微波烧结的优点
微波技术在陶瓷加热中的应用及优化
微波技术在陶瓷加热中的应用及优化随着科技的不断发展，微波技术在许多领域中得到广泛应用，其中之一便是在陶瓷加热领域。
本文将探讨微波技术在陶瓷加热中的应用及优化。
一、微波技术在陶瓷加热中的应用陶瓷在工业与日常生活中都有着广泛的应用，例如制作瓷器、建筑材料、电子元件等。
而在陶瓷的生产过程中，加热是一个非常重要的环节。
传统的加热方式多采用电阻加热或气体加热，但是这些方式存在着一些问题，例如加热效率不高、温度控制不准确等。
微波技术的出现为解决这些问题提供了新的途径。
微波加热是利用微波能量对材料加热的一种新型方法，与传统加热方式相比，微波加热具有温度升高快、加热均匀、节能环保等优点。
在陶瓷加热中，微波技术的应用主要体现在以下几个方面。
1. 陶瓷烧结陶瓷烧结是指将陶瓷粉末在高温下烧结成致密坚硬的陶瓷材料的过程。
传统烧结方式需要长时间的热处理过程，而微波烧结则可以在短时间内将陶瓷粉末烧结成所需的形状和密度。
微波烧结的优点在于可以实现快速烧结、节约能源和提高生产效率。
2. 陶瓷涂层陶瓷涂层是将一种或多种特殊陶瓷材料通过涂覆的方式运用到另一种材料表面上，以提高该材料的性能。
传统的涂层方式需要长时间的热处理过程，而微波技术可以使陶瓷涂层更加均匀地形成，并且能够快速固化。
3. 陶瓷焊接陶瓷焊接是将两种陶瓷材料通过热处理焊接在一起的过程。
微波热处理可以在短时间内使两种陶瓷材料达到热焊接的最佳温度，从而实现快速焊接。
二、微波技术在陶瓷加热中的优化虽然微波技术在陶瓷加热领域中应用广泛，但仍然存在着一些问题。
例如，微波能量的传递存在差异、微波场的均衡性有待提高等。
因此，我们需要对微波技术在陶瓷加热中进行优化。
1. 微波能量传递的优化微波能量的传递过程中存在着很大的差异，这往往会导致加热效果的不均匀。
一些研究人员通过设计微波反射体和微波吸收材料等方法，来优化微波的能量传递。
另外，精确控制微波功率的大小和时间，也能有效控制加热的均匀性和加热速度。
陶瓷材料工艺学--第五章 陶瓷材料的烧结
a. 影响铁和钛的价态； b. 使SiO2和CO还原； c. 形成氮化合物。
结论：气氛的影响有好有坏，关键是看坯体的组成。
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
75%Al2O3瓷的升温速率与性能的关系曲线 1―抗折强度；2―温度系数；3―介质损耗角
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
全部组元都转变为液相，而烧结是在低于主要组分的熔点下进
行的。
这两个过程均在低于材料熔点或熔融温
度之下进行的。并且在过程的自始至终都至少有一相是固态。
固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状 改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为 气孔尺寸减小。
烧结过程
收缩
降温速率对坯体的白度和性能都有影响。特别是 含玻璃相多的陶瓷，应采取高温快冷和低温慢冷的制 度。
高温快冷可避免泛黄、釉面析晶，提高光泽；低 温慢冷可减少应力，避免开裂等。
影响陶瓷材料烧结的工艺参数:
（1）烧成温度 （2）保温时间 （3）烧成气氛 （4）升温与降温速率
本节小结
1、 烧结的定义和烧结的方法 2、 烧结的类型
接触部位 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数 晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db
粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
5.3.2 晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快 速长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关： ① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面
三、气孔排除
陶瓷微波烧结
陶瓷微波烧结
陶瓷微波烧结是一种利用微波辐射加热陶瓷材料，使其发生烧结反应，从而获得高强度和高致密度的陶瓷制品的工艺方法。
微波烧结技术相比传统烧结方法具有许多优点。
首先，微波辐射加热可以使陶瓷材料内部更均匀地被加热，加快了烧结速度，节省了能源。
其次，微波烧结可以在较低的温度下实现高致密度和高强度的烧结，可以有效地减少晶粒长大和材料变形的问题，提高材料的综合性能。
此外，微波烧结还可以实现不同类型陶瓷材料的复合烧结，从而获得具有特定性能和结构的复合材料。
陶瓷微波烧结的过程通常包括以下几个步骤：首先，将陶瓷粉末和助烧结剂混合均匀，并压制成所需形状的坯体。
然后，将坯体放入微波炉中，并通过调节微波功率和烧结时间来进行加热烧结。
在加热过程中，微波辐射会使陶瓷粉末中的水分迅速蒸发，并导致局部高温区域的形成。
这些高温区域会引发烧结反应，使陶瓷粉末颗粒之间结合在一起，形成致密的陶瓷成品。
最后，冷却后的烧结体可以进行后续的加工和表面处理，以获得最终的陶瓷制品。
陶瓷微波烧结技术已经在陶瓷材料制备领域得到广泛应用。
目前，它已经被用于制备陶瓷陶瓷、氧化物陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷等不同类型的陶瓷材料。
随着技术的不断发展，陶瓷微波烧结将有望更好地满足不同应用领域对高性能陶瓷制品的需求。
微波烧结陶瓷
微波烧结陶瓷引言：微波烧结陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，通过微波辐射加热而形成的高性能陶瓷制品。
它具有许多独特的特点和广泛的应用领域。
本文将介绍微波烧结陶瓷的制备过程、特性以及应用领域。
一、微波烧结陶瓷的制备过程微波烧结陶瓷的制备过程主要包括原料制备、配料、成型、烧结等步骤。
1. 原料制备：微波烧结陶瓷的原料一般是由氧化物粉体组成，如氧化铝、氧化锆、氧化铁等。
这些粉体需要经过粉碎和筛分等工艺步骤，以获得所需的颗粒大小和颗粒分布。
2. 配料：根据所需陶瓷材料的性能要求，将不同种类的氧化物粉体按照一定比例进行混合，加入一定量的有机添加剂和溶剂，制成均匀的浆料。
3. 成型：将混合好的浆料经过成型工艺，如注射成型、压制成型等，得到所需形状的陶瓷坯体。
4. 烧结：将成型好的陶瓷坯体置于微波加热设备中进行烧结。
在微波辐射的作用下，陶瓷坯体中的粒子开始发生热化学反应，实现颗粒之间的烧结。
二、微波烧结陶瓷的特性微波烧结陶瓷具有许多独特的特性，使其在各个领域得到广泛应用。
1. 高强度：微波烧结陶瓷的烧结过程使颗粒之间形成致密的结构，使其具有较高的强度和硬度。
2. 低温烧结：相比传统的烧结工艺，微波烧结陶瓷可以在较低的温度下完成烧结，减少能源消耗和生产成本。
3. 快速烧结：微波烧结陶瓷的烧结速度较快，可以在较短的时间内完成烧结过程，提高生产效率。
4. 均匀性好：微波烧结陶瓷的加热方式使得其烧结均匀，避免了传统烧结过程中的温度不均匀问题。
5. 优异的性能：微波烧结陶瓷具有优异的电绝缘性能、高温稳定性和耐腐蚀性，可在高温、高压和恶劣环境下工作。
三、微波烧结陶瓷的应用领域由于其独特的特性，微波烧结陶瓷在许多领域得到广泛应用。
1. 电子器件：微波烧结陶瓷可以用于制备电子器件的基板、封装材料和电子陶瓷元件等，具有优异的电绝缘性能和高温稳定性。
2. 磁性材料：微波烧结陶瓷在磁性材料的制备中有广泛应用，可以制备高性能的磁性材料，用于电子元器件、磁记录材料等领域。
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。
3
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。
陶瓷材料的烧结与晶粒生长
陶瓷材料的烧结与晶粒生长烧结和晶粒生长是陶瓷材料制备过程中非常重要的步骤。
通过烧结和晶粒生长的控制，可以改善材料的性能、提高其致密性和强度。
本文将就陶瓷材料的烧结和晶粒生长进行探讨，并介绍一些常见的烧结方法和晶粒生长机制。
1. 烧结方法烧结是指将陶瓷粉末在一定的温度和压力下进行加热处理，使粒子间发生相互结合和扩散，形成致密的块体材料。
常见的烧结方法有以下几种：（1）热压烧结：将陶瓷粉末放入模具中，在高温和高压的条件下进行烧结。
热压烧结可以获得致密的陶瓷材料，具有较高的强度和硬度。
（2）微波烧结：通过微波加热的方式进行烧结。
微波烧结的优点是加热速度快，能够在较短的时间内完成烧结过程，适用于一些高温敏感的材料。
（3）等离子体烧结：通过等离子体的作用，加快粒子之间的扩散和结合，从而实现快速烧结。
等离子体烧结可以得到致密度较高的陶瓷材料，并能够控制晶粒尺寸和分布。
2. 晶粒生长机制晶粒生长是指陶瓷材料在烧结过程中晶粒尺寸的增大。
晶粒尺寸的大小和分布对陶瓷材料的性能有着重要的影响。
常见的晶粒生长机制包括以下几种：（1）一维生长：晶粒沿着某个方向生长，呈现出棒状或柱状的形态。
一维生长机制适用于一些具有纤维状结构的陶瓷材料。
（2）表面扩散：晶粒表面发生扩散，并与周围的颗粒结合。
表面扩散是晶粒生长的主要机制之一，通过控制晶粒表面的扩散速率，可以调控晶粒尺寸和形态。
（3）体内扩散：晶粒内部的原子通过扩散运动，使晶粒尺寸增大。
体内扩散主要取决于材料的化学成分和温度条件。
3. 影响烧结和晶粒生长的因素烧结和晶粒生长受到多种因素的影响，下面介绍其中几个重要的因素：（1）温度：温度是烧结和晶粒生长的关键因素之一。
适当的温度可以促进晶粒的结合和生长，但过高的温度可能引起过烧，导致晶粒长大过快。
（2）压力：压力可以提高粒子的结合程度和致密性，对烧结效果有重要影响。
不同材料和形状的陶瓷，适宜的压力范围也有所不同。
（3）时间：烧结时间影响烧结程度和晶粒生长的速率。
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
现代烧结生产实用技术
现代烧结生产实用技术一、概述烧结是一种将粉末状原料加热至高温后使其结合成块状物的工艺。
现代烧结技术已成为制备高性能材料的重要手段之一，广泛应用于各种领域，如钢铁、电子、陶瓷、复合材料等。
二、烧结生产工艺1.原料制备在烧结生产过程中，原料的制备对产品的质量和性能有着重要影响。
一般来说，原料应具有较高的纯度、均匀的颗粒大小和形态，并且要进行混合和干燥处理。
2.混合混合是指将不同种类或不同比例的原料进行混合以获得所需的化学组成和物理性能。
混合过程中需要控制好每个组分的比例和均匀度。
3.压制压制是将混合好的粉末放入模具中，在高压下使其变形成为所需形状和大小的坯体。
压制过程需要控制好压力、温度和时间等参数，以确保产品密度和尺寸的稳定性。
4.预处理预处理包括除油、除氧化皮、降低水分等处理，以确保产品表面质量和化学组成的稳定性。
5.烧结烧结是将坯体放入高温炉中，在一定时间内进行加热和冷却处理，使其形成致密的块状物。
烧结过程需要控制好温度、气氛和时间等参数，以确保产品的致密性和物理性能。
6.后处理后处理包括退火、淬火、表面处理等，以进一步提高产品的性能和质量。
三、现代烧结技术1.微波烧结技术微波是一种高频电磁波，具有穿透深度大、加热速度快等特点。
微波烧结技术利用微波加热原理，可以实现快速均匀加热，提高产品致密度和力学性能。
2.等离子体增强技术等离子体增强技术是利用等离子体在材料表面产生化学反应或物理效应来改善材料性能的一种方法。
该技术可以提高材料硬度、耐腐蚀性和耐磨损性。
3.纳米粉末烧结技术纳米粉末烧结技术是将纳米粉末制备成坯体后进行烧结，可以获得具有优异力学性能和高耐磨性的材料。
该技术可以通过控制纳米粉末的尺寸和形态来调控材料性能。
4.激光烧结技术激光烧结技术是利用激光束对材料进行局部加热和熔化，然后快速冷却成为致密的块状物。
该技术可以实现高效率、高精度、无污染的制备过程，适用于制备高性能复合材料等。
四、总结现代烧结生产实用技术已经成为制备高性能材料的重要手段之一。
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2.3 烧结参数
材料参数 工艺参数
粉体 形貌，粒度，粒度分布，团聚，混合均匀性等
化学特性 化学组分，纯度，非化学计量性，绝对均性等 烧结温度，烧结时间，压力气氛，升温和降温度等
2.4 烧结参数对于烧结样品性能的影响
一、材料参数对烧结的影响
（1）颗粒尺寸对烧结的影响 在一定温度下，半径为r1的一列球形颗粒所需要的烧结时间为t1，半径为r2的
另一列排列相同的球形颗粒烧结时间为t2，则：
t2 (r2 / r1 ) n t1
如果颗粒尺寸从1 m减小到0.01 m，则烧结时间降低106到108数量级。同 时，小的颗粒尺寸可以使烧结体的密度提高，同时降低烧结温度、减少烧结时 间。
（2）粉体结块和团聚对烧结的影响 结块的概念是指一小部分质量的颗粒通过表面力和/或固体桥接作用结合在一
烧结的驱动力主要来源于由于颗粒表面曲率的变化而造成的体积压力差、空位 浓度差和蒸汽压差。对于图中的模型示意图，体积压力差ΔP为：
空位浓度差为： 蒸汽压差为：
P
Pa
Pr
s
2 a
1 r
1 x
s
r
Cv
Cv
Vm, s RTr
a x r
p p Vm s RTr
能或者是薄膜的表面能等 ③ 材料内存在高的化学不平衡性。
4 液相烧结过程与机理
液相烧结（Liquid Phase Sintering，简写为LPS）是指在烧结包含多种粉 末的坯体中，烧结温度至少高于其中的一种粉末的熔融温度，从而在烧结过 程中而出现液相的烧结过程。
优点： １）提高烧结驱动力。 ２）可制备具有控制的微观结构和优化性能
烧结的驱动力就是总界面能的减少。粉末坯体的总界面能表示为γA， 其中γ为界面能；A为总的比表面积。那么总界面能的减少为：
A A A
其中，界面能的变化（Δγ）是因为样品的致密化，比表面积的变化 是由于晶粒的长大。对于固相烧结，Δγ主要是固/固界面取代固/气界面。
在烧结驱动力的作用下烧结过程中的基本现象
其中，γs为固相的表面能，Vm’为空位摩尔体积，Vm为固相的摩尔体积。由于上 述体积压力差、空位浓度差和蒸汽压差的存在，促使物质扩散。
烧结中的物质传输机理
物质扩散机理 1．晶格扩散
2．晶界扩散 3．粘性流动 4．表面扩散
5．晶格扩散 6．气相传输
蒸发－凝聚 气相扩散
材料部位 晶界 晶界
整体晶粒 晶粒表面 晶粒表面 晶粒表面 晶粒表面
（2）保温时间对产品性能的影响 在烧成的最高温度保持一定的时间，一方面使物理化学变化更趋完全，使
坯体具有足够液相量和适当的晶粒尺寸，另一方面组织结构亦趋均一。但保温 时间过长，则晶粒溶解，不利于在坯中形成坚强骨架，而降低机械性能。
（3）烧成气氛对产品性能的影响 ① 气氛对陶瓷坯体过烧膨胀的影响 ② 气氛对坯体的收缩和烧结的影响 ③ 气氛对坯的颜色和透光度以及釉层质量的影响
的陶瓷复合材料
4.1 液相烧结的阶段
(a)液相烧结不同阶段的示意图(O:熔化;Ⅰ:重排;Ⅱ:溶解-沉淀;及Ⅲ:气孔排除)。 (b)在不同温度下，氧化铝-玻璃体系中，实际致密化作为烧结时间的函数所示 意的不同LPS阶段
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
3 固相烧结过程及机理
初始阶段 中间阶段
最终阶段
固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状 改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为 气孔尺寸减小。
3.1 双球模型（two-particle model）
图 (a)为未收缩的模型，颗粒之间的距离不发生变化，但是随着烧结时 间的增加，颈部尺寸会不断增加，烧结样品开始收缩，其收缩后几何模型 如图 (b)所示，颈部增大主要是颗粒接触间物质扩散和坯体收缩造成的。
222 222
第六章 陶瓷材料的烧结
1 概述
烧结（sintering）是一种利用热能使粉末坯体致密化的技术。其具体 的定义是指多孔状陶瓷坯体在高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机 械性能提高的致密化过程。
只有掌握了坯体在高温烧成过程中的变化规律，正确地选择和设计窑 炉，科学地制定和执行烧成制度，严格地执行装烧操作规程，才能提高产 品质量，降低燃料消耗，获得良好的经济效益。
接触部位 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数 晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db 粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
3.2晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快速 长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关： ① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面
（1）烧成温度对产品性能的影响
烧成温度是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即操作时的 止火温度。
烧成温度的高低直接影响晶粒尺寸和数量。对固相扩散或液相重结晶来 说，提高烧成温度是有益的。然而过高的烧成温度对特瓷来说，会因总体晶 粒过大或少数晶粒猛增，破坏组织结构的均匀性，因而产品的机电性能变差。
（4）颗粒尺寸分布对烧结的影响
颗粒尺寸分布对最终烧结样品密度的影响可以通过分析有关的动力学过程 来研究，即分析由不同尺寸分布的坯体内部，在烧结过程中“拉出气孔” （pore drag）和晶粒生长驱动力之间力的平衡作用。
研究表明，较小的颗粒尺寸分布范围是获取高烧结密度的必要条件。
二、影响陶瓷材料烧结的工艺参数
起；而团聚描述的是颗粒经过牢固结合和/或严重反应形成的粗大颗粒。结块和团 聚形成的粗大颗粒都是通过表面力结合。
细小颗粒在液体和固体介质中承受吸引 力和排斥力形成结块和团聚体示意图
（3）颗粒形状对烧结的影响
颗粒形状和液相体积含量对颗粒之间作用力的影响 只有在大量液相存在的情况下，才能使这些具有一定棱角形状的 陶瓷粉体之间形成较高的结合强度。
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
2.2 烧结驱动力