范景蓮,黃伯云,劉軍,吳恩熙
(中南大學粉末冶金國家重點實驗室,湖南長沙,410083)
摘 要:介紹了微波馬弗爐微波燒結原理與特點以及微波燒結技術在金屬材料領域和精細陶瓷領域中的應用所取的研究成果。同時也指出了目前微波燒結存在的問題和有待進一步研究和應用的方
向。
微波燒結概念由Tinga 等人于20 世紀50 年代提出[1 ] ,但直至80 年代才受到重視。80 年代中后期微波燒結技術被引入到材料科學領域,逐漸發展成為一種新型的粉末冶金快速燒結技術[2 ] 。進入90 年代,該技術向著基礎研究、實用化和工業化發展,尤其在陶瓷材料領域成了研究熱點[3 ] 。目前,我國學者對微波燒結陶瓷的研究主要集中于結構陶瓷,而國外許多大學、研究機構及大公司同時開展了結構陶瓷和電子陶瓷等方面的微波燒結研究[4 - 6 ] 。與常規燒結相比,微波燒結具有燒結速度快、高效節能以及改善材料組織、提高材料性能等一系列優點。21 世紀隨著人們對納米材料研究的重視,該技術在制備納米塊體金屬材料和納米陶瓷方面具有很大的潛力[7 ] ,該技術被譽為“21 世紀新一代燒結技術”。
1 微波馬弗爐微波燒結設備的結構原理及特點
微波是一種高頻電磁波,其頻率范圍為013~300 GHz。但在微波燒結技術中使用的頻率主要為2145 GHz , Sutton 對該頻率波段的微波燒結進行詳細研究[4 ] 。目前也有28 GHz[8 ] 、60 GHz[9 ] 其至更高頻率的研究報道。微波燒結是利用微波電磁場中陶瓷材料的介質損耗使材料整體加熱至燒結溫度而實現燒結和致密化。在微波電磁場作用下,陶瓷材料會產生一系列的介質極化,如電子極化、原子極化、偶極子轉向極化和界面極化等。參加極化的微觀粒子種類不同,建立或消除極化的時間周期也不一樣。由于微波電磁場的頻率很高,使材料內部的介質極化過程無法跟隨外電場的變化,極化強度矢量P 總是滯后于電場E ,導致產生與電場同相的電流,從而構成材料內部的耗散,在微波波段,主要是偶極子極化和界面極化產生的吸收電流構成材料的介質耗散[10 ] 。在絕熱環境下,當忽略材料在加熱過程中的潛能(如反應熱、相變熱等) 變化時,單位體積材料在微波場作用下的升溫速率為:
d T/ d t = 2πfε0ε’E2/ Cpρ
式中f 為微波工作頻率;ε’為材料介電損耗;ε0 為空間介電常數; E 為微波電場強度; Cp 為材料熱容;ρ為材料密度。
上式給出了微波燒結陶瓷材料時微波爐功率與微波腔內場強的關系以及微波場強的大小對加熱速度的影響。微波燒結的功率決定了微波燒結場場強的大小,升溫速率與燒結場場強、材料熱容和材料密度密切相關。這對進行微波爐設計和進行試樣燒結時對實驗參數的設計提供了一個基本依據。
與常規燒結相比,微波燒結具有如下特點:
(1) 燒結溫度大幅度降低,與常規燒結相比,最大降溫幅度可達500 ℃左右。
(2) 比常規燒結節能70 %~90 % ,降低燒結能耗費用。由于微波燒結的時間大大縮短,尤其對一些陶瓷材料燒結過程從過去的幾天甚至幾周降低到用微波燒結的幾個小時甚至幾分鐘,大大得高了能源的利用效率。
(3) 安全無污染。微波燒結的快速燒結特點使得在燒結過程中作為燒結氣氛的氣體的使用量大大降低,這不僅降低了成本,也使燒結過程中廢氣、廢熱的排放量得到降低。
(4) 使用微波法快速升溫和致密化可以抑制晶粒組織長大,從而制備納米粉末、超細或納米塊體材料。以非晶硅和碳混合料為原料,采用微波燒結法可以制備粒度為20~30 nm 的β2SiC 粉末,而用普通方法時,制備的粉末粒度為50~450 nm。采用微波燒結制備的WC2Co 硬質合金,其晶粒粒度可降低到100 nm 左右[11 ] 。
(5) 燒結時間縮短,相對于傳統的輻射加熱過程致密化速度加快,微波燒結是依靠材料本身吸收微波能轉化為材料內部分子的動能和勢能,材料內外同時均勻加熱,這樣材料內部熱應力可以減少到最小,其次在微波電磁能作用下,材料內部分子或離子的動能增加,使燒結活化能降低,擴散系數提高,可以進行低溫快速燒結,使細粉來不及長大就被燒結。
(6) 能實現空間選擇性燒結。對于多相混合材料,由于不同材料的介電損耗不同,產生的耗散功率不同,熱效應也不同,可以利用這點來對復合材料進行選擇性燒結,研究新的材料產品和獲得更佳材料性能[12 - 13 ] 。
微波高溫爐 微波燒結可降低燒結活化能、增強擴散動力和擴散速率,從而實現迅速燒結。高純Al2O3 常規燒結的活化能為575 kJ / mol ,而在28 GHz 的微波場下對高純Al2O3 進行微波燒結所需的活化能為160kJ / mol ,當微波頻率進一步提高到82 GHz 時,所需活化能降低到100 kJ / mol 。與此同時,J anney[14 ]采用失蹤原子研究比較采用微波馬弗爐燒結和常規燒結在O18和Al2O3 單晶中的擴散速率,結果發現在微波場內部的O18的擴散速率遠大于在常規加熱試樣中的速率。在以上研究的基礎上,J anney 認為微波增強擴散機制與以下3 個因素有關: (1) 自由表面的影響; (2) 晶界與微波耦合的影響; (3) 晶體內部缺陷與微波耦合的影響。