范景莲,黄伯云,刘军,吴恩熙
(中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙,410083)
摘 要:介绍了微波马弗炉微波烧结原理与特点以及微波烧结技术在金属材料领域和精细陶瓷领域中的应用所取的研究成果。同时也指出了目前微波烧结存在的问题和有待进一步研究和应用的方
向。
微波烧结概念由Tinga 等人于20 世纪50 年代提出[1 ] ,但直至80 年代才受到重视。80 年代中后期微波烧结技术被引入到材料科学领域,逐渐发展成为一种新型的粉末冶金快速烧结技术[2 ] 。进入90 年代,该技术向着基础研究、实用化和工业化发展,尤其在陶瓷材料领域成了研究热点[3 ] 。目前,我国学者对微波烧结陶瓷的研究主要集中于结构陶瓷,而国外许多大学、研究机构及大公司同时开展了结构陶瓷和电子陶瓷等方面的微波烧结研究[4 - 6 ] 。与常规烧结相比,微波烧结具有烧结速度快、高效节能以及改善材料组织、提高材料性能等一系列优点。21 世纪随着人们对纳米材料研究的重视,该技术在制备纳米块体金属材料和纳米陶瓷方面具有很大的潜力[7 ] ,该技术被誉为“21 世纪新一代烧结技术”。
1 微波马弗炉微波烧结设备的结构原理及特点
微波是一种高频电磁波,其频率范围为013～300 GHz。但在微波烧结技术中使用的频率主要为2145 GHz , Sutton 对该频率波段的微波烧结进行详细研究[4 ] 。目前也有28 GHz[8 ] 、60 GHz[9 ] 其至更高频率的研究报道。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而实现烧结和致密化。在微波电磁场作用下,陶瓷材料会产生一系列的介质极化,如电子极化、原子极化、偶极子转向极化和界面极化等。参加极化的微观粒子种类不同,建立或消除极化的时间周期也不一样。由于微波电磁场的频率很高,使材料内部的介质极化过程无法跟随外电场的变化,极化强度矢量P 总是滞后于电场E ,导致产生与电场同相的电流,从而构成材料内部的耗散,在微波波段,主要是偶极子极化和界面极化产生的吸收电流构成材料的介质耗散[10 ] 。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:
d T/ d t = 2πfε0ε’E2/ Cpρ
式中f 为微波工作频率;ε’为材料介电损耗;ε0 为空间介电常数; E 为微波电场强度; Cp 为材料热容;ρ为材料密度。
上式给出了微波烧结陶瓷材料时微波炉功率与微波腔内场强的关系以及微波场强的大小对加热速度的影响。微波烧结的功率决定了微波烧结场场强的大小,升温速率与烧结场场强、材料热容和材料密度密切相关。这对进行微波炉设计和进行试样烧结时对实验参数的设计提供了一个基本依据。
与常规烧结相比,微波烧结具有如下特点:
(1) 烧结温度大幅度降低,与常规烧结相比,******降温幅度可达500 ℃左右。
(2) 比常规烧结节能70 %～90 % ,降低烧结能耗费用。由于微波烧结的时间大大缩短,尤其对一些陶瓷材料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,大大得高了能源的利用效率。
(3) 安全无污染。微波烧结的快速烧结特点使得在烧结过程中作为烧结气氛的气体的使用量大大降低,这不仅降低了成本,也使烧结过程中废气、废热的排放量得到降低。
(4) 使用微波法快速升温和致密化可以抑制晶粒组织长大,从而制备纳米粉末、超细或纳米块体材料。以非晶硅和碳混合料为原料,采用微波烧结法可以制备粒度为20～30 nm 的β2SiC 粉末,而用普通方法时,制备的粉末粒度为50～450 nm。采用微波烧结制备的WC2Co 硬质合金,其晶粒粒度可降低到100 nm 左右[11 ] 。
(5) 烧结时间缩短,相对于传统的辐射加热过程致密化速度加快,微波烧结是依靠材料本身吸收微波能转化为材料内部分子的动能和势能,材料内外同时均匀加热,这样材料内部热应力可以减少到最小,其次在微波电磁能作用下,材料内部分子或离子的动能增加,使烧结活化能降低,扩散系数提高,可以进行低温快速烧结,使细粉来不及长大就被烧结。
(6) 能实现空间选择性烧结。对于多相混合材料,由于不同材料的介电损耗不同,产生的耗散功率不同,热效应也不同,可以利用这点来对复合材料进行选择性烧结,研究新的材料产品和获得更佳材料性能[12 - 13 ] 。
微波高温炉 微波烧结可降低烧结活化能、增强扩散动力和扩散速率,从而实现迅速烧结。高纯Al2O3 常规烧结的活化能为575 kJ / mol ,而在28 GHz 的微波场下对高纯Al2O3 进行微波烧结所需的活化能为160kJ / mol ,当微波频率进一步提高到82 GHz 时,所需活化能降低到100 kJ / mol 。与此同时,J anney[14 ]采用失踪原子研究比较采用微波马弗炉烧结和常规烧结在O18和Al2O3 单晶中的扩散速率,结果发现在微波场内部的O18的扩散速率远大于在常规加热试样中的速率。在以上研究的基础上,J anney 认为微波增强扩散机制与以下3 个因素有关: (1) 自由表面的影响; (2) 晶界与微波耦合的影响; (3) 晶体内部缺陷与微波耦合的影响。
