陶瓷微波烧结的发展概况
２００４年第１１期! 第９５期" 佛山陶瓷３１
张玉珍王苏新
宜兴
! 江苏省陶瓷研究所有限公司２１４２２１
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１前言
陶瓷的传统烧结方法都是由燃料燃烧产生热能#通过热传导$对流$辐射等传入物体内部#使物体加热而达到烧结的目的%这种烧结方法#在热量由外向内的传递过程中#始终存在温差&传统烧结方法中燃料燃烧时不可避免地会产生废气污染%基于这些原因#促使人们不得不寻找另外的烧结方法%
微波是频率非常高的电磁波#微波烧结陶瓷的研究始于２０世纪７０年代中期%和常规烧结相比#它具有烧结温度低$时间短$能源利用率和加热效率高$安全卫生无污染等优点%近年来#美国$加拿大$日本$欧洲各国的许多单位开展了这项技术的研究#其他许多国家也都投入了大量的财力$人力用于研究和发展这项新技术%
微波加热是一种’整体性(加热#由于大多数陶瓷材料对微波具有很好的透过度#因此微波加热是均匀的%
根据材料与微波的相互作用#可以将微波场中的材料分为三类) 微波导体$微波绝缘体和微波吸收体%只有微波吸收体才能实现有效的微波烧结%
进材料的微波吸收特性和致密化程度%２．１．２微波等离子烧结
微波等离子烧结是通过微波使气体电离形成等离子体#然后等离子体加热生坯得到致密的陶瓷烧结体%
微波等离子烧结不受介质介电性能的影响#但大量等离子气体在常温常压下难以激励#负压等离子体又极易在高温下导致样品的大量挥发#这样使微波等离子体烧结存在很大的不足%
２．１．３微波－等离子分步烧结
基于以上两种烧结方法的缺点#中国科学院金属研究所采用微波－等离子体分步烧结法有效解决了上述难题#使微波能得到了充分的利用%
其具体工艺过程为) 首先#直接用微波的能量把陶瓷生坯加热到特定的温度#此后微波把气体激励成等离子体#然后等离子体继续加热陶瓷坯体到烧结温度#形成致密$均匀的烧结体%微波－等离子分步烧结将微波加热和微波等离子加热有机地结合在一起#保持了微波加热和微波等离子烧结的优点#克服了两者的缺点#原则上适用于各种陶瓷的烧结%
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陶瓷微波烧结的基础理论
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微波烧结陶瓷的试验成果
微波烧结可分为微波加热烧结$微波等离子烧结$微波－等离子分步烧结%２．１．１微波加热烧结
微波加热烧结是依靠微波场中介质材料的极化损耗来实现本体加热%这种加热方式的加热温度场均匀$热应力小#适宜于快速烧结&因微波电磁场作用促进物质扩散#加速烧结过程#可使陶瓷材料晶粒细化#有效抑制晶粒异常长大#提高材料显微结构的均匀性%
但微波加热烧结受材料微波吸收能力的强烈影响%在低温下#介质损耗低的物质对微波的能量几乎不吸收%为解决这一问题#材料研究工作者们采用了混合式加热烧结的方法#即在基体中添加介质损耗高的第二相以改
刘阳$胡晓力等人［４! ５］用微波合成了纳米ＴｉＣ粉体%研究结果表明#微波合成ＴｉＣ的温度远低于常规合成ＴｉＣ的温度%常规合成ＴｉＣ#要到１４００" 时才能合成出合成率达９８％的纳米级ＴｉＣ! 在流动气氛中"&而微波合成ＴｉＣ#只要控制在较小的ＣＯ气体压力条件下! ０．０３７８６ａｔｍ"#就可以在较低的温度下! 如１２００#" 合成出合成率达９８％的纳米级ＴｉＣ! 若延长合成时间#合成率可达９９％以上
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Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＣ复合材料具有高电导率$高硬度$高强度和
高断裂韧性等性能#这些优良的性能使之具有广泛的用途#特别是用作陶瓷刀具%Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＣ复合材料以硬质相ＴｉＣ颗粒弥散强化Ａｌ２Ｏ３陶瓷#使复合材料的性能得以提高
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３２ＦＯＳＨＡＮＣＥＲＡＭＩＣＳＶｏｌ．１４Ｎｏ．１１! ＳｅｒｉａｌＮｏ．９５"
Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＣ复合材料用无压烧结时! 其烧成温度范围
在１６７３! １８００" " 刘阳等人［５］进行了微波烧结Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＣ复合材料的研究" 他们将Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＣ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#! 烧成时间为９５ｍｉｎ! 保温时间为１５ｍｉｎ#常压烧结烧成温度分别为１８００$$１８５０%! 烧成时间均为６ｈ! 其中保温１ｈ" 实验过程中! 研究者们还分别引入了ＣａＯ$ＭｇＯ$Ｙ２Ｏ３等三种添加剂
以使材料的密度有所提高"
实验结果如下%
&１’在相同的烧成温度下&１８００&’!微波烧结试样的收缩率比常规烧结的要大"
&２’１８００’常规烧结的试样! 其晶粒粗大&约为１０(ｍ’!且结构疏松! 烧结性能差! 相应的抗弯强度低&１７９．１ＭＰａ’!相对密度也低（７７．８９％ＴＤ）#而１８００) 微波烧结的试样! 其晶粒明显要小! 结构也致密! 相应的抗弯强度大&２３６．５３ＭＰａ’!相对密度也有所提高"
&３’研究发现! Ｙ２Ｏ３对复合材料密度提高的作用最为有效
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羟基磷灰石是一种应用较广的医用移植材料" 为了提高羟基磷灰石的断裂韧性! 张志成等人［８］进行了纳米羟基磷灰石微波烧结的研究" 他们采用共沉淀法合成纳米羟基磷灰石粉末! 粉末的ＳＥＭ图像表明! 晶粒尺寸介于５０*１００+ｍ之间#粉末的ＸＲＤ也表明合成的粉末为纯的纳米结晶颗粒" 采用先在１０ＭＰａ下单向加压$然后在１５０ＭＰａ下冷等静压加压２０ｍｉｎ的方法压成圆片! 通过微波烧结固化! 试样分别于１１００, $１１５０-$１２００. $１２５０/$１３００0下烧结! 烧成时间均为３０ｍｉｎ" 烧结后压片试样的ＸＲＤ表明! 在这些温度下用微波烧结! 烧结速度快! 而且在烧结过程中试样没有分解! 而采用传统方法利用电炉烧结! 在低至１１００1下! 羟基磷灰石就会发生分解
" 国外从事耐火材料研究的科技工作者进行了锆刚玉耐火材料的微波合成" 他们利用电熔刚玉粉以微波加热方法获得了高强度材料
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国外从事耐火材料研究的科技工作者还进行了氧化铝／锆英石复合粉体微波烧结的研究" 他们使用微波炉将氧化铝／锆英石的均匀研磨浆料脱去水份! 粒化成易流动粉末" 冷等静压成型后在同样的微波炉中! 大约于１６００2下进行反应烧结! 得到氧化锆增韧莫来石制品" 锆英石分解$莫来石合成以及残留的ｔ－氧化锆都用ＸＲＤ研究并进行了证实! 结果发现材料显微结构是均匀的! 并且为细颗粒
" 中科院杨文等人［８］利用微波技术对Ｂａ０．６５Ｓｒ０．３５ＴｉＯ３陶瓷材料进行了研究"
他们采用溶胶－凝胶工艺制备了Ｂａ０．６５Ｓｒ０．３５ＴｉＯ３陶瓷
粉体! 然后使用微波烧结的方法在９００3处理０．５ｈ! 得到Ｂａ０．６５Ｓｒ０．３５ＴｉＯ３粉体" 将粉体压制成4１０ｍｍ5１０ｍｍ柱体! 随后使用微波烧结的方法在１３１０6烧结０．５ｈ! 升温速度为１５7／ｍｉｎ! 获得陶瓷样品"
他们还对样品的介电特性进行了分析! 并与传统制备工艺获得的粉体进行了性能比较" 结果表明! 采用溶胶－凝胶工艺和微波烧结工艺所得到的Ｂａ０．６５Ｓｒ０．３５ＴｉＯ３粉体颗粒尺寸在５０ｎｍ附近! 比传统制备的粉体低一个数量级#而且获得的陶瓷烧结体的晶粒尺寸也要比常规烧结低一个数量级! 约在１8ｍ以下#此外陶瓷烧结体内部具有丰富的尺寸小且分布均匀的气孔"
４结论
从以上的研究成果可以看出! 随着科技的发展! 人们正在尝试越来越新的烧结方法! 以改善陶瓷材料的机械性能$化学性能$光学性能$热学性能等"
在过去的２０年中! 材料研究工作者们已使用微波能进行了相关陶瓷工艺的许多研究工作! 如烘干$煅烧$反应烧结和快速烧结等#快速烧结和反应烧结在较低的温度下就可进行" 通过利用微波烧结方法已经获得了粒度小$致密化程度高的单一或者复合陶瓷材料" 该技术若能从实验室走入工厂! 必将广泛应用于大量的陶瓷材料" 已有的研究成果表明! 微波能可以成功地应用于烧结氧化铝$羟基磷灰石$反应烧结氮化硅$铅钛酸盐$锆酸盐以及其它一些电子陶瓷材料$粘土基陶瓷$分层离子交换器$9－赛隆陶瓷$:－赛隆陶瓷以及Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＣ和Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＣ晶须复合陶瓷
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１张锐! 符水龙! 卢红霞等．影响ＺＴＡ陶瓷微波烧结的主要工艺过程．无机材料学报［Ｊ］．２００１! １６&１’%１７８; １８１
２李江! 黄智勇! 宁金威等．陶瓷的微波烧结及进展．陶瓷工程［Ｊ］! ２００１!&８’%３５
３罗民华! 曾令可! 黄浪欢等．微波烧结技术应用于陶瓷行业的辩证思考．佛山陶瓷［Ｊ］．２００１!&１２’%４=８
４胡晓力! 刘阳! 尹虹等．微波合成ＴｉＣ的研究．中国陶瓷工业［Ｊ］! ２００２! ９!&１’%１２>１５
５刘阳! 曾令可! 胡晓力．微波合成纳米ＴｉＣ粉体的热力学研究．中国陶瓷工业［Ｊ］! ２００３! １０&３’%２０? ２３
６刘阳! 胡晓力! 张伟南等．微波烧结Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＣ复合材料．陶瓷学报［Ｊ］．２００２!&１’%３４@３７
７王大祥! 冯长根! 王丽琼．微波法制备蜂窝陶瓷涂层的实验研究．无机材料学报! ２００２!&７’%８９１A ８９４
８杨文! 常爱民! 庄建文! 杨邦朝．Ｂａ０．６５Ｓｒ０．３５ＴｉＯ３陶瓷材料的制备及介电特性研究．无机材料学报! ２００２! １７&４’%８２２B ８２５