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微波烧结技术在陶瓷材料中的应用


来源:中国粉体网   初末

[导读]  微波烧结是一种新型的材料致密化烧结工艺,它是利用微波加热对材料进行烧结。微波烧结技术因其在陶瓷材料制备领域的突出优势,被誉为“21世纪新一代烧结技术”。

中国粉体网讯  微波烧结是一种新型的材料致密化烧结工艺,它是利用微波加热对材料进行烧结。微波烧结技术因其在陶瓷材料制备领域的突出优势,被誉为“21世纪新一代烧结技术”。


一、微波烧结的基本原理及装置


微波烧结是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量,材料在电磁场中的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度,实现致密化的方法。


一般的微波烧结装置主要由微波源系统,微波传输系统,微波烧结腔和监测控制系统4部分组成。



二、微波烧结的特点


(1)极快的加热和烧结速度


微波加热是材料内部整体加热,升温速度快,从而大大缩短了烧结时间,极大的提高了能源的利用效率。


(2)改变陶瓷材料显微结构和宏观性能


由于微波烧结的速度快、时间短、从而避免了烧结过程中陶瓷材料晶粒的异常长大,最终可获得具有高强度和韧性的超细晶粒结构材料。


(3)高效节能


微波烧结温度与常规烧结温度相比,最大降温幅度可达500℃左右;一般从微波能转变成热能的效率可达80~90%,加之微波烧结的时间短,因此微波烧结可大大降低能耗。


(4)选择性烧结


对于多相混合材料,由于不同介质吸收微波的能力不同,产生的耗散功率不同,热效率也不同,可以利用这一点来对复合材料进行选择性烧结,研究新的材料和得到材料的更佳性能。


(5)瞬时性无污染


微波加热过程中无需经过热传导,因为没有热惯性,即具有瞬时性,这就意味着热源可以瞬时被切断和及时发热,体现了节能和易于控制的特点。同时,微波热源纯净,不会污染所烧结的材料,能够方便地实现在真空和各种气氛及压力下的烧结。


三、微波烧结技术在陶瓷材料中的应用


在结构陶瓷中的应用


 

(1)氧化物陶瓷


Al2O3、ZrO2及其复合材料等氧化物陶瓷材料在微波烧结的研究中取得了较为成功的效果。


谢杰等人采用自制微波烧结设备,通过向纯Al2O3粉末中添加MgO和Y2O3助烧剂,制备出高纯度和高密度的Al2O3陶瓷,其强度和韧性得到了显著增强。丁明桐等采用纳米级高纯超细粉,通过添入适量稀土氧化物(Y2O3),经微波烧结制成新型Y-ZrO2稀土增韧陶瓷材料。


除了成功烧结出Al2O3、ZrO2等陶瓷材料,其他氧化物陶瓷也通过微波烧结技术制备出来,如TiO2、SiO2、ZnO等陶瓷材料。


(2)氮化物陶瓷


氮化物陶瓷的特点具有相当高的熔点,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。


Cheng等运用微波法烧结AlN陶瓷,以微量的Y2O3为助烧剂,在1900℃下保温30min,密度高达99.5%。


(3)碳化物陶瓷


碳化物陶瓷的突出特点是高熔点、高硬度,并且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、TaC等。


Goldstein等以高纯α-SiC为原料进行微波烧结,所得烧结试样密度是理论密度的98%,与常规烧结相比机械性能更为优越。


在功能陶瓷中的应用


功能陶瓷可分为电功能陶瓷、磁功能陶瓷、光功能陶瓷、生物功能陶瓷等。


(1)电子陶瓷


李磊等人比较了微波和传统烧结ZnO压敏电阻的性能,发现微波烧结工艺明显改善了ZnO压敏电阻的致密化行为,缩短了烧结周期,改善了电性能。


(2)光学陶瓷


卢斌等人在不添加任何烧结助剂的前提下,采用高纯微米级氮化铝(AlN)粉,在1700℃/2h的微波低温烧结工艺条件下制备出透明度较高的AlN透明陶瓷。该透明陶瓷晶粒尺寸细小(<10μm),晶粒发育完善且分布均匀,晶界平直光滑且无第二相分布。


(3)磁性陶瓷


彭虎等人利用微波烧结旋磁铁氧体材料,将物料整体加热,内外温差小,可快速升温,并且微波加热伴有“非热”效应,可以降低反应温度,促进物体内部晶体致密化。由于烧结坯体内应力小,即使快速烧结也不会导致坯体开裂,且烧结的材料具有较佳的性能,从而使得坯体烧结合格率提高。


(4)生物陶瓷


羟基磷灰石是人体骨骼的无机矿物组成,与机体有良好的生物相容性,植入人体后能诱导周围骨组织的生长并逐步参与代谢,最终与人体骨形成紧密的化学结合,是良好的生物陶瓷材料。

王卓薇等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。


参考资料:
朱佑念.特种陶瓷的微波烧结技术及研究进展
李远.微波烧结陶瓷的研究进展
艾云龙.陶瓷材料的微波烧结及研究进展

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