微波烧结陶瓷

五、微波烧结的优点
(2) 经济简便地获得2000℃以上的超高温。 普通陶瓷的烧结需要1300℃以上的高温,这样 对高温炉子的发热元件、绝热材料及保温材料就 提出了很苛刻的要求,制造和使用成本都很高。而 微波则利用了材料本身的介电损耗发热,整个微波 装置只有试样处于高温状态,而其余部分仍处于常 温状态,所以整个装置结构紧凑、简单、制造和使 用成本较低。 (3) 改进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。
陶瓷的微波烧结方法
讲完啦！
敬请指教!
• 1、热失控现象
• 2、冷却中的保温
七、微波烧结的展望
• 微波烧结技术是一种极有价值和应用前景的烧结技术,目 前已在微波烧结设备、烧结工艺及机理研究方面取得了瞩 目的成就。 • 但微波烧结技术仍处于早期发展阶段,目前在其发展过程 中也存在着一些有待解决的问题：如缺乏系统的材料高温 介电常数及对不同频率下各种材料介电常数的变化规律的 了解,而这些数据和规律对于优化烧结工艺和设备设计是 十分重要的。在烧结过程中的温度均匀性仍有待提高,以 利于生产出质量稳定的陶瓷产品此外微波烧结陶瓷的性 能指标尚未达到常规法的最佳水平等等。 • 但是我们相信,在材料科学家和微波专家的共同努力下,这 一崭新的烧结技术会有更大的发展进而转化为生产力。
三、微波烧结机理
• 什么是微波？ • 微波的频率在300MHz-300GHz之间，波长在 微波的性质：微波的基本性质通常呈现为穿透、反 1米（不含1米）到1毫米之间，是分米波、 射、吸收三个特性。物质吸收微波的能力，主要由 厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波 其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对 微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物 频率比一般的无线电波频率高，通常也称 质吸收微波的能力也弱。水分子属极性分子，介电 为“超高频”
三、微波烧结系统
四、陶瓷微波烧结的分类
微波烧结可分为：
一、 微波加热烧结 二、微波等离子烧结 三、微波-等离子分步烧结
1、微波加热烧结
• 微波加热烧结微波加热烧结是依靠微波场中介质 材料的极化损耗来实现本体加热。 • 这种加热方式的加热温度场均匀、热应力小、适 宜于快速烧结，因微波电磁场作用促进物质扩散、 加速烧结过程、可使陶瓷材料晶粒细化、有效抑 制晶粒异常长大，提高材料显微结构的均匀性， • 但微波加热烧结受材料微波吸收能力的强烈影响， 在低温下介质损耗低的物质对微波的能量几乎不 吸收，为解决这一问题，材料研究工作者们采用 了混合式加热烧结的方法。即在基体中添加介质 损耗高的第二相以改进材料的微波吸收特性和致 密化程度。
陶瓷的烧ห้องสมุดไป่ตู้方法
——微波烧结
吴秀迁
一、微波烧结定义
• 特种陶瓷的烧结：陶瓷生坯在高温下的致密化过 程和现象的总称。随着温度的上升和时间的延长， 固体颗粒相互键联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶 界逐渐减少，通过物质的传递，其总体积收缩， 密度增加，最后成为坚硬的具有某种显微结构的 多晶烧结体，这种现象称为烧结。
二、微波烧结的发展简述：
• 材料的微波烧结开始于20世纪60年代中期， W.R.Tinga首先提出了陶瓷材料的微波烧结技术。 • 到20世纪70年代中期，法国的J.C.Badot和 A.J.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 料得到了广泛应用，相应的制备技术也成了人们 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。
• 基于以上两种烧结方法的缺点，中国科学院金属 研究所采用微波-等离子体分步烧结法有效解决了 上述难题，使微波能得到了充分的利用。 • 其具体工艺过程为：首先，直接用微波的能量把 陶瓷生坯加热到特定的温度，此后微波把气体激 励成等离子体，然后等离子体继续加热陶瓷坯体 到烧结温度，形成致密、均匀的烧结体。 • 微波-等离子分步烧结将微波加热和微波等离子加 热有机地结合在一起，保持了微波加热和微波等 离子烧结的优点，克服了两者的缺点，原则上适 用于各种陶瓷的烧结。
常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强 吸收能力。
三、微波烧结机理
材 料 与 微 波 场 的 作 用 类 型
三、微波烧结机理
• 微波烧结是利用微波电磁场中陶瓷材料的 介质损耗使材料整体加热至烧结温度,实现 烧结和致密化。 • 介质材料在微波电磁场的作用下会产生介 质极化,如电子极化、原子极化、偶极子转 向极化和界面极化等。微波加热效果主要 来自交变电磁场对材料的极化作用, 交变电 磁场可以使材料内部的偶极子反复调转, 产 生更强的振动和摩擦, 从而使材料升温。
三、微波烧结机理
• 在绝热环境下，当忽略材料在加热过程中的潜能 （如反应热、相变热等）变化时，单位体积材料 在微波场作用下的升温速率为：
dT dt 2 f 0 E
,
2
CP
式中：
f 为微波工作频率 ε’ 为材料介电损耗； E 为微波电场强度； ρ 为材料密度。
ε0 为空间介电常数 Cp 为材料热容
五、微波烧结的优点
（4) 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 此微波烧结可以大大降低能耗。 (5) 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，热效应也不 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。
二、微波烧结的发展简述：
• 我国于1988年将其纳入“863”计划。在此期间， 主要探索和研究了微波理论、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计 算机数值模拟等，烧结了许多不同类型的材料。 • 2002年归国博士彭虎等人组建了专家团队在国内 融资成立了长沙隆泰微波热工有限公司，进行了 较大的投入对材料微波工艺研究，实现了部分高 温领域实验与产业化工业微波装备的研制实施和 应用。国内其他从事微波产业化设备的机构与企 业主要针对低温微波杀菌、硫化等食品、医药、 木材等等行业。
五、微波烧结的优点
(6) 瞬时性和无污染。 微波加热过程中无须经过热传导，因而没有热 惯性，即具有瞬时性，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，烧结过程中也不会象烧油、气、煤等 产生有害气体污染环境
六、微波烧结中的问题
五、微波烧结的优点
微波烧结具有许多常规烧结无法实现的优点,如 效率高、能量利用率高、无污染、能整体快速加 热、烧结温度降低、材料的显微结构均匀等。 (1) 极快的加热和烧结速度。 传统加热是通过试样由表及里的传导来达到温 度均匀。微波加热是材料内部整体同时加热，升温 速度快，从而大大缩短了烧结时间，尤其是对一些 陶瓷材料的烧结过程，从过去的几天甚至几周降低 到用微波烧结的几个小时甚至几分钟，极大地提高 了能源的利用效率。
2、微波等离子
• 微波等离子烧结是通过微波使气体电离形 成等离子体，然后等离子体加热生坯得到 致密的陶瓷烧结体。 • 微波等离子烧结不受介质介电性能的影响， 但大量等离子气体在常温常压下难以激励， 负压等离子体又极易在高温下导致样品的 大量挥发，这样使微波等离子体烧结存在 很大的不足。
3、等离子分步烧结