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微波烧结的研究进展及其在陶瓷材料中的应用
作者:发布时间:2013-12-31 10:39:01点击率:1816
作者:赤仔斌 刘大成
摘要:微波烧结不同于传统烧结,是一种全新的烧结技术。本文介绍了微波烧结的原理及特点,全而综述了微波烧结技术的研究现状,介绍了微波烧结在陶瓷材料中的应用,最后展望了微波烧结技术的发展趋势。
关键词:微波烧结,陶瓷材料,技术原理,复合材料
1前言
  与无线电、红外线、可见光一样,微波也是一种电磁波。只小过微波是一种频率非常高的电磁波,又称超高频。通常把300MHz-300GHz的电磁波划为微波,其对应的波长范围为1-1000mm。自从20世纪40年代以来,微波在雷达、通讯、能源、等离子体和固体物理等领域得到了广泛的应用。50年代美国的Von Hippel在材料介质特性方而的开创性工作为微波烧结的应用奠定了基础。材料的微波烧结开始于20世纪60年代中期,由Tinga W R等人首先提出用微波对陶瓷材料进行烧结。到70年代中期,法国的Badot和Berteand及美国的Suaont等开始对微波烧结技术进行系统研究;80年代以后,各种高性能陶瓷和金属陶瓷材料得到广泛应用。目前,微波加热的研究涉及到陶瓷制备与处理的各个过程,如精细陶瓷材料的制备,陶瓷材料的高温烧结,陶瓷复合材料的焊接等。随着对微波烧结技术研究的深入,能够用于微波烧结的材料种类将小断扩大,引起广泛关注。
2微波烧结原理和特点
2.1微波烧结的原理
  材料的传统加热方式是必须将材料置于加热的环境中,热能通过对流、传导或辐射的方式传递至材料表而,再由表而传导到材料内部,直至达到热平衡。在此期间,加热环境不可能完全的绝热封闭,而目_为了使材料芯部的组织状态与表而相同,达到烧透的目的,加热时间一般都会很长,大量热量很容易就散失到环境中去,从而造成极大的能量损失。
  微波加热小同于传统的加热方式。微波烧结是利用微波电磁场中陶瓷材料的介质损耗使材料整体加热至烧结温度而实现烧结和致密化。介质材料在微波电磁场的作用下会产生介质极化,如电子极化、原子极化、偶极子转向极化和界而极化等同。在极化过程中极性分子由原来的随机分布状态转向依照电场的极性排列取向,而在高频电磁场作用下,分子取向按交变电磁的频率小断变化。但材料内部的介质极化过程无法跟随外电场的快速变化,极化强度矢量会滞后于电场强度矢量一个角度,导致电极化过程中显示出电滞现象,此过程中微观粒子之间的能量交换在宏观上表现为能量损耗。在微波波段,主要是偶极子转向极化和界而极化产生的吸收电流构成材料的功率耗散。微波烧结的关键取决于材料自身的特性,如介电性能、磁性能以及导电性能等。
2.2微波烧结的特点
  电磁波透入物质的速度与光的传播速度是十分接近的,因而在微波波段将电磁波的能量转化为物质分子的能量的时间快于千万分之一秒,这就是微波可形成内外同时加热的原因。基于此以及与常规烧结小同的加热原理,微波烧结具有以下几个显著的特点:
2.2.1烧结温度低、时间短、节能、无污染
  因为微波对物体几乎可以形成即时加热,并实现材料较大体积区域中的零梯度均匀加热,所以可以大大降低烧结温度和烧结时间,显著提高产品的生产效率,降低生产周期。而且微波能可被材料直接吸收,如果烧结炉保温系统设计得好的话,几乎没有什么热量损失,能量利用率很高,比常规烧结节能80%左右。由于烧结时间短,烧结过程中耗费的保护气体用量也大大降低,减少了小必要的污染。
2.2.2经济简便地获得2000℃以上的超高温
  普通陶瓷的烧结需要1300℃以上的高温,这样对高温炉子的发热元件、绝热材料及保温材料就提出了很苛刻的要求,制造和使用成本都很高。而微波则利用了材料本身的介电损耗发热,整个微波装置只有试样处于高温状态,而其余部分仍处于常温状态,所以整个装置结构紧凑、简单,制造和使用成本较低。
2.2.3选择性烧结
  对于多相混合材料,由于小同介质吸收微波的能力小同,产生的耗散功率小同,热效应也小同,司一以利用这一点来对复合材料进行选择性烧结,研究新的材料和得到材料的更佳性能。
2.2.4改进陶瓷材料的显微结构和宏观性能
  由于微波烧结的速度快、时间短,从而避免了烧结过程中陶瓷材料晶粒的异常长大,最终可获得具有高强度和韧性的超细晶粒结构材料。
3微波烧结材料的研究进展
  微波烧结的概念由Tinga W R等人提出于20世纪60年代末期。微波烧结技术的发展历程大致可以分为三个阶段:70年代中期至80年代早期进入初步实验研究阶段。1976年,法国的Badot和Berteand首先报导了在实验室用微波烧结材料取得成功,这个期间的研究和实验工作主要局限于一些容易吸收微波而烧结温度又较低的陶瓷材料,如BaTiO UO2等。80年代中期至90年代中期进入研究发展期,美国、加拿大、德国等各国投入了大量的财力、人力用于研究和发展微波烧结技术。1988年开始,美国材料研究学会(MRS)会议将微波烧结技术作为一个专题列入讨论,之后,每两年举行一次,并出版了多本论文集。在这个期间,主要探索和研究了微波理论、微波烧结装置系统优化设计和材料烧结工艺、材料介电参数测试、材料与微波交互作用机制以及电磁场和温度场计算机数值模拟等,烧结了许多小同类型的材料。20世纪90年代末期进入微波烧结产业化阶段,美国、加拿大、德国等发达国家开始投入小批量生产。1988年,武汉工业大学在我国率先开展了微波烧结技术研究,并被列为国家“863计划”。中国科学院沈阳金属所、上海硅酸盐研究所、清华大学等单位相继开展了该技术的研究,推动了该技术在我国的发展。
  在微波烧结技术发展的很长一段时间内,研究对象主要局限在Al2O3和Zr02等陶瓷、复合陶瓷或半导体,国内外研究者至今几乎对所有的氧化物陶瓷材料进行了微波烧结研究。进入90年代以来,微波烧结材料的种类有所扩展。
  B4C、SiC、Si3N4、和TiB2等是用微波成功烧结的非氧化物陶瓷材料。Holcombe发现,在用微波烧结非氧化物陶瓷材料的过程中,可加入各种烧结助剂,如C , Mo , TiB2 , CrB2和MoSi2等。例如,在B4C中加入2.5%的C,置于2150℃的环境中烧结30min,能够比传统烧结提高致密度达17%。对绝大多数氮化物陶瓷,如纯Si3N4,损耗低,很难用微波加热,一般要加入Al2O3,和Y2O3作为烧结助剂。Tiegs等人经研究证实,添加这些氧化物能够促进微波烧结的进行。Si3N4的加热被认为是微波祸合于晶界液相而产生的,晶界上发生的所有过程都均加速了。
  在19世纪60年代,Cable首先制备出了透明氧化铝陶瓷。用传统方法烧结出来的多晶陶瓷由于存在着晶界、第二相和气孔等结构而极大地影响了其光学性能。而在微波烧结中,样品自身吸收微波能并将之转化为自身内部的热能,由于低温快速烧结的实现,获得了致密度高、晶粒结构均匀的多晶材料,使得气孔和晶界造成的对光线的散射大幅度降低,这样就提高了多晶陶瓷的透光性。因此采用微波烧结的方法比常规烧结更容易制备出透明陶瓷。
  目前,己经采用微波烧结的方法成功地制备出了一些透明度很高的陶瓷,如Al2O3、MgAl2O4以及AlN , AlON等。Cheng J P等人在制备透明氧化铝陶瓷的过程中,采用高纯氧化铝粉末做原料,并添加适当的烧结助剂,置于2.45GHz,1.5Kw的单模腔中,升温速率为150℃/min,在1700℃条件下烧结lOmin就能得到致密而透明的Al2O3。若适当延长烧结时间(不超过30min),在其它条件不变的情况下,Al2O3的透明度就更高了。
4微波烧结在陶瓷材料中的应用
  微波烧结技术自问世以来,一直受到各个国家的广泛重视,且应用领域也小断扩大。瑞典微波技术研究所用微波能把超纯硅石加热到2000℃以上来制造光纤,与传统热源相比,不仅降低能耗,而且减低了石英表面的升华率。美国、加拿大等国用微波烧结来批量制造火花塞瓷、Zr02,Si3N4,SiC,Al2O3- TiC和超导材料等陶瓷材料。
  近年微波烧结技术出现了许多新的应用。利用微波合成纳米材料也取得了一定的进展。纳米粉末的制备本小容易,具有纳米晶粒的块体材料的制备则更难。而微波烧结技术所具有的烧结温度低、时间短等特性则为成功制备此种材料提供了可能。北京科技大学李云凯等人采用Al2O3和Zr02(3Y)纳米粉为原料,对小同配比的AI2O3-Zr02(3Y)复相陶瓷进行微波烧结研究,获得了很高的致密度,材料的断裂韧度也有很大提高。Eastman等人制备了平均颗粒尺寸为14nm的TiO,,并获得了良好的烧结性能,材料的断裂韧性要比常规烧结方法制备出的材料高出60%。
  微波烧结技术在功能陶瓷方而也有所成就。Thakur O P等人对Bao095Sr005Ti03(BST)的微波合成和烧结进行了研究,结果发现用微波合成烧结的BST的致密度高,粒径小及颗粒均匀,线性热扩散系数及介电性能都比常规烧结的BST好,且合成和烧结时间大大缩短。Liu H X等人用微波水热合成PZT压电陶瓷粉末,合成粉体的粒径在40nm-60nm间,且粒径尺寸分布比较窄。
  随着微波技术的小断发展,其在陶瓷领域特别是绿色陶瓷的发展应用中将会扮演更重要的角色。
5 结束语
  微波烧结技术是一项发展并不断完善的技术,其微波烧结机理目前尚无定论。微波与原位反应技术相结合,虽然开辟了原位合成技术的新天地,有着十分广阔的应用前景,但反应过程的热力学、动力学等反应机理尚末进行深入研究,特别是微波热力学可能不同于传统热力学,需要材料科学工作者对此继续钻研。还有就是对于大尺寸、复杂形状的陶瓷材料在烧结过程中容易出现非均匀加热现象,严重时还会导致陶瓷材料开裂,主要采用混合加热、对原材料进行预处理以及能量分配等方法来解决这些问题。
  总之,微波烧结技术己成为当前材料界的研究热点之一,虽然离大规模的工业应用尚有一定距离,但是它己展现出常规技术无法比拟的优点。随着微波烧结设备朝着更高功率密度、自动化、智能化方向的发展,微波烧结技术中存在的问题定会逐步得到解决,微波烧结技术的应用也将在高技术陶瓷及金属陶瓷复合材料制备等领域有着十分诱人的前景。