陶瓷非常规烧结新技术--微波烧结工艺

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陶瓷原料的加工过程决定了陶瓷的最终的微观结构和性能，先进陶瓷通常是利用加工好的粉体，通过高温工艺进行致密化，传统的加工工艺包括热等静压、模铸和传统窑炉烧结等。与金属和聚合物相比，由于陶瓷需要很高的加工温度，且烧结时间长，因此这些工艺往往会消耗大量能源，并给制造商带来很高的生产成本。因此，为了减少能源消耗，科学家开发出了很多非常规烧结新技术，今天我们介绍的微波烧结技术就是其中的典型代表。微波烧结技术不仅能保持甚至能改善所得陶瓷材料的特性，这项新颖创新的技术旨在帮助生产企业降低生产成本，同时减少对环境的影响。

像氧化锆（Y-TZP），氧化铝，碳化硅这类陶瓷粉体，为了使材料完全致密化，需要高温工艺来烧结。一般认为的烧结机理是在低于材料熔点的温度下，将粉末压制成的“生坯”成型体置于高温中时，传质机理的热活化，从而获得具有与理论上完全致密且耐久的物体。

已知的烧结过程分为两个主要阶段：致密化和晶粒长大。优化烧结机制的主要目的是获得接近理论值的相对密度，同时保持受控但有限的晶粒生长，并且通过减少烧结时间来降低能耗。微波烧结可以利用电磁辐射提供足够高的温度以使材料完全致密化，从而减少处理时间和能耗。

自1960年以来，微波一直用于加热目的，尤其是用于食品。在工业上，微波能的使用也变得越来越重要，如，目前微波能已用于木材干燥，树脂固化和聚合物合成中。微波加热的应用现已扩展到材料科学，除了用于粉末合成外，还被应用于瓷坯干燥，粉末煅烧和微波等离子体分解气体等。在过去的25年中，对微波引起的介电加热的研究最早开始于化学合成和材料加工领域，例如超导体的反应烧结、磁阻、纳米材料的生产、玻璃相的形成、沸石的水热生成还包括陶瓷烧结等。

微波烧结是一种相对较新的陶瓷加工技术，由于涉及的传热机制与传统的烧结方法有很大的不同，因此，微波烧结被归类为非常规烧结技术。非常规烧结技术最重要的优点就是较低的能量消耗和生产成本，减少了处理时间，较高的加热速率，并且，在某些情况下，甚至能改善烧结体的物理性能。

首次微波能烧结研究是在一种黑色陶瓷（基于碳化钨的化合物）上进行的。利用常规方法烧结这些材料有两个主要问题，需要极高的温度（一般要> 1500°C）和长时间保温，这会导致烧结体晶粒粗化。1991年，J.P.Cheng首次展示了可以通过微波加热技术烧结WC/Co体系。在他的工作中，研究了一种钴百分含量为6-12 mol的市售碳化钨粉末，与传统方法相比，通过1250至1320°C的烧结温度和仅10-30分钟的保温时间，就能使制品的机械性能得到显著改善，相对密度值接近理论值，且可观察到精细而均匀的微观结构，而不需要使用晶粒长大抑制剂，同时，材料表现出更高的抗腐蚀和抗腐蚀能力。

用微波窑炉在1700°C下烧结的MgO掺杂氧化铝陶瓷，能够获得理论值99.9％的相对密度和平均1.9μm的晶粒尺寸。微波烧结后，在1400°C的温度下处理100分钟，就能够使晶粒尺寸为5至50μm的α-氧化铝实现99％的致密化。此外，还可以通过微波工艺在较低的烧结温度和较短的时间获得透明的氧化铝陶瓷。

纳米氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）通过微波烧结进行处理，可以提高微观结构和机械性能。通过电辅助加热的应用，在低于常规烧结200℃的温度下，即可获得密度接近理论值的烧结材料。在过去的五年中，微波烧结的研究还集中在陶瓷复合材料的加工上，以改善其功能和结构性能，并将其应用扩展到几个工业领域。而且，当前微波窑炉的设计和优化也已经是重要的研究课题。

当前，各机构都在探索和研究创新的烧结方法，以减少能耗和生产成本，以及通过优化烧结机制以改善烧结材料的微观结构和机械性能。微波在材料加工中的潜力已在几十年前被发现，但是，由于对微波能量的了解有限，目前仍主要限用于少数几种材料，此外，微波在通信领域的巨大成功也使它在其他领域的应用黯然失色。在过去的65年中，材料的微波处理由于其相对于常规技术的潜在优势而受到人们的关注，总体而言，微波用于结构陶瓷材料的烧结是非常好的选择。

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德化陶瓷产业创新发展研究院