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微波燒結(jié)的研究進(jìn)展及其在陶瓷材料中的應(yīng)用
作者：發(fā)布時(shí)間：2013-12-31 10:39:01點(diǎn)擊率：4327
作者：赤仔斌 劉大成
摘要：微波燒結(jié)不同于傳統(tǒng)燒結(jié)，是一種全新的燒結(jié)技術(shù)。本文介紹了微波燒結(jié)的原理及特點(diǎn)，全而綜述了微波燒結(jié)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，介紹了微波燒結(jié)在陶瓷材料中的應(yīng)用，最后展望了微波燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：微波燒結(jié)，陶瓷材料，技術(shù)原理，復(fù)合材料
1前言
與無線電、紅外線、可見光一樣，微波也是一種電磁波。只小過微波是一種頻率非常高的電磁波，又稱超高頻。通常把300MHz-300GHz的電磁波劃為微波，其對應(yīng)的波長范圍為1-1000mm。自從20世紀(jì)40年代以來，微波在雷達(dá)、通訊、能源、等離子體和固體物理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。50年代美國的Von Hippel在材料介質(zhì)特性方而的開創(chuàng)性工作為微波燒結(jié)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。材料的微波燒結(jié)開始于20世紀(jì)60年代中期，由Tinga W R等人首先提出用微波對陶瓷材料進(jìn)行燒結(jié)。到70年代中期，法國的Badot和Berteand及美國的Suaont等開始對微波燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究；80年代以后，各種高性能陶瓷和金屬陶瓷材料得到廣泛應(yīng)用。目前，微波加熱的研究涉及到陶瓷制備與處理的各個(gè)過程，如精細(xì)陶瓷材料的制備，陶瓷材料的高溫?zé)Y(jié)，陶瓷復(fù)合材料的焊接等。隨著對微波燒結(jié)技術(shù)研究的深入，能夠用于微波燒結(jié)的材料種類將小斷擴(kuò)大，引起廣泛關(guān)注。
2微波燒結(jié)原理和特點(diǎn)
2.1微波燒結(jié)的原理
材料的傳統(tǒng)加熱方式是必須將材料置于加熱的環(huán)境中，熱能通過對流、傳導(dǎo)或輻射的方式傳遞至材料表而，再由表而傳導(dǎo)到材料內(nèi)部，直至達(dá)到熱平衡。在此期間，加熱環(huán)境不可能完全的絕熱封閉，而目_為了使材料芯部的組織狀態(tài)與表而相同，達(dá)到燒透的目的，加熱時(shí)間一般都會(huì)很長，大量熱量很容易就散失到環(huán)境中去，從而造成極大的能量損失。
微波加熱小同于傳統(tǒng)的加熱方式。微波燒結(jié)是利用微波電磁場中陶瓷材料的介質(zhì)損耗使材料整體加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)燒結(jié)和致密化。介質(zhì)材料在微波電磁場的作用下會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)極化，如電子極化、原子極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化和界而極化等同。在極化過程中極性分子由原來的隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向依照電場的極性排列取向，而在高頻電磁場作用下，分子取向按交變電磁的頻率小斷變化。但材料內(nèi)部的介質(zhì)極化過程無法跟隨外電場的快速變化，極化強(qiáng)度矢量會(huì)滯后于電場強(qiáng)度矢量一個(gè)角度，導(dǎo)致電極化過程中顯示出電滯現(xiàn)象，此過程中微觀粒子之間的能量交換在宏觀上表現(xiàn)為能量損耗。在微波波段，主要是偶極子轉(zhuǎn)向極化和界而極化產(chǎn)生的吸收電流構(gòu)成材料的功率耗散。微波燒結(jié)的關(guān)鍵取決于材料自身的特性，如介電性能、磁性能以及導(dǎo)電性能等。
2.2微波燒結(jié)的特點(diǎn)
電磁波透入物質(zhì)的速度與光的傳播速度是十分接近的，因而在微波波段將電磁波的能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)分子的能量的時(shí)間快于千萬分之一秒，這就是微波可形成內(nèi)外同時(shí)加熱的原因。基于此以及與常規(guī)燒結(jié)小同的加熱原理，微波燒結(jié)具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn):
2.2.1燒結(jié)溫度低、時(shí)間短、節(jié)能、無污染
因?yàn)槲⒉▽ξ矬w幾乎可以形成即時(shí)加熱，并實(shí)現(xiàn)材料較大體積區(qū)域中的零梯度均勻加熱，所以可以大大降低燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間，顯著提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)周期。而且微波能可被材料直接吸收，如果燒結(jié)爐保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)得好的話，幾乎沒有什么熱量損失，能量利用率很高，比常規(guī)燒結(jié)節(jié)能80%左右。由于燒結(jié)時(shí)間短，燒結(jié)過程中耗費(fèi)的保護(hù)氣體用量也大大降低，減少了小必要的污染。
2.2.2經(jīng)濟(jì)簡便地獲得2000℃以上的超高溫
普通陶瓷的燒結(jié)需要1300℃以上的高溫，這樣對高溫爐子的發(fā)熱元件、絕熱材料及保溫材料就提出了很苛刻的要求，制造和使用成本都很高。而微波則利用了材料本身的介電損耗發(fā)熱，整個(gè)微波裝置只有試樣處于高溫狀態(tài)，而其余部分仍處于常溫狀態(tài)，所以整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，制造和使用成本較低。
2.2.3選擇性燒結(jié)
對于多相混合材料，由于小同介質(zhì)吸收微波的能力小同，產(chǎn)生的耗散功率小同，熱效應(yīng)也小同，司一以利用這一點(diǎn)來對復(fù)合材料進(jìn)行選擇性燒結(jié)，研究新的材料和得到材料的更佳性能。
2.2.4改進(jìn)陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)和宏觀性能
由于微波燒結(jié)的速度快、時(shí)間短，從而避免了燒結(jié)過程中陶瓷材料晶粒的異常長大，最終可獲得具有高強(qiáng)度和韌性的超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)材料。
3微波燒結(jié)材料的研究進(jìn)展
微波燒結(jié)的概念由Tinga W R等人提出于20世紀(jì)60年代末期。微波燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展歷程大致可以分為三個(gè)階段:70年代中期至80年代早期進(jìn)入初步實(shí)驗(yàn)研究階段。1976年，法國的Badot和Berteand首先報(bào)導(dǎo)了在實(shí)驗(yàn)室用微波燒結(jié)材料取得成功，這個(gè)期間的研究和實(shí)驗(yàn)工作主要局限于一些容易吸收微波而燒結(jié)溫度又較低的陶瓷材料，如BaTiO UO2等。80年代中期至90年代中期進(jìn)入研究發(fā)展期，美國、加拿大、德國等各國投入了大量的財(cái)力、人力用于研究和發(fā)展微波燒結(jié)技術(shù)。1988年開始，美國材料研究學(xué)會(huì)(MRS)會(huì)議將微波燒結(jié)技術(shù)作為一個(gè)專題列入討論，之后，每兩年舉行一次，并出版了多本論文集。在這個(gè)期間，主要探索和研究了微波理論、微波燒結(jié)裝置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料燒結(jié)工藝、材料介電參數(shù)測試、材料與微波交互作用機(jī)制以及電磁場和溫度場計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等，燒結(jié)了許多小同類型的材料。20世紀(jì)90年代末期進(jìn)入微波燒結(jié)產(chǎn)業(yè)化階段，美國、加拿大、德國等發(fā)達(dá)國家開始投入小批量生產(chǎn)。1988年，武漢工業(yè)大學(xué)在我國率先開展了微波燒結(jié)技術(shù)研究，并被列為國家“863計(jì)劃”。中國科學(xué)院沈陽金屬所、上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)等單位相繼開展了該技術(shù)的研究，推動(dòng)了該技術(shù)在我國的發(fā)展。
在微波燒結(jié)技術(shù)發(fā)展的很長一段時(shí)間內(nèi)，研究對象主要局限在Al2O3和Zr02等陶瓷、復(fù)合陶瓷或半導(dǎo)體，國內(nèi)外研究者至今幾乎對所有的氧化物陶瓷材料進(jìn)行了微波燒結(jié)研究。進(jìn)入90年代以來，微波燒結(jié)材料的種類有所擴(kuò)展。
B4C、SiC、Si3N4、和TiB2等是用微波成功燒結(jié)的非氧化物陶瓷材料。Holcombe發(fā)現(xiàn)，在用微波燒結(jié)非氧化物陶瓷材料的過程中，可加入各種燒結(jié)助劑，如C , Mo , TiB2 , CrB2和MoSi2等。例如，在B4C中加入2.5%的C，置于2150℃的環(huán)境中燒結(jié)30min，能夠比傳統(tǒng)燒結(jié)提高致密度達(dá)17%。對絕大多數(shù)氮化物陶瓷，如純Si3N4,損耗低，很難用微波加熱，一般要加入Al2O3,和Y2O3作為燒結(jié)助劑。Tiegs等人經(jīng)研究證實(shí)，添加這些氧化物能夠促進(jìn)微波燒結(jié)的進(jìn)行。Si3N4的加熱被認(rèn)為是微波禍合于晶界液相而產(chǎn)生的，晶界上發(fā)生的所有過程都均加速了。
在19世紀(jì)60年代，Cable首先制備出了透明氧化鋁陶瓷。用傳統(tǒng)方法燒結(jié)出來的多晶陶瓷由于存在著晶界、第二相和氣孔等結(jié)構(gòu)而極大地影響了其光學(xué)性能。而在微波燒結(jié)中，樣品自身吸收微波能并將之轉(zhuǎn)化為自身內(nèi)部的熱能，由于低溫快速燒結(jié)的實(shí)現(xiàn)，獲得了致密度高、晶粒結(jié)構(gòu)均勻的多晶材料，使得氣孔和晶界造成的對光線的散射大幅度降低，這樣就提高了多晶陶瓷的透光性。因此采用微波燒結(jié)的方法比常規(guī)燒結(jié)更容易制備出透明陶瓷。
目前，己經(jīng)采用微波燒結(jié)的方法成功地制備出了一些透明度很高的陶瓷，如Al2O3、 MgAl2O4以及AlN , AlON等。Cheng J P等人在制備透明氧化鋁陶瓷的過程中，采用高純氧化鋁粉末做原料，并添加適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑，置于2.45GHz,1.5Kw的單模腔中，升溫速率為150℃/min，在1700℃條件下燒結(jié)lOmin就能得到致密而透明的Al2O3。若適當(dāng)延長燒結(jié)時(shí)間(不超過30min)，在其它條件不變的情況下，Al2O3的透明度就更高了。
4微波燒結(jié)在陶瓷材料中的應(yīng)用
微波燒結(jié)技術(shù)自問世以來，一直受到各個(gè)國家的廣泛重視，且應(yīng)用領(lǐng)域也小斷擴(kuò)大。瑞典微波技術(shù)研究所用微波能把超純硅石加熱到2000℃以上來制造光纖，與傳統(tǒng)熱源相比，不僅降低能耗，而且減低了石英表面的升華率。美國、加拿大等國用微波燒結(jié)來批量制造火花塞瓷、Zr02,Si3N4,SiC,Al2O3- TiC和超導(dǎo)材料等陶瓷材料。
近年微波燒結(jié)技術(shù)出現(xiàn)了許多新的應(yīng)用。利用微波合成納米材料也取得了一定的進(jìn)展。納米粉末的制備本小容易，具有納米晶粒的塊體材料的制備則更難。而微波燒結(jié)技術(shù)所具有的燒結(jié)溫度低、時(shí)間短等特性則為成功制備此種材料提供了可能。北京科技大學(xué)李云凱等人采用Al2O3和Zr02(3Y)納米粉為原料，對小同配比的AI2O3-Zr02(3Y)復(fù)相陶瓷進(jìn)行微波燒結(jié)研究，獲得了很高的致密度，材料的斷裂韌度也有很大提高。Eastman等人制備了平均顆粒尺寸為14nm的TiO,，并獲得了良好的燒結(jié)性能，材料的斷裂韌性要比常規(guī)燒結(jié)方法制備出的材料高出60%。
微波燒結(jié)技術(shù)在功能陶瓷方而也有所成就。Thakur O P等人對Bao095Sr005Ti03(BST)的微波合成和燒結(jié)進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用微波合成燒結(jié)的BST的致密度高,粒徑小及顆粒均勻，線性熱擴(kuò)散系數(shù)及介電性能都比常規(guī)燒結(jié)的BST好，且合成和燒結(jié)時(shí)間大大縮短。Liu H X等人用微波水熱合成PZT壓電陶瓷粉末，合成粉體的粒徑在40nm-60nm間，且粒徑尺寸分布比較窄。
隨著微波技術(shù)的小斷發(fā)展，其在陶瓷領(lǐng)域特別是綠色陶瓷的發(fā)展應(yīng)用中將會(huì)扮演更重要的角色。
5 結(jié)束語
微波燒結(jié)技術(shù)是一項(xiàng)發(fā)展并不斷完善的技術(shù)，其微波燒結(jié)機(jī)理目前尚無定論。微波與原位反應(yīng)技術(shù)相結(jié)合，雖然開辟了原位合成技術(shù)的新天地，有著十分廣闊的應(yīng)用前景，但反應(yīng)過程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等反應(yīng)機(jī)理尚末進(jìn)行深入研究，特別是微波熱力學(xué)可能不同于傳統(tǒng)熱力學(xué)，需要材料科學(xué)工作者對此繼續(xù)鉆研。還有就是對于大尺寸、復(fù)雜形狀的陶瓷材料在燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)非均勻加熱現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致陶瓷材料開裂，主要采用混合加熱、對原材料進(jìn)行預(yù)處理以及能量分配等方法來解決這些問題。
總之，微波燒結(jié)技術(shù)己成為當(dāng)前材料界的研究熱點(diǎn)之一，雖然離大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用尚有一定距離，但是它己展現(xiàn)出常規(guī)技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。隨著微波燒結(jié)設(shè)備朝著更高功率密度、自動(dòng)化、智能化方向的發(fā)展，微波燒結(jié)技術(shù)中存在的問題定會(huì)逐步得到解決，微波燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用也將在高技術(shù)陶瓷及金屬陶瓷復(fù)合材料制備等領(lǐng)域有著十分誘人的前景。
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