微波加熱在日常生活中已應用甚廣，但在工業(yè)上達到規(guī)模應用目前仍在發(fā)展中，微波是指頻率在300兆赫茲到300千兆赫茲的電磁波，自20世紀90年代起，微波加熱制備陶瓷材料一直是國際研究熱點。國際無線電管理委員會為了避免對通信的干擾，規(guī)定用于工業(yè)微波加熱的頻率為915MHz和2.45GHz，其中陶瓷制備中最常用的頻率為2.45GHz，相應的波長為122mm。

微波頻段及應用

微波燒結(jié)的原理

與傳統(tǒng)燒結(jié)不同，在微波加熱過程中，電磁能量被材料吸收，材料整體發(fā)熱，熱量通過物體表面向外耗散，微波加熱是被加熱材料的功能性表現(xiàn)。被加熱材料的極性分子在快速變化的高頻電磁場作用下，其極性取向?qū)㈦S著外電場的變化而變化，造成分子的運動和相互摩擦效應，從而使微波的電磁場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能。

微波加熱使水等極性分子運動摩擦生熱

微波燒結(jié)在促使材料致密化過程中，可以降低燒結(jié)溫度并減少燒結(jié)時間，常規(guī)熱輻射和熱傳導燒結(jié)過程中，陶瓷晶粒以體積擴散為主，而在電磁場的作用下，陶瓷顆粒以晶界擴散為主。

例如燒結(jié)氧化鋯陶瓷，鋯離子Zr4⁺的擴散速率決定了陶瓷致密化的速率，Zr4⁺的體積擴散活化能為515 kJ/mol，而晶界擴散活化能為200 kJ/mol，也就是說相比于傳統(tǒng)加熱方式，采用晶界擴散的加熱更容易。因此，在微波場作用下，氧化鋯陶瓷更容易達到致密化。

因此微波加熱有許多優(yōu)點，如節(jié)省時間和能源，具有非常高的加熱速率(>400℃/min)，顯著降低燒結(jié)溫度，使被燒結(jié)材料具有精細的微觀結(jié)構(gòu)，材料的機械性能更好等。

微波加熱材料的影響因素

微波與不同材料的相互作用取決于材料的電磁特性、晶粒尺寸和孔隙率，依據(jù)這些特性，材料可以分為微波透明體（無能量轉(zhuǎn)移，低介質(zhì)損耗材料）、微波反射體（不能穿透到材料內(nèi)部，導體）和微波吸收體（存在能量的吸收和交換，高介質(zhì)損耗材料）。

一般來說，高介質(zhì)損耗材料更容易實現(xiàn)微波加熱，而具有最佳絕緣性能的陶瓷，如氧化鋁、氧化鎂、二氧化硅和玻璃，在室溫下屬于微波透明體，但當加熱到臨界溫度Tc以上時，它們開始吸收微波，并逐步與微波輻射發(fā)生更有效的耦合。因此，在用微波加熱該類材料時，需要利用輔助加熱，使溫度升高到臨界值；或在室溫微波透明陶瓷中加入室溫高介質(zhì)損耗的微波吸收第二相，增強整體與微波的相互作用，實現(xiàn)微波混合加熱。

微波加熱受材料本身性能影響

微波加熱特種陶瓷粉體

陶瓷粉體的合成一直是微波制備高性能陶瓷的主要領(lǐng)域，與傳統(tǒng)加熱方法相比，微波熱解乳化的化合物，更易獲得大量的納米級氧化物陶瓷粉體。微波熱解可以獲得分散性較好的氧化鋯或氧化鋁粉體，原因在于前驅(qū)體吸收微波整體加熱，熱量由內(nèi)部向外擴散，顆粒之間形成熱量擴散通道，擴散驅(qū)動力使顆粒向四周分散，一定程度上阻礙晶粒的團聚。而常規(guī)輻射加熱熱解過程，熱輻射從外部加熱前驅(qū)體粉體，熱量從外部向內(nèi)部聚集，容易造成粉體的團聚。

不過由于不同材料對微波的吸收有限，實現(xiàn)微波燒結(jié)并不容易。目前微波燒結(jié)材料的研究大多基于傳統(tǒng)的低頻(2.45GHz)微波發(fā)生器，在室溫下，這種頻率的微波與諸多材料不能有效耦合，較差的微波吸收特性使多數(shù)材料初始加熱困難。此外，在微波燒結(jié)過程中，可能會出現(xiàn)熱穩(wěn)定差的現(xiàn)象，從而導致溫度失控，引起樣品嚴重過燒。另外，某些陶瓷粉體需要氣氛保護燒結(jié)，實現(xiàn)難度很大。

1.常規(guī)燒結(jié)

例如Al₂O₃等陶瓷粉體，在常規(guī)加熱中，由于輻射散熱，材料外圍溫度低于內(nèi)部，存在的固有溫度梯度，在大升溫速率下，會造成嚴重的溫度不均勻，進而導致不均勻燒結(jié)或開裂，這使得工業(yè)中常采用保溫層等方式來改善。而微波加熱同樣也會遇到溫度不均勻的問題，只是在常規(guī)加熱中，加熱方向是由外到內(nèi)，導致樣品表面溫度高于內(nèi)部，使粉末坯體中心區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)較差；而在微波加熱中，加熱方向是由內(nèi)到外，導致樣品內(nèi)部的溫度高于表面，使粉末坯體表面的微觀組織結(jié)構(gòu)較差。

導熱球形粉體對表面微觀結(jié)構(gòu)要求更高

因此這促使研究人員開發(fā)了直接微波加熱和常規(guī)熱源輻射相結(jié)合的混合加熱技術(shù)，利用微波和微波耦合外熱源的共同作用，可實現(xiàn)坯體內(nèi)外的快速燒結(jié)，可用于燒結(jié)在低溫下具有低介電損耗，在高溫下具有高介電損耗的材料。這樣的混合加熱系統(tǒng)在低溫下使樣品更容易加熱，而在高溫下可保證樣品穩(wěn)定加熱。

2.氣氛燒結(jié)

SiC是典型的氣氛保護燒結(jié)才能制備的陶瓷粉體，利用微波技術(shù)合成SiC晶體是可行的，但目前存在的主要問題包括：目前尚未有較成熟的微波加熱燒結(jié)SiC的技術(shù)路線，采用原料不統(tǒng)一，造成SiC結(jié)構(gòu)、形貌的不確定性，缺乏完整的技術(shù)體系；微波加熱需要氣氛保護，不利于工業(yè)化推廣。

微波燒結(jié)制備特種陶瓷

微波加熱和燒結(jié)的優(yōu)點主要有以下幾點：

（1）升溫速率快，可以實現(xiàn)陶瓷的快速燒結(jié)與晶粒變化；

（2）整體均勻加熱，內(nèi)部溫度場均勻，顯著改善材料的顯微結(jié)構(gòu)；

（3）微波加熱不存在熱慣性，燒結(jié)周期短；

（4）利用微波對材料的選擇性加熱，可以對材料某些部位進行加熱修復或缺陷愈合；

（5）自身加熱，不存在來自外熱源的污染；

（6）微波能向熱能的轉(zhuǎn)化效率可達80%~90%，高效節(jié)能。

大量研究探索證明，許多結(jié)構(gòu)陶瓷可以應用微波燒結(jié)，氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及透明陶瓷用微波燒結(jié)，可以得到致密的性能優(yōu)良的制品，且燒結(jié)時間縮短、燒結(jié)溫度降低。

目前氧化鋯和氧化鋁陶瓷作為重要的陶瓷工程結(jié)構(gòu)件的組成部分，其工程制品的生產(chǎn)企業(yè)還普遍采用傳統(tǒng)燒結(jié)方式，與微波燒結(jié)相比，傳統(tǒng)燒結(jié)不但生產(chǎn)效率低，而且能耗高，因此，微波燒結(jié)氧化鋁和氧化鋯陶瓷工程制品的研究勢在必行。但當前微波燒結(jié)陶瓷的研究大多集中于小尺寸和簡單結(jié)構(gòu)的陶瓷樣品，現(xiàn)有陶瓷工程制品的微波燒結(jié)，尤其是大型和異型陶瓷構(gòu)件的燒結(jié)，存在熱場均勻性和整體加熱等諸多難題。

各類陶瓷結(jié)構(gòu)件

總結(jié)

盡管有許多微波合成氧化物、碳化物、氮化物陶瓷粉體和微波燒結(jié)陶瓷復合材料的報道，但仍然局限于微波制備陶瓷材料可行性的研究階段，缺乏對微波加熱過程相關(guān)加熱效應及其調(diào)控機制的系統(tǒng)闡述，沒有規(guī)模化陶瓷制品的應用基礎(chǔ)。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，微波燒結(jié)陶瓷制品仍是極小的一部分，而粉體的制備目前還未形成規(guī)模，微波燒結(jié)技術(shù)在陶瓷材料的應用探索上，我們?nèi)杂泻荛L的路要走。

參考來源：

1.微波加熱制備特種陶瓷材料研究進展，陳勇強、王怡雪、張帆、李紅霞、董賓賓、閔志宇、張銳（無機材料學報）；

2.微波加熱在陶瓷材料中的應用，彭金輝、何藹平（稀有金屬）；

3.基于輔熱材料的微波燒結(jié)陶瓷刀具溫度場研究，鄭立輝、程寓、汪家傲、王子祥、殷增斌（中國陶瓷工業(yè)）。

粉體圈 小吉

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