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1、第14卷第1期粉末冶金工业Vol.14No.12004年2月POWDERMETALLURGYINDUSTRYFeb.2004微波烧结原理与研究现状范景莲,黄伯云,刘军,吴恩熙(中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙,410083)摘要:介绍了微波烧结原理与特点以及微波烧结技术在金属材料领域和精细陶瓷领域中的应用所取的研究成果。同时也指出了目前微波烧结存在的问题和有待进一步研究和应用的方向。关键词:微波烧结;原理;设备中图分类号:TF12415文献标识码:A文章编号:1006-6543(2004)0
2、1-0029-05PRINCIPLESANDSTATUSOFMICROWAVESINTERINGFANJing2lian,HUANGBai2yun,LIUJun,WUEn2xi(NationalKeyLaboratoryforPowderMetallurgy,CentralSouthUniversity,Changsha,410083,China)Abstract:Theprinciplesanduseofmicrowavesinteringinmetallurgyandceramicsindast
3、ryareintroduced.Theexistingproblemstobesoluedarepointedout.Keywords:microwavesintering;principle;equipment微波烧结概念由Tinga等人于20世纪50年代300GHz。但在微波烧结技术中使用的频率主要为[1]提出,但直至80年代才受到重视。80年代中后2145GHz,Sutton对该频率波段的微波烧结进行详[4][8][9]期微波烧结技术被引入到材料科学领域,逐渐发展细研究。目前也有28GHz、6
4、0GHz其至更[2]成为一种新型的粉末冶金快速烧结技术。进入高频率的研究报道。微波烧结是利用微波电磁场中90年代,该技术向着基础研究、实用化和工业化发陶瓷材料的介质损耗使材料整体加热至烧结温度而[3]展,尤其在陶瓷材料领域成了研究热点。目前,实现烧结和致密化。在微波电磁场作用下,陶瓷材我国学者对微波烧结陶瓷的研究主要集中于结构陶料会产生一系列的介质极化,如电子极化、原子极瓷,而国外许多大学、研究机构及大公司同时开展了化、偶极子转向极化和界面极化等。参加极化的微[4-6]结构陶瓷和电子陶瓷等方面的微波
5、烧结研究。观粒子种类不同,建立或消除极化的时间周期也不与常规烧结相比,微波烧结具有烧结速度快、高效节一样。由于微波电磁场的频率很高,使材料内部的能以及改善材料组织、提高材料性能等一系列优点。介质极化过程无法跟随外电场的变化,极化强度矢21世纪随着人们对纳米材料研究的重视,该技术在量P总是滞后于电场E,导致产生与电场同相的电制备纳米块体金属材料和纳米陶瓷方面具有很大的流,从而构成材料内部的耗散,在微波波段,主要是[7]潜力,该技术被誉为“21世纪新一代烧结技术”。偶极子极化和界面极化产生的吸收电流构成
6、材料的[10]介质耗散。在绝热环境下,当忽略材料在加热过1微波烧结设备的结构原理及特点程中的潜能(如反应热、相变热等)变化时,单位体积材料在微波场作用下的升温速率为:2微波是一种高频电磁波,其频率范围为013～dT/dt=2πfε0ε’E/Cpρ基金项目:湖南省纳米研究中心资助和国家“863”国际合作重大项目资助。作者简介:范景莲,女,35岁,教授,主要从事纳米超细材料的研究制备及钨基合金超细粉末的注射成形。在国内外知名刊物和国际学术会议发表相关文章近60篇,其中被SCI、EI检索20余篇。·30·
7、粉末冶金工业第14卷式中f为微波工作频率;ε’为材料介电损耗;ε0为对高纯Al2O3进行微波烧结所需的活化能为160空间介电常数;E为微波电场强度;Cp为材料热容;kJ/mol,当微波频率进一步提高到82GHz时,所需[14]ρ为材料密度。活化能降低到100kJ/mol。与此同时,Janney采上式给出了微波烧结陶瓷材料时微波炉功率与用失踪原子研究比较采用微波烧结和常规烧结在18微波腔内场强的关系以及微波场强的大小对加热速O和Al2O3单晶中的扩散速率,结果发现在微波场度的影响。微波烧结的功率决定了
8、微波烧结场场强18内部的O的扩散速率远大于在常规加热试样中的的大小,升温速率与烧结场场强、材料热容和材料密速率。在以上研究的基础上,Janney认为微波增强度密切相关。这对进行微波炉设计和进行试样烧结扩散机制与以下3个因素有关:(1)自由表面的影时对实验参数的设计提供了一个基本依据。响;(2)晶界与微波耦合的影响;(3)晶体内部缺陷与与常规烧结相比,微波烧结具有如下特点:微波耦合的影响。(1)烧结温度大幅度降低,与常规烧结相比,最大降温幅度可达500℃左右。2微波烧结
