陶瓷材料的微波烧结及研究进展.pdf
第29卷第3期2008年6月热处理技术与装备RECHUL IJ ISHU YU ZHUANGBEIVol.29,No.3Jun.,2008收稿日期:2008-02-28作者简介:艾云龙(1962-),男,教授,主要从事复合材料及热处理工艺研究。E-mail:基金项目:江西省教育厅科技项目(No.2007162)综 述 陶瓷材料的微波烧结及研究进展艾云龙,刘书红,刘长虹,罗军明,王圣明(南昌航空大学,江西 南昌 330063)摘 要:本文阐述了微波烧结的基本原理,介质与微波的耦合作用以及陶瓷材料的微波烧结特性和优点。对微波烧结陶瓷材料的研究现状和方向进行了总结。关键词:陶瓷;微波烧结;应用;进展中图分类号:TG148 文献标识码:A 文章编号:1673-4971(2008)03-0001-04Development andM icrowave Sintering of Ceram ic MaterialsA I Yun2long,L IU Shu2hong,L IU Chang2hong,LUO Jun2ming,WANG Sheng2ming(Nanchang Hangkong Universty,Nanchang Jiangxi 330063,China)Abstract:This paper introduces the fundmentals ofmicrowave sintering and the coupling effect ofmediumand microwave,aswell as the characteristics and excellences ofmicrowave sintering in ceramic materials.The latest research and aspect ofmicrowave sintering in ceramic materials are reviewed.Key words:ceramic;microwave sintering;applications;development0 引言微波是一种频率为0.3300 GHz的电磁波,50年代美国的Von Hippel在材料介质特性方面的开创性工作为微波烧结的应用奠定了基础1。材料的微波烧结始于20世纪60年代中期,Levinson和Tinga首先提出陶瓷材料的微波烧结;到70年代中期,法国的Badot和Bxrtcand及美国的Sutton等开始对微波烧结技术进行系统研究;80年代以后,各种高性能陶瓷和金属陶瓷材料得到广泛应用,相应的制备技术也成了人们关注的焦点27。美国Spheric技术公司指出使用微波烧结比传统烧结方法可节约能源80%,微波烧结的时间为传统烧结方法的十分之一,不仅明显节约费用还可提高产品质量。该公司开发的“Spheric/Syno-Ther m”微波烧结系统能生产具有细组织结构和接近理论密度的粉末冶金及陶瓷制品。和常规加热方式不同,微波加热是一种体加热,即材料吸收的微波能转化为材料内部分子的动能和热能,材料整体同时均匀加热。整个加热过程中,材料内部温度梯度很小或没有,因而材料内部应力可以减小到最小程度,这样即使升温速率很高也很少造成材料开裂。它具有烧结温度低,烧结时间短,能源利用率和加热效率高,安全卫生,无污染等优点811。1 微波烧结及陶瓷材料烧结特点1.1 微波烧结基本原理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,实现烧结和致密化。介质材料在微波电磁场的作用下会产生介质极化,如电子极化、原子极化、偶极子转向极化和界面极化等12。材料与微波的交互作用导致材料吸收微波能量而被加热,在单位时间内,材料吸收的微波能量即发热处理技术与装备第29卷热量可表示为:p=2fortgE2式中:f为微波频率,E为内电场幅值,rtg为介电损耗因子,o为材料的介电常数。1.2 陶瓷材料的微波烧结材料在微波场中可大致分为三种类型:(1)微波透明性材料:主要为低损耗绝缘材料(如大部分高分子材料及部分非金属材料),它可使微波部分反射和部分穿透,但很少吸收微波。此类材料可长期处于微波场中而不发热,可以用作加热体内的透波材料。(2)微波全反射型材料:主要为导电性能良好的金属材料。此类材料对微波的反射系数接近于1,可用作微波加热设备中的波导、微波腔体等。(3)微波吸收型材料:主要是一些介于金属和绝缘体之间的电介质材料。并非任何材料置于微波场中都能有效地微波烧结,只有微波吸收型材料才能取得良好的烧结效果。通常用损耗正切值(损耗因子与介电常数之比)来表示材料与微波的耦合能力,损耗正切值越大,材料与微波的耦合能力就越强。对于大多数的氧化物陶瓷,如氧化铝、二氧化硅等,它们在室温时对微波是透明的,几乎不吸收微波能量,只有达到某一临界温度后,它们的损耗正切值才变得很大。混合加热可以解决一些低损耗材料微波烧结的难题,分为主动型和被动型两类混合加热。主动型加热方式是将微波能和其他热源结合在一起的混合加热系统;被动型混合加热则着重于改变材料自身的介电性能。通常是在材料内部添加或在试样表面喷涂高损耗组分,以及在试样周围填充埋粉和设置保温层等,使欲烧结的陶瓷坯体的微波吸收能力增强,从而在室温下就能被迅速加热,达到快速烧成的目的13。2 陶瓷微波烧结的研究现状微波烧结技术问世至今一直受到发达国家政府、工业界、科学界的广泛重视,且应用领域也不断扩大。微波烧结通过电磁场直接对物体内部加热,而不像传统方法热能是通过物体表面间接传入物体内部,因而热效率很高。加之,烧结时间又短,可以大幅度的节能14。微波加热技术应用于陶瓷材料的烧结是一种理想的选择,各先进国家在陶瓷的微波烧结方面均开展了研究工作,并取得了不少有益的结果。1988年,武汉工业大学在我国率先开展了微波烧结技术研究,并被列为国家“863计划”。2.1 氧化物陶瓷国内外研究者至今几乎对所有的氧化物陶瓷材料进行了微波烧结研究15。较为成功的有Al2O3、Zr O2、ZnO、MgO、SiO2及其复合材料等。Cable16 在l9世纪60年代首先制备出了透明氧化铝陶瓷。用传统方法烧结出来的多晶陶瓷由于存在着晶界、第二相和气孔等结构而极大地影响了其光学性能。而在微波烧结中,获得了致密度高、晶粒结构均匀的多晶材料,使得由于气孔和晶界造成的对光线的散射大幅度降低,提高了多晶陶瓷的透光性,因此采用微波烧结的方法比常规烧结更容易制备出透明陶瓷17。微波烧结温度场均匀、热应力小,适宜于快速烧结,因而可使陶瓷材料晶粒细化18(见表1),提高了材料显微结构的均匀性。Zhang Jin2song等也用微波烧结制备出了平均颗粒直径为l020 nm的Zr O2(4%Y2O3,摩尔分数)。刘阳等人19 进行了微波烧结A12O3-TiC复合材料的研究。他们将A12O32TiC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95 min,保温时间15 min;常压烧结烧成温度分别为1800、1850,烧成时间均为6 h,其中保温1 h。表1 传统烧结和微波烧结得到的不同的晶粒尺寸Table 1 The different gram sizes gained by TS andMSmethod材料微波烧结/m常规烧结/mAl2O32.62.93.54.0Zr O2Al2O30.51.0Y2O3Zr O22.33.5ZnO5610 曲世明20 采用微波混合加热技术,成功地烧结成Zr O2、SiO2和Si3N4的样品,并得出结论:微波混合加热技术具有大幅度缩短烧结时间和节约电能的优点,推广和应用必将带来重大的经济效益。为了发展微波加热技术,应该配合开展材料介电性能的基础研究,特别是要研究介电损耗随温度改变的情况。李磊21 等采用微波烧结制备ZnO陶瓷,结果表明,微波烧结工艺不仅可显著提高ZnO压敏电阻的致密度,而且能够改善材料的微观结构和电性能。微波工艺的烧结周期仅是传统工艺的1/101/8。2000年以来,微波烧结结构陶瓷材料的研究更2第3期艾云龙等:陶瓷材料的微波烧结及研究进展趋于成熟,大部分研究都针对纳米结构陶瓷的微波烧结以获得更为出色的性能。美国宾州州立大学的研究者们用微波单模腔高温烧结了纳米晶的氧化镁、氧化铝、氮化铝和氮氧化铝透明陶瓷22-27。Ramesh Peelamedu等在对多晶透明氧化铝陶瓷进行1880微波高温处理后得到单晶的宝石级氧化铝,透光性提高20%。他们还利用微波和激光混合加热技术成功烧结了纳米氧化锆陶瓷。在实验条件下,晶粒和原料颗粒尺寸相近,几乎无晶粒生长26。俄罗斯科学院应用物理研究所的S.Egorove等28 用毫米波加热烧结了接近理论密度的氧化铝纳米陶瓷,晶粒尺寸8590 nm。2.2非氧化物陶瓷B4C、SiC、Si3N4、TiB2和AlN等是用微波成功烧结的非氧化物陶瓷材料。Yoon2chang Ki m等人28 使用高纯2Si3N4为原料,Al2O3、Y2O3为助烧剂,添加量质量分数12%(Al2O3:Y2O3=1:3),混合后以酒精为介质,用Al2O3球球磨24 h,干燥分散后,将粉先用300 Pa压力预压后用200 MPa等静压,压成24 mm12 mm的样品,45 GHz、6 kW微波炉常压氮气氛中1750 下烧结,升温速度25/min,作为对比的常规烧结采用同样的烧成制度,结果显示微波可以促进Si3N4的 相向 相转变的速度,提高密度。V.P.Paranosenkov等29 烧结了纳米Si3N4陶瓷,在相同密度下,强度比传统烧结样品提高25%30%。Ji2ping Cheng等30 微波烧结AlN透明陶瓷,烧结温度1850,保温时间30 min,可以得到透明度很高的烧结产品,与传统烧结相比,大大地缩短了加热时间,见表2。表2 微波烧结和常规烧结AlN透明陶瓷的比较Table 2 Comparison of transparent ceramic AlN sinteredbyMS and TS工艺性能微波烧结常规烧结烧结前晶粒尺寸/m1.51.4烧结温度/18501850气氛保护1 atmN2N2保温时间/min30420烧结后试样密度gcm-33.223.22透明度,%380M.Panneerselvam等人31 研究了MoSi22SiC的微波烧结,所得烧结试样密度是理论密度的96.4%,烧结时间仅需10 min。2.3 其他陶瓷材料田岛健一32研究了PZT陶瓷的微波烧结,2.45GHz微波烧结与常规电阻炉烧结PZT铁电陶瓷的效果对比如表3:表3 微波烧结与传统烧结的PZT陶瓷性能对比Table 3 Comparison of performance for PZT ceramicsintered by TS andMS工艺性能微波烧结传统烧结烧结条件/min96015960120相对密度,%98.998.7晶粒尺寸/um3.27.0介电常数 max2010020180击穿场强/kVmm-110.56.2抗弯强度/MPa8965 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33 进行了纳米羟基磷灰石微波烧结的研究。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1100下,羟基磷灰石就会发生分解。王卓薇等34 也对羟基磷灰石进行了微波烧结的研究,结果表明,微波烧结有利于HAP陶瓷坯体的致密化,可以实现低温快速烧结,并提高陶瓷的机械强度。樊旭东等35用微波烧结TZP陶瓷,烧结温度1500,时间2 h,保温15 min。样品密度达到理论密度的99.2%,室温抗弯强度1186MPa。断裂韧性14.7MPam12,略优于常规烧结样品,但时间大为缩短。3 陶瓷微波烧结技术的前景微波烧结技术距离工业化应用还有一定距离,但与常规烧结方式相比,微波烧结高速、节能、环保的优点预示着它将成为最有效的、最具有竞争力的新一代烧结技术。陶瓷微波烧结技术是一门新的烧结工艺,虽然几乎研究了所有的陶瓷材料,由于烧结材料的介质损耗过小或过大,能成功烧结的材料种类并不很多。对于介质损耗过低的材料,目前主要采取混合加热的方法。另外,可以应用有限元分析法对微波烧结过程进行计算机模拟,从而能对烧结工艺和加热机制进行更直观的分析和研究。陶瓷微波烧结的几个研究方向:(1)微波与材料的相互作用机理;3热处理技术与装备第29卷(2)微波烧结工艺研究,包括微波功率、频率、加热时间等对陶瓷烧结的影响,以及辅助加热装置的设计等;(3)材料本身的介电参数测定;(4)从烧结产品的孔隙率、晶粒尺寸、力学性能等方面把微波烧结与传统烧结进行比较。参考文献1 张兆镗,钟若青编译.微波加热技术基础M.北京:电子工业出版社,1988:1-4.2 刘平安,王慧等.陶瓷的微波烧结及研究现状J.中国陶瓷,2005,41(4):5-7.3 林伟,白新德,马文军等.微波在陶瓷加工中的应用与进展 J.清华大学学报:自然科学版,2002,42(5):696-700.4 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