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【原創(chuàng)】微波燒結(jié)技術(shù)在陶瓷材料中的應(yīng)用


來源:中國粉體網(wǎng)   初末

[導(dǎo)讀]  微波燒結(jié)是一種新型的材料致密化燒結(jié)工藝,它是利用微波加熱對材料進(jìn)行燒結(jié),。微波燒結(jié)技術(shù)因其在陶瓷材料制備領(lǐng)域的突出優(yōu)勢,,被譽(yù)為“21世紀(jì)新一代燒結(jié)技術(shù)”。

中國粉體網(wǎng)訊  微波燒結(jié)是一種新型的材料致密化燒結(jié)工藝,,它是利用微波加熱對材料進(jìn)行燒結(jié),。微波燒結(jié)技術(shù)因其在陶瓷材料制備領(lǐng)域的突出優(yōu)勢,被譽(yù)為“21世紀(jì)新一代燒結(jié)技術(shù)”,。


一,、微波燒結(jié)的基本原理及裝置


微波燒結(jié)是利用微波具有的特殊波段與材料的基本細(xì)微結(jié)構(gòu)耦合而產(chǎn)生熱量,,材料在電磁場中的介質(zhì)損耗使其材料整體加熱至燒結(jié)溫度,,實現(xiàn)致密化的方法。


一般的微波燒結(jié)裝置主要由微波源系統(tǒng),,微波傳輸系統(tǒng),,微波燒結(jié)腔和監(jiān)測控制系統(tǒng)4部分組成。



二,、微波燒結(jié)的特點


(1)極快的加熱和燒結(jié)速度


微波加熱是材料內(nèi)部整體加熱,,升溫速度快,從而大大縮短了燒結(jié)時間,,極大的提高了能源的利用效率,。


(2)改變陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)和宏觀性能


由于微波燒結(jié)的速度快,、時間短、從而避免了燒結(jié)過程中陶瓷材料晶粒的異常長大,,最終可獲得具有高強(qiáng)度和韌性的超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)材料,。


(3)高效節(jié)能


微波燒結(jié)溫度與常規(guī)燒結(jié)溫度相比,最大降溫幅度可達(dá)500℃左右,;一般從微波能轉(zhuǎn)變成熱能的效率可達(dá)80~90%,,加之微波燒結(jié)的時間短,因此微波燒結(jié)可大大降低能耗,。


(4)選擇性燒結(jié)


對于多相混合材料,,由于不同介質(zhì)吸收微波的能力不同,產(chǎn)生的耗散功率不同,,熱效率也不同,,可以利用這一點來對復(fù)合材料進(jìn)行選擇性燒結(jié),研究新的材料和得到材料的更佳性能,。


(5)瞬時性無污染


微波加熱過程中無需經(jīng)過熱傳導(dǎo),,因為沒有熱慣性,即具有瞬時性,,這就意味著熱源可以瞬時被切斷和及時發(fā)熱,,體現(xiàn)了節(jié)能和易于控制的特點。同時,,微波熱源純凈,,不會污染所燒結(jié)的材料,能夠方便地實現(xiàn)在真空和各種氣氛及壓力下的燒結(jié),。


三,、微波燒結(jié)技術(shù)在陶瓷材料中的應(yīng)用


在結(jié)構(gòu)陶瓷中的應(yīng)用


 

(1)氧化物陶瓷


Al2O3、ZrO2及其復(fù)合材料等氧化物陶瓷材料在微波燒結(jié)的研究中取得了較為成功的效果,。


謝杰等人采用自制微波燒結(jié)設(shè)備,,通過向純Al2O3粉末中添加MgO和Y2O3助燒劑,制備出高純度和高密度的Al2O3陶瓷,,其強(qiáng)度和韌性得到了顯著增強(qiáng),。丁明桐等采用納米級高純超細(xì)粉,通過添入適量稀土氧化物(Y2O3),,經(jīng)微波燒結(jié)制成新型Y-ZrO2稀土增韌陶瓷材料,。


除了成功燒結(jié)出Al2O3、ZrO2等陶瓷材料,,其他氧化物陶瓷也通過微波燒結(jié)技術(shù)制備出來,,如TiO2、SiO2,、ZnO等陶瓷材料,。


(2)氮化物陶瓷


氮化物陶瓷的特點具有相當(dāng)高的熔點,,具有很好的抗腐蝕性,有些氮化物陶瓷還具有很高的硬度,,因而得到廣泛應(yīng)用,。


Cheng等運用微波法燒結(jié)AlN陶瓷,以微量的Y2O3為助燒劑,,在1900℃下保溫30min,,密度高達(dá)99.5%。


(3)碳化物陶瓷


碳化物陶瓷的突出特點是高熔點,、高硬度,,并且有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能,但高溫下易氧化,,主要的碳化物陶瓷有SiC,、B4C、TiC,、WC,、ZrC、TaC等,。


Goldstein等以高純α-SiC為原料進(jìn)行微波燒結(jié),,所得燒結(jié)試樣密度是理論密度的98%,與常規(guī)燒結(jié)相比機(jī)械性能更為優(yōu)越,。


在功能陶瓷中的應(yīng)用


功能陶瓷可分為電功能陶瓷,、磁功能陶瓷、光功能陶瓷,、生物功能陶瓷等,。


(1)電子陶瓷


李磊等人比較了微波和傳統(tǒng)燒結(jié)ZnO壓敏電阻的性能,發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)工藝明顯改善了ZnO壓敏電阻的致密化行為,,縮短了燒結(jié)周期,,改善了電性能。


(2)光學(xué)陶瓷


盧斌等人在不添加任何燒結(jié)助劑的前提下,,采用高純微米級氮化鋁(AlN)粉,,在1700℃/2h的微波低溫?zé)Y(jié)工藝條件下制備出透明度較高的AlN透明陶瓷。該透明陶瓷晶粒尺寸細(xì)小(<10μm),,晶粒發(fā)育完善且分布均勻,,晶界平直光滑且無第二相分布,。


(3)磁性陶瓷


彭虎等人利用微波燒結(jié)旋磁鐵氧體材料,,將物料整體加熱,內(nèi)外溫差小,,可快速升溫,,并且微波加熱伴有“非熱”效應(yīng),,可以降低反應(yīng)溫度,促進(jìn)物體內(nèi)部晶體致密化,。由于燒結(jié)坯體內(nèi)應(yīng)力小,,即使快速燒結(jié)也不會導(dǎo)致坯體開裂,且燒結(jié)的材料具有較佳的性能,,從而使得坯體燒結(jié)合格率提高,。


(4)生物陶瓷


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,。

王卓薇等對羥基磷灰石進(jìn)行了微波燒結(jié)的研究,,結(jié)果表明,微波燒結(jié)有利于HAP陶瓷坯體的致密化,,可以實現(xiàn)低溫快速燒結(jié),,并提高陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度。


參考資料:
朱佑念.特種陶瓷的微波燒結(jié)技術(shù)及研究進(jìn)展
李遠(yuǎn).微波燒結(jié)陶瓷的研究進(jìn)展
艾云龍.陶瓷材料的微波燒結(jié)及研究進(jìn)展

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