微波烧结原理与应用
微波烧结在陶瓷中的应用
微波烧结在陶瓷中的应用汪宏显【摘要】Microwave sintering method as a new sintering technology is very different from traditional sintering methods. The principle and characteristics of the microwave sintering technology were firstly introduced, secondly research status of the microwave sintering technology was summarized, and then application of the microwave sintering technology in ceramic material production was introduced, finally development trend of the microwave sintering technology was prospected.%微波烧结法作为一种全新的烧结技术与传统的烧结方法有着很大的不同。
介绍了微波烧结的原理及特点，全面综述了微波烧结工艺的研究现状，介绍了微波烧结技术在陶瓷材料的应用，最后展望了微波烧结技术的前景。
【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2014(000)012【总页数】3页(P2624-2626)【关键词】微波烧结;陶瓷;应用【作者】汪宏显【作者单位】清华大学深圳研究生院，广东深圳 518000【正文语种】中文【中图分类】TQ174微波烧结是指利用微波加热技术对材料进行烧结的一种方法，采用微波技术烧结材料开始于上世纪60年代。
w R Ting等[1]在1968年首先提出微波烧结应用于陶瓷材料，上世界70年代，Badot等[2]开始对陶瓷材料的微波烧结技术进行系统研究。
粉末冶金新技术-烧结
用SPS制取块状纳米晶Fe90Zr7B3软磁的过程是: 先将由非 晶薄带经球磨制成的50～150μｍ非晶粉末装入WC/Co合金 模具内,并在SPS烧结机上烧结(真空度1×10-2Pa以下、升温 速度0.09~1.7K/s、温度673～873Ｋ、压力590MPa), 再把所 得的烧结体在1×10-2Pa真空下、以3 7K/s速度加热到923Ｋ、 保温后而制成。材料显示较好的磁性能：最大磁导率29800、 100Ｈｚ下的动态磁导率3430, 矫顽力12Ａ/ｍ。
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双频微波烧结炉 生产用大型微波烧结炉 已烧结成多种材料：如陶瓷和铁氧体等材料。另 外，在日本又开发出相似的毫米波烧结技术，并成功 地在2023K下保温1h烧结成全致密的AlN材料。
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2.爆炸压制技术 爆炸压制又称冲击波压制是一种有前途的工艺
方法,它在粉末冶金中发挥了很重要的作用, 爆炸压 制时,只是在颗粒的表面产生瞬时的高温,作用时间 短,升温和降温速度极快。适当控制爆炸参数,使得 压制的材料密度可以达到理论密度的90%以上,甚至 达到99%。
3）快速脉冲电流的加入, 无论是粉末内的放电部位还是焦耳 发热部位, 都会快速移动, 使粉末的烧结能够均匀化。
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与传统的粉末冶金工艺相比，SPS工艺的特点是：
• 粉末原料广泛：各种金属、非金届、合金粉末，特别是 活性大的各种粒度粉末都可以用作SPS 烧结原科。
• 成形压力低：SPS烛结时经充分微放电处理，烧结粉末表 面处于向度活性化状态．为此，其成形压力只需要冷压烧 结的l/10~1/20。
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SPS制备软磁材料 通常用急冷或喷射方法可得到FeMe(Nb、Zr、Hf)Ｂ的非 晶合金,在稍高于晶化温度处理后, 可得到晶粒数10ｎｍ，具有 体心立方结构，高Bs 、磁损小的纳米晶材料。但非晶合金目 前只能是带材或粉末, 制作成品还需要将带材重叠和用树脂固 结, 这使得成品的密度和Bs均变低。近年, 日本采用SPS工艺研 究FeMeＢ块材的成形条件及磁性能。
最新微波烧结在粉末冶PPT课件
明，微波烧结可在较短时间内对粉末样品实现烧结致密化。微波
烧结样品具有独特孔隙分布规律，样品横截面中心处孔隙率比横
截面边缘处的小，并且微波烧结样品孔隙比常规烧结细小。
•
中南大学罗述东等人研究了微波烧结W-Cu合金的工艺与性
能，得到了致密度高，烧结性能更好的钨铜合金材料。
•
A.Nadjafi，Maryam，Negari等人研究了微波烧结Fe-Cu合
• 陶瓷材料主要是介质损耗使微波能转化为热能。
•
因为有很强的耦合能力常作为助燃剂。在电
磁场中，根据趋肤效应，微波对金属材料的穿透
深度极小，仅为微米级，因而金属内部不存在自
由电荷，不具备能量转化的条件，因此微波不能
与块体金属耦合。但由于构成压坯的颗粒粒度通
常为微米级或纳米级，其尺寸可与微波对金属的
穿透深度相比，因此金属粉体具有较强的吸波能
力，能够被加热至很高温度。
•
涡流损耗是金属粉末压坯微波烧结的主要热
能来源。
微波烧结的国内外发展状况
•
微波烧结技术的发展经历大致分为3个阶段：
70年代中期到80年代早期进入初步研究实验阶段，
主要是一些容易吸收微波而烧结温度又较低的陶
瓷材料。
• 80年代中期到90年代中期进入研究发展期，美国、 加拿大、德国等各国投入了大量的财力、人力研 究和发展微波烧结技术，这个期间，主要研究了
型试样的材料。多模腔可以扩大均匀场区，烧结大尺寸、高损耗的材
料，工业化微波烧结采用多模腔微波烧结炉。
• 3.2保温材料与辅助加热材料
•
保温材料和辅助加热材料的选择以及保温结构设计对于加快样品
升温速率、保证成功烧结起关键作用。
•
微波烧结机理
rs n rs0 n kt
式中，rs为在时间t时的晶粒平均半径，为在时间为0时的晶粒平均 半径，k为晶粒生长速率常数。半径（或晶料尺寸）指数n取决于晶粒生 长机理；n＝3和n＝2分别为扩散控制相界面反应控制。
5 特色烧结方法
１）热压烧结 ２）热等静压 ３）放电等离子体烧结 ４）微波烧结 ５）反应烧结 ６）爆炸烧结
三、气孔排除
在烧结中期，相互连续的气孔通道开始收缩，形成封闭的气孔， 根据材料体系的不同，密度范围从0.9至0.95。实际上，LPS烧结比SSS 烧结可以在较低的密度发生这种气孔封闭。气孔封闭后，LPS烧结进 入最后阶段。封闭气孔通常包含来源于烧结气氛和液态蒸汽的气体物 质。
4.3 晶粒生长和粗化
晶格扩散： 晶界扩散：
d 1 DlVm P*
dt t RTa 2
d Db bVm P*
dt
RTa 3
5.5.2 热等静压
热等静压工艺（Hot Isostatic Pressing，简写为HIP）是将粉末压坯或装 入包套的粉料装入高压容器中，使粉料经受高温和均衡压力的作用，被烧 结成致密件。
其基本原理是：以气体作为压力介质，使材料（粉料、坯体或烧结体） 在加热过程中经受各向均衡的压力，借助高温和高压的共同作用促进材料 的致密化。
2 烧结参数及其对烧结性影响
2.1 烧结类型
Tm A
液相烧结
Tm B
（Liquid phase intering）
T3
T2
T1
固相烧结
（Solid state sintering）
烧结过程示意相图
(a)固相烧结(Al2O3)和(b)液相烧结样品 (98W-1Ni-1F2(wt%))的显微结构
微波烧结陶瓷原理
微波烧结陶瓷原理宝子们！今天咱们来唠唠微波烧结陶瓷这个超有趣的事儿。
咱先得知道陶瓷是啥，陶瓷啊，就是那些个土土的材料经过各种加工变得超级硬、超级漂亮的东西。
那微波烧结陶瓷呢，就像是给陶瓷来一场超级酷炫的变身之旅。
微波这玩意儿啊，就像一个个小小的魔法精灵，到处乱窜。
当我们把陶瓷放进微波环境里的时候，这些魔法精灵就开始和陶瓷材料互动起来啦。
陶瓷材料里面呢，有好多不同的粒子啊，分子啊啥的。
微波这个小机灵鬼，它的能量就被陶瓷里的一些带电粒子或者偶极子给捕捉到了。
你想啊，就像一群小蚂蚁发现了一块大糖果一样，那些陶瓷里的小粒子发现了微波带来的能量，可兴奋了呢。
这些粒子吸收了微波的能量之后，就开始变得躁动不安啦。
它们开始在自己的小位置上晃悠得更厉害，就像小朋友吃了太多糖开始在屋子里跑来跑去一样。
然后呢，这种躁动就带来了热量。
可不是那种慢慢悠悠的热量哦，是一下子就热起来的那种。
因为微波能让陶瓷里的粒子们同时都活跃起来，就像大家一起开派对，一下子就把气氛搞热乎了。
这种热量可不得了，它让陶瓷材料开始烧结起来。
烧结是啥呢？就像是把陶瓷材料里的小颗粒们紧紧地黏在一起。
本来那些小颗粒们就像一盘散沙，各玩各的，现在呢，在微波带来的热量作用下，它们就开始手拉手，紧紧抱成一团啦。
而且啊，因为微波加热是从陶瓷内部开始的，不像传统加热是从外面慢慢往里热，这就像是从内而外给陶瓷做了个全面的改造呢。
在这个过程中啊，陶瓷的结构也发生了很大的变化。
那些原本松散的结构变得越来越致密。
就像把一个松松垮垮的棉花糖捏成了一个紧实的小团子一样。
而且啊，微波烧结还有个好处呢，它能够让陶瓷的性能变得更好。
比如说啊，陶瓷可能会变得更坚硬，更耐磨。
这就好比一个人本来身体有点弱，经过一场特殊的训练之后，变得强壮又健康啦。
不过呢，微波烧结陶瓷也不是那么简单的事儿。
它就像一场精心编排的舞蹈，每个环节都得恰到好处。
微波的功率啊，烧结的时间啊，这些都得控制好。
要是微波功率太大了，就像你给小朋友喂饭喂得太快太多了，陶瓷可能会受不了，就出现一些缺陷啦。
微波烧结_精品文档
微波烧结引言微波烧结是一种使用微波辐射作为能量源的新型材料加工技术。
与传统的烧结方法相比，微波烧结具有许多优势，如加热速度快、能耗低、能量高效利用等。
本文将介绍微波烧结的原理、工艺以及应用领域。
一、微波烧结的原理微波烧结是利用微波辐射对材料进行加热，通过材料内部的电磁波-热耦合效应，将能量转化为热能，使材料粒子间的结合力增强，形成致密结构。
微波烧结主要通过分子极化和离子共振两种机制进行加热。
在微波场的作用下，材料内部分子会发生高频振动，产生热能，从而实现烧结。
二、微波烧结的工艺1. 原料准备微波烧结的首要工作是选择适合的原料，通常要求原料具有良好的分散性和可烧结性。
原料可以采用粉末、颗粒或纳米材料形式。
在原料准备过程中，还需要进行化学处理、分级和筛选等工序。
2. 模具制备选择适当的模具对于微波烧结过程至关重要。
通常采用石墨、硅酸盐等材料制作模具，要求具有良好的导热性和耐高温性能。
模具的形状和尺寸要与最终产品相匹配。
3. 加热过程控制微波烧结过程中，加热的控制对于获得理想的烧结效果非常重要。
加热的主要参数包括微波功率、加热时间和温度。
通过调节这些参数，可以控制材料的烧结速度、颗粒大小和物理性能。
4. 冷却和后处理烧结完成后，需要进行冷却和后处理工序。
冷却过程可以采用自然冷却或水冷却的方法。
后处理工序包括除去模具、清洗和表面处理等。
三、微波烧结的优势和应用1. 优势微波烧结相比传统烧结方法具有以下优势：（1）加热速度快：微波烧结能够在短时间内完成加热过程，加快生产效率。
（2）能耗低：微波烧结过程中能量可以高效利用，减少能源消耗。
（3）产品质量好：微波烧结可以获得致密、均匀的结构，提高产品的物理性能。
（4）适应性强：微波烧结适用于多种材料，如金属、陶瓷、复合材料等。
2. 应用领域微波烧结在材料加工领域具有广泛的应用前景，主要应用于以下领域：（1）陶瓷制品：微波烧结可以制备高强度、高硬度的陶瓷制品，广泛应用于航空、汽车、电子等行业。
微波烧结
陶瓷的微波烧结微波是一种电磁波，它遵循光的有关定律，可以被物质传递、吸收或反射，同时还能透过各种气体，很方便地实现在各种气氛保护下的微波加热及有气相参与的合成反应。
材料在微波场中可简要地分为下列三种类型：（1）微波透明型材料：主要是低损耗绝缘体，如大多数高分子材料及部分非金属材料，可使微波部分反射及部分穿透，很少吸收微波。
这类材料可以长期处于微波场中而不发热，可用作加热腔体内的透波材料。
（2）全反射微波材料主要是导电性能良好的金属材料，这些材料对微波的反射系数接近于1，仅极少数入射的微波能量能透入，可用作微波加热设备中的波导、微波腔体、搅拌器等。
（3）微波吸收型材料：主要是一些介于金属与绝缘体之间的电介质材料，包括纺织纤维材料、纸张、木材、陶瓷、水、石蜡等。
微波烧结（microwave sintering）就是利用微波加热来对材料进行烧结。
材料的微波烧结开始于20世纪60年代中期，W.R.Tinga首先提出了陶瓷材料的微波烧结技术；到20世纪70年代中期，法国的J.C.Badot和A.J.Berteand开始对微波烧结技术进行系统研究。
20世纪80年代以后，各种高性能的陶瓷和金属材料得到了广泛应用，相应的制备技术也成了人们关注的焦点，微波烧结以其特有的节能、省时的优点，得到了美国、日本、加拿大、英国、德国等发达国家的政府、工业界、学术界的广泛重视，我国也于1988 年将其纳入“863”计划。
在此期间，主要探索和研究了微波理论、微波烧结装置系统优化设计和材料烧结工艺、材料介电参数测试，材料与微波交互作用机制以及电磁场和温度场计算机数值模拟等，烧结了许多不同类型的材料。
20世纪90年代后期，微波烧结已进入产业化阶段。
微波烧结同传统的加热方式不同。
传统的加热是依靠发热体将热能通过对流、传导或辐射方式传递至被加热物而使其达到某一温度，热量从外向内传递，烧结时间长，也很能得到细晶。
而微波烧结则是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。
先进陶瓷的6种新型快速烧结技术
一、激光烧结技术激光烧结技术是一种利用激光能量对陶瓷颗粒进行瞬间加热的新型烧结技术。
通过激光束在陶瓷颗粒表面瞬间产生高温，使颗粒迅速烧结成型，并且能够精确控制烧结过程中的温度和时间，实现快速高效的烧结。
二、微波烧结技术微波烧结技术利用微波照射对陶瓷粉体进行加热，通过高频电磁波与材料分子之间的相互作用，使陶瓷颗粒迅速升温并烧结成型。
微波烧结技术具有加热均匀、能耗低、速度快等优点，尤其适用于复杂形状、精密结构的陶瓷制品制备。
三、等离子烧结技术等离子烧结技术是利用等离子体对陶瓷颗粒进行高速撞击和加热的技术。
通过在陶瓷粉末表面产生等离子体，并将其能量传递给陶瓷颗粒，从而使颗粒快速烧结成型。
等离子烧结技术具有烧结速度快、能耗低、可以烧结高温陶瓷材料等优点。
四、压电陶瓷快速烧结技术压电陶瓷快速烧结技术是一种利用压电作用对陶瓷颗粒进行紧致烧结的技术。
通过施加外加电场，使陶瓷颗粒表面发生压电效应，从而实现颗粒的紧致烧结，烧结速度大大提高，同时制备出的陶瓷制品密度高、性能卓越。
五、等离子喷涂技术等离子喷涂技术是一种利用等离子体对陶瓷粉末进行快速烧结成型的技术。
通过等离子喷涂装置将陶瓷粉末与等离子体混合后，在高温高速气流的作用下迅速烧结成型。
等离子喷涂技术不仅可以实现陶瓷材料的快速烧结，还能够制备出具有优异性能的陶瓷涂层。
六、电磁场烧结技术电磁场烧结技术是一种利用电磁场对陶瓷颗粒进行加热和烧结的技术。
通过在陶瓷颗粒周围建立强磁场或者强电场，使颗粒表面迅速加热并烧结成型。
电磁场烧结技术具有能耗低、烧结速度快、制品性能优异等特点，尤其适用于纳米陶瓷材料的制备。
先进陶瓷的快速烧结技术主要包括激光烧结、微波烧结、等离子烧结、压电陶瓷快速烧结、等离子喷涂和电磁场烧结等多种技术。
这些新型烧结技术都具有烧结速度快、能耗低、制品性能优异等特点，对于提高陶瓷制品的生产效率、降低生产成本、改善产品性能具有重要意义。
随着科技的不断发展和进步，相信这些先进陶瓷的新型快速烧结技术在未来会得到更广泛的应用，为陶瓷制造业带来新的发展机遇。
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微波加熱原理：
傳統固態燒結：能量來自電熱發熱體，藉由熱對流方式將熱由材料表面傳導至材料內部，屬於外向(extrinsic)性質 。
微波燒結：利用材料本身與微波作用，藉由吸收微波能量，使材料由內部到整體一起發熱，屬於內向(intrinsic) 性質。
微波吸收方式：在離子鍵化合物(如部份陶瓷材料)中對微波吸收效果的貢獻來自三方面：
1. 離子導電 (ionic conduction)
2. 離子跳動弛緩 (ionic jump relaxation) 及
3. 多重聲子弛緩過程 (multi-phonon relaxation process)，對微波吸收的貢獻主要來自介電損失(tangent loss)ε“=ε＂1+ε“2 +ε＂3 , 其中，ε“1, ε＂2 ,ε“3, 分別代表離子導電、離子跳動弛緩及多重聲子弛緩過程的貢獻。
微波加熱特徵：
微波燒結是材料本身吸收而發熱，所以是整個材料一起加熱，材料本身即類似傳統電熱方式之發熱體，
在極短時間內即可達到高溫，再加上微波與粒子間之交互作用，降低了粒子間之活化能，加速微密化的速率，使物質在短時間內即完成了燒結，並且比傳統燒結有更均勻的微觀結構 。
材料在微波場下的行為：
材料與微波之間的交互作用關係。
對微波太過透明(低損失材料)之材料，微波極容易穿透，
而對微波不透明之導體則微波根本無法穿透,造成全部反射如金屬等，皆不適合進行微波燒結。
唯有對微波敏感的吸收體(高損失材料)，可讓微波進入物體一段距離而吸收微波轉變成熱之材料，
如SrTiO3, ZnO, SiC等才是合適進行微波燒結的。
另一種變通的方式是雖然基材(matrix)為低損失
不易吸收微波之材料，但在其中添加了容易吸收微波之添加劑，如Al2O3-SiC等，亦可因選擇性之
吸收而達到燒結的效果。
微波燒結製程之效益與應用：
(1)縮短製程時間及節省能源，因而大幅降低陶瓷生產成本；
(2)因為加熱方式及速率的改變，可改善產品之均質性及提高產品良率；
(3)改善陶瓷體之顯微結構及產品性能；
(4)由於微波之選擇性加熱，具有合成新材料的潛力。