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邹小姐：13326633089 -
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微(wei)波加(jia)(jia)热在(zai)日常(chang)生活中(zhong)已(yi)应用(yong)甚广，但在(zai)工业上达(da)到规模应用(yong)目(mu)前仍(reng)在(zai)发展中(zhong)，微(wei)波是(shi)指频(pin)率在(zai)300兆(zhao)赫兹(zi)到300千兆(zhao)赫兹(zi)的(de)(de)电磁(ci)波，自20世纪90年代起，微(wei)波加(jia)(jia)热制备陶(tao)瓷材(cai)料一直是(shi)国(guo)际研究热点。国(guo)际无线电管理委员会为了避(bi)免对通信的(de)(de)干扰(rao)，规定用(yong)于工业微(wei)波加(jia)(jia)热的(de)(de)频(pin)率为915MHz和2.45GHz，其中(zhong)陶(tao)瓷制备中(zhong)最常(chang)用(yong)的(de)(de)频(pin)率为2.45GHz，相应的(de)(de)波长(zhang)为122mm。
微波频段及应(ying)用
微波(bo)烧结的原理
与(yu)传统(tong)烧结不同，在微(wei)波加(jia)热过(guo)程中，电(dian)磁能量(liang)被材料吸收(shou)，材料整体发(fa)热，热量(liang)通(tong)过(guo)物(wu)体表面向外耗(hao)散(san)，微(wei)波加(jia)热是被加(jia)热材料的(de)功能性(xing)表现。被加(jia)热材料的(de)极性(xing)分(fen)子在快速变(bian)化(hua)的(de)高频电(dian)磁场(chang)作用下，其(qi)极性(xing)取向将随(sui)着外电(dian)场(chang)的(de)变(bian)化(hua)而变(bian)化(hua)，造(zao)成分(fen)子的(de)运动和相(xiang)互摩擦(ca)效应，从而使微(wei)波的(de)电(dian)磁场(chang)能转化(hua)为介质内的(de)热能。
微波加热使水等极性(xing)分子运动摩(mo)擦生热
微波(bo)烧结(jie)在促使材(cai)料致密(mi)化过程中，可以(yi)降(jiang)低烧(shao)结(jie)温度并减少烧(shao)结(jie)时间(jian)，常规热辐射(she)和热传导烧结过程(cheng)中，陶瓷晶粒以体积扩散(san)为主，而在电磁场的(de)作用下，陶瓷颗粒以(yi)晶界扩(kuo)散为(wei)主(zhu)。
例如(ru)烧结氧化锆陶瓷，锆离子(zi)Zr4+的扩(kuo)散(san)速率(lv)决定了陶瓷致密化的速率(lv)，Zr4+的体(ti)积扩散活(huo)化能为515 kJ/mol，而晶(jing)界扩散活(huo)化能为200 kJ/mol，也就是(shi)说相(xiang)比(bi)于(yu)传(chuan)统加(jia)(jia)热方式，采用晶(jing)界扩散的加(jia)(jia)热更容(rong)易(yi)。因此(ci)，在(zai)微波场作用下，氧化锆陶瓷更容(rong)易(yi)达到致密化。
因此(ci)微波(bo)加热(re)有许(xu)多优(you)点，如节省时间和能(neng)源，具有非常高的(de)(de)加热(re)速率(>400℃/min)，显著降低烧结温度，使被烧结材(cai)料具有精细的(de)(de)微观结构，材(cai)料的(de)(de)机(ji)械性(xing)能(neng)更好(hao)等。
微波加热材料的(de)影响(xiang)因素
微波与(yu)不同材料的相互作(zuo)用(yong)取决于材料的电磁特性、晶粒尺(chi)寸和(he)孔(kong)隙率(lv)，依据这些特性(xing)，材料可以分为(wei)微波透明体（无能量(liang)转移，低介质损耗材料）、微波反射(she)体（不能穿透到材料内部，导体）和微波(bo)吸(xi)收体（存(cun)在能量的吸收和交换，高(gao)介质(zhi)损(sun)耗材料）。
一般来(lai)说，高(gao)介质损(sun)耗(hao)材料更容(rong)易实现微(wei)(wei)(wei)波(bo)加(jia)热(re)，而具有最佳绝缘性能的陶瓷，如氧化铝(lv)、氧化镁、二氧化硅和玻璃，在室(shi)温下属于(yu)微(wei)(wei)(wei)波(bo)透明体，但当加(jia)热(re)到(dao)临(lin)界温度(du)Tc以上时，它(ta)们开始吸收(shou)微(wei)(wei)(wei)波(bo)，并(bing)逐步与(yu)微(wei)(wei)(wei)波(bo)辐射发生(sheng)更有效(xiao)的耦合(he)。因此，在用(yong)微(wei)(wei)(wei)波(bo)加(jia)热(re)该类材料时，需要利用(yong)辅助加热，使温(wen)度升(sheng)高(gao)到临界值；或在室温(wen)微波(bo)透(tou)明陶(tao)瓷中加入室(shi)温高介质损耗的微波(bo)吸(xi)收第二(er)相，增强整体与微波的(de)相互(hu)作(zuo)用，实现微波混(hun)合加热。
微波加热受(shou)材料(liao)本身性(xing)能影响(xiang)
微波加热特种陶(tao)瓷粉体
陶瓷粉体的(de)(de)合成一直是(shi)微(wei)波(bo)制备高性(xing)能陶瓷的(de)(de)主要领域，与(yu)传统加热(re)方(fang)法相(xiang)比，微(wei)波(bo)热(re)解乳化(hua)的(de)(de)化(hua)合物(wu)，更易获得大量的(de)(de)纳米级氧化(hua)物(wu)陶瓷粉体。微(wei)波(bo)热(re)解可以获得分(fen)散性(xing)较(jiao)好的(de)(de)氧化(hua)锆或氧化(hua)铝(lv)粉体，原因在于(yu)前驱(qu)体吸(xi)收微(wei)波(bo)整体加热(re)，热(re)量由内(nei)部向外扩(kuo)散，颗粒之间形成(cheng)热(re)量扩(kuo)散通道，扩散驱(qu)动(dong)力(li)使颗粒向四周分散，一定程度上(shang)阻碍晶粒的团聚。而常规(gui)辐射(she)加热(re)热(re)解过程，热(re)辐射(she)从外部加热(re)前驱(qu)体粉(fen)体，热(re)量从外部向内部聚集(ji)，容易造成粉(fen)体的团聚。
不(bu)过(guo)(guo)由于不(bu)同材料对微(wei)波(bo)的(de)吸(xi)收有限(xian)，实现(xian)微(wei)波(bo)烧(shao)(shao)(shao)结(jie)并不(bu)容易。目(mu)前微(wei)波(bo)烧(shao)(shao)(shao)结(jie)材料的(de)研究大多(duo)基于传统的(de)低频(2.45GHz)微(wei)波(bo)发(fa)生(sheng)器，在室温下，这种频率的(de)微(wei)波(bo)与诸(zhu)多(duo)材料不(bu)能有效(xiao)耦(ou)合，较差的(de)微(wei)波(bo)吸(xi)收特性使多(duo)数材料初始(shi)加热困难。此外，在微(wei)波(bo)烧(shao)(shao)(shao)结(jie)过(guo)(guo)程中，可能会出现(xian)热稳(wen)定差的(de)现(xian)象，从而导(dao)致温度(du)失控，引起样(yang)品严重(zhong)过(guo)(guo)烧(shao)(shao)(shao)。另外，某些陶瓷粉体(ti)需要气氛(fen)保护(hu)烧(shao)(shao)(shao)结(jie)，实现(xian)难度(du)很大。
1.常(chang)规烧(shao)结(jie)
例如Al2O3等陶瓷粉(fen)体，在(zai)(zai)常(chang)规加(jia)(jia)热(re)中，由(you)于(yu)辐射散(san)热(re)，材料外(wai)围温(wen)度(du)(du)(du)(du)低于(yu)内部(bu)，存在(zai)(zai)的(de)固(gu)有温(wen)度(du)(du)(du)(du)梯(ti)度(du)(du)(du)(du)，在(zai)(zai)大升温(wen)速率下(xia)，会造成严重的(de)温(wen)度(du)(du)(du)(du)不(bu)均匀(yun)，进而(er)(er)(er)导(dao)致(zhi)不(bu)均匀(yun)烧结或开裂，这使得(de)工业中常(chang)采用保温(wen)层等方式(shi)来(lai)改善(shan)。而(er)(er)(er)微波加(jia)(jia)热(re)同(tong)样(yang)也会遇到温(wen)度(du)(du)(du)(du)不(bu)均匀(yun)的(de)问(wen)题，只是(shi)在(zai)(zai)常(chang)规加(jia)(jia)热(re)中，加(jia)(jia)热(re)方向是(shi)由(you)外(wai)到内，导(dao)致(zhi)样(yang)品表(biao)面温(wen)度(du)(du)(du)(du)高于(yu)内部(bu)，使粉(fen)末坯体中心(xin)区(qu)域(yu)的(de)微观组织结构(gou)较差(cha)；而(er)(er)(er)在(zai)(zai)微波加(jia)(jia)热(re)中，加(jia)(jia)热(re)方向是(shi)由(you)内到外(wai)，导(dao)致(zhi)样(yang)品内部(bu)的(de)温(wen)度(du)(du)(du)(du)高于(yu)表(biao)面，使粉(fen)末坯体表(biao)面的(de)微观组织结构(gou)较差(cha)。
导(dao)热(re)球(qiu)形粉(fen)体对表面微(wei)观结(jie)构要(yao)求更高
因此这(zhei)促使研究人员开发了直接微波加(jia)热和常(chang)规热源辐射相结合的(de)混合加热(re)技术，利用微波(bo)和微波(bo)耦合外(wai)热(re)源(yuan)的(de)(de)共同作用，可实现坯(pi)体内外(wai)的(de)(de)快速烧(shao)结(jie)，可用于烧(shao)结(jie)在(zai)低温(wen)下(xia)(xia)(xia)具有低介电损(sun)耗(hao)，在(zai)高温(wen)下(xia)(xia)(xia)具有高介电损(sun)耗(hao)的(de)(de)材料。这样的(de)(de)混合加热(re)系统在(zai)低温(wen)下(xia)(xia)(xia)使样品更容易加热(re)，而在(zai)高温(wen)下(xia)(xia)(xia)可保(bao)证样品稳定加热(re)。
2.气氛烧结
SiC是典型的(de)气氛(fen)保护(hu)烧(shao)(shao)结才能制(zhi)备的(de)陶瓷(ci)粉体(ti)，利用微(wei)波(bo)(bo)(bo)技(ji)(ji)术合(he)成SiC晶体(ti)是可行的(de)，但(dan)目前(qian)(qian)存在的(de)主要问题包括：目前(qian)(qian)尚未(wei)有较(jiao)成熟的(de)微(wei)波(bo)(bo)(bo)加热烧(shao)(shao)结SiC的(de)技(ji)(ji)术路线(xian)，采用原料不统一，造成SiC结构(gou)、形貌的(de)不确定性，缺乏完整(zheng)的(de)技(ji)(ji)术体(ti)系；微(wei)波(bo)(bo)(bo)加热需要气氛(fen)保护(hu)，不利于工业化推广(guang)。
微波烧结制备特种(zhong)陶瓷
微波加热和烧结的(de)优点主(zhu)要有以下几(ji)点：
（1）升(sheng)温速(su)率快，可以实现陶瓷的快速(su)烧结与晶粒变化(hua)；
（2）整体均匀加热(re)，内(nei)部温度场均匀，显著(zhu)改善(shan)材料的(de)显微结构；
（3）微(wei)波加(jia)热不存在热惯性，烧结(jie)周(zhou)期短；
（4）利(li)用微波对材(cai)料的选择性加热(re)，可以对材(cai)料某(mou)些部位进行加热(re)修复(fu)或缺陷愈合；
（5）自身加热，不(bu)存在来自外热源的污染；
（6）微波能(neng)向热能(neng)的转(zhuan)化效率可达80%~90%，高效节能(neng)。
大量研究探索证(zheng)明(ming)，许多(duo)结构陶瓷(ci)(ci)(ci)可以应用(yong)微波(bo)烧(shao)(shao)结，氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)陶瓷(ci)(ci)(ci)、非(fei)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)陶瓷(ci)(ci)(ci)以及透(tou)明(ming)陶瓷(ci)(ci)(ci)用(yong)微波(bo)烧(shao)(shao)结，可以得到致密(mi)的性能优良的制(zhi)品，且(qie)烧(shao)(shao)结时间缩短、烧(shao)(shao)结温(wen)度降低。
目前(qian)氧(yang)(yang)化(hua)锆(gao)和氧(yang)(yang)化(hua)铝(lv)陶(tao)(tao)瓷(ci)作为重(zhong)要(yao)的(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)工程结(jie)(jie)构(gou)件的(de)组成(cheng)部分，其(qi)工程制品(pin)的(de)生产企业还普(pu)遍采用传统烧(shao)结(jie)(jie)方式，与微波(bo)烧(shao)结(jie)(jie)相比，传统烧(shao)结(jie)(jie)不但生产效率低，而(er)且能(neng)耗高，因此，微波(bo)烧(shao)结(jie)(jie)氧(yang)(yang)化(hua)铝(lv)和氧(yang)(yang)化(hua)锆(gao)陶(tao)(tao)瓷(ci)工程制品(pin)的(de)研(yan)究(jiu)势在必(bi)行。但当(dang)前(qian)微波(bo)烧(shao)结(jie)(jie)陶(tao)(tao)瓷(ci)的(de)研(yan)究(jiu)大(da)多集(ji)中于小尺寸和简单(dan)结(jie)(jie)构(gou)的(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)样品(pin)，现有(you)陶(tao)(tao)瓷(ci)工程制品(pin)的(de)微波(bo)烧(shao)结(jie)(jie)，尤(you)其(qi)是大(da)型和异型陶(tao)(tao)瓷(ci)构(gou)件的(de)烧(shao)结(jie)(jie)，存(cun)在热场均匀性和整体加热等诸多难(nan)题(ti)。
各类陶瓷结(jie)构件(jian)
总结
尽管有(you)许多微波(bo)(bo)合成氧化(hua)物(wu)、碳(tan)化(hua)物(wu)、氮化(hua)物(wu)陶瓷(ci)(ci)粉体和微波(bo)(bo)烧结(jie)陶瓷(ci)(ci)复合材料(liao)的(de)报道，但仍(reng)然局限(xian)于微波(bo)(bo)制备陶瓷(ci)(ci)材料(liao)可行性的(de)研(yan)究阶段(duan)，缺乏对微波(bo)(bo)加热过(guo)程相关加热效应及(ji)其调控机制的(de)系统阐述(shu)，没有(you)规模化(hua)陶瓷(ci)(ci)制品的(de)应用基(ji)础。在实(shi)际(ji)工业生产中，微波(bo)(bo)烧结(jie)陶瓷(ci)(ci)制品仍(reng)是极小的(de)一部分，而粉体的(de)制备目前还未形成规模，微波(bo)(bo)烧结(jie)技(ji)术在陶瓷(ci)(ci)材料(liao)的(de)应用探(tan)索上，我们仍(reng)有(you)很长的(de)路要(yao)走。
参(can)考来源：
1.微波加热制(zhi)备特种(zhong)陶(tao)瓷材料(liao)研究进展，陈(chen)勇(yong)强、王怡雪、张(zhang)帆、李红霞(xia)、董宾宾、闵志宇、张(zhang)锐(rui)（无(wu)机材料(liao)学报）；
2.微波加热在陶瓷材(cai)料中(zhong)的(de)应用，彭金辉、何蔼平(ping)（稀(xi)有金属）；
3.基(ji)于辅(fu)热材料的微(wei)波(bo)烧结陶瓷刀具温度场研究(jiu)，郑立辉、程寓(yu)、汪家傲、王子祥(xiang)、殷增斌（中国(guo)陶瓷工(gong)业(ye)）。
粉体圈 小吉
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