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    微波燒結技術在陶瓷材料中的應用

    中國粉體網 2019/7/6 08:24:50 點擊 1085 次

    導讀 微波燒結是一種新型的材料致密化燒結工藝,它是利用微波加熱對材料進行燒結。微波燒結技術因其在陶瓷材料制備領域的突出優勢,被譽為“21世紀新一代燒結技術”。

    中國粉體網訊  微波燒結是一種新型的材料致密化燒結工藝,它是利用微波加熱對材料進行燒結。微波燒結技術因其在陶瓷材料制備領域的突出優勢,被譽為“21世紀新一代燒結技術”。


    一、微波燒結的基本原理及裝置


    微波燒結是利用微波具有的特殊波段與材料的基本細微結構耦合而產生熱量,材料在電磁場中的介質損耗使其材料整體加熱至燒結溫度,實現致密化的方法。


    一般的微波燒結裝置主要由微波源系統,微波傳輸系統,微波燒結腔和監測控制系統4部分組成。



    二、微波燒結的特點


    (1)極快的加熱和燒結速度


    微波加熱是材料內部整體加熱,升溫速度快,從而大大縮短了燒結時間,極大的提高了能源的利用效率。


    (2)改變陶瓷材料顯微結構和宏觀性能


    由于微波燒結的速度快、時間短、從而避免了燒結過程中陶瓷材料晶粒的異常長大,最終可獲得具有高強度和韌性的超細晶粒結構材料。


    (3)高效節能


    微波燒結溫度與常規燒結溫度相比,最大降溫幅度可達500℃左右;一般從微波能轉變成熱能的效率可達80~90%,加之微波燒結的時間短,因此微波燒結可大大降低能耗。


    (4)選擇性燒結


    對于多相混合材料,由于不同介質吸收微波的能力不同,產生的耗散功率不同,熱效率也不同,可以利用這一點來對復合材料進行選擇性燒結,研究新的材料和得到材料的更佳性能。


    (5)瞬時性無污染


    微波加熱過程中無需經過熱傳導,因為沒有熱慣性,即具有瞬時性,這就意味著熱源可以瞬時被切斷和及時發熱,體現了節能和易于控制的特點。同時,微波熱源純凈,不會污染所燒結的材料,能夠方便地實現在真空和各種氣氛及壓力下的燒結。


    三、微波燒結技術在陶瓷材料中的應用


    在結構陶瓷中的應用


     

    (1)氧化物陶瓷


    Al2O3、ZrO2及其復合材料等氧化物陶瓷材料在微波燒結的研究中取得了較為成功的效果。


    謝杰等人采用自制微波燒結設備,通過向純Al2O3粉末中添加MgO和Y2O3助燒劑,制備出高純度和高密度的Al2O3陶瓷,其強度和韌性得到了顯著增強。丁明桐等采用納米級高純超細粉,通過添入適量稀土氧化物(Y2O3),經微波燒結制成新型Y-ZrO2稀土增韌陶瓷材料。


    除了成功燒結出Al2O3、ZrO2等陶瓷材料,其他氧化物陶瓷也通過微波燒結技術制備出來,如TiO2、SiO2、ZnO等陶瓷材料。


    (2)氮化物陶瓷


    氮化物陶瓷的特點具有相當高的熔點,具有很好的抗腐蝕性,有些氮化物陶瓷還具有很高的硬度,因而得到廣泛應用。


    Cheng等運用微波法燒結AlN陶瓷,以微量的Y2O3為助燒劑,在1900℃下保溫30min,密度高達99.5%。


    (3)碳化物陶瓷


    碳化物陶瓷的突出特點是高熔點、高硬度,并且有良好的導電和導熱性能,但高溫下易氧化,主要的碳化物陶瓷有SiC、B4C、TiC、WC、ZrC、TaC等。


    Goldstein等以高純α-SiC為原料進行微波燒結,所得燒結試樣密度是理論密度的98%,與常規燒結相比機械性能更為優越。


    在功能陶瓷中的應用


    功能陶瓷可分為電功能陶瓷、磁功能陶瓷、光功能陶瓷、生物功能陶瓷等。


    (1)電子陶瓷


    李磊等人比較了微波和傳統燒結ZnO壓敏電阻的性能,發現微波燒結工藝明顯改善了ZnO壓敏電阻的致密化行為,縮短了燒結周期,改善了電性能。


    (2)光學陶瓷


    盧斌等人在不添加任何燒結助劑的前提下,采用高純微米級氮化鋁(AlN)粉,在1700℃/2h的微波低溫燒結工藝條件下制備出透明度較高的AlN透明陶瓷。該透明陶瓷晶粒尺寸細小(<10μm),晶粒發育完善且分布均勻,晶界平直光滑且無第二相分布。


    (3)磁性陶瓷


    彭虎等人利用微波燒結旋磁鐵氧體材料,將物料整體加熱,內外溫差小,可快速升溫,并且微波加熱伴有“非熱”效應,可以降低反應溫度,促進物體內部晶體致密化。由于燒結坯體內應力小,即使快速燒結也不會導致坯體開裂,且燒結的材料具有較佳的性能,從而使得坯體燒結合格率提高。


    (4)生物陶瓷


    羥基磷灰石是人體骨骼的無機礦物組成,與機體有良好的生物相容性,植入人體后能誘導周圍骨組織的生長并逐步參與代謝,最終與人體骨形成緊密的化學結合,是良好的生物陶瓷材料。

    王卓薇等對羥基磷灰石進行了微波燒結的研究,結果表明,微波燒結有利于HAP陶瓷坯體的致密化,可以實現低溫快速燒結,并提高陶瓷的機械強度。


    參考資料:
    朱佑念.特種陶瓷的微波燒結技術及研究進展
    李遠.微波燒結陶瓷的研究進展
    艾云龍.陶瓷材料的微波燒結及研究進展

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