浅析微波烧结的研究进展

1、浅析微波烧结的研究进展微波烧结的研究进展摘 要：微波饶结是一种新型的利用微波加热来对材料进行烧结的方法，它是一种快速制备 高质量新型材料和使传统材料具有新的性能的技术手段。本文重点介绍了微波烧结的进展 史，在陶瓷材料方而的研究进展和应用，并对微波烧结的进展趋势进行了展望。关键词：微波饶结：陶瓷材料：研究进展：应用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前言建立在现代工业基础上的文明有赖于专门材料的应用，传统的粉末冶金材料 和新兴的各种陶瓷材料是现代丄业生产所不可缺少的基础，而烧结技术往往是决 定粉末冶金制品和陶瓷制品性能的重要环节山。微波烧结是一种利用微波加热对材料进行烧结的方法，材料的微波烧结开始 于20世纪60年代中期。Tinga W R第一提出了陶瓷材料的微波烧结；到20世 纪

4、70年代中期，法国的Badot和Berteand开始对微波烧结技术进行系统研究。 20世纪80年代以后，各种高性能的陶瓷和金属材料得到广泛应用，相应的制备 技术也成为人们关注的焦点。微波烧结以其特有的节能、省时的优点，得到了美 国、日本、加拿大、英国、德国等发达国家的政府、工业界、学术界的广泛重视, 我国也于1988年将其纳入''863打算"。在此期间，要紧探究和研究了微波理 论，微波烧结装置系统优化设计和材料烧结工艺，材料介电参数测试，材料与微 波交互作用机制以及电磁场和温度场运算机数值模拟等，烧结了许多不同类型的 材料。90年代后期，微波烧结已进入产业化时期，美国

5、、加拿大、德国等发达 国家开始小批量生产陶瓷产品件叫 目前，在国外微波烧结已进入产业化时期， 我国在微波烧结的应用方面也应加大研究力度。2微波烧结研究进展随着科学技术的进展，材料需要在比较苛刻的环境下使用。丄业上的应用对 材料的耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能要求也越来越严格。陶瓷材料具有优良的 高强度、高硬度、高耐磨性和耐蚀性以及低膨胀系数和质量轻等金属材料难以匹 敌的特点，广泛应用于各种材料科学领域。专门是随着各种透亮陶瓷、金属陶瓷、 导电陶瓷等的开发应用，使得陶瓷材料发挥着越来越重要的作用。应用微波加热 技术进行陶瓷材料的烧结是一种理想的选择，各先进国家在陶瓷的微波烧结方面 均做了大量研究工

6、作，并取得了许多有益的进展叽21微波烧结氧化物陶瓷1）金属氧化物陶瓷国内外研究者至今儿乎对所有的氧化物陶瓷材料进行了微波烧结研究。较为 成功的有AhO3> Z1O2、ZnO、MgO、SiCh及其复合材料等。李磊等釆纳微 波烧结制备ZnO陶瓷，结果说明，微波烧结工艺不仅可显著提高ZnO压敏电阻 的致密度，而且能够改善材料的微观结构和电性能。微波工艺的烧结周期仅是传 统工艺的1/101/8。王晓平山】采纳微波烧结，在常压、纯氧气氛条件下制备了 ITO 陶瓷。通过XRD、SEM和金相分析等方法研究了烧结温度和保温时刻对ITO陶 瓷相对密度的阻碍。结果说明，微波烧结具有升温速度快、保温时刻短的优

7、点， 大幅缩短了 ITO陶瓷的烧结周期。1550C微波烧结并保温20min的ITO陶瓷相 对密度达到了 99.5%,晶粒大小平均，结构紧密，没有单相析出，晶粒尺寸为 3-8（.inio2）复合氧化物陶瓷19世纪60年代第一制备出了透亮氧化铝陶瓷。用传统方法烧结出来的多晶陶 瓷III于存在着晶界、第二相和气孔等结构而极大地阻碍了其光学性能。而在微波 烧结中，获得了致密度高、晶粒结构平均的多晶材料，使得由于气孔和晶界造成 的对光线的散射大幅度降低，提高了多晶陶瓷的透光性，因此采纳微波烧结的方 法比常规烧结更容易制备出透亮陶瓷。微波烧结温度场平均、热应力小，适宜于 快速烧结，因而可使陶瓷材料晶粒细化

8、【9】见表1),提高了材料显微结构的平均 性2门】。计玮等网采纳溶胶凝胶法与微波加热、微波烧结相结合的方法制备了 A12O3弥散强化铜基复合材料，并对其性能进行了比较分析，结果说明，微波烧 结既能够缩短工艺时刻、提高生产率、降低成本，乂能够提高产品质量。在铜基 复合材料中，增强相的颗粒细化、烧结后的材料致密，大大增强了材料的导电性 能，达到了一样电子工业高要求的导电材料导电率大于80%IACS的要求。表1传统烧结和微波烧结得到的不同的晶粒尺寸Table 1 The different gram sizes gained by TS and MS method材料微波烧结/pm常规烧结/pmAb

9、Os2.62.93.54.0ZrO2AbO30.51.0Y2O3ZrO22.33.5ZnO5610中北大学的马清花等【研究了添加吸波材料Sic对纳米TiO2晶型和粒径的 阻碍，与传统烧结相比，微波烧结时刻短，效率提高了 2倍以上；添加吸波材料 SiC烧结纳米TiO2成型的时刻要短；SiC的添加方式不同，导致烧结成型的时刻 也不相同，制备复合SiC/TiO2粉体的烧结成型时刻要比用SiC铺床的方法进行烧 结的时刻短。二十世纪以来，微波烧结纳米结构陶瓷材料的研究更趋于成熟，美 国宾州州立大学的研究者们在这方面的研究工作尤为突出。2.2微波烧结非氧化物陶瓷的研究B4C. SiC、Si3N4>

10、TiB2和A1N等是用微波成功烧结的非氧化物陶瓷材料， 在这当中研究比较多的是微波烧结法制备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点是具有相当高的熔点，具有专门好的抗腐蚀性，有些氮化 物陶瓷还具有专门高的硬度，因而得到广泛应用。氮化物陶瓷的缺点是抗氧化能 力差。氮化物陶瓷要紧有SiN、BN、AIN、Ti和塞隆(Sialon)陶瓷等。利用 微波烧结A1N陶瓷，尽管在节能省时方面成效显著，然而微波烧成环境对A1N 烧成阻碍比较复杂"1。曾小峰等I在微波烧成环境对A1N陶瓷的烧成阻碍方面 做了研究。研究说明，烧成环境中碳热还原气氛能极大地加快A1N陶瓷的致密 化速率，但容易

11、在A1N陶瓷晶界相内部产动气孔，使A1N热导率降低。李燕Ml等采纳纳米TiN、亚微米TiC和等原材料，以金属C。作为粘结 剂，利用真空微波烧结技术制备了细晶粒Ti（CN）基金属陶瓷材料，研究了所得 金属陶瓷的显微结构和力学性能。结果显示：金属陶瓷的组织中有黑芯-灰壳结 构和口芯-灰壳结构;Mo的加入使金属陶瓷的显微组织细化,M。的加入量为15% 时，硬质相颗粒粒径小于lpm： 15%的Mo加入量所得的细晶粒金属陶瓷与未加 入M。的金属陶瓷比较，其抗弯强度增加，硬度变化不明显，密度和断裂韧性降 低。严迪种等实验说明：随着烧结温度的升高，超细TiCN基金属陶瓷的收缩 率、致密度、横向断裂强度和硬度

12、均先增大后减小。该材料经1500°C保温30min, 可获得晶粒细小、组织平均、性能优异的超细TiCN基金属陶瓷，现在其横向断 裂强度和硬度分别为1547MPa和90.6HRA。2）碳化物陶瓷碳化物陶瓷的突出特点是高熔点、高硬度，同时具有良好的导电和导热性能, 但高温下易氧化，要紧的碳化物陶瓷有SiC、B4C、TiC、WC、ZrC、HfC、TaC 等J吴占德等0】研究了空气中B4C/SiC/Al混合物在微波加热过程中的反应。 确定了 B4C/SiC/Al混合物能生成良好的致密化样品。烧成的样品由B4C基体制 成，气孔山A1和B4C反应生成的产物和空气填充。测岀的相包括AhOC、 AI

13、27O39N、AI10N8O3、AI3B48C和AlNo长宽比大的SiC晶粒,在此环境中能被 氧化，起到增韧填料的作用。23微波烧结其他陶瓷材料的研究疑基磷灰石是一种应用较广的医用移植材料，为了提高疑基磷灰石的断裂韧 性，张志成【221等进行了纳米羟基磷灰石微波烧结的研究。烧结后压片试样的XRD 说明，在这些温度下用微波烧结，烧结速度快，而且在烧结过程中试样没有分解, 而采纳传统方法利用电炉烧结，在低至1100°C下，疑基磷灰石就会发生分解。 王卓薇123等也对轻基磷灰石进行了微波烧结的研究，结果说明，微波烧结有利 于HAP陶瓷坯体的致密化，能够实现低温快速烧结，并提高陶瓷的机械强度

14、。周洁等0】采纳微波烧结方法制备了结构平均致密度好的TCP/TTCP复合磷 酸钙生物陶瓷材料。烧结温度对生物陶瓷材料中的主晶相（HA相）形成有一定 的阻碍。1200°C微波烧结，HA相稳固存在，陶瓷具有良好的表面生物活性。浸 泡溶液的pH值变化幅度小（在7.40-7.72之间）,接近中性。谭颖I等研究了 BST陶瓷材料的微波烧结情形，从烧结特性、微结构与相 组成及微波介电性能等方面对微波烧结的样品与传统工艺制得的样品进行了对 比。结果说明，与传统制备工艺相比，微波烧结BST陶瓷缩短了烧结周期，并 促进了样品的致密化，其物相组成和传统烧结的样品没有区别，且晶粒细小分布 平均。微波烧结B

15、ST陶瓷可获得较优的微波介电性能：介电常数8=82.89,品质 因数与频率之积Qf=8450GHz （频率f=4.75GHz）。PTC陶瓷存在受热不平均、容易开裂的问题。付明卩6】发明了一种PTC陶瓷 的微波烧结方法，该方法为一种一般炉预先排胶，再进行微波烧结的工艺。实验 说明，该方法可缩短烧结时刻，降低烧结温度，大大节约电能，产品性能优于传 统烧结方法的产品性能。3微波烧结在陶瓷材料中的应用微波烧结技术自问世以来，一直受到各个国家的广泛重视，且应用领域也不 断扩大。瑞典微波技术研究所用微波能把超纯硅石加热到2000°C以上来制造光 纤，与传统热源相比，不仅降低能耗，而且减低了石英表

16、面的升华率。美国、加 拿大等国用微波烧结来批量制造火花塞瓷、ZrCh、Si3N4> SiC、Al2O3-TiC和超 导材料等陶瓷材料|27-28,o近年微波烧结技术显现了许多新的应用。利用微波合成纳米材料也取得了一 定的进展。纳米粉末的制备本不容易，具有纳米晶粒的块体材料的制备那么更难。 而微波烧结技术所具有的烧结温度低、时刻短等特性那么为成功制备此种材料提 供了可能卩北京科技大学李云凯I网等人釆纳AI2O3和ZrO2（3Y）纳米粉为原料, 对不同配比的Al2O3-ZrO2（3Y）复相陶瓷进行微波烧结研究，获得了专门高的致密 度，材料的断裂韧度也有专门大提高o Eastman等人制备了平

17、均颗粒尺寸为14nm 的TiO2,并获得了良好的烧结性能，材料的断裂韧性要比常规烧结方法制备出 的材料高出60%。微波烧结技术在功能陶瓷方面也有所成就。iu H X1等人用微波水热合成 PZT压电陶瓷粉末，合成粉体的粒径在40nm60nm间，且粒径尺寸分布比较窄。 李俊等【32釆纳微波高温烧结炉对Ni-Zn铁氧体软磁材料进行了公斤级烧结工艺 研究，在烧结时刻大大缩短的同时获得了与常规烧结相同的性能。随着微波技术的不断进展，其在陶瓷领域专门是绿色陶瓷的进展应用中将会 扮演更重要的角色。4存在问题微波烧结显示的杰出优势向陶瓷工业界展现了乐观的、尚未开发的询景用于 材料生产有着庞大的前途，但这当中也

18、存在着一些亟待解决的问题。微波烧结设备是阻碍微波烧结技术工业化的一个专门重要的因素，对微波烧 结机理的充分认识有助于解决这一问题。口前微波作为丄业化应用还存在一些问 题尚待解决，如更大的平均微波场的获得，低介电损耗材料在室温至临界温度点 之间的加热，材料微波参数的获得，微波在原料内部的穿透能力，原料加热深度 等问题。微波管在不同炉内衬材质中的使用寿命，多组微波管在大规模生产中耦 合等问题也值得我们作进一步研究列。微波烧结中存在的另外一个问题是，关于大尺寸、复杂形状的陶瓷材料在烧 结过程中依旧专门容易显现不平均加热现象的，严峻时还会导致陶瓷材料开裂 1351 o其缘故要紧有：（1）微波场分布不平

19、均；（2）特有的微加热现象，如热失 控、热点、选择加热等；陶瓷材料本身的缘故，如热膨胀系数大、导热率低、 形状复杂、尺寸过大等。解决这些问题要紧是釆纳混合加热、对原材料进行预处 理以及能量分配等方法。此外，阻碍该技术有用化的困难还有：烧结材料种类的局限性，温度难以准 确测量和烧结产量低等。5展望微波烧结技术进展了儿十年，尽管还有许多不成熟、不完善的地点，但它具 有常规技术无法比拟的优点，预示着它将成为最有效的、最具有竞争力的新一代 烧结技术。陶瓷微波烧结技术是一门新的烧结工艺，尽管儿乎研究了所有的陶瓷材料， 山于烧结材料的介质损耗过小或过大，能成功烧结的材料种类并不专门多。关于 介质损耗过低的

20、材料，U前要紧采取混合加热的方法。另外，能够应用有限元分 析法对微波烧结过程进行运算机模拟，从而能对烧结工艺和加热机制进行更直观 的分析和研究。陶瓷微波烧结的儿个研究方向：(1) 微波与材料的相互作用机理；(2) 微波烧结工艺研究，包括微波功率、频率、加热时刻等对陶瓷烧结的 阻碍，以及辅助加热装置的设讣等；(3) 烧结过程中涉及的电磁场、固体电介质，材料本身的介电参数测定；(4) 从烧结产品的孔隙率、晶粒尺寸、力学性能等方面把微波烧结与传统 烧结进行比较。参考文献1 马金龙，童学锋，彭虎烧结技术的革命-微波烧结技术的进展及现状J|.新材料产业,2001. (6):30-32.2 Tinga W

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