陶瓷微波烧结技术研究进展

1、第25卷第3期 硅 酸 盐 通 报 V o.l25 N o.3 2006年6月 B U LLET I N OF THE CH I N ESE CERAM IC SOC I ETY June,2006陶瓷微波烧结技术研究进展林 枞1,许业文1,2,徐 政1(1.同济大学材料学院,上海 200092;2.部装备部工程兵科研一所,无锡 214035摘要:综述了近年来用微波方法烧结陶瓷在机理和应用上的进展,阐明了微波促进陶瓷体特别是在多元系统中烧结的原理,列举了近几年来微波烧结提高陶瓷性能的实例,指出了微波烧结陶瓷技术的发展前景。关键词:微波烧结;促进烧结;机理;应用;进展D evelop m ent

2、 ofM icro w ave Si nteri ng T echnology i n C era m ic M aterialsL I N Cong1,X U Ye-w en1,2,XU Zheng1(1.Dep t.ofM at eri a l s S ci en ce and Eng i neeri ng,TongjiUn ivers i ty,Shanghai 200092;2.First E ng i neers Scientific Researc h Insti tute of GeneralA r m a m ents Depart m ent,W uxi 214035Abst

3、 ract:The pri n ciples and app lications o fm icro w ave si n teri n g in cera m ic m ateria ls are syste m atica llyi n troduced i n this artic le.The pr i n ciples of m icro w ave-i n duced si n tering i n cera m ics are i n dicated,espec i a ll y i n m ult-i co m poses syste m s.So m e sa m p les

4、 that are i m proved in their properties by m icro w ave m ethod i n recent years are also m enti o ned and the foregrounds o fm icro w ave si n teri n g i n cera m ic m aterials are anticipated.K ey w ords:m icr ow ave si n teri n g;accelerate si n tering;pr i n ciples;applicati o ns;deve lopm ent微

5、波烧结是利用在微波电磁场中材料的介电损耗使陶瓷及其复合材料整体加热至烧结温度,并最终实现致密化的快速烧结的新技术,是20世纪80年代中后期国际上发展起来的一种新型的陶瓷烧结技术。它是微波技术与材料科学与工程学科交叉结合而产生的一门新学科。和常规烧结相比,微波烧结具有快速加热、快速烧结、高效节能以及改善材料组织、提高材料性能等一系列优点,因而被誉为 新一代烧结技术 。世界上许多国家都投入了大量的财力、人力用于研究和发展这项新技术。近10余年来,美国、加拿大、日本、欧洲等各国几十个单位开展了这项技术的研究,取得了很大的进展17。1 微波烧结技术机理研究进展陶瓷材料的微波烧结在原理上与目前的常规烧结

6、工艺有着根本的区别。传统的加热是依靠发热体将热量通过对流、传导或辐射方式传递至被加热物使其达到某一温度,热量从外向内传输。在微波加热过程中,热量的产生直接起源于材料自身内部(由于偶极子的转动及电导损耗等所致而不是来自其它发热体。正是由于材料内部整体地吸收微波能并被加热,使得在微波场中的试样内部的热梯度和热流方向与常规烧结下的试样相反。因而微波可以快速均匀地加热材料而不会引起开裂或在试样内形成热应力。更为重要的是快速烧结使得材料内部形成均匀的细晶结构和高的致密度,改善了材料的性能。同时,由于材料中不同组分对微波的吸收耦合程度不同,可以实现有选择的烧结,从而获得具有新的微观结构和优良性能的材料8。

7、作者简介:林 枞(1980-,男,博士研究生.主要从事微电子材料研究工作.第3期林 枞等:陶瓷微波烧结技术研究进展133研究表明,微波有促进致密化9,促进晶粒生长,加快化学反应等非热效应。因为在烧结中微波不仅仅只是作为一种加热能源,微波烧结本身也是一种活化烧结过程。Janney 等10测定了高纯A l 2O 3烧结过程中的表观活化能E a ,发现微波烧结中E a 远小于传统烧结中的E a ,由此可推测微波促进了原子的扩散。Janney 等进一步用18O 示踪法测量了A l 2O 3单晶中的扩散过程,也证明微波加热条件下扩散系数高于常规加热。Free m an 等11的实验表明,微波场有增强离子

8、电导的效应。他们对微波场中N a C l 的电荷输运的研究表明,微波场的存在并不能提高原有空位的运动能力,而是大大提高了电荷输运的驱动力。Free m an 等12认为高频电场能促进晶粒表层带电空位的迁移,从而使晶粒产生类似于扩散蠕变的塑性变形,促进了烧结的进行。黄向东等13从微波电场使带电缺陷产生定向移动的角度,分析了微波对扩散的作用,认为微波只是促进了平行于电场方向的致密化,在宏观上对于电场方向不随时间改变的偏振电磁波,可观察到平行电场方向的收缩率大于垂直于电场方向的收缩率。常爱民等14也在掺杂BaT i O 3的正温度系数的热敏电阻(positi v e te mperature coe

9、ffic ient of resistance ,PTCR材料实验中发现类似的效应。B ir nbo i n 等通过分析微波场在2个相互接触的介电球颗粒间的分布发现,在烧结颈形成区域电场被聚焦。颈区域内电场强度大约是所加外电场的10倍,而颈区空隙中的场强则约是外电场的30倍。并且在外电场与2颗粒中心连线间0 80 的夹角范围内,都发现电场沿平行于连线方向极化,从而促使传质过程以极快的速度进行。另外,在烧结颈区被高度聚焦的电场还可能使局部区域电离,进一步加速传质过程。这种电离对共价化合物中产生加速度传质尤为重要。上述研究表明,局部区域电离引起的加速度传质过程是微波促进烧结的根本原因8。微波烧结的

10、成功与否关键取决于材料的特性,如介电性能、磁性能及导热性能等,以及这些性能对温度和频率的函数关系。近年来,不同材料的微波加热烧结机理的研究不断深入,特别是对多元系统的烧结反应机理的研究取得突破。Peela m edu 等15,16对Y 2O 3-Fe 3O 4,BaC O 3-Fe 3O 4,N i O -A l 2O 3等多元系统进行微波烧结反应研究,发现了微波的不均匀加热现象(an isother m a l heati n g pheno m enon,得到多元系中先升温的物相向未升温的物相单向传质的结论,并建立了其反应模型,如图1。 图1 温度不均匀粉末加热反应的产物形成的可能模式F

11、i g .1 Sche m a ti c representation o f a possi b l e mode of produc t forma ti on in an i so therma l powe r reactions图2 不同时间的微波烧结产物的介电性质F ig .2 D i e lectric properti es vers us si nte ri ngti m es i n m icrow ave si nte ri ng m e t hod2 微波烧结技术应用进展从20世纪70年代微波烧结技术应用到陶瓷工艺中开始,对微波技术的研究和应用主要集中在A l 2O 3

12、和Zr O 2等结构陶瓷上,因为微波烧结的快速致密带来了力学和机械性能的巨大提高。随着微波原理及其与材料相互作用机理的不断研究,微波烧结在陶瓷工艺中的应用也越来越广。影响微波烧结的因素有微波功率、频率、加热时间以及材料本身性能等。而微波烧结和传统烧结得到的产物在晶粒尺寸、密度、孔隙率以及各项性能上都有所不同。对微波烧结技术的应用研究也就是围绕这些方面展开的。134综合评述硅酸盐通报 第25卷2.1 对影响微波烧结因素的研究L i n等17用24GH z和2.45GH z不同频率的微波烧结了ZnO电子陶瓷,发现由于24GH z的微波较2. 45GH z更能提高瓷体的致密速率,因此在相同条件下得到

13、电性能更好的ZnO电阻。X ie等18用不同的烧结时间得到了介电性能各异的铁电陶瓷,如图2。Bhaskar等19用微波方法烧结了不同M n含量的M gCuZn铁酸盐,得到性质相差很大的产物,见表1。表1 掺M n的M gCuZn铁酸盐的密度、平均粒径和主要的电学性能T ab.1 Bu l k density,average grain size and ma i n electr ica l p rop erties ofM n added M gCuZn ferrites n(M n/%坯体密度/g c m-3平均颗粒尺寸/ m 109/ c m i/MH z Q/MH z /MH z D/

14、MH z2 5.011.微波加热温度场均匀、热应力小,适宜于快速烧结。并且微波电磁场作用促进扩散,加速烧结过程,可使陶瓷材料晶粒细化4(见表2,有效抑制晶粒异常长大,提高了材料显微结构的均匀性。Thakur等20,21用微波烧结了Ba0.95Sr0.05T i O2陶瓷,得到的产物具有很好且均匀的晶粒尺寸, 并且与传统烧结的产物相比具有图3 传统和微波烧结PCT样品的标准磁滞回线(P-EF i g.3 T he typical hyste resis loops(P vs EforT S andM S PCT sa mp les较高的线性热膨胀系数和居里温度,电性能也有所提高。S i n gh

15、等22对掺杂Sm的PTC陶瓷进行研究得到的矫顽磁场系数较高的微波烧结产物,如图3。谢志鹏等23用微波烧结的Ce-Y-Zr O2陶瓷具有较高的挠曲强度(1195MPa和断裂应力(13.7MPa m1/2。表2 传统烧结和微波烧结得到的不同的晶粒尺寸T ab.2 D ifference of grai n sizes between TS and MS method材料微波烧结/ m常规烧结/ m纯A l2Zr O-A l3O30.5 1.0Y2O3-Zr O22.3 3.5ZnO56103 结 语微波烧结作为一种新型的烧结方法,能快速达到常规烧结难达到的高温,具有加热的即时性、整体性、选择性、高

16、效性和安全性的特点。然而由于微波烧结过程本身的复杂性,既涉及材料科学。又涉及电磁场、固体电解质等理论,许多技术问题上又有待解决和完善,材料介质特性数据的缺乏和设备的缺乏更是微波烧结技术发展的两大障碍,所以直到现在还很难实现工业化。尽管微波烧结还处在发展早期,烧结的许多机理还很不清楚,有待于人们进一步深入研究。但是它所展现的常规烧结技术所无法比拟的优点预示了它广阔的发展前景,随着科学技术的不断发展.微波烧结技术也将得到越来越广泛的应用。参考文献1李 江,黄智勇,宁金威,等.陶瓷的微波烧结及进展J.陶瓷工程,2001(8:35-382王 念,周 健.陶瓷材料的微波烧结特性及应用J.武汉理工大学学报

17、,2002,24(5:43-46第3期林 枞等:陶瓷微波烧结技术研究进展1353冯士明.陶瓷微波烧结技术及其进展J.材料导报,1996(增刊:26-304犁布休.陶瓷材料新术语诠释(十四J.佛山陶瓷,14(6:46-475牟群英,李贤军.微波加热技术的应用与研究进展J.物理学和高新技术,2004,33(6:438-4426蔡 杰.陶瓷材料微波烧结研究J.真空电子技术,1994,(4:52-567吕 明,陈 楷,苏雪筠.氧化物陶瓷的微波烧结机理J.中国陶瓷,1999,35(4;26-298易健宏,唐新文.微波烧结技术的进展及展望J.粉末冶金技术,2003,21(6:351-3549W roe R

18、,Row ley A T.E vi den ce for a non-ther m alm i cro w ave effect i n t he s i nteri ng of p artically stab iliz ed z i rcon i aJ.J ou rnal ofM aterial sS ci ence.1996,31:2019-202610JanneyM A,K i m rey H D,A ll en W R,et a.l Enhan ced d iff u sion i n sapph i re duri ng m i cro w ave h eati ngJ.Journ

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20、s i n i on ic crys t alsJ.Phys i cs Revie w Bu lleti n.1994,49(1:3559-356313黄向东,李建保,谢志鹏,等.微波促进陶瓷烧结的微观机制J.应用基础与工程学报学,1997,5(2:187-19214A i m i n C,Ji aw en J.The ori en tati on al gro w t h of grai ns i n doped Ba T i O3PTCR m at eri als by m icro w ave s i nteri ngJ.J ou rnal of M aterial sProcessi

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