微波燒結制備陶瓷材料的研究進展

孫振華 郝 斌

(唐山學院環境與化學工程系 河北唐山 063000)

微波燒結制備陶瓷材料的研究進展

孫振華 郝 斌

(唐山學院環境與化學工程系 河北唐山 063000)

微波燒結是一種新型的利用微波加熱來對材料進行燒結的方法,它是一種快速制備高質量新型材料和使傳統材料具有新的性能的技術手段。簡要介紹了微波燒結的發展史、基本原理、制備陶瓷材料的研究進展、微波燒結技術存在的一些問題,并對微波燒結技術的前景進行了展望。

微波燒結 陶瓷材料 研究進展

前言

微波燒結是一種利用微波加熱對材料進行燒結的方法,材料的微波燒結開始于20世紀60年代中期。W R Tinga[1]首先提出了陶瓷材料的微波燒結;到20世紀70年代中期,法國的Badot和Berteand[2]開始對微波燒結技術進行系統研究。微波燒結以其特有的節能和省時的優點,得到美國、日本、加拿大、英國、德國等發達國家的政府、工業界和學術界的廣泛重視。我國也于1988年將其納入“863計劃”。在此期間,主要探索和研究了微波理論,微波燒結裝置系統優化設計和材料燒結工藝,材料介電參數測試,材料與微波交互作用機制以及電磁場和溫度場計算機數值模擬等,研究了許多不同類型的材料。在國外,微波燒結已進入產業化階段,我國在燒結爐的應用方面也應加大研究力度。

1 微波燒結的工作原理

微波燒結的原理與常規燒結工藝有本質的區別[3～5],常規燒結時熱量是通過介質由表面向里擴散,而微波燒結則利用了微波的加熱特性,及材料吸熱的微波能被轉化為材料內部分子的動能和勢能,使材料整體均勻加熱,因此其加熱和燒結速度非常快。由于材料整體內外同時均勻受熱,使試樣內部的溫度梯度很小,從而可使材料內部熱應力減至最小,這對于制備超細晶粒結構的高密度,高強度,高韌性材料非常有利。由于材料可內外均勻地整體吸收微波能并被加熱,使得處于微波場中的被燒結物內部的熱梯度和熱流方向與常規燒結時完全不同,因此可實現有選擇的燒結,從而制備出具有新型微觀結構和優良性能的材料。

因為微波對物體幾乎可以形成即時加熱[6],實現材料較大體積區域中的零梯度均勻加熱。可以大大降低燒結溫度和燒結時間,顯著提高產品的生產效率,降低了生產周期;微波能可被材料直接吸收,如果燒結爐保溫系統設計得好,幾乎沒有熱量損失,能量利用率很高,比常規燒結節能80%左右;由于燒結時間短,燒結過程中消耗的保護氣體用量大大降低,減少了不必要的污染。

2 微波燒結陶瓷材料的研究進展

2.1 微波燒結AlN陶瓷的研究

利用微波燒結AlN陶瓷,雖然在節能省時方面效果顯著,但是微波燒成環境對AlN燒成影響比較復雜。湖南大學材料科學與工程學院的曾小峰等[7]在微波燒成環境對AlN陶瓷的燒成影響方面做了研究。研究表明,燒成環境中碳熱還原氣氛能極大地加快AlN陶瓷的致密化速率,但容易在AlN陶瓷晶界相內部產生氣孔,使AlN熱導率降低。通過構造適當的微波燒成環境,在1 720℃保溫120min,快速燒結并獲得了致密的AlN陶瓷。與傳統燒結相比,AlN陶瓷的微波燒結效率高,節能優勢明顯,在微波燒結AlN陶瓷的過程中,微波的非熱效應顯著。在微波燒結環境中,碳熱還原氣氛在AlN陶瓷致密過程中作用明顯,它一方面極大地促進了燒結,另一方面易在燒結體晶界相內產生氣孔而使AlN陶瓷的熱導率降低。

2.2 微波燒結納米金屬陶瓷的研究

陶瓷燒結過程中不可避免地伴有晶粒長大,所以如何控制納米顆粒在燒結過程中的長大,使其保持原有特性是納米塊體陶瓷材料制備面臨的一個難題,而微波燒結技術很好地克服了這一點。晉勇等[8]采用微波燒結新技術研究了納米金屬陶瓷材料的燒結工藝與性能。結果表明,微波燒結Al2O3-TiC-Mo-Ni納米金屬陶瓷在1 500℃保溫10min,可達到99.9%的相對密度,使燒結溫度降低,燒結時間大幅度縮短,且燒結前后晶粒粒徑分別為35㎜和55㎜,變化很小。微波燒結金屬陶瓷前后晶粒粒徑變化很小,燒結體均勻、致密,這對于制備納米材料提供了重要的工藝手段。

2.3 微波燒結在納米牙科全瓷的研究

盧冬梅等[9]采用微波技術研究了納米牙科全瓷材料的燒結工藝與性能。結果表明,微波燒結高純α-Al2O3全瓷在1 600℃的保溫10min,可達到99.0%的相對密度;與傳統燒結相比,其燒結溫度降低,燒結時間大幅度縮短,燒結前后晶粒尺寸變化很小。與設計的助熱保溫結構相結合,可成功地對Al2O3全瓷進行燒結,由此建立的加熱系統加熱效率高,結構簡單,操作方便。微波燒結全瓷材料的晶粒度尺寸在燒結前后變化很小,燒結體均勻、致密,這為高性能牙科全瓷材料,特別是對納米牙科陶瓷材料的研制提供了重要的工藝手段。

2.4 微波燒結在生物陶瓷的研究

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。但HAP材料的力學性能較差,限制了其在人體承重部位的應用。因此,增強HAP材料的力學性能是生物材料領域研究的重點課題。吳娜等[10]采用沉淀法合成羥基磷灰石粉體,將R2O-Al2O3-B2O3-SiO3體系玻璃粉按一定比例與HAP粉混合,采用等靜壓成形及微波燒成兩種成形方法對羥基磷灰石-玻璃復合粉體成形,分別在1 150℃、1200℃、1 250℃下微波燒結。實驗表明,采用微波燒結有利于樣品的快速致密化,用微波燒結的樣品的收縮率明顯比用普通燒結法在相同溫度下燒結的樣品收縮率小。微波燒結是有效的生物陶瓷材料的燒成方法,收縮率、密度和SEM觀察結果表明,采用等靜壓成形和微波燒結HAP-G陶瓷可以實現快速燒結和致密化。

3 存在的問題

微波燒結設備是阻礙微波燒結技術工業化的一個很重要的因素,對微波燒結機理的充分認識有助于解決這一問題。目前微波作為工業化應用還存在一些問題尚待解決,如更大的均勻微波場的獲得,低介電損耗材料在室溫至臨界溫度點之間的加熱,材料微波參數的獲得,微波在原料內部的穿透能力,原料加熱深度等問題。微波管在不同爐內襯材質中的使用壽命,多組微波管在大規模生產中耦合等問題也值得我們作進一步研究。此外,阻礙該技術實用化的困難還有:燒結材料種類的局限性,加熱過程熱失控,溫度難以準確測量和控制,燒結件開裂,燒結產量低等[11]。

4 微波燒結制備陶瓷技術的前景

微波燒結技術發展了幾十年,雖然還有許多不成熟、不完善的地方,但它具有常規技術無法比擬的優點,預示了它廣闊的發展前景。作為一種省時、節能、節省勞動力、無污染的技術,微波燒結能滿足當今節約能源,保護環境的要求,它所具有的活化燒結的特點有利于獲得優良的顯微組織,從而提高材料性能,微波與材料耦合的特點,決定了用微波可進行原則性加熱,從而能制得具有特殊組織結構的材料,如梯度功能材料。微波燒結依靠材料本身吸收微波能并轉化為材料內部分子的動能和勢能,使材料內外同時均勻加熱,因此材料內部形成的熱應力極小。它使燒結活化能降低,擴散系數提高,可實現低溫快速燒結,使微粉晶粒來不及長大就已經完成燒結[12～14],所以微波加熱燒結將是制備高強度、高硬度、高韌性納米陶瓷材料的有效手段。總之,微波燒結將會成為最有效、最具有競爭力的新一代燒結技術。

1 TingaW R,VossW A G.Microwavepower Engineering.New York:Academic Press,1968

2 Berteaud A J,Badet JC.High temperaturemicrowave heating in refractorymaterials.Microwave Power,1976(11):315～320

3 Sutton W H.Microwave processing of ceramic materials.American Ceramic Society Bulletion,1989,68(2):376～386

4 張光堂,鐘若青.微波加熱技術基礎.北京:北京電子工業出版社,1988

5 吳蘇,鹿安理.陶瓷材料的微波燒結機理探討.航空材料學報,1996,16(4):24～29

6 吳紅,史洪剛,馮宏偉,等.微波燒結技術的研究進展.兵器材料科學與工程,2004,27(4):59～61

7 曾小峰,彭虎,錢端芬,等.微波燒結AlN陶瓷的初步研究.硅酸鹽通報,2005(3):29～32

8 晉勇,薛屺,湯小文,等.納米金屬陶瓷材料的微波燒結工藝研究.機械工程材料,2004,28(12):49～51

9 盧冬梅,萬乾炳,晉勇.牙科全瓷材料的微波燒結研究.四川大學學報,2003,40(6):1 114～1 118

10 吳娜,王志強,李長敏,等.羥基磷灰石-玻璃復合陶瓷的微波燒結.硅酸鹽通報,2006,25(4):54～58

11 張勁松.微波燒結關鍵技術的進展.材料通報,1994(2):34～37

12 Rodiger K,Dreyer K,Gerdes T,et al.Microwave sintering of hardmetal.International Journal of Refractory,Metals and Hard Materials,1998,16(4～6):409～416

13 Cheng J P,Agrawal D,Zhang Y H,et al.Fabricating transparent ceramic by microwave sintering.American Ceramic Society Bullite,2000,79(9):71-74

14 Fang Y,Roy R,Agrawal D,et al.Transparentmullite ceramics from disphasic aerogels bymicrowave and conventional processing.Materials Letters,1996,28(1～3):11～15

The Research Development of Prepararing Ceram ic Material by M icrowave Sintering

Sun Zhenhua,Hao Bin(The Departmentof Environmental and Chemical Engineering,Tangshan College,Hebei,Tangshan,063000)

Themicrowave agglutination isa new usemicrowave heating carrieson the agglutination to thematerial themethod,it isa prepares the high quality new material quickly and enables the traditionalmaterial to have the new performance technologicalmeans.Thisarticle introduced themicrowave agglutination history,the basic principle,the preparation ceramicmaterial research development,some questionsof microwave agglutination technology and themicrowave agglutination technology prospect briefly and so on.

Microwave agglutination;Ceramicmaterial;Research development