表面层和芯材的基体可通过例如以下方法来制备：通过溅射、气相沉积、喷涂或类似技术在芯材表面上形成钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物涂层的方法，或通过喷涂、旋涂或浸涂施加市售氧化钛溶胶到芯材表面上以借此在芯材表面上形成涂层的方法。这样形成的表面层的厚度优选为0.5μm或0.5μm以上，更优选为4μm或4μm以上。
在本发明的制造方法中，对使用的钛合金没有特殊限制，可使用各种已知的钛合金。可使用的钛合金的例子包括Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-7Al-4Mo、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.2Si、Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-0.3Mo-1Nb-0.3Si、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn、Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn、Ti-15Mo-5Zr-3Al、Ti-15Mo-5Zr和Ti-13V-11Cr-3Al。
本发明的制造方法使用燃烧火焰或高温含氧气氛。燃烧火焰可来源于例如固体燃料、氢或主要包含烃的气体。本文使用的术语“主要包含烃的气体”是指包含50vol.％或更多的烃的气体；例如，包含50vol.％或更多的天然气、LPG、烃(例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯或乙炔)或它们的适当气体混合物，并包含例如适量的空气、氢或氧的气体。对含氧气氛的成分(除氧外)没有特殊限制，只要气氛包含氧即可。气氛可为例如通过上述燃料的燃烧产生的废气、上述燃料的未燃烧气体或不包含上述燃料的气体。在本发明的制造方法中，当被热处理的基体的表面层由钛或钛合金形成时，需要用于氧化表面层的氧，使用的燃烧火焰或燃烧废气必须包含氧化表面层所需量的空气或氧。
在本发明的制造方法中，通过将燃烧火焰直接施加到基体表面上在高温下热处理具有由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的表面层的基体；或在含氧气氛中在高温下热处理该基体表面。可利用例如燃气喷嘴进行热处理，或可在炉中进行。
必须调整热处理的温度和时间，使得在由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的表面层内部形成由氧化钛或钛合金氧化物的林立微柱形成的层；和随后通过施加例如热应力、剪切应力或拉力与表面层平行地切割林立微柱形成的层，以借此产生包括基体和在基体的至少一部分上露出的由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层的材料，以及包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱的材料，其中突起和微柱由氧化钛或钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。优选地，在600-1500℃下热处理超过200秒，或在高于1500℃的温度下进行。更优选地，在600-1500℃下热处理超过400秒，或在高于1500℃的温度下进行。
在上述条件下的热处理形成中间体，所述中间体包括林立微柱形成的层(层高度：约1-约20μm，微柱的平均直径：约0.2-约3μm)和位于该层上并具有约0.1-约10μm厚度的薄膜。然后，通过施加例如热应力、剪切应力或拉力与表面层平行地切割由林立微柱形成的层，以借此产生包括基体和在基体的至少一部分上露出的由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层的材料(即位于基体上的林立微柱形成的层上的薄膜整个可被从层上剥离，或一部分不能被剥离并保留在层上)，以及包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱的材料，其中突起和微柱由氧化钛或钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。
当通过施加热应力与表面层平行地切割林立微柱形成的层时，例如，基体的表面和背面中的任何一个被冷却或加热，以使这些表面之间产生温度差。在这种情况下，通过例如使上述热中间体的表面或背面接触冷物体(例如不锈钢块)或吹冷空气(环境温度的空气)到上述热中间体的表面或背面上来进行冷却。当热中间体被放置冷却时，也产生热应力，但应力小。
当通过施加剪切应力与表面层平行地切割林立微柱形成的层时，例如，以相反的方向施加摩擦力到上述中间体的表面和背面上。当通过施加拉力与表面层平行地切割林立微柱形成的层时，例如，利用例如真空抽吸垫以垂直于表面的相反方向施加拉力到上述中间体的表面和背面上。在只从整体分离氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层被露出在基体至少一部分上的材料的情况下，可通过研磨、溅射或类似技术除去上述中间体的一部分，该部分对应于包括薄膜、位于薄膜上并由氧化钛或钛合金氧化物形成的大量连续小宽度突起和露出在突起上的林立微柱的材料。
在这样得到的材料中，由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层露出在基体的至少一部分上，由林立微柱形成的层的高度随与表面层平行地切割林立微柱形成的层的微柱高度变化。但是，由林立微柱形成的层的高度为约1-约20μm，微柱的平均直径为约0.5-约3μm。这种材料为多功能材料，其可容易地吸收VOCs，其具有大的表面积并因此表现出高的光催化活性，其具有高的涂层硬度，并且其表现出优异的耐热性、耐腐蚀性、耐剥离性和耐磨性。
同时，上面得到的包括薄膜、位于薄膜上并由氧化钛或钛合金氧化物形成的大量连续小宽度突起和露出在突起上的林立微柱的材料为小片状，每个小片上的突起具有约2-约12μm的高度。微柱高度随与表面层平行地切割林立微柱形成的层所在的微柱高度变化，但通常，微柱高度为约1-约5μm，微柱的平均直径为约0.2-约0.5μm。但是，在与表面层平行地切割林立微柱形成的层的一些条件下，实际上大量连续小宽度突起上可能不存在微柱，并且突起可能露出。而且，这种材料可吸收VOCs，具有大的表面积，并因此表现出高的光催化活性。可直接使用这种材料，或在使用前粉碎。这样粉碎的产品也能容易地吸收VOCs。具有大的表面积，并因此表现出高的光催化活性。
在本发明的制造方法中，通过控制热处理条件(温度和处理时间)，氧化钛或钛合金氧化物的微柱、大量连续小宽度突起或位于突起上的林立微柱可被掺杂碳，并且碳掺杂量可被调节。在掺杂碳的情况下，例如，使用主要包含烃的气体作为产生燃烧火焰或燃烧废气的燃料。含烃气体优选包含30体积％或更多的不饱和烃。更优选地，含烃气体包含50体积％或更多的乙炔。最优选地，含烃气体包含100％的乙炔。当使用不饱和烃(尤其是具有碳-碳三键的乙炔)时，在烃的燃烧过程中，通过这类不饱和键尤其在还原火焰中的分解形成中间碳自由基。这样形成的碳自由基表现出强活性，易引起碳掺杂，并且这样掺杂的碳以Ti-C键形式被包含。因此，当氧化钛或钛合金氧化物形成的微柱、大量连续小宽度突起或位于突起上的微柱被掺杂碳时，这些微柱或突起表现出增强的硬度，因此得到的多功能材料表现出提高的机械性能(例如涂层硬度和耐磨性)，以及提高的耐热性和耐腐蚀性。
当氧化钛或钛合金氧化物的林立微柱形成的层、大量连续小宽度突起和位于突起上的微柱被碳掺杂时，得到的材料能响应波长为400nm或以上的可见光(更不用说UV射线)，作为光催化剂特别有效。也就是说，材料可用作可见光响应光催化剂，即使在室内也表现出光催化功能(更不用说室外)。
在基体上由氧化钛或钛合金氧化物的林立微柱形成的层中，该层通过本发明的制造方法形成，如图1、4和6的显微照片所显示，每个微柱为例如棱柱状、圆柱状、棱锥状、圆锥状、倒棱锥状或倒圆锥状。例如，每个微柱在垂直或倾斜于基体表面的方向上直向延伸，以弯折或弯曲形式延伸，以分支形式延伸，或以它们的组合形式延伸。微柱的整体形状可用各种表现形式来表示，包括霜状晶体形式、起毛的地毯形式、珊瑚形式、柱廓形式和积木组合得到的柱状等。微柱的宽度、高度、底部尺寸等随例如热处理条件变化。
在包括薄膜、位于薄膜上并由氧化钛或钛合金氧化物形成的大量连续小宽度突起和露出在突起上的林立微柱的材料中，该材料通过本发明的制造方法形成，如图3的显微照片显示，大量连续小宽度突起具有核桃壳外侧的外观或浮石外观，每个连续小宽度突起都具有弯曲皱折样或皱纹样图案的外观。露出在突起上的微柱形状与构成位于基体上的层的微柱的形状相同。但是，由于大多数微柱在微柱和薄膜之间的结合部分处被切割，通常，露出在突起上的微柱的密度小于构成位于基体上的层的微柱的密度。
实施例
下面将参考实施例和比较例更详细地说明本发明。
实施例1-5
用表1中所示燃料的燃烧火焰在表1中所示的表面层温度下将钛板(厚度：0.3mm)表面热处理表1中所示的时间。然后，当使受到燃烧火焰的表面与不锈钢块(厚度：30mm)的平表面接触冷却所述板时，得到的产品被分离成包括钛板和由氧化钛的白色林立微柱形成的层的材料，层露出在钛板表面的大部分上；和小片材料，每个都包括薄膜、位于薄膜上的大量连续白色小宽度突起和形成在突起上的林立微柱，其中突起和微柱由氧化钛形成并露出在薄膜上。具体地说，通过在热处理后冷却，与表面层平行地切割由通过热处理在钛板表面层内部形成的氧化钛林立微柱形成的层。因此，得到实施例1-5的多功能材料。
图1为实施例1中得到的多功能材料的显微照片。图1显示了这样一种状态，其中由氧化钛的白色林立微柱形成的层2露出在钛板表面1上；和小片材料3保留在层2的一部分上，小片材料3包括薄膜、位于薄膜上的大量连续白色小宽度突起和形成在突起上的林立微柱，其中突起和微柱由氧化钛形成并露出在薄膜上。在通过本发明的制造方法制造多功能材料的情况下，这种钛板表面通常不被露出；即图1的显微照片显示了其中由林立微柱形成的层2的一部分从钛板表面1被除去的状态。图2为显示从与薄膜表面相对的侧观察的小片材料3的薄膜表面状态的显微照片，薄膜表面上具有氧化钛形成的大量连续白色小宽度突起，微柱在突起上被露出。图3为从薄膜上具有氧化钛形成的大量连续白色小宽度突起的侧观察的小片材料3的表面状态的显微照片，微柱在突起上被露出。图4为显示由白色氧化钛林立微柱形成的层2的状态的显微照片。图5为显示已除去林立微柱形成的层2的钛板表面1的状态的显微照片。图6为显示由白色氧化钛林立微柱形成的层的状态的显微照片，层构成实施例5中得到的材料，其中由林立微柱形成的层露出在钛板表面的主要部分上。
实施例6
用表1中所示燃料的燃烧火焰在表1中所示的表面层温度下将Ti-6Al-4V合金片(厚度：0.3mm)表面热处理表1中所示的时间。然后，当使受到燃烧火焰的表面与不锈钢块(厚度：30mm)的平表面接触以冷却板时，得到的产品被分离成包括钛合金片和由钛合金氧化物的林立微柱形成的层的材料，层露出在钛合金片表面的大部分上；和小片材料，每个都包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱，其中突起和微柱由钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。
实施例7
通过电子束沉积在不锈钢板(SUS316)(厚度：0.3mm)上形成钛薄膜(厚度：约3μm)。用表1中所示燃料的燃烧火焰在表1中所示的表面层温度下将薄膜表面热处理表1中所示的时间。然后，当使受到燃烧火焰的表面与不锈钢块(厚度：30mm)的平表面接触以冷却板时，得到的产品被分离成包括不锈钢板和由氧化钛的白色林立微柱形成的层的材料，层露出在不锈钢板表面的大部分上；和小片材料，每个都包括薄膜、位于薄膜上的大量连续白色小宽度突起和形成在突起上的林立微柱，其中突起和微柱由钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。
比较例1
通过旋涂将市售氧化钛溶胶(STS-01，Ishihara Sangyo Kaisha，Ltd.的产品)涂布到钛板(厚度：0.3mm)上，然后加热，由此在钛板上形成表现出增强的密合性的氧化钛涂层。
试验例1(划痕硬度试验：铅笔法)
利用铅笔(Uni 1H-9H，三菱铅笔株式会社的产品)按照JIS K5600-5-4(1999)对实施例1-7中得到的每种材料(试样)进行铅笔划痕硬度试验，所述材料中林立微柱形成的层露出在基板表面上。在材料微柱侧的表面上进行试验。结果显示在表1中。如表1所示，即使在使用9H铅笔时，在所有试样中都没有观察到损伤。
试验例2(耐化学性试验)
在室温下将实施例1-7中得到的每种材料(试样)浸在1M硫酸水溶液或1M氢氧化钠水溶液中1周，然后用水洗涤，干燥，所述材料中林立微柱形成的层露出在基板表面上。然后，按照与上述类似的方式对这样处理的材料进行铅笔划痕硬度试验。结果显示在表1中。如表1所示，即使在使用9H铅笔时，在所有试样中都没有观察到损伤，即实施例1-7的材料表现出高的耐化学性。
试验例3(耐热性试验)
将实施例1-7中得到的每种材料(试样)放在管状炉中，所述材料中林立微柱形成的层露出在基板表面上；在空气气氛中用1小时将材料从室温加热到500℃；将材料在500℃下保持2小时；再用1小时静置冷却到室温。然后，按照与上述类似的方式对这样处理的材料进行铅笔划痕硬度试验。结果显示在表1中。如表1所示，即使在使用9H铅笔时，在所有试样中都没有观察到损伤，即实施例1-7的材料表现出高的耐热性。
[表1]
表1
  燃料   表面层温度   加热时间   划痕硬度   耐化学性   耐热性
 实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6实施例7   乙炔乙炔乙炔乙炔甲烷乙炔乙炔   1100℃1200℃1220℃1250℃1100℃1100℃1100℃   10分钟7分钟8分钟10分钟10分钟10分钟8分钟   超过9H超过9H超过9H超过9H超过9H超过9H超过9H   超过9H超过9H超过9H超过9H超过9H超过9H超过9H   超过9H超过9H超过9H超过9H超过9H超过9H超过9H
试验例4(防污试验)
使用实施例4中得到的林立微柱形成的层露出在基板表面上的材料(表面积：8cm2)和比较例1中得到的涂敷氧化钛的钛板(表面积：8cm2)作为样品。对每个样品进行除臭试验。具体地说，将每个样品浸在亚甲基蓝水溶液中(80mL，亚甲基蓝浓度：约12μmol/L)。在初始吸附对亚甲基蓝浓度降低的影响开始可以忽略时，利用具有UV截止式滤波器的荧光灯(松下电器产业株式会社)用可见光照射水溶液，利用水质检测装置(DR/2400，HACH的产品)以规定的照射时间间隔测量亚甲基蓝水溶液在660nm处的吸光度。结果显示在图7中。
从图7明显看出，与比较例1中得到的涂敷氧化钛的钛板的情况相比，实施例4中得到的林立微柱形成的层露出在基板表面上的材料以较高的速度分解亚甲基蓝，即实施例4的材料表现出高的抗污效果。
试验例5(晶体结构和结合特性)
将由实施例3中得到的林立微柱形成的层露出在基板表面上的材料的微柱得到的样品进行X-射线衍射测量(XRD)，结果发现样品具有金红石型晶体结构。
利用X-射线光电子分析装置(XPS)在以下条件下对实施例3中得到的林立微柱形成的层露出在基板表面上的材料的微柱进行分析：加速电压：10kV，靶：Al，Ar离子溅射：2700秒。当溅射速度为
Figure G2006800138299D00111
其与SiO2膜的相当，深度为约173nm。XPS分析的结果显示在图8中。在284.6eV的结合能处观察到最高峰。这个峰被认为对应于C-H(C)键，通常在Cls分析中观察到它。在281.6eV的结合能处观察到第二最高峰。Ti-C键的结合能为281.6eV，因此实施例3的材料的微柱被认为以Ti-C键的形式掺杂碳。在微柱的不同高度水平的14个点上进行XPS分析，结果在所有点的XPS光谱中在281.6eV处或其附近观察到与其相似的峰。
实施例8
使用钛制圆板作为试样，每个都具有32mm的直径和0.3mm的厚度。利用乙炔的燃烧火焰加热试样的表面使得表面温度保持在约1150℃。加热第一试验片120秒，然后静置冷却。加热第二试验片180秒，然后静置冷却。加热第三试验片480秒，然后立即使经受燃烧火焰的表面与不锈钢块(厚度：30mm)的平表面接触以冷却试验片。通过这种冷却，从钛板的表面剥离薄膜，由此产生氧化钛的白色林立微柱形成的层露出在钛板表面上的材料。利用FIB-SEM装置(SMI8400SE，SeikoInstruments Inc.的产品)在这三个试验片每一个的表面中打出尺寸为3μm×12μm和深度为10μm的孔，利用SEM装置(VE7800，KeyenceCorporation的产品)观察每个孔的侧面和底面。图9为加热了120秒后的试验片的SEM显微照片；图10为加热了180秒后的试验片的SEM显微照片；图11为加热了480秒后的试样的SEM显微照片。如图10所示，在加热180秒的试验片中，微柱结构开始在涂层的下部形成。因此，可以想到，进一步进行火焰处理使微柱延伸，可形成本发明想要的微柱结构。

Claims (14)

1.一种制造多功能材料的方法，特征在于该方法包括通过将燃烧火焰直接施加到基体表面上热处理至少其表面层由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的基体，在1100-1500℃下热处理超过400秒，借此在表面层的内部提供由氧化钛或钛合金氧化物的林立微柱形成的层；和随后通过施加由基体表面和背面之间的温度差引起的热应力与表面层平行地切割由林立微柱形成的层，借此产生包括基体和在基体的至少一部分上露出的由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层的材料，以及包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱的材料，其中突起和微柱由氧化钛或钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。
2.根据权利要求1的制造多功能材料的方法，其中至少其表面层由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的基体完全由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成。
3.根据权利要求1的制造多功能材料的方法，其中至少其表面层由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的基体包括由钛、氧化钛、钛合金或钛合金氧化物形成的表面部形成层，和由不同于这些钛材料的材料形成的芯材。
4.根据权利要求1的制造多功能材料的方法，其中钛合金为Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-7Al-4Mo、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.2Si、Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-0.3Mo-1Nb-0.3Si、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn、Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn、Ti-15Mo-5Zr-3Al、Ti-15Mo-5Zr或Ti-13V-11Cr-3Al。
5.根据权利要求2的制造多功能材料的方法，其中钛合金为Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-7Al-4Mo、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.2Si、Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-0.3Mo-1Nb-0.3Si、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn、Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn、Ti-15Mo-5Zr-3Al、Ti-15Mo-5Zr或Ti-13V-11Cr-3Al。
6.根据权利要求3的制造多功能材料的方法，其中钛合金为Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-7Al-4Mo、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.2Si、Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-0.3Mo-1Nb-0.3Si、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn、Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn、Ti-15Mo-5Zr-3Al、Ti-15Mo-5Zr或Ti-13V-11Cr-3Al。
7.根据权利要求1的制造多功能材料的方法，其中氧化钛或钛合金氧化物的微柱被掺杂碳。
8.根据权利要求2的制造多功能材料的方法，其中氧化钛或钛合金氧化物的微柱被掺杂碳。
9.根据权利要求3的制造多功能材料的方法，其中氧化钛或钛合金氧化物的微柱被掺杂碳。
10.根据权利要求1的制造多功能材料的方法，其包括分离和收集包括基体和在基体的至少一部分上露出的由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层的材料，以及包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱的材料，其中突起和微柱由氧化钛或钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。
11.根据权利要求2的制造多功能材料的方法，其包括分离和收集包括基体和在基体的至少一部分上露出的由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层的材料，以及包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱的材料，其中突起和微柱由氧化钛或钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。
12.根据权利要求3的制造多功能材料的方法，其包括分离和收集包括基体和在基体的至少一部分上露出的由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层的材料，以及包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱的材料，其中突起和微柱由氧化钛或钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。
13.根据权利要求8的制造多功能材料的方法，其包括分离和收集包括基体和在基体的至少一部分上露出的由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层的材料，以及包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱的材料，其中突起和微柱由氧化钛或钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。
14.根据权利要求9的制造多功能材料的方法，其包括分离和收集包括基体和在基体的至少一部分上露出的由氧化钛或钛合金氧化物形成的林立微柱形成的层的材料，以及包括薄膜、位于薄膜上的大量连续小宽度突起和形成在突起上的林立微柱的材料，其中突起和微柱由氧化钛或钛合金氧化物形成并露出在薄膜上。
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