中國粉體網(wǎng)訊  微波燒結(jié)的概念在1968年由Tinga.W.R等人提出,。70年代中期,，Berteand和Badot成功利用微波燒結(jié)Al₂O₃、SiO₂,、Y₂O₃和ZrO₂等陶瓷材料,，研究表明采用微波燒結(jié)法時燒結(jié)溫度顯著下降，燒結(jié)時間減少,。90年代末,，Roy等利用微波技術(shù)首次成功燒結(jié)制備了金屬粉體成形件，之后國內(nèi)外對微波燒結(jié)技術(shù)進行了大量研究,，高性能陶瓷和金屬材料逐漸開始得到應用,。

微波燒結(jié)之所以廣泛吸引人們關(guān)注,，原因在于相比于傳統(tǒng)燒結(jié)具有的眾多優(yōu)勢，如加熱周期短,、加熱速率快,、微觀結(jié)構(gòu)好、節(jié)能低耗,、環(huán)境友好及產(chǎn)品機械性能優(yōu)良等等,。

微波燒結(jié)技術(shù)在陶瓷材料的燒結(jié)與連接、無機合成,、粉末冶金,、水泥及混凝土材料的加工、復合材料的研發(fā),、工業(yè)和放射性廢物處理等領(lǐng)域具有突出優(yōu)勢,，具有廣闊的工業(yè)應用前景。隨著人們對微波燒結(jié)技術(shù)的研究,，它逐漸成為陶瓷材料燒結(jié)工藝中的研究熱點,。

微波燒結(jié)技術(shù)的原理

微波燒結(jié)的本質(zhì)是一種高頻電磁波，它的頻率一般在300MHz~300GHz之間,，它通常使用的頻率主要是2.45GHz,，微波燒結(jié)是利用材料吸收微波能量使材料從內(nèi)向外整體加熱而使樣品實現(xiàn)致密化。不同的介質(zhì)材料在特定頻率下進行微波電磁場耦合時,，介質(zhì)材料會產(chǎn)生介質(zhì)極化,。若將這種材料置于交變的電場之中，介質(zhì)材料中的極性分子取向隨著電場的極性變化而變化,，微波高頻電磁場頻率很高,，且不斷變化，分子排列取向也不斷發(fā)生變化,，分子間發(fā)生劇烈運動,，電磁能不斷被損耗，逐漸轉(zhuǎn)化為分子間劇烈運動的動能,，從而實現(xiàn)從電磁能向熱能的轉(zhuǎn)變,，導致材料溫度升高。

微波燒結(jié)的特點

(1)極快的加熱速度

微波燒結(jié)是利用材料的介質(zhì)損耗使樣品從內(nèi)向外整體加熱,，從而實現(xiàn)樣品的致密化,。微波燒結(jié)為瞬時加熱，當儀器啟動后,，微波照射使得被加熱樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生微波磁場耦合,，從而產(chǎn)生熱能，具有快速燒結(jié)特點。微波燒結(jié)一般的加熱速度可達幾十度每分鐘,。

(2)整體性加熱

微波燒結(jié)與傳統(tǒng)燒結(jié)熱傳遞方式不同,，其中傳統(tǒng)燒結(jié)是從外向內(nèi)進行加熱，使得樣品內(nèi)部出現(xiàn)較大的溫度差,，晶粒大小不均勻,，樣品致密度低。而微波燒結(jié)是借助微波場的熱振動對樣品進行從內(nèi)向外整體加熱,，樣品內(nèi)部各位置的溫差較小,，晶粒生長均勻，有效改善材料的顯微結(jié)構(gòu),，提高其各方面性能,。

微波燒結(jié)與傳統(tǒng)燒結(jié)對比圖(左圖為傳統(tǒng)燒結(jié)，右圖為微波燒結(jié))

（圖片來源：王玉潔.  固態(tài)電解質(zhì)Li₇La₃Zr₂O₁₂的微波燒結(jié)及摻雜改性研究）

(3)促進產(chǎn)品致密化

燒結(jié)過程包括粒子致密化和晶粒長大兩階段,。其中,，致密化進程與粒子間的擴散緊密相關(guān)，晶粒長大過程取決于晶界的擴散,。在微波燒結(jié)過程中,，微波緊密集中于試樣，其快速升溫的特點加速了試樣表面粒子的離子化進程,，進而加速了顆粒之間的擴散并促進了致密化階段,。另一方面，在微波對晶界處的微粒強烈的耦合作用下,，晶界附近的微粒獲得了較高的動能并進一步向晶界擴散,，這就加速了燒結(jié)過程中晶粒的長大。由于微波燒結(jié)快速加熱和均勻加熱的特點,，燒結(jié)產(chǎn)品通常具有晶粒尺寸分布均勻及致密度高等特性,。

(4)選擇性燒結(jié)

微波燒結(jié)主要利用被加熱物質(zhì)介質(zhì)損耗使材料從內(nèi)向外整體加熱，而不同物質(zhì)對于電磁場所產(chǎn)生的介質(zhì)耦合不同,，產(chǎn)生的熱能也不同,。可以利用這一特點對不同陶瓷材料進行選擇性燒結(jié),。

(5)安全無污染,、能耗低

傳統(tǒng)燒結(jié)的加熱方式是通過熱輻射和熱傳導的方式對物質(zhì)進行加熱，加熱過程中材料內(nèi)部位置的溫度差較大,，會使得樣品內(nèi)部缺陷增多,，且所需熱量損耗較大,。而微波燒結(jié)利用被加熱物質(zhì)自身的介質(zhì)損耗與電磁場之間的作用產(chǎn)生熱能從而加熱,，基本上無損耗。除此以外，微波熱源純凈,，不會像煤油,、氣等燃燒污染環(huán)境。

微波燒結(jié)技術(shù)的應用

在美國賓夕法尼亞大學成功利用微波燒結(jié)技術(shù)加熱粉末金屬及其合金后,，美國,、中國、日本,、德國,、日本、印度,、新加坡等國均對該項技術(shù)應用于金屬材料制備做了相應研究,。短短幾年時間內(nèi)就報道出了大量微波燒結(jié)金屬材料及其合金的成功實例，具體包括Fe基合金,、Cu基合金,、Al基合金、Mg基合金,、金屬W,、金屬Cu、金屬Fe,、金屬Ni及其他金屬間化合物,。而對于Ti基合金和復合材料的研究進展也較為迅速，現(xiàn)階段主要著重于Ti基陶瓷體和Ti基合金植入材料的研究,。

近些年來,，隨著新能源行業(yè)的不斷發(fā)展，微波燒結(jié)也逐漸被應用于鋰電池行業(yè),，但主要集中在電池正極材料的合成,，比如He等人通過微波輔助流變相法制備得到純相的尖晶石LiMn₂O₄正極材料，與傳統(tǒng)制備方法相比,，該方法合成樣品大大縮短了合成時間,，并且合成后的樣品的初始電化學比容量和倍率循環(huán)穩(wěn)定性得到顯著提高。

Leopold Hallopeau等人以Li₂CO₃,、TiO₂,、NH₄H₂PO₄和Al₂O₃為原料，采用微波輔助一步法燒結(jié)技術(shù)在890°C保溫10min的條件下成功制備出了LATP致密陶瓷,，與傳統(tǒng)燒結(jié)相比,，大大降低燒結(jié)溫度和時間，并且獲得較高的室溫電導率3.15×10^-4S/cm,。微波輔助燒結(jié)在電解質(zhì)制備領(lǐng)域,，應用較為少見，可以進行進一步的探索研究。

小結(jié)：

微波燒結(jié)工藝作為一種新型的燒結(jié)工藝,，不僅僅是一種加熱能源,，更是一種活化燒結(jié)過程，具有傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)無法超越的優(yōu)點,，其工藝的優(yōu)越性以及制備的復合材料具有的功能性廣泛引起了人們的關(guān)注,，預示著可觀的發(fā)展前景。一方面,，作為一種節(jié)能,、高效、無污染的新技術(shù),，微波燒結(jié)更能滿足人們和環(huán)境的需求,；另一方面，微波燒結(jié)獨具的活化燒結(jié)特點有利于制備出微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)良,，綜合性能良好的材料,，能夠更好的滿足人們對功能材料的需求。微波燒結(jié)技術(shù)的推廣對于降低燒結(jié)成本,、提高燒結(jié)效率及改革燒結(jié)技術(shù)有重要意義,。

參考文獻

1、謝蒙優(yōu),，石建軍等. 微波燒結(jié)技術(shù)的研究進展及展望

2,、廖益龍. 微波燒結(jié)技術(shù)在Ti基復合材料制備中應用研究

3、王玉潔. 固態(tài)電解質(zhì)Li₇La₃Zr₂O₁₂的微波燒結(jié)及摻雜改性研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）

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