浅析微波烧结的研究进展

1、最新 精品 Word 欢迎下载 可修改微波烧结的研究进展摘 要：微波烧结是一种新型的利用微波加热来对材料进行烧结的方法，它是一种快速制备高质量新型材料和使传统材料具有新的性能的技术手段。本文重点介绍了微波烧结的发展史，在陶瓷材料方面的研究进展和应用，并对微波烧结的发展趋势进行了展望。关键词：微波烧结；陶瓷材料；研究进展；应用The Research Development of Microwave SinteringAbstract: The microwave sintering is a new method by using microwave heating carries on th

2、e sintering to the materials, it is a technological means to prepare the high quality new materials quickly and enable the traditional materials to have the new performance. This article highly introduced the history of microwave sintering, the research development and applications of it in ceramic

3、material. At last, the development trend was predicted.Keywords: microwave sintering; ceramic material; research development; applications1 前言建立在现代工业基础上的文明有赖于特殊材料的应用，传统的粉末冶金材料和新兴的各种陶瓷材料是现代工业生产所不可缺少的基础，而烧结技术往往是决定粉末冶金制品和陶瓷制品性能的重要环节1。微波烧结是一种利用微波加热对材料进行烧结的方法，材料的微波烧结开始于20世纪60年代中期。TingaWR2首先提出了陶瓷材料的微波烧结；到

4、20世纪70年代中期，法国的Badot和Berteand3开始对微波烧结技术进行系统研究。20世纪80年代以后，各种高性能的陶瓷和金属材料得到广泛应用，相应的制备技术也成为人们关注的焦点。微波烧结以其特有的节能、省时的优点，得到了美国、日本、加拿大、英国、德国等发达国家的政府、工业界、学术界的广泛重视，我国也于1988年将其纳入“863计划”。在此期间，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，烧结了许多不同类型的材料。90年代后期，微波烧结已进入产业化阶段，美国、加拿大、德国等发达国家开始小批

5、量生产陶瓷产品4-6。目前，在国外微波烧结已进入产业化阶段，我国在微波烧结的应用方面也应加大研究力度。2 微波烧结研究进展随着科学技术的发展，材料需要在比较苛刻的环境下使用。工业上的应用对材料的耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能要求也越来越严格。陶瓷材料具有优良的高强度、高硬度、高耐磨性和耐蚀性以及低膨胀系数和质量轻等金属材料难以匹敌的特点，广泛应用于各种材料科学领域。尤其是随着各种透明陶瓷、金属陶瓷、导电陶瓷等的开发应用，使得陶瓷材料发挥着越来越重要的作用。应用微波加热技术进行陶瓷材料的烧结是一种理想的选择，各先进国家在陶瓷的微波烧结方面均做了大量研究工作，并取得了不少有益的进展7,8。2.1 微

6、波烧结氧化物陶瓷1）金属氧化物陶瓷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。较为成功的有Al2O3、ZrO2、ZnO、MgO、SiO2及其复合材料等9。李磊10等采用微波烧结制备ZnO陶瓷，结果表明，微波烧结工艺不仅可显著提高ZnO压敏电阻的致密度，而且能够改善材料的微观结构和电性能。微波工艺的烧结周期仅是传统工艺的1/101/8。王晓平11采用微波烧结，在常压、纯氧气氛条件下制备了ITO陶瓷。通过XRD、SEM和金相分析等方法研究了烧结温度和保温时间对ITO陶瓷相对密度的影响。结果表明，微波烧结具有升温速度快、保温时间短的优点，大幅缩短了ITO陶瓷的烧结周期。1550微波

7、烧结并保温20min的ITO陶瓷相对密度达到了99.5%，晶粒大小均匀，结构紧密，没有单相析出，晶粒尺寸为38m。2）复合氧化物陶瓷l9世纪60年代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，获得了致密度高、晶粒结构均匀的多晶材料，使得由于气孔和晶界造成的对光线的散射大幅度降低，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。微波烧结温度场均匀、热应力小，适宜于快速烧结，因而可使陶瓷材料晶粒细化9（见表1），提高了材料显微结构的均匀性12,13。计玮等14采用溶胶凝胶法与微波加

8、热、微波烧结相结合的方法制备了Al2O3弥散强化铜基复合材料，并对其性能进行了比较分析，结果表明，微波烧结既可以缩短工艺时间、提高生产率、降低成本，又可以提高产品质量。在铜基复合材料中，增强相的颗粒细化、烧结后的材料致密，大大增强了材料的导电性能，达到了一般电子工业高要求的导电材料导电率大于80%IACS的要求。表 1 传统烧结和微波烧结得到的不同的晶粒尺寸Table 1 The different gram sizes gained by TS and MS method材料微波烧结/m常规烧结/mAl2O32.62.93.54.0ZrO2Al2O30.51.0Y2O3ZrO22.33.5Z

9、nO5610中北大学的马清花等15研究了添加吸波材料SiC对纳米TiO2晶型和粒径的影响，与传统烧结相比，微波烧结时间短，效率提高了2倍以上；添加吸波材料SiC烧结纳米TiO2成型的时间要短；SiC的添加方式不同，导致烧结成型的时间也不相同，制备复合SiC/TiO2粉体的烧结成型时间要比用SiC铺床的方法进行烧结的时间短。二十世纪以来，微波烧结纳米结构陶瓷材料的研究更趋于成熟，美国宾州州立大学的研究者们在这方面的研究工作尤为突出。2.2 微波烧结非氧化物陶瓷的研究B4C、SiC、Si3N4、TiB2和AlN等是用微波成功烧结的非氧化物陶瓷材料，在这当中研究比较多的是微波烧结法制备的氮化物陶瓷和

10、碳化物陶瓷。1）氮化物陶瓷氮化物陶瓷的特点是具有相当高的熔点，具有很好的抗腐蚀性，有些氮化物陶瓷还具有很高的硬度，因而得到广泛应用。氮化物陶瓷的缺点是抗氧化能力差。氮化物陶瓷主要有Si3N4、BN、AlN、Ti和塞隆（Sialon）陶瓷等。利用微波烧结AlN陶瓷，虽然在节能省时方面效果显著，但是微波烧成环境对AlN烧成影响比较复杂16。曾小峰等17在微波烧成环境对AlN陶瓷的烧成影响方面做了研究。研究表明，烧成环境中碳热还原气氛能极大地加快AlN陶瓷的致密化速率，但容易在AlN陶瓷晶界相内部产生气孔，使AlN热导率降低。李燕18等采用纳米TiN、亚微米TiC和Mo等原材料，以金属Co作为粘结剂

11、，利用真空微波烧结技术制备了细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷材料，研究了所得金属陶瓷的显微结构和力学性能。结果显示：金属陶瓷的组织中有黑芯-灰壳结构和白芯-灰壳结构；Mo的加入使金属陶瓷的显微组织细化，Mo的加入量为15%时，硬质相颗粒粒径小于1m；15%的Mo加入量所得的细晶粒金属陶瓷与未加入Mo的金属陶瓷比较，其抗弯强度增加，硬度变化不明显，密度和断裂韧性降低。严迪科19等实验表明：随着烧结温度的升高，超细TiCN基金属陶瓷的收缩率、致密度、横向断裂强度和硬度均先增大后减小。该材料经1500保温30min，可获得晶粒细小、组织均匀、性能优异的超细TiCN基金属陶瓷，此时其横向断裂强度和硬度分

12、别为1547MPa和90.6HRA。2）碳化物陶瓷碳化物陶瓷的突出特点是高熔点、高硬度，并且具有良好的导电和导热性能，但高温下易氧化，主要的碳化物陶瓷有SiC、B4C、TiC、WC、ZrC、HfC、TaC等20。吴占德等21研究了空气中B4C/SiC/Al混合物在微波加热过程中的反应。确定了B4C/SiC/Al混合物能生成良好的致密化样品。烧成的样品由B4C基体制成，气孔由Al和B4C反应生成的产物和空气填充。测出的相包括Al2OC、Al27O39N、Al10N8O3、Al3B48C和AlN。长宽比大的SiC晶粒，在此环境中能被氧化，起到增韧填料的作用。2.3 微波烧结其他陶瓷材料的研究羟基磷

13、灰石是一种应用较广的医用移植材料，为了提高羟基磷灰石的断裂韧性，张志成22等进行了纳米羟基磷灰石微波烧结的研究。烧结后压片试样的XRD表明，在这些温度下用微波烧结，烧结速度快，而且在烧结过程中试样没有分解，而采用传统方法利用电炉烧结，在低至1100下，羟基磷灰石就会发生分解。王卓薇23等也对羟基磷灰石进行了微波烧结的研究，结果表明，微波烧结有利于HAP陶瓷坯体的致密化，可以实现低温快速烧结，并提高陶瓷的机械强度。周洁等24采用微波烧结方法制备了结构均匀致密度好的TCP/TTCP复合磷酸钙生物陶瓷材料。烧结温度对生物陶瓷材料中的主晶相（HA相）形成有一定的影响。1200微波烧结，HA相稳定存在，

14、陶瓷具有良好的表面生物活性。浸泡溶液的pH值变化幅度小（在7.407.72之间），接近中性。谭颖25等研究了BST陶瓷材料的微波烧结情况，从烧结特性、微结构与相组成及微波介电性能等方面对微波烧结的样品与传统工艺制得的样品进行了对比。结果表明，与传统制备工艺相比，微波烧结BST陶瓷缩短了烧结周期，并促进了样品的致密化，其物相组成和传统烧结的样品没有区别，且晶粒细小分布均匀。微波烧结BST陶瓷可获得较优的微波介电性能：介电常数=82.89，品质因数与频率之积Qf=8450GHz（频率f=4.75GHz）。PTC陶瓷存在受热不均匀、容易开裂的问题。付明26发明了一种PTC陶瓷的微波烧结方法，该方法为

15、一种普通炉预先排胶，再进行微波烧结的工艺。实验表明，该方法可缩短烧结时间，降低烧结温度，大大节约电能，产品性能优于传统烧结方法的产品性能。3 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，且应用领域也不断扩大。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、ZrO2、Si3N4、SiC、Al2O3-TiC和超导材料等陶瓷材料27,28。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。纳米粉末的制备本不容易，具有纳米

16、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29。北京科技大学李云凯30等人采用Al2O3和ZrO2(3Y)纳米粉为原料，对不同配比的Al2O3-ZrO2(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TiO2，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%4。微波烧结技术在功能陶瓷方面也有所成就。iu H X31等人用微波水热合成PZT压电陶瓷粉末，合成粉体的粒径在40nm60nm间，且粒径尺寸分布比较窄。李俊等32采用微

17、波高温烧结炉对Ni-Zn铁氧体软磁材料进行了公斤级烧结工艺研究，在烧结时间大大缩短的同时获得了与常规烧结相同的性能。随着微波技术的不断发展，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。4 存在问题微波烧结显示的卓越优势向陶瓷工业界展示了乐观的、尚未开发的前景用于材料生产有着巨大的前途，但这当中也存在着一些亟待解决的问题。微波烧结设备是阻碍微波烧结技术工业化的一个很重要的因素，对微波烧结机理的充分认识有助于解决这一问题。目前微波作为工业化应用还存在一些问题尚待解决，如更大的均匀微波场的获得，低介电损耗材料在室温至临界温度点之间的加热，材料微波参数的获得，微波在原料内部的穿透能力，

18、原料加热深度等问题。微波管在不同炉内衬材质中的使用寿命，多组微波管在大规模生产中耦合等问题也值得我们作进一步研究33,34。微波烧结中存在的另外一个问题是，对于大尺寸、复杂形状的陶瓷材料在烧结过程中还是很容易出现不均匀加热现象的，严重时还会导致陶瓷材料开裂35。其原因主要有：（1）微波场分布不均匀；（2）特有的微加热现象，如热失控、热点、选择加热等；（3）陶瓷材料本身的原因，如热膨胀系数大、导热率低、形状复杂、尺寸过大等。解决这些问题主要是采用混合加热、对原材料进行预处理以及能量分配等方法。此外，阻碍该技术实用化的困难还有：烧结材料种类的局限性，温度难以准确测量和烧结产量低等。5 展望微波烧结

19、技术发展了几十年，虽然还有许多不成熟、不完善的地方，但它具有常规技术无法比拟的优点，预示着它将成为最有效的、最具有竞争力的新一代烧结技术。陶瓷微波烧结技术是一门新的烧结工艺，虽然几乎研究了所有的陶瓷材料，由于烧结材料的介质损耗过小或过大，能成功烧结的材料种类并不很多。对于介质损耗过低的材料，目前主要采取混合加热的方法。另外，可以应用有限元分析法对微波烧结过程进行计算机模拟，从而能对烧结工艺和加热机制进行更直观的分析和研究。陶瓷微波烧结的几个研究方向：（1） 微波与材料的相互作用机理；（2） 微波烧结工艺研究，包括微波功率、频率、加热时间等对陶瓷烧结的影响，以及辅助加热装置的设计等；（3） 烧结

20、过程中涉及的电磁场、固体电介质，材料本身的介电参数测定；（4） 从烧结产品的孔隙率、晶粒尺寸、力学性能等方面把微波烧结与传统烧结进行比较。参考文献1 马金龙,童学锋,彭虎.烧结技术的革命-微波烧结技术的发展及现状J.新材料产业,2022,(6):30-32.2 Tinga W R,Voss W A G.Microwave power EngineeringD.NewYork:Academic Press,1968.3 Berteaud A J,Badet J C.High temperature microwave heating in refractory materialsJ.Microw

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