陶瓷材料的微波烧结及研究进展

0 引言 微波是一种频率为 0. 3～300 GHz的电磁波 , 50
年代美国的 Von H ippel在材料介质特性方面的开创 性工作为微波烧结的应用奠定了基础 [ 1 ] 。材料的微 波烧结始于 20 世纪 60 年代中期 , Levinson和 Tinga 首先提出陶瓷材料的微波烧结 ;到 70 年代中期 ,法 国的 B adot和 B xrtcand及美国的 Sutton等开始对微 波烧结技术进行系统研究 ; 80年代以后 ,各种高性能 陶瓷和金属陶瓷材料得到广泛应用 ,相应的制备技 术也成了人们关注的焦点 [ 2～7 ] 。美国 Spheric 技术 公司指出使用微波烧结比传统烧结方法可节约能源 80% ,微波烧结的时间为传统烧结方法的十分之一 , 不仅明显节约费用还可提高产品质量 。该公司开发 的“Spheric / Syno - Therm ”微波烧结系统能生产具有 细组织结 构 和 接 近 理 论 密 度 的 粉 末 冶 金 及 陶 瓷 制 品。
(2)微波全反射型材料 :主要为导电性能良好的 金属材料 。此类材料对微波的反射系数接近于 1,可 用作微波加热设备中的波导 、微波腔体等 。
(3)微波吸收型材料 :主要是一些介于金属和绝 缘体之间的电介质材料 。并非任何材料置于微波场 中都能有效地微波烧结 ,只有微波吸收型材料才能 取得良好的烧结效果 。通常用损耗正切值 (损耗因 子与介电常数之比 )来表示材料与微波的耦合能力 , 损耗正切值越大 ,材料与微波的耦合能力就越强 。 对于大多数的氧化物陶瓷 ,如氧化铝 、二氧化硅等 , 它们在室温时对微波是透明的 ,几乎不吸收微波能 量 ,只有达到某一临界温度后 ,它们的损耗正切值才 变得很大 。
D evelopm en t and M icrowave S in ter ing of Ceram ic M a ter ia ls
A I Yun2long, L IU Shu2hong, L IU Chang2hong, LUO Jun2m ing,WAN G Sheng2m ing
(Nanchang Hangkong Universty, Nanchang J iangxi 330063, China)
李磊 [ 21 ]等采用微波烧结制备 ZnO 陶瓷 ,结果表 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 /10～1 /8。
2000年以来 ,微波烧结结构陶瓷材料的研究更
第 3期
艾云龙等 :陶瓷材料的微波烧结及研究进展
J i2p ing Cheng等 [ 30 ]微波烧结 A lN 透明陶瓷 ,烧 结温度 1850 ℃,保温时间 30 m in,可以得到透明度 很高的烧结产品 ,与传统烧结相比 ,大大地缩短了加 热时间 ,见表 2。
表 2 微波烧结和常规烧结 A lN 透明陶瓷的比较
Table 2 Comparison of transparent ceram ic A lN sintered
Abstract: This paper introduces the fundmentals of m icrowave sintering and the coup ling effect of medium and m icrowave, as well as the characteristics and excellences of m icrowave sintering in ceram ic materials. The latest research and aspect of m icrowave sintering in ceram ic m aterials are reviewed. Key words: ceram ic; m icrowave sintering; app lications; developm ent
曲世明 [ 20 ]采用微波混合加热技术 ,成功地烧结 成 ZrO2 、SiO2 和 Si3 N4 的样品 ,并得出结论 : 微波混 合加热技术具有大幅度缩短烧结时间和节约电能的 优点 ,推广和应用必将带来重大的经济效益 。为了 发展微波加热技术 ,应该配合开展材料介电性能的 基础研究 ,特别是要研究介电损耗随温度改变的情 况。
第 29卷第 3期 2008年 6月
热处理技术与装备 RECHUL I J ISHU YU ZHUANGBE I
Vol. 29, No. 3 Jun. , 2008
·综 述 ·
陶瓷材料的微波烧结及研究进展
艾云龙 ,刘书红 ,刘长虹 ,罗军明 ,王圣明
(南昌航空大学 ,江西 南昌 330063)
摘 要 :本文阐述了微波烧结的基本原理 ,介质与微波的耦合作用以及陶瓷材料的微波烧结特性和 优点 。对微波烧结陶瓷材料的研究现状和方向进行了总结 。 关键词 :陶瓷 ;微波烧结 ;应用 ;进展 中图分类号 : TG148 文献标识码 : A 文章编号 : 1673 - 4971 (2008) 03 - 0001 - 04
1 微波烧结及陶瓷材料烧结特点 1. 1 微波烧结基本原理
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 [ 12 ] 。
材料与微波的交互作用导致材料吸收微波能量 而被加热 ,在单位时间内 ,材料吸收的微波能量即发
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趋于成熟 ,大部分研究都针对纳米结构陶瓷的微波 烧结以获得更为出色的性能 。美国宾州州立大学的 研究者们 用 微 波 单 模 腔 高 温 烧 结 了 纳 米 晶 的 氧 化 镁 、氧化铝 、氮化铝和氮氧化铝透明陶瓷 [ 22 - 27 ] 。
Ramesh Peelamedu 等在对多晶透明氧化铝陶瓷 进行 1880 ℃微波高温处理后得到单晶的宝石级氧 化铝 ,透光性提高 20%。他们还利用微波和激光混 合加热技术成功烧结了纳米氧化锆陶瓷 。在实验条 件下 ,晶 粒 和 原 料 颗 粒 尺 寸 相 近 , 几 乎 无 晶 粒 生 长 [ 26 ] 。俄罗斯科学院应用物理研究所的 S. Egorove 等 [ 28 ]用毫米波加热烧结了接近理论密度的氧化铝 纳米陶瓷 ,晶粒尺寸 85～90 nm。 2. 2 非氧化物陶瓷
混合加热可以解决一些低损耗材料微波烧结的 难题 ,分为主动型和被动型两类混合加热 。主动型 加热方式是将微波能和其他热源结合在一起的混合 加热系统 ;被动型混合加热则着重于改变材料自身 的介电性能 。通常是在材料内部添加或在试样表面 喷涂高损耗组分 ,以及在试样周围填充埋粉和设置 保温层等 ,使欲烧结的陶瓷坯体的微波吸收能力增 强 ,从而在室温下就能被迅速加热 ,达到快速烧成的 目的 [ 13 ] 。
介电损耗因子 ,εo 为材料的介电常数 。 1. 2 陶瓷材料的微波烧结 材料在微波场中可大致分为三种类型 : (1)微波透明性材料 : 主要为低损耗绝缘材料
(如大部分高分子材料及部分非金属材料 ) ,它可使 微波部分反射和部分穿透 ,但很少吸收微波 。此类 材料可长期处于微波场中而不发热 ,可以用作加热 体内的透波材料 。
的结果 。1988年 ,武汉工业大学在我国率先开展了 微波烧结技术研究 ,并被列为国家“863 计划 ”。 2. 1 氧化物陶瓷
国内外研究者至今几乎对所有的氧化物陶瓷材 料进行了微波烧结研究 [ 15 ] 。较为成功的有 A l2 O3 、 ZrO2 、ZnO、M gO、SiO2 及其复合材料等 。Cable[ 16 ] 在 l9世纪 60年代首先制备出了透明氧化铝陶瓷 。用 传统方法烧结出来的多晶陶瓷由于存在着晶界 、第 二相和气孔等结构而极大地影响了其光学性能 。而 在微波烧结中 ,获得了致密度高 、晶粒结构均匀的多 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 ,因此采用微 波烧结 的 方 法 比 常 规 烧 结 更 容 易 制 备 出 透 明 陶 瓷 [ 17 ] 。微波烧结温度场均匀 、热应力小 ,适宜于快 速烧结 ,因而可使陶瓷材料晶粒细化 [ 18 ] (见表 1) ,提 高了材料显微结构的均匀性 。 Zhang J in2song等也用 微波烧结制备出了平均颗粒直径为 l0 ～20 nm 的 ZrO2 ( 4% Y2 O3 ,摩尔分数 ) 。刘阳等人 [ 19 ]进行了微 波烧 结 A12 O3 - TiC 复 合 材 料 的 研 Biblioteka Baidu 。他 们 将 A12 O3 2TiC复合材料分别进行常压烧结和微波烧结 , 微波烧结的温度为 1800 ℃,烧成时间 95 m in,保温 时间 15 m in; 常 压烧 结烧 成温 度分 别 为 1800 ℃、 1850 ℃,烧成时间均为 6 h,其中保温 1 h。
收稿日期 : 2008 - 02 - 28 作者简介 :艾云龙 (1962 - ) ,男 ,教授 ,主要从事复合材料及热处理工艺研究 。
E - mail: liushuh3025@126. com 基金项目 :江西省教育厅科技项目 (No. 2007162)
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热处理技术与装备
第 29卷
热量可表示为 : p = 2πεf oε′r tgδ E 2 式中 : f为微波频率 , E 为内电场幅值 ,ε′r tgδ为
和常规加热方式不同 ,微波加热是一种体加热 ,
即材料吸收的微波能转化为材料内部分子的动能和 热能 ,材料整体同时均匀加热 。整个加热过程中 ,材 料内部温度梯度很小或没有 ,因而材料内部应力可 以减小到最小程度 ,这样即使升温速率很高也很少 造成材料开裂 。它具有烧结温度低 ,烧结时间短 ,能 源利用 率 和 加 热 效 率 高 , 安 全 卫 生 , 无 污 染 等 优 点 。 [ 8～11 ]
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
A l2O3 ZrO2 ～A l2O3 Y2O3 ～ZrO2
ZnO
微波烧结 /μm 2. 6～2. 9 0. 5 2. 3 5～6
常规烧结 /μm 3. 5～4. 0 1. 0 3. 5 10
B4 C、SiC、Si3 N4 、TiB2 和 A lN 等是用微波成功烧 结的非氧化物陶瓷材料 。 Yoon2chang Kim 等人 使 [ 28 ] 用高纯 α2Si3 N4 为原料 , A l2 O3 、Y2 O3 为助烧剂 ,添加 量质量分数 12% ( A l2 O3 : Y2 O3 = 1: 3) ,混合后以酒 精为介质 ,用 A l2O3 球球磨 24 h,干燥分散后 ,将粉 先用 300 Pa 压力预压后用 200 M Pa 等静压 , 压成 24 mm ×12 mm 的样品 , 45 GHz、6 kW 微波炉常压氮 气氛中 1750 ℃下烧结 ,升温速度 25 ℃ /m in,作为对 比的常规烧结采用同样的烧成制度 ,结果显示微波 可以促进 Si3 N4 的 α相向 β相转变的速度 ,提高密 度 。V. P. Paranosenkov等 [ 29 ]烧结了纳米 Si3 N4陶瓷 , 在相同密度下 , 强度比传统烧结样品提高 25% ～ 30%。
2 陶瓷微波烧结的研究现状 微波烧 结 技 术 问 世 至 今 一 直 受 到 发 达 国 家 政
府 、工业界 、科学界的广泛重视 ,且应用领域也不断 扩大 。微波烧结通过电磁场直接对物体内部加热 , 而不像传统方法热能是通过物体表面间接传入物体 内部 ,因而热效率很高 。加之 ,烧结时间又短 ,可以 大幅度的节能 [ 14 ] 。微波加热技术应用于陶瓷材料 的烧结是一种理想的选择 ,各先进国家在陶瓷的微 波烧结方面均开展了研究工作 ,并取得了不少有益