淺析微波燒結(jié)的研究進展

1、淺析微波燒結(jié)的研究進展微波燒結(jié)的研究進展摘 要：微波饒結(jié)是一種新型的利用微波加熱來對材料進行燒結(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。本文重點介紹了微波燒結(jié)的進展 史，在陶瓷材料方而的研究進展和應(yīng)用，并對微波燒結(jié)的進展趨勢進行了展望。關(guān)鍵詞：微波饒結(jié)：陶瓷材料：研究進展：應(yīng)用The Research Development of Microwave SinteringAbstract: The microwave sintering is a new method by using microwave heating carries on the sint

2、ering 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 material

3、. At last, the development trend was predicted.Keywords: microwave sintering; ceramic material; research development; applications1前言建立在現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)上的文明有賴于專門材料的應(yīng)用，傳統(tǒng)的粉末冶金材料 和新興的各種陶瓷材料是現(xiàn)代丄業(yè)生產(chǎn)所不可缺少的基礎(chǔ)，而燒結(jié)技術(shù)往往是決 定粉末冶金制品和陶瓷制品性能的重要環(huán)節(jié)山。微波燒結(jié)是一種利用微波加熱對材料進行燒結(jié)的方法，材料的微波燒結(jié)開始 于20世紀(jì)60年代中期。Tinga W R第一提出了陶瓷材料的微波燒結(jié)；到20世 紀(jì)

4、70年代中期，法國的Badot和Berteand開始對微波燒結(jié)技術(shù)進行系統(tǒng)研究。 20世紀(jì)80年代以后，各種高性能的陶瓷和金屬材料得到廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的制備 技術(shù)也成為人們關(guān)注的焦點。微波燒結(jié)以其特有的節(jié)能、省時的優(yōu)點，得到了美 國、日本、加拿大、英國、德國等發(fā)達國家的政府、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的廣泛重視, 我國也于1988年將其納入''863打算"。在此期間，要緊探究和研究了微波理 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 波交互作用機制以及電磁場和溫度場運算機數(shù)值模擬等，燒結(jié)了許多不同類型的 材料。90年代后期，微波燒結(jié)已進入產(chǎn)業(yè)化時期，美國

5、、加拿大、德國等發(fā)達 國家開始小批量生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品件叫 目前，在國外微波燒結(jié)已進入產(chǎn)業(yè)化時期， 我國在微波燒結(jié)的應(yīng)用方面也應(yīng)加大研究力度。2微波燒結(jié)研究進展隨著科學(xué)技術(shù)的進展，材料需要在比較苛刻的環(huán)境下使用。丄業(yè)上的應(yīng)用對 材料的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能要求也越來越嚴(yán)格。陶瓷材料具有優(yōu)良的 高強度、高硬度、高耐磨性和耐蝕性以及低膨脹系數(shù)和質(zhì)量輕等金屬材料難以匹 敵的特點，廣泛應(yīng)用于各種材料科學(xué)領(lǐng)域。專門是隨著各種透亮陶瓷、金屬陶瓷、 導(dǎo)電陶瓷等的開發(fā)應(yīng)用，使得陶瓷材料發(fā)揮著越來越重要的作用。應(yīng)用微波加熱 技術(shù)進行陶瓷材料的燒結(jié)是一種理想的選擇，各先進國家在陶瓷的微波燒結(jié)方面 均做了大量研究工

6、作，并取得了許多有益的進展嘰21微波燒結(jié)氧化物陶瓷1）金屬氧化物陶瓷國內(nèi)外研究者至今兒乎對所有的氧化物陶瓷材料進行了微波燒結(jié)研究。較為 成功的有AhO3> Z1O2、ZnO、MgO、SiCh及其復(fù)合材料等。李磊等釆納微 波燒結(jié)制備ZnO陶瓷，結(jié)果說明，微波燒結(jié)工藝不僅可顯著提高ZnO壓敏電阻 的致密度，而且能夠改善材料的微觀結(jié)構(gòu)和電性能。微波工藝的燒結(jié)周期僅是傳 統(tǒng)工藝的1/101/8。王曉平山】采納微波燒結(jié)，在常壓、純氧氣氛條件下制備了 ITO 陶瓷。通過XRD、SEM和金相分析等方法研究了燒結(jié)溫度和保溫時刻對ITO陶 瓷相對密度的阻礙。結(jié)果說明，微波燒結(jié)具有升溫速度快、保溫時刻短的優(yōu)

7、點， 大幅縮短了 ITO陶瓷的燒結(jié)周期。1550C微波燒結(jié)并保溫20min的ITO陶瓷相 對密度達到了 99.5%,晶粒大小平均，結(jié)構(gòu)緊密，沒有單相析出，晶粒尺寸為 3-8（.inio2）復(fù)合氧化物陶瓷19世紀(jì)60年代第一制備出了透亮氧化鋁陶瓷。用傳統(tǒng)方法燒結(jié)出來的多晶陶 瓷III于存在著晶界、第二相和氣孔等結(jié)構(gòu)而極大地阻礙了其光學(xué)性能。而在微波 燒結(jié)中，獲得了致密度高、晶粒結(jié)構(gòu)平均的多晶材料，使得由于氣孔和晶界造成 的對光線的散射大幅度降低，提高了多晶陶瓷的透光性，因此采納微波燒結(jié)的方 法比常規(guī)燒結(jié)更容易制備出透亮陶瓷。微波燒結(jié)溫度場平均、熱應(yīng)力小，適宜于 快速燒結(jié)，因而可使陶瓷材料晶粒細化

8、【9】見表1),提高了材料顯微結(jié)構(gòu)的平均 性2門】。計瑋等網(wǎng)采納溶膠凝膠法與微波加熱、微波燒結(jié)相結(jié)合的方法制備了 A12O3彌散強化銅基復(fù)合材料，并對其性能進行了比較分析，結(jié)果說明，微波燒 結(jié)既能夠縮短工藝時刻、提高生產(chǎn)率、降低成本，乂能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量。在銅基 復(fù)合材料中，增強相的顆粒細化、燒結(jié)后的材料致密，大大增強了材料的導(dǎo)電性 能，達到了一樣電子工業(yè)高要求的導(dǎo)電材料導(dǎo)電率大于80%IACS的要求。表1傳統(tǒng)燒結(jié)和微波燒結(jié)得到的不同的晶粒尺寸Table 1 The different gram sizes gained by TS and MS method材料微波燒結(jié)/pm常規(guī)燒結(jié)/pmAb

9、Os2.62.93.54.0ZrO2AbO30.51.0Y2O3ZrO22.33.5ZnO5610中北大學(xué)的馬清花等【研究了添加吸波材料Sic對納米TiO2晶型和粒徑的 阻礙，與傳統(tǒng)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)時刻短，效率提高了 2倍以上；添加吸波材料 SiC燒結(jié)納米TiO2成型的時刻要短；SiC的添加方式不同，導(dǎo)致燒結(jié)成型的時刻 也不相同，制備復(fù)合SiC/TiO2粉體的燒結(jié)成型時刻要比用SiC鋪床的方法進行燒 結(jié)的時刻短。二十世紀(jì)以來，微波燒結(jié)納米結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研究更趨于成熟，美 國賓州州立大學(xué)的研究者們在這方面的研究工作尤為突出。2.2微波燒結(jié)非氧化物陶瓷的研究B4C. SiC、Si3N4>

10、TiB2和A1N等是用微波成功燒結(jié)的非氧化物陶瓷材料， 在這當(dāng)中研究比較多的是微波燒結(jié)法制備的氮化物陶瓷和碳化物陶瓷。1)氮化物陶瓷氮化物陶瓷的特點是具有相當(dāng)高的熔點，具有專門好的抗腐蝕性，有些氮化 物陶瓷還具有專門高的硬度，因而得到廣泛應(yīng)用。氮化物陶瓷的缺點是抗氧化能 力差。氮化物陶瓷要緊有SiN、BN、AIN、Ti和塞隆(Sialon)陶瓷等。利用 微波燒結(jié)A1N陶瓷，盡管在節(jié)能省時方面成效顯著，然而微波燒成環(huán)境對A1N 燒成阻礙比較復(fù)雜"1。曾小峰等I在微波燒成環(huán)境對A1N陶瓷的燒成阻礙方面 做了研究。研究說明，燒成環(huán)境中碳熱還原氣氛能極大地加快A1N陶瓷的致密 化速率，但容易

11、在A1N陶瓷晶界相內(nèi)部產(chǎn)動氣孔，使A1N熱導(dǎo)率降低。李燕Ml等采納納米TiN、亞微米TiC和等原材料，以金屬C。作為粘結(jié) 劑，利用真空微波燒結(jié)技術(shù)制備了細晶粒Ti（CN）基金屬陶瓷材料，研究了所得 金屬陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。結(jié)果顯示：金屬陶瓷的組織中有黑芯-灰殼結(jié) 構(gòu)和口芯-灰殼結(jié)構(gòu);Mo的加入使金屬陶瓷的顯微組織細化,M。的加入量為15% 時，硬質(zhì)相顆粒粒徑小于lpm： 15%的Mo加入量所得的細晶粒金屬陶瓷與未加 入M。的金屬陶瓷比較，其抗彎強度增加，硬度變化不明顯，密度和斷裂韌性降 低。嚴(yán)迪種等實驗說明：隨著燒結(jié)溫度的升高，超細TiCN基金屬陶瓷的收縮 率、致密度、橫向斷裂強度和硬度

12、均先增大后減小。該材料經(jīng)1500°C保溫30min, 可獲得晶粒細小、組織平均、性能優(yōu)異的超細TiCN基金屬陶瓷，現(xiàn)在其橫向斷 裂強度和硬度分別為1547MPa和90.6HRA。2）碳化物陶瓷碳化物陶瓷的突出特點是高熔點、高硬度，同時具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能, 但高溫下易氧化，要緊的碳化物陶瓷有SiC、B4C、TiC、WC、ZrC、HfC、TaC 等J吳占德等0】研究了空氣中B4C/SiC/Al混合物在微波加熱過程中的反應(yīng)。 確定了 B4C/SiC/Al混合物能生成良好的致密化樣品。燒成的樣品由B4C基體制 成，氣孔山A1和B4C反應(yīng)生成的產(chǎn)物和空氣填充。測岀的相包括AhOC、 AI

13、27O39N、AI10N8O3、AI3B48C和AlNo長寬比大的SiC晶粒,在此環(huán)境中能被 氧化，起到增韌填料的作用。23微波燒結(jié)其他陶瓷材料的研究疑基磷灰石是一種應(yīng)用較廣的醫(yī)用移植材料，為了提高疑基磷灰石的斷裂韌 性，張志成【221等進行了納米羥基磷灰石微波燒結(jié)的研究。燒結(jié)后壓片試樣的XRD 說明，在這些溫度下用微波燒結(jié)，燒結(jié)速度快，而且在燒結(jié)過程中試樣沒有分解, 而采納傳統(tǒng)方法利用電爐燒結(jié)，在低至1100°C下，疑基磷灰石就會發(fā)生分解。 王卓薇123等也對輕基磷灰石進行了微波燒結(jié)的研究，結(jié)果說明，微波燒結(jié)有利 于HAP陶瓷坯體的致密化，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫快速燒結(jié)，并提高陶瓷的機械強度

14、。周潔等0】采納微波燒結(jié)方法制備了結(jié)構(gòu)平均致密度好的TCP/TTCP復(fù)合磷 酸鈣生物陶瓷材料。燒結(jié)溫度對生物陶瓷材料中的主晶相（HA相）形成有一定 的阻礙。1200°C微波燒結(jié)，HA相穩(wěn)固存在，陶瓷具有良好的表面生物活性。浸 泡溶液的pH值變化幅度小（在7.40-7.72之間）,接近中性。譚穎I等研究了 BST陶瓷材料的微波燒結(jié)情形，從燒結(jié)特性、微結(jié)構(gòu)與相 組成及微波介電性能等方面對微波燒結(jié)的樣品與傳統(tǒng)工藝制得的樣品進行了對 比。結(jié)果說明，與傳統(tǒng)制備工藝相比，微波燒結(jié)BST陶瓷縮短了燒結(jié)周期，并 促進了樣品的致密化，其物相組成和傳統(tǒng)燒結(jié)的樣品沒有區(qū)別，且晶粒細小分布 平均。微波燒結(jié)B

15、ST陶瓷可獲得較優(yōu)的微波介電性能：介電常數(shù)8=82.89,品質(zhì) 因數(shù)與頻率之積Qf=8450GHz （頻率f=4.75GHz）。PTC陶瓷存在受熱不平均、容易開裂的問題。付明卩6】發(fā)明了一種PTC陶瓷 的微波燒結(jié)方法，該方法為一種一般爐預(yù)先排膠，再進行微波燒結(jié)的工藝。實驗 說明，該方法可縮短燒結(jié)時刻，降低燒結(jié)溫度，大大節(jié)約電能，產(chǎn)品性能優(yōu)于傳 統(tǒng)燒結(jié)方法的產(chǎn)品性能。3微波燒結(jié)在陶瓷材料中的應(yīng)用微波燒結(jié)技術(shù)自問世以來，一直受到各個國家的廣泛重視，且應(yīng)用領(lǐng)域也不 斷擴大。瑞典微波技術(shù)研究所用微波能把超純硅石加熱到2000°C以上來制造光 纖，與傳統(tǒng)熱源相比，不僅降低能耗，而且減低了石英表

16、面的升華率。美國、加 拿大等國用微波燒結(jié)來批量制造火花塞瓷、ZrCh、Si3N4> SiC、Al2O3-TiC和超 導(dǎo)材料等陶瓷材料|27-28,o近年微波燒結(jié)技術(shù)顯現(xiàn)了許多新的應(yīng)用。利用微波合成納米材料也取得了一 定的進展。納米粉末的制備本不容易，具有納米晶粒的塊體材料的制備那么更難。 而微波燒結(jié)技術(shù)所具有的燒結(jié)溫度低、時刻短等特性那么為成功制備此種材料提 供了可能卩北京科技大學(xué)李云凱I網(wǎng)等人釆納AI2O3和ZrO2（3Y）納米粉為原料, 對不同配比的Al2O3-ZrO2（3Y）復(fù)相陶瓷進行微波燒結(jié)研究，獲得了專門高的致密 度，材料的斷裂韌度也有專門大提高o Eastman等人制備了平

17、均顆粒尺寸為14nm 的TiO2,并獲得了良好的燒結(jié)性能，材料的斷裂韌性要比常規(guī)燒結(jié)方法制備出 的材料高出60%。微波燒結(jié)技術(shù)在功能陶瓷方面也有所成就。iu H X1等人用微波水熱合成 PZT壓電陶瓷粉末，合成粉體的粒徑在40nm60nm間，且粒徑尺寸分布比較窄。 李俊等【32釆納微波高溫?zé)Y(jié)爐對Ni-Zn鐵氧體軟磁材料進行了公斤級燒結(jié)工藝 研究，在燒結(jié)時刻大大縮短的同時獲得了與常規(guī)燒結(jié)相同的性能。隨著微波技術(shù)的不斷進展，其在陶瓷領(lǐng)域?qū)ｉT是綠色陶瓷的進展應(yīng)用中將會 扮演更重要的角色。4存在問題微波燒結(jié)顯示的杰出優(yōu)勢向陶瓷工業(yè)界展現(xiàn)了樂觀的、尚未開發(fā)的詢景用于 材料生產(chǎn)有著龐大的前途，但這當(dāng)中也

18、存在著一些亟待解決的問題。微波燒結(jié)設(shè)備是阻礙微波燒結(jié)技術(shù)工業(yè)化的一個專門重要的因素，對微波燒 結(jié)機理的充分認(rèn)識有助于解決這一問題?？谇拔⒉ㄗ鳛閬A業(yè)化應(yīng)用還存在一些問 題尚待解決，如更大的平均微波場的獲得，低介電損耗材料在室溫至臨界溫度點 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一步研究列。微波燒結(jié)中存在的另外一個問題是，關(guān)于大尺寸、復(fù)雜形狀的陶瓷材料在燒 結(jié)過程中依舊專門容易顯現(xiàn)不平均加熱現(xiàn)象的，嚴(yán)峻時還會導(dǎo)致陶瓷材料開裂 1351 o其緣故要緊有：（1）微波場分布不平

19、均；（2）特有的微加熱現(xiàn)象，如熱失 控、熱點、選擇加熱等；陶瓷材料本身的緣故，如熱膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱率低、 形狀復(fù)雜、尺寸過大等。解決這些問題要緊是釆納混合加熱、對原材料進行預(yù)處 理以及能量分配等方法。此外，阻礙該技術(shù)有用化的困難還有：燒結(jié)材料種類的局限性，溫度難以準(zhǔn) 確測量和燒結(jié)產(chǎn)量低等。5展望微波燒結(jié)技術(shù)進展了兒十年，盡管還有許多不成熟、不完善的地點，但它具 有常規(guī)技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，預(yù)示著它將成為最有效的、最具有競爭力的新一代 燒結(jié)技術(shù)。陶瓷微波燒結(jié)技術(shù)是一門新的燒結(jié)工藝，盡管兒乎研究了所有的陶瓷材料， 山于燒結(jié)材料的介質(zhì)損耗過小或過大，能成功燒結(jié)的材料種類并不專門多。關(guān)于 介質(zhì)損耗過低的

20、材料，U前要緊采取混合加熱的方法。另外，能夠應(yīng)用有限元分 析法對微波燒結(jié)過程進行運算機模擬，從而能對燒結(jié)工藝和加熱機制進行更直觀 的分析和研究。陶瓷微波燒結(jié)的兒個研究方向：(1) 微波與材料的相互作用機理；(2) 微波燒結(jié)工藝研究，包括微波功率、頻率、加熱時刻等對陶瓷燒結(jié)的 阻礙，以及輔助加熱裝置的設(shè)訃等；(3) 燒結(jié)過程中涉及的電磁場、固體電介質(zhì)，材料本身的介電參數(shù)測定；(4) 從燒結(jié)產(chǎn)品的孔隙率、晶粒尺寸、力學(xué)性能等方面把微波燒結(jié)與傳統(tǒng) 燒結(jié)進行比較。參考文獻1 馬金龍，童學(xué)鋒，彭虎燒結(jié)技術(shù)的革命-微波燒結(jié)技術(shù)的進展及現(xiàn)狀J|.新材料產(chǎn)業(yè),2001. (6):30-32.2 Tinga W

21、 R.Voss W A G. Micro wave power EngineeringD.New York: Academic Press,1968.3 Berteaud A J,Badct J C.High temperature microwave heating in refractory materialsJ. Micro wave Power, 1976.11 (4):315-320.4 易健宏，唐新文，羅述東,李麗婭，彭元東.微波燒結(jié)技術(shù)的進展及展望J.粉末冶金技術(shù),2003, 21(6):351-354.5 劉平安，王慧，程小蘇,稅安澤，曾令可.陶瓷的微波燒結(jié)及研究現(xiàn)狀J沖國陶瓷

22、,2005.41(4): 5-7,15.6 李遠，汪建華,熊禮威，劉繁.微波燒結(jié)陶瓷的研究進展J.熱處理技術(shù)與裝備,202032(2):8-11.7 王存龍，李波，劉勇，史文璐,蘇繼紅.微波技術(shù)在陶瓷與粉末冶金燒結(jié)中的應(yīng)用兵器J.材料 科學(xué)與工程,2020,33(6):97-101.8 陳艦,葉君怡微波加熱技術(shù)的應(yīng)用一微波燒結(jié)陶瓷材料J.東莞理工學(xué)院學(xué)報.2005,12(1):92-94.9艾云龍，劉書紅,劉長虹，羅軍明,王圣明.陶瓷材料的微波燒結(jié)及研究進展J.熱處理技術(shù)與 裝備,2020,29(3):1410李磊,許業(yè)文，林楸，等.微波燒結(jié)ZnO壓敏電阻的可行性研究J.電子元件與材料,200

23、7,26(3) :41-43.11王曉平微波燒結(jié)法制備ITO陶瓷J.電子元件與材料,2020,30(6):23-25.12劉繼勝微波燒結(jié)工作原理及工業(yè)應(yīng)用研究J.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,200720(2):20-23.13吳紅,史洪剛，馮宏偉,范愛國微波燒結(jié)技術(shù)的研究進展J.兵器材料科學(xué)與工程,2004.27(4) :59-61.14計瑋，陳艷.微波場中利用溶膠凝膠法制備AhOVCu復(fù)合材料J.有色金屬加工,2020.39 (6):8-10,22.15馬淸花，柴濤，張文笛吸波材料SiC對微波燒結(jié)納米TiO2的阻礙卩沖北大學(xué)學(xué)報,2020. 29(4):361-365.|16方可.微波燒結(jié)金屬粉末材

24、料研究進展J.金屬材料與冶金工程.2020.39刖亠.17曾小峰，彭虎，錢端芬，等.微波燒結(jié)A1N陶瓷的初步研究卩.硅酸鹽通報.2005,(3):29-32.18李燕，劉寧.細晶粒TiCN-Co金屬陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能J.材料熱處理學(xué)報,2020.29 (1):1419嚴(yán)迪科，張厚安，易繼勇,唐思文.超細TiCN基金屬陶瓷的制備及其微波燒結(jié)工藝研究J. 材料熱處理技術(shù),2020,39(20):73-75.79.20晉勇,王玉環(huán)，等.微波饒結(jié)金屬陶瓷材料的工藝研究J.工具技術(shù),2004.38:96-9&107.21吳占徳，王曉陽.B4C-SiC-Al混合物快速微波反應(yīng)形成的碳化物復(fù)合材料J.耐火與石灰, 2020,35(2):60-64.22楊文，常愛民,莊建文，等.陶瓷材料的制備及介電特性研究J.無機材料學(xué)報,2002,17