一种节能、高效的新型材料工艺 ——微波烧结技术

1、，EXPERTS FORUM·专家论坛一种节能、高效的新型材料工艺微波烧结技术A New Materials Technology of Economize Energy and High Effect Microwave Sintering Technique中国西南应用磁学研究所余声明（四川绵阳信箱）摘 要： 简述了微波烧结技术的基本原理、特点、发展与应用，表明它在节约能源与高效率上是对材料烧结工艺技术的一场革命关键词：微波烧结技术发展应用1 前言技术从根本上改变了材料烧结的工艺现状，它将成为创造烧结工艺是材料制备过程中的重要手段和工序，通过具有特殊性能材料的有效手段，具有巨大的

2、发展潜力和应烧结设备控制烧结温度与时间等参数以实现材料的最好特用前景。性。然而传统烧结工艺必须经过长时间与高温，耗去高的2 微波烧结的技术原理、特点与应用范围能量才能达到目的。随着科学技术的发展，近二十年来出现了一种省时、节能、节省劳动、无污染的微波烧结工艺2.1 原理技术，它正好适应了现代社会发展的要求。微波烧结是利用微波加热来对材料进行烧结的，它与微波烧结（）是一种利用微波高温传统的加热方式不同。传统的加热是依靠发热体将热能通过加热来对材料进行烧结的工艺技术。而微波则是频率在对流、传导或辐射方式传递至被加热物而使其达到某一温兆赫到千兆赫的一种电磁波。处于微波场中的材料与微度，热量从外向内传

3、递，烧结时间长，也很难得到细晶。图波耦合，吸收微波能量，转化为热能。而其温度大于示出了二者的异同。所以微波烧结则是利用微波具有的特的微波加热即为微波高温加热技术。所以微波烧结就是利殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料的介质用微波高温加热来达到烧结目的的新型工艺技术。它是快损耗使其材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。速制备高质量的新材料和制备具有新的性能的传统材料的微波烧结技术的诞生和发展，已引起传统烧结概念的由于微波的体积加热，得以实现材料中大区域的零梯突破，被材料界誉为“烧结技术的一场革命”。微波烧结度均匀加热，使材料内部热应力减少，从而减少开裂、变2008.03·

4、专家论坛·EXPERTS FORUM，传统加热传热方向：外向与被加热物质无关能量传递过程外设发热体的面加热大量的能量损失在环境中对材料的热处理完全依靠热效应微波加热内外（同时进行）与被加热物质直接相关能量转换过程自身整体加热能量集中在被加热物质同时具有热效应和非热效应即特有的微波效应图微波加热与传统加热的异同，EXPERTS FORUM·专家论坛节能高效由于微波能被材料直接吸收而转化为热能而达到辐射传导热能的目的，微波烧结直接加热样品的能，所以，能量利用率极高，同时，烧结温度亦有不同程机理决定了其比传统烧结在节能方面的优越。传统烧结往度的降低，比常规烧结节能以上。往需要大量

5、的保温材料，而其中相当大的能量被这部分材绿色环保微波加热过程无废气、废渣，无污染，料吸收，而微波烧结中所需要的保温材料仅仅只是传统的属于绿色环保能源。而微波烧结的能耗较传统烧结工艺大大降低。为说明它的上述优点，现引用近年来在磁性行业不少实验表明，耗电量仅相当于传统烧结能耗的左右。企业也开始的微波烧结工艺的试验成果。湖南长沙隆泰科（）材料的品质提高。技公司，李俊等先后用微波烧结技术进行了、表为国内外微波烧结与传统烧结高磁导率铁氧软磁材料和旋磁材料的研究。体材料主要性能的比较。它们充分吸收和综合各方面的优秀成果，采用双色红这又充分证明了微波烧结的优越性。外线测温仪实现精确测温，采用大功率高精度程控

6、微波源实现温度控制和升降温速率控制，通过对保温体的科学设3 微波烧结的发展与技术进展计和辅热材料的合理搭配选择等，开发出国内首台具有完全自主知识主权、用于高温烧结实际生产的微波钟罩炉，3.1 微波烧结技术的发展并实际用于高磁导率、和旋磁铁氧体材料的烧材料的微波烧结开始于世纪年代中期，结，取得了较好结果。首先提出了陶瓷材料的微波烧结技术；到世纪年代中相比传统烧结耗时耗能的生产工艺，微波烧结磁性材期，法国的和开始对微波烧结技术料表现出的优越性能主要体现在：进行系统研究。世纪年代以后，各种高性能的陶瓷和（）烧结温度降低和烧结时间大大缩短。图为磁性材金属材料得到了广泛应用，相应的制备技术也成了人们关料

7、的微波烧结与传统烧结温度曲线。注的焦点，微波烧结以其特有的节能、省时的优点，得到（）保温材料大大减少，环境热损失减少。了美国、日本、加拿大、英国、德国等发达国家的政府、比较传统烧结技术需要首先给予周围环境足够的热工业界、学术界的广泛重视，我国也于年将其纳入“”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。世纪年代后期，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量生产陶瓷产品。其中，美国已具有生产微波连续烧结设备的能力，我国也有部分企业能制

8、图微波烧结与传统烧结温度曲线造微波烧结炉。表国内外微波烧结与传统烧结高磁导率铁氧体材料主要性能的比较性能日本日本荷兰飞利浦德国西门子中国厂隆泰科技±±±±±±±±（）（）/A·m·（）Td/g·cm2008.03·专家论坛·EXPERTS FORUM，3.2 微波烧结的技术进展微波能促进陶瓷的烧结，但其微观机理却尚不清楚。黄向东等从微波电场使带电缺陷（如空位、间隙离子）产生定向移动的角度，分析了微波对扩散的作用，指出：在微波烧结陶瓷制品时，相对于常规烧结，微波只是促

9、进了平行于电场方向的致密化，在宏观上对于电场方向不随时间转向的偏振电磁波，平行于电场方向的收缩率大于垂直电场方向的收缩率。等对微波场中的电荷传运研究表明：微波场的存在未提高原有空位的运动能力，而是提高了电荷传运的驱动力。另外，还对固体中的离子在微波场中的传送进行了数值模拟。一套完整的微波烧结系统主要结构组成如图所示。控制系统图微波烧结系统结构框图微波烧结系统主要由微波源（发生器）、微波波导、阻抗调配器、烧结腔、过程监控系统以及安全保护系统等几部分组成。）微波发生器微波发生器是微波加工设备的关键部分，它的心脏部分是产生微波的电子管微波管，其主要作用是产生所需要的微波（能量），然后微波通过波导装置

10、无损耗地传输到微波烧结腔中。目前，工业用微波源的工作频率通常为和。）微波波导微波波导是实现微波能由微波发生器到微波烧结腔之间无损耗传输的重要元件。微波波导的设计及加工工艺对微波加工效率乃至微波加工设备的寿命都是至关重要的。理想的微波波导应实现合适的阻抗匹配，且保证从谐振腔中反射回来的微波不至于直接反射到微波发生器中，避免对微波发生器的损害。）微波烧结腔微波谐振腔是实现物料与微波相互作用的空间，微波能量在此转化为被加工物料的内能，实现对物料的微波加·工。微波谐振腔的设计应保证微波能在谐振腔内的均匀分布，且无微波泄漏问题。）监控系统在整个烧结过程中，从升温到烧结、保温、降温都需要根据工艺

11、来控制，这一过程通过计算机控制系统控制微波功率来实现。目前国内外不少厂家已经开发出了微波烧结设备与系统供材料厂家选购，例如，美国科研微波系统公司推出了一种名为的新型实验微波烧结系统，该系统可以在分钟内使温度达到。该可为工业生产和实验研究提供超快的加热且能耗低、灵活性强，成本低、安装方便、占空间小。该系统应用广泛，可用于陶瓷产品的快速烧结、牙齿修补产品生产、少量贵金属和非贵金属及玻璃的融熔、设计理念和材料开发的快速试验。该系统的一大特点是可控温度范围广、热反应快，对于生产过程中小部件的生产来讲可以大大节约成本。湖南长沙隆泰科技公司生产的微波烧结实验炉、微波连续烧结炉、小型微波烧结炉等已推向市场。4 微波烧结的技术展望与产业化前景4.1 微波烧结的技术展望微波烧结技术的发展已经历了几十年，虽然还有很多不成熟、不完善的地方，但是，它具有常规技术无法比拟的优点，预示了它广阔的发展前景。首先，作为一种省时、节能、节省劳动、无污染的技术，微波烧结能满足当今节约能源、保护环境的要求；其次，它所具有的活化烧结的特点有利于获得优良的显微组织，从而提高材料性能；再次，微波与材料耦合的特点，决定了用微波可进行选择性加热，从而能制得具有特殊组织的结构材料，如梯度功能材料。这些优势使得微波