微波烧结技术及其进展

第 16卷 第 2期 V01．1 6No．2 材 料 科 学 与 工 程 Materials Science＆Engineering 总 第6 2期 June．1998 6 微波烧结技术及其进展 朱文玄 吴一平 正达 陈建国 — 疽 武汉 430074 徐镜廉 潘晓霞 中国T程物理研究院 【摘 要】 本文介绍了微波烧结的原理、设备、工艺及其影响因素。概述了微波烧结的特点及 微波加速烧结进程的机理 。 ● ‘关键调 强务 工乞 ：， Development and Technology of M icrowave Sintering Zhu W enxuan W u Yiping Xu Zhengda Chen Jianguo Huazhong University of Science and Technology W uhan 430074 Xu Jinglian Pan Xiaoxia China Academy of Engineering Physics [bAmtraet] The Principle、processing parameters、equipment and effect factors ot microwave sintering are introduced．The characteristics of microwave sintering and the investigation of microwave accelerating the sintering procedure are also outlined． [Key wordsl Microwave heating，Microwave sintering 一 、 引 言 微波烧结是一种利用微波加热来对 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 进行烧 结的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，它具有烧结温度低、烧结时同短、能源利 用率和加热效率高、安全卫生无污染等优点，尽管只 有十几年的发展历史，却在陶瓷材料领域中点．了壤 壳热点。微波烧结的基础 赦坡葡热技术其实早在 四十年代束期就已产生．五十年代美国的Von Hip— pel在材料介质特性方面的开创性工作为微波加热 的应用奠定了基础[1]，七十年代能源危机的出现加 速了微波能的应用，八十年代以来通过微波烧结技 术 已成 功地 制备 了 AlzOa、B+C、Y。Oa—ZrO：、SiC、 Si。N．、TiO：、ZnO等陶瓷烧结体0]。 微波是 一种高频电磁 渡，其频率范围为 0．3～ 300 GHx。微波烧结的原理简单地说就是利用电介 质在高频 电场中的介质损耗，将微渡能转化为热能 而进行烧结的，微波烧结过程中，热量的产生来自于 材料自身与微波的耦合，而非来自于外加热源的热 传递 ，因此微波加热是一种体积加热。由于大多数陶 瓷材料对微波具有很好的透过度，因此微波加热是 均匀的。而且檄披加热使得材料 内部温度高于 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面 温度。微波加热的特性使得微波烧结与常规烧结有 着根大 的不同，下面就微波烧结的工艺、设备、影响 因素等方面作一介绍。 二、微波烧结工艺及设备 1．微波烧结的工艺参数 微波烧结的工艺参数主要有微波源功率、擞波 频率、烧结时间和烧结速度。微波源功率的大小影响 着烧结腔中电场的强度分布，从而也影 响着试样的 升温速度 在烧结过程中，试样吸收的功率等于微波 源入射功率与反射功率之差，通常微渡入射功率是 随时间不断变化的，功率一时同曲线是微波烧结过 程的重要曲线，微波能具有功率一温度瞬时响应特 性，功率的变化能使温度立即产生变动．因此若采用 微机控制功率输出并辅以精确的温度测量，能使微 ·6l· 维普资讯 http://www.cqvip.com 波烧结达到较高的自动化程度。 微波频率影响着微波烧结过程中试样吸收微波 能的功率密度．它们之闻成线性变化．频率越高则试 样在单位时间、单位体积内吸收的微波能量就越多。 目前在微 波烧结技术 中使 用的频率 主要 为 2．45 GHz，此外还有28GHz和60GHz等。提高频率对 改善微波加热的均匀性有一定的作用。文献[3]在一 非谐振腔中采用了 2、45 GHz和 28．qH=两种频率 进行 ZrO 微波烧结，结果在 2、45 GHz频率下 的 zrO 试样发生了开裂，而在 28 G日z下的 zrO 试 样投有发生开裂。 烧结时阿和加热速度对烧结体的组织性能有很 大的影响。高温快烧和低温慢烧均会遣成组织晶粒 尺寸不均匀，孔隙尺寸过大等现象，是材料性能恶化 的主要原因“：。另外过快的加热速度会在材料内部 形成很大的温度梯度，因热应力过大而引起材料开 裂。因此选择合理的烧结时间和加热速度是取得满 意烧结效果的必要条件。 2．微波饶结设备 图 1所示的是微波烧结装置原理图-主要由微 圈1 散渡烧结装置原理圈 披发生器、波导管和加热腔体等组成。微波发生器产 生的微波由波导管导入加热腔中．对放置在腔体中 的试样进行加热烧结。由于波导管并不总是与加热 腔完全匹配．因此会有一部分微波能量被反射 回来， 环行器的作用就是将反射微波导向水负载以保护磁 控管 。目前所使用的加热腔存在谐振式和非谐振式 两种，谐振式加热腔中有单模谐振腔和多模谐振腔 之分。多模谐振腔的特点是结构简单，适用各种加热 负载 ，但由于腔 内存在着多种谐振模式，加热均匀性 差．而且根难精确分析．完全靠实验设计 。为改善多 模谐振腔的均匀性 ，人们常采用两种方式 ，一种是在 烧结过程中不断移动试样，使试样各部分所受到的 平均电场强度均等，另 一种是在微波人口处添加模 式搅拌器搅乱电场的分布。模式搅拌器虽是一个简 单的机械结构，但它对改善加热均匀性却能起到重 要作用．关于它的作用机理目前人们根难作出精确 ·62· 的分析。单模谐振腔能在腔内建起比多模谐振腔更 高的电场强度．适用于低损耗的材料或微波源功率 不大的情况。图 2(摘自文献Es1)给出的是一种单模 谐振腔简图。耦合孔的作用是使波导与加热腔形成 圈2 一种单模谐振腔的简圈 匹配，使微嫒髓尽可能多地被耦合进腔体中。短路活 塞的作用非常大，通过它的移动能改变谐振腔的长 度而补偿由于材料不同造成的谐振频率的飘移。文 献 [6]采用了类似 的谐振腔进行 BaTiO 的微波烧 结 ，烧结过 程中不断移动活塞调节谐振腔长度使腔 体处于谐振或非谐振状态．用以控制烧结温度，取得 了很好的烧结效果。 3．微波烧结的特点 与常规烧结相比，微波烧结具有如下特点： (1)烧结温度大幅度降低．有的甚至比常规烧结低 500℃左右【”。 (2)烧结时间缩短．致密速度加快。 (3)比常规烧结节能70 ～90 ．降低了烧结费用。 (4)微波烧结安全无污染。 微波场的存在加速了材料的烧结进程。尽管 目 前投有哪一种理论能令人满意地解释微波加速烧结 的机理，但比较一致的看法是 微波烧结降低了烧结 活化能、增强了扩散动力，这 已为许多研究结果所证 实。在28 GHz的微波场下进行高纯Al Oa的微波 烧结所需的活化能为 160 KJ／tool，只有常规烧结所 需活化能 575 KJ／tool的 1／3．当微波颚率进一步提 高到82 G日=时，活化能只为100 KJ／tool。Tiegs LB] 在对热压Si N．进行微波加热退火和常规加热退火 时发现，微波加热加速了晶粒的生长。Janney 首次 报道了在 Al O；单晶中采用示踪原子 O”进行扩散 速率 的研究结果．发现在微波场中试样 内部的 O 的扩散速率远大于常规加热中的试样。在以上研究 的基础上．Jarmey认为微波增强扩散机制与以下三 个因素有关 1)自由表面的影响；2)晶界与微波耦 合的影响；3)晶体内部缺陷与微波耦合的影响。目 维普资讯 http://www.cqvip.com 前人们很难找到合适的方法或提出合理的模型来进 行微波加速烧结机理的研兜，只有搞清楚了微波场 对烧结过程的影响人们才能更加主动地运用微波烧 结技术制取理想的产品 三、影响微波烧结的因素 1一材料升质特性的影响 并非任何材料置于微波场中都能进行有效的微 波烧结，这与材料同微波的交互作用方式有关。微波 与材 料的交互作用形式有三种，即穿透、反射和吸 收，只有后一种作用形式才能取得良好的烧结效果。 材料与微波的作用形式与它在电场 的介质特性有 关。对于实际有耗的介质来说，其介质常数具有复数 形式，实数部分称为介电常数，虚数部分称为损耗因 子。通常用损耗正切值(损耗因子与介电常数之比) 来表示材料与微波的耦合能力，损耗正切值越大，材 料与微波的耦合能力就越强 。对于大多数的氧化物 陶瓷材料如 SiO⋯A1 O 等 ，它们在室温时对微波是 透明的，几乎不吸收微波能量，只有达到某一临界温 度后 ，它们的损耗正切值才变得很大。对于这些材料 的微波烧结，常加^一些微波吸收材料如 SiC、Si N． 等作为助烧剂，使它们在室温时也有撮强的微波耦 合能力，达到快速烧结的效果。微波吸收材料的选择 不仅要起到助烧结的作用，还应起到改善烧结体性 能的作用[1 此外还可采用常规加热与微波加热相 结合进行处理，即先通过常规加热将肛体加热到临 界温度附近，此时材料已具有很强的微波吸收能力 ， 然后再进行散波加热烧结 对于烧结温度不是很高 的情况，还可以采用二次 加热技术。Pope[“ 在用微 波加热与 Sol—Gel技术相结合烧结 SiO 玻璃 陶瓷 时．采用了图 3所示的装置。其中MSCC是由一些 具有极强微波耦合能力的陶瓷材料所组成．加热到 1700"C以上也不熔化或软化 烧结时．微波将图3中 图3 微波烧结 SiO2的装置 的装置加热，然后通过热传导完成 SiO 玻璃嘲瓷的 烧结．烧结速度也是很快的．只需 10分钟 2一保沮层的设计 保温层在微波烧结过程中起着减小热损失、预 热低损耗材料和 防止加热腔中发生微波打火现象等 多重作用 。保温材料的选择要求具有不吸收微波 能、绝缘性好 、耐热、高温下不与被烧结材 料发生反 应等特点。常用的保温材料为 AI O 和 ZrO。等，它 们对微波有很好的透过探度．不会影响被烧结材料 对微波能的吸收 。保温层的形式主要有埋粉式和篮 框式，为防止保温材料与被烧结材料发生粘连，还应 进行隔离层设计，通常是在保温层与烧结体之间夹 ^一层烧结体材料的介质 ]¨。保温层的结构设计 对微波烧结有较大的影响 由于在高温下通过胚体 表面的热传导和辐射方式导致 的热量散失较为严 重，因此在设计中应尽量减小胚体与保温层之间的 间隔，加大保温层的厚度，这样有利于改善加热的均 匀性 图4 微渡侥结 zr0：时的保温屡结掏 在微波烧结 ZrO：时．由于 ZrOz导热性差和其 在临界温度点后会产生热失控现象等因素的影响． 容易在胚体中产生局部热斑进而导致胚体的开裂。 JanneyIs]采用了图 4所示的保温层设计避免了烧结 过程中ZrO。试样局部热斑的产生．在 2．45G日 下 烧结出了与 28G日z下一样好的产品。图 4中的SiC 棒在低温阶段吸收了大部分 的微波能量．然后通过 热传导和热辐射加热 ZrO 旺体，避免了 ZrO：肛体 在低温阶段 中局部热斑的形成．在温度升高到肛体 整体对微波具有很强耦合能力的时候．微波能基本 上全部被胚体所吸收。SiC棒起到了预热 ZrO 胚体 和改善加热均匀性的双重效果 3 温度的测量 精确的温度测量能使人们及时改变微波功率的 大小或调节谐振腔的状态以防止温度过高导致材料 ·63· 维普资讯 http://www.cqvip.com 的熔化或加热的中止 ]。目前在微波烧结技术中常 采用两种测温方式，热电偶测量和光学测温计测量。 采用热电偶测量需在试样上钻一小孔，而且包套也 必须精心设计以防发生微波打火现象，热电偶的存 在对微波场也有一定的干扰，但是采用热电偶测量 能真实反映试样内部的温度。采用光学测温计虽比 较方便 ．但它测量的只是表面温度 ，比内部的实际温 度要低。 4．其它因素 据文献报道，试样的尺寸、体积．加热腔的容积， 试样体积与加热腔容积之比以及试样在加热腔中放 置的位置等因素，均对微波烧结效果也有一定 的影 响 四、微波烧结体 的性能 由于微波烧结的烧结温度低、烧结时间短 ，因此 与常规烧结相比，微波烧结体的晶粒尺寸更细小，如 表 1所示 细晶的形成也使得烧结体的机械性能得 到改善。文献[15]的研究表明，微波烧结 ZnO可变 电阻的基 电压达到 380 V／ram而常规烧结产品只 有 180 V／ram 表 1．微波烧结体与常规烧结体晶粒尺寸比较 材 料 散波烧结 常规烧结 纯 Al2O3 2．6～2．9 um 3．5～4．uumo 文献[14] ZrO}一 AI203 o_’1um5 Y}03一ZrO2 2 3 um Zn0 5 9 1 0 um 文献 7] 3 5 um 文献_3] 1o um 文献[1S] 五、结 语 微波烧结技术尽管还处于发展早期，但它所展 现的常规烧结技术无法比拟的优点，预示丁它广阔 的发展前景。目前关于微波烧结的许多机理还很不 清楚 ，有待于人们进一步深入研究。材料介质特性数 据的缺乏和设备的缺乏是微波烧结技术发展的两大 障碍。覆有材料的舟质特性数据，人们便无法知道其 ·64· 与微波的作用机制。目前人们已开始进行这方面的 研究并发展 了许多测试材料 介质特性数 据的方 法 。微波烧结技术发展过程中的另一问题是实验 的可重复性差，这与不同材料或相同材料不同形状 、 体积等对谐振频率的影响有关，说到底就是设备 问 题 将来微波烧结设备应朝着自动化程度高 ，具有可 变频和自动调谐的功能发展，并能给出更高的功率 密度，这将对那些 目前认为不合适的低损材料也将 能进行有效的微波烧结。 参 考 文 献 1 张兆镗．钟若青 编译，微波加热技术基础 ，电子工业 出版社，l988|1ot1 2 W ．H．Sutton，Am．C盯弧 Soe、BIIII．t 1989}68 (2)t379 3 M．A．Janney，C．L CaLhount H．D．Kirr~ey，J． Am ．Ceram．Soc．．1992I 75(2)：341 4 周曦亚，高妖，欧阳世 鑫，《材料研 究学报》，1994~8 (3)：253 5 D．Palaith．R．Suberglitt．Am．Ceram．Soe．Bul1．， l989‘68(9)：l60l 9 M ． 舢 ouat，L、 Mazo， G． Desga~din． Mat． Res． Soc Symp．P舶 c．一1990I 189 E229 7 H． D． Kim~eyt J．0．Kig~ nst M ． A-Jar,r~ey et． a1．．№ ．Res．Soc．Symp、Proc．t 1990I 189：243 8 T．N、Tiegs，I．o．K Eggarns，H．n KimreytMat- Res．Soc．Syrup P c．，1990I 189t267 9 M． A．Janney．H． D． Kimrey，MⅡt． Res．Soc． Symp．Prcc．，1990I 189 21 5 l0 T．T．M髓k，C．E．Holcombet N Dykes，J．Mater． So1．Lett．t 1 987I 6j1060 11 Edward J．A．Popet Am．Cefam．Soc．Bul1．，1993| 70(11)：1777 12 J．D．Katz，R．D．Bl~ke，A皿 Ceram．Soc． Bul1．， 1991 I 70(8)：1304 l3 J．J．Thomas，R．I Ch~stease，D、L．Johnson ec． a1．，J．Am．Cream．soc．t 1993|76(5)t3384 14 M ．C． L．Patterson，R． M ．Kimber，P． S．Apte1 M at．Res．Soc．Symp．Proc．t 1990I 189t 257 15 G．Mcmahon，A．Pantt R．Sood et aI．，M at Res． See Symp．P∞ c．，1990 4 189t 237 l6 J． A． Cappentert Mat． Res． Soc． Symp． Proc - 1 990 4 l89t 477 ■ 维普资讯 http://www.cqvip.com