金属微波烧结原理与研究现状

金属材料微波烧结研究现状

陈鼎，李林，陈振华

湖南大学材料科学与工程学院长沙410083

摘要：微波烧结是近年来广泛研究的一种全新的烧结技术，已经在金属，陶瓷以及复合材料取得越来越广泛的应用。本文针对微波烧结在金属材料领域的国内外研究现状，从金属微波烧结的特点以及在金属材料领域的一些较为典型的应用实例进行了较为全面的介绍。

关键词：微波烧结；金属；特点

Status Of Microwave Sintering In Metal Field

CHEN Ding, LI Lin, CHEN Zheng-hua

Materials Science and Engineering, Hunan University, 410083, Changsha，China

Abstract:Microwave sintering has emerged in recent years as a new method for sintering a variety of materials that has shown significant advantage s against conventional sintering procedures. This review article firstly provides a summary of fundamental theoretical aspects of microwave sintering, and then advantages of microwave sintering against conventional methods are described. At the end, some applications of microwave sintering in Metal field are mentioned which so far have manifested the advantages of this novel method.

Key words: microwave sintering; metal;characteristics

1 前言

微波烧结是近年来迅速发展起来的一种加热烧结的新技术，它不同于通过传导、辐射、对流机制传递热量的传统加热烧结方法，而是利用微波的特殊波段与材料的基本结构耦合而产生热量，通过材料的介质损耗使得材料整体被加热至烧结温度而实现致密化[1-3]，从而具有烧结温度低、烧结周期短、能量损耗低，环境友好等特点，符合当前发展绿色工业的趋势，迅速成为各国学者研究的热点。20世纪60年代，Tinga首先在陶瓷材料的制备中应用了微波烧结技术[4]，同时，关于材料介质特性的研究获得了突破性进展，这为微波烧结的应用奠定了理论基础。随后，世界能源危机的爆发推动了各国学者对微波烧结技术的进一步研究，至今，微波烧结技术已成功应用于制备各种陶瓷材料、金属材料、复合材料等[5-7]。在研究早期，人们普遍认为块状金属会反射微波，且具有等离子放电和电弧放电

现象，因此不能使用微波烧结技术；能否将该技术用于金属及合金粉末的烧结，

成为人们关注的焦点。20世纪80年代Walkewicz在2.4GHz频率的微波场中对6

种金属粉末进行中温加热研究，但他没有进行烧结研究[8]。虽然后来Whittaker

将金属粉末与硫磺混合进行微波高放热烧结，合成出金属硫化物，但金属粉末的

微波烧结在很长的一段时间内一直未被提及[9]。直到1999年，美国Roy教授等[10-11]突破了传统观点，率先成功进行了铁、铜、镍、钴、钨及铁-铜、铁-镍、镍-铝-铜等金属或合金的粉末冶金烧结，在全世界引起了巨大反响，近10多年来

许多人对此产生了浓厚的兴趣，并进行了大量研究，使得微波烧结技术在金属材

料中的应用已经逐渐成为粉末冶金特种烧结领域的一个研究热点。进入21世纪，

随着人们对环境和资源问题的日益重视，微波烧结技术必将受到更为广泛的研究

与应用，该技术已被誉为“21世纪新一代烧结技术”[12]。为了给国内研究人员

提供参考，作者对金属粉末微波烧结研究现状进行了综述

2 微波烧结的特点

微波是一种频率在300MHz-300GHz，波长在1mm-1m的电磁波，目前应用中使用的频率主要为2.45GHz。微波烧结与传统烧结技术相比，其具有如下的特点：

2.1体积加热：

微波烧结是利用材料与微波电场或磁场耦合将微波能转化为热能，由于电磁

波是以光速传播的，电磁波透入物质的速度也接近光速，因而能非常快地将电磁

波的能量转化为物质分子的能量，从而使得材料可内外同时加热，材料内部温度

梯度很小，甚至无温度梯度，材料内部热应力减至最低，因此能有效缓解材料在

烧结过程中的开裂与变形,使材料具有更好的力学性能[19]。

2.2节能环保：

相对于传统烧结技术，微波烧结可显著降低烧结温度,另外微波烧结法的加

热速率快，使得烧结周期大大缩短，同时，在微波场中，材料本身就是热源，微

波能直接与物质相互作用，避免了加热没有直接参与烧结过程的其他部件的加

热，从而大幅度降低能耗，比常规烧结节能70%-90%，快速烧结又显著减小了

烧结气氛的气体使用量，使得烧结过程中的废物、废热排放量得到降低，对环境

友好[20]。

2.3细化晶粒：

在微波电磁能的作用下，材料会产生一系列的“微波效应”[21]，材料内部

分子的动能增加，扩散系数提高，烧结活化能降低，加快烧结过程，缩短烧结周

期，使得晶粒来不及长大就被烧结，能得到均匀的细晶粒，并且材料的孔隙率小，孔隙形状也比传统烧结圆滑，材料具有更优良的力学性能。由于微波烧结具有抑制晶粒长大的作用，为制备纳米材料提供了一种可行且高效的潜在方法。

2.4能实现选择性烧结

不同的材料其介电性能不一样，对微波的吸收存在差异，在微波场中产生的热效应也不同，利用这一点，可以对多相混合材料进行选择性烧结，制备新的材料和获得更佳材料性能。

3微波烧结技术在金属材料制备中的应用

虽然微波烧结技术在金属材料中的应用仅有10多年时间，但已经成为了粉末冶金特种烧结领域中的一个重要工艺方法，受到了国内外粉末冶金领域学者的广泛重视，且应用范围已经由最开始的合金和金属间化合物扩展到了纯金属以及复合材料等领域。下面作者对有关微波烧结在金属材料中的几个具体应用实例做一个简单的介绍

3.1二元铁基合金

1999年，美国的Roy等[10]采用微波烧结技术首次成功合成钛-铝、铜-钛、铜-锌-铝等几十种金属间化合物和合金。随后他们采用带有附加层的微波烧结炉腔，又成功地制备出粉末冶金不锈钢、铜铁合金、铜锌合金、钨铜合金及镍基高温合金。烧结出的部分金属零件的性能对比如表1[10]所示。

Tab 1 Properties of microwave and conventionally processed powderedmetal sanples

从表1可看出，微波烧结法制备的铁-镍合金的抗折强度要比常规烧结的高出60%，该技术成功应用于金属及合金粉末的烧结，在全世界引起了巨大反响，很多学者开始继续深入研究该技术，至今，已成功应用该技术制备了多种金属及合金材料，并发现用微波烧结法制备的材料性能明显优于传统烧结法制备得的材料