孫振華 郝 斌

(唐山學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系 河北唐山 063000)

微波燒結(jié)制備陶瓷材料的研究進(jìn)展

孫振華 郝 斌

(唐山學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系 河北唐山 063000)

微波燒結(jié)是一種新型的利用微波加熱來對材料進(jìn)行燒結(jié)的方法,它是一種快速制備高質(zhì)量新型材料和使傳統(tǒng)材料具有新的性能的技術(shù)手段。簡要介紹了微波燒結(jié)的發(fā)展史、基本原理、制備陶瓷材料的研究進(jìn)展、微波燒結(jié)技術(shù)存在的一些問題,并對微波燒結(jié)技術(shù)的前景進(jìn)行了展望。

微波燒結(jié) 陶瓷材料 研究進(jìn)展

前言

微波燒結(jié)是一種利用微波加熱對材料進(jìn)行燒結(jié)的方法,材料的微波燒結(jié)開始于20世紀(jì)60年代中期。W R Tinga[1]首先提出了陶瓷材料的微波燒結(jié);到20世紀(jì)70年代中期,法國的Badot和Berteand[2]開始對微波燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。微波燒結(jié)以其特有的節(jié)能和省時的優(yōu)點(diǎn),得到美國、日本、加拿大、英國、德國等發(fā)達(dá)國家的政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛重視。我國也于1988年將其納入“863計劃”。在此期間,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算機(jī)數(shù)值模擬等,研究了許多不同類型的材料。在國外,微波燒結(jié)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段,我國在燒結(jié)爐的應(yīng)用方面也應(yīng)加大研究力度。

1 微波燒結(jié)的工作原理

微波燒結(jié)的原理與常規(guī)燒結(jié)工藝有本質(zhì)的區(qū)別[3～5],常規(guī)燒結(jié)時熱量是通過介質(zhì)由表面向里擴(kuò)散,而微波燒結(jié)則利用了微波的加熱特性,及材料吸熱的微波能被轉(zhuǎn)化為材料內(nèi)部分子的動能和勢能,使材料整體均勻加熱,因此其加熱和燒結(jié)速度非?？?。由于材料整體內(nèi)外同時均勻受熱,使試樣內(nèi)部的溫度梯度很小,從而可使材料內(nèi)部熱應(yīng)力減至最小,這對于制備超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的高密度,高強(qiáng)度,高韌性材料非常有利。由于材料可內(nèi)外均勻地整體吸收微波能并被加熱,使得處于微波場中的被燒結(jié)物內(nèi)部的熱梯度和熱流方向與常規(guī)燒結(jié)時完全不同,因此可實(shí)現(xiàn)有選擇的燒結(jié),從而制備出具有新型微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能的材料。

因?yàn)槲⒉▽ξ矬w幾乎可以形成即時加熱[6],實(shí)現(xiàn)材料較大體積區(qū)域中的零梯度均勻加熱?？梢源蟠蠼档蜔Y(jié)溫度和燒結(jié)時間,顯著提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)周期;微波能可被材料直接吸收,如果燒結(jié)爐保溫系統(tǒng)設(shè)計得好,幾乎沒有熱量損失,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)時間短,燒結(jié)過程中消耗的保護(hù)氣體用量大大降低,減少了不必要的污染。

2 微波燒結(jié)陶瓷材料的研究進(jìn)展

2.1 微波燒結(jié)AlN陶瓷的研究

利用微波燒結(jié)AlN陶瓷,雖然在節(jié)能省時方面效果顯著,但是微波燒成環(huán)境對AlN燒成影響比較復(fù)雜。湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的曾小峰等[7]在微波燒成環(huán)境對AlN陶瓷的燒成影響方面做了研究。研究表明,燒成環(huán)境中碳熱還原氣氛能極大地加快AlN陶瓷的致密化速率,但容易在AlN陶瓷晶界相內(nèi)部產(chǎn)生氣孔,使AlN熱導(dǎo)率降低。通過構(gòu)造適當(dāng)?shù)奈⒉森h(huán)境,在1 720℃保溫120min,快速燒結(jié)并獲得了致密的AlN陶瓷。與傳統(tǒng)燒結(jié)相比,AlN陶瓷的微波燒結(jié)效率高,節(jié)能優(yōu)勢明顯,在微波燒結(jié)AlN陶瓷的過程中,微波的非熱效應(yīng)顯著。在微波燒結(jié)環(huán)境中,碳熱還原氣氛在AlN陶瓷致密過程中作用明顯,它一方面極大地促進(jìn)了燒結(jié),另一方面易在燒結(jié)體晶界相內(nèi)產(chǎn)生氣孔而使AlN陶瓷的熱導(dǎo)率降低。

2.2 微波燒結(jié)納米金屬陶瓷的研究

陶瓷燒結(jié)過程中不可避免地伴有晶粒長大,所以如何控制納米顆粒在燒結(jié)過程中的長大,使其保持原有特性是納米塊體陶瓷材料制備面臨的一個難題,而微波燒結(jié)技術(shù)很好地克服了這一點(diǎn)。晉勇等[8]采用微波燒結(jié)新技術(shù)研究了納米金屬陶瓷材料的燒結(jié)工藝與性能。結(jié)果表明,微波燒結(jié)Al2O3-TiC-Mo-Ni納米金屬陶瓷在1 500℃保溫10min,可達(dá)到99.9%的相對密度,使燒結(jié)溫度降低,燒結(jié)時間大幅度縮短,且燒結(jié)前后晶粒粒徑分別為35㎜和55㎜,變化很小。微波燒結(jié)金屬陶瓷前后晶粒粒徑變化很小,燒結(jié)體均勻、致密,這對于制備納米材料提供了重要的工藝手段。

2.3 微波燒結(jié)在納米牙科全瓷的研究

盧冬梅等[9]采用微波技術(shù)研究了納米牙科全瓷材料的燒結(jié)工藝與性能。結(jié)果表明,微波燒結(jié)高純α-Al2O3全瓷在1 600℃的保溫10min,可達(dá)到99.0%的相對密度;與傳統(tǒng)燒結(jié)相比,其燒結(jié)溫度降低,燒結(jié)時間大幅度縮短,燒結(jié)前后晶粒尺寸變化很小。與設(shè)計的助熱保溫結(jié)構(gòu)相結(jié)合,可成功地對Al2O3全瓷進(jìn)行燒結(jié),由此建立的加熱系統(tǒng)加熱效率高,結(jié)構(gòu)簡單,操作方便。微波燒結(jié)全瓷材料的晶粒度尺寸在燒結(jié)前后變化很小,燒結(jié)體均勻、致密,這為高性能牙科全瓷材料,特別是對納米牙科陶瓷材料的研制提供了重要的工藝手段。

2.4 微波燒結(jié)在生物陶瓷的研究

羥基磷灰石是人體骨骼的無機(jī)礦物組成,與機(jī)體有良好的生物相容性,植入人體后能誘導(dǎo)周圍骨組織的生長并逐步參與代謝,最終與人體骨形成緊密的化學(xué)結(jié)合,是良好的生物陶瓷材料。但HAP材料的力學(xué)性能較差,限制了其在人體承重部位的應(yīng)用。因此,增強(qiáng)HAP材料的力學(xué)性能是生物材料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)課題。吳娜等[10]采用沉淀法合成羥基磷灰石粉體,將R2O-Al2O3-B2O3-SiO3體系玻璃粉按一定比例與HAP粉混合,采用等靜壓成形及微波燒成兩種成形方法對羥基磷灰石-玻璃復(fù)合粉體成形,分別在1 150℃、1200℃、1 250℃下微波燒結(jié)。實(shí)驗(yàn)表明,采用微波燒結(jié)有利于樣品的快速致密化,用微波燒結(jié)的樣品的收縮率明顯比用普通燒結(jié)法在相同溫度下燒結(jié)的樣品收縮率小。微波燒結(jié)是有效的生物陶瓷材料的燒成方法,收縮率、密度和SEM觀察結(jié)果表明,采用等靜壓成形和微波燒結(jié)HAP-G陶瓷可以實(shí)現(xiàn)快速燒結(jié)和致密化。

3 存在的問題

微波燒結(jié)設(shè)備是阻礙微波燒結(jié)技術(shù)工業(yè)化的一個很重要的因素,對微波燒結(jié)機(jī)理的充分認(rèn)識有助于解決這一問題。目前微波作為工業(yè)化應(yīng)用還存在一些問題尚待解決,如更大的均勻微波場的獲得,低介電損耗材料在室溫至臨界溫度點(diǎn)之間的加熱,材料微波參數(shù)的獲得,微波在原料內(nèi)部的穿透能力,原料加熱深度等問題。微波管在不同爐內(nèi)襯材質(zhì)中的使用壽命,多組微波管在大規(guī)模生產(chǎn)中耦合等問題也值得我們作進(jìn)一步研究。此外,阻礙該技術(shù)實(shí)用化的困難還有:燒結(jié)材料種類的局限性,加熱過程熱失控,溫度難以準(zhǔn)確測量和控制,燒結(jié)件開裂,燒結(jié)產(chǎn)量低等[11]。

4 微波燒結(jié)制備陶瓷技術(shù)的前景

微波燒結(jié)技術(shù)發(fā)展了幾十年,雖然還有許多不成熟、不完善的地方,但它具有常規(guī)技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn),預(yù)示了它廣闊的發(fā)展前景。作為一種省時、節(jié)能、節(jié)省勞動力、無污染的技術(shù),微波燒結(jié)能滿足當(dāng)今節(jié)約能源,保護(hù)環(huán)境的要求,它所具有的活化燒結(jié)的特點(diǎn)有利于獲得優(yōu)良的顯微組織,從而提高材料性能,微波與材料耦合的特點(diǎn),決定了用微波可進(jìn)行原則性加熱,從而能制得具有特殊組織結(jié)構(gòu)的材料,如梯度功能材料。微波燒結(jié)依靠材料本身吸收微波能并轉(zhuǎn)化為材料內(nèi)部分子的動能和勢能,使材料內(nèi)外同時均勻加熱,因此材料內(nèi)部形成的熱應(yīng)力極小。它使燒結(jié)活化能降低,擴(kuò)散系數(shù)提高,可實(shí)現(xiàn)低溫快速燒結(jié),使微粉晶粒來不及長大就已經(jīng)完成燒結(jié)[12～14],所以微波加熱燒結(jié)將是制備高強(qiáng)度、高硬度、高韌性納米陶瓷材料的有效手段。總之,微波燒結(jié)將會成為最有效、最具有競爭力的新一代燒結(jié)技術(shù)。

1 TingaW R,VossW A G.Microwavepower Engineering.New York:Academic Press,1968

2 Berteaud A J,Badet JC.High temperaturemicrowave heating in refractorymaterials.Microwave Power,1976(11):315～320

3 Sutton W H.Microwave processing of ceramic materials.American Ceramic Society Bulletion,1989,68(2):376～386

4 張光堂,鐘若青.微波加熱技術(shù)基礎(chǔ).北京:北京電子工業(yè)出版社,1988

5 吳蘇,鹿安理.陶瓷材料的微波燒結(jié)機(jī)理探討.航空材料學(xué)報,1996,16(4):24～29

6 吳紅,史洪剛,馮宏偉,等.微波燒結(jié)技術(shù)的研究進(jìn)展.兵器材料科學(xué)與工程,2004,27(4):59～61

7 曾小峰,彭虎,錢端芬,等.微波燒結(jié)AlN陶瓷的初步研究.硅酸鹽通報,2005(3):29～32

8 晉勇,薛屺,湯小文,等.納米金屬陶瓷材料的微波燒結(jié)工藝研究.機(jī)械工程材料,2004,28(12):49～51

9 盧冬梅,萬乾炳,晉勇.牙科全瓷材料的微波燒結(jié)研究.四川大學(xué)學(xué)報,2003,40(6):1 114～1 118

10 吳娜,王志強(qiáng),李長敏,等.羥基磷灰石-玻璃復(fù)合陶瓷的微波燒結(jié).硅酸鹽通報,2006,25(4):54～58

11 張勁松.微波燒結(jié)關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)展.材料通報,1994(2):34～37

12 Rodiger K,Dreyer K,Gerdes T,et al.Microwave sintering of hardmetal.International Journal of Refractory,Metals and Hard Materials,1998,16(4～6):409～416

13 Cheng J P,Agrawal D,Zhang Y H,et al.Fabricating transparent ceramic by microwave sintering.American Ceramic Society Bullite,2000,79(9):71-74

14 Fang Y,Roy R,Agrawal D,et al.Transparentmullite ceramics from disphasic aerogels bymicrowave and conventional processing.Materials Letters,1996,28(1～3):11～15

The Research Development of Prepararing Ceram ic Material by M icrowave Sintering

Sun Zhenhua,Hao Bin(The Departmentof Environmental and Chemical Engineering,Tangshan College,Hebei,Tangshan,063000)

Themicrowave agglutination isa new usemicrowave heating carrieson the agglutination to thematerial themethod,it isa prepares the high quality new material quickly and enables the traditionalmaterial to have the new performance technologicalmeans.Thisarticle introduced themicrowave agglutination history,the basic principle,the preparation ceramicmaterial research development,some questionsof microwave agglutination technology and themicrowave agglutination technology prospect briefly and so on.

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