微波烧结制备陶瓷材料的研究进展

孙振华 郝 斌

(唐山学院环境与化学工程系 河北唐山 063000)

微波烧结制备陶瓷材料的研究进展

孙振华 郝 斌

(唐山学院环境与化学工程系 河北唐山 063000)

微波烧结是一种新型的利用微波加热来对材料进行烧结的方法,它是一种快速制备高质量新型材料和使传统材料具有新的性能的技术手段。简要介绍了微波烧结的发展史、基本原理、制备陶瓷材料的研究进展、微波烧结技术存在的一些问题,并对微波烧结技术的前景进行了展望。

微波烧结 陶瓷材料 研究进展

前言

微波烧结是一种利用微波加热对材料进行烧结的方法,材料的微波烧结开始于20世纪60年代中期。W R Tinga[1]首先提出了陶瓷材料的微波烧结;到20世纪70年代中期,法国的Badot和Berteand[2]开始对微波烧结技术进行系统研究。微波烧结以其特有的节能和省时的优点,得到美国、日本、加拿大、英国、德国等发达国家的政府、工业界和学术界的广泛重视。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,研究了许多不同类型的材料。在国外,微波烧结已进入产业化阶段,我国在烧结炉的应用方面也应加大研究力度。

1 微波烧结的工作原理

微波烧结的原理与常规烧结工艺有本质的区别[3～5],常规烧结时热量是通过介质由表面向里扩散,而微波烧结则利用了微波的加热特性,及材料吸热的微波能被转化为材料内部分子的动能和势能,使材料整体均匀加热,因此其加热和烧结速度非常快。由于材料整体内外同时均匀受热,使试样内部的温度梯度很小,从而可使材料内部热应力减至最小,这对于制备超细晶粒结构的高密度,高强度,高韧性材料非常有利。由于材料可内外均匀地整体吸收微波能并被加热,使得处于微波场中的被烧结物内部的热梯度和热流方向与常规烧结时完全不同,因此可实现有选择的烧结,从而制备出具有新型微观结构和优良性能的材料。

因为微波对物体几乎可以形成即时加热[6],实现材料较大体积区域中的零梯度均匀加热。可以大大降低烧结温度和烧结时间,显著提高产品的生产效率,降低了生产周期;微波能可被材料直接吸收,如果烧结炉保温系统设计得好,几乎没有热量损失,能量利用率很高,比常规烧结节能80%左右;由于烧结时间短,烧结过程中消耗的保护气体用量大大降低,减少了不必要的污染。

2 微波烧结陶瓷材料的研究进展

2.1 微波烧结AlN陶瓷的研究

利用微波烧结AlN陶瓷,虽然在节能省时方面效果显著,但是微波烧成环境对AlN烧成影响比较复杂。湖南大学材料科学与工程学院的曾小峰等[7]在微波烧成环境对AlN陶瓷的烧成影响方面做了研究。研究表明,烧成环境中碳热还原气氛能极大地加快AlN陶瓷的致密化速率,但容易在AlN陶瓷晶界相内部产生气孔,使AlN热导率降低。通过构造适当的微波烧成环境,在1 720℃保温120min,快速烧结并获得了致密的AlN陶瓷。与传统烧结相比,AlN陶瓷的微波烧结效率高,节能优势明显,在微波烧结AlN陶瓷的过程中,微波的非热效应显著。在微波烧结环境中,碳热还原气氛在AlN陶瓷致密过程中作用明显,它一方面极大地促进了烧结,另一方面易在烧结体晶界相内产生气孔而使AlN陶瓷的热导率降低。

2.2 微波烧结纳米金属陶瓷的研究

陶瓷烧结过程中不可避免地伴有晶粒长大,所以如何控制纳米颗粒在烧结过程中的长大,使其保持原有特性是纳米块体陶瓷材料制备面临的一个难题,而微波烧结技术很好地克服了这一点。晋勇等[8]采用微波烧结新技术研究了纳米金属陶瓷材料的烧结工艺与性能。结果表明,微波烧结Al2O3-TiC-Mo-Ni纳米金属陶瓷在1 500℃保温10min,可达到99.9%的相对密度,使烧结温度降低,烧结时间大幅度缩短,且烧结前后晶粒粒径分别为35㎜和55㎜,变化很小。微波烧结金属陶瓷前后晶粒粒径变化很小,烧结体均匀、致密,这对于制备纳米材料提供了重要的工艺手段。

2.3 微波烧结在纳米牙科全瓷的研究

卢冬梅等[9]采用微波技术研究了纳米牙科全瓷材料的烧结工艺与性能。结果表明,微波烧结高纯α-Al2O3全瓷在1 600℃的保温10min,可达到99.0%的相对密度;与传统烧结相比,其烧结温度降低,烧结时间大幅度缩短,烧结前后晶粒尺寸变化很小。与设计的助热保温结构相结合,可成功地对Al2O3全瓷进行烧结,由此建立的加热系统加热效率高,结构简单,操作方便。微波烧结全瓷材料的晶粒度尺寸在烧结前后变化很小,烧结体均匀、致密,这为高性能牙科全瓷材料,特别是对纳米牙科陶瓷材料的研制提供了重要的工艺手段。

2.4 微波烧结在生物陶瓷的研究

羟基磷灰石是人体骨骼的无机矿物组成,与机体有良好的生物相容性,植入人体后能诱导周围骨组织的生长并逐步参与代谢,最终与人体骨形成紧密的化学结合,是良好的生物陶瓷材料。但HAP材料的力学性能较差,限制了其在人体承重部位的应用。因此,增强HAP材料的力学性能是生物材料领域研究的重点课题。吴娜等[10]采用沉淀法合成羟基磷灰石粉体,将R2O-Al2O3-B2O3-SiO3体系玻璃粉按一定比例与HAP粉混合,采用等静压成形及微波烧成两种成形方法对羟基磷灰石-玻璃复合粉体成形,分别在1 150℃、1200℃、1 250℃下微波烧结。实验表明,采用微波烧结有利于样品的快速致密化,用微波烧结的样品的收缩率明显比用普通烧结法在相同温度下烧结的样品收缩率小。微波烧结是有效的生物陶瓷材料的烧成方法,收缩率、密度和SEM观察结果表明,采用等静压成形和微波烧结HAP-G陶瓷可以实现快速烧结和致密化。

3 存在的问题

微波烧结设备是阻碍微波烧结技术工业化的一个很重要的因素,对微波烧结机理的充分认识有助于解决这一问题。目前微波作为工业化应用还存在一些问题尚待解决,如更大的均匀微波场的获得,低介电损耗材料在室温至临界温度点之间的加热,材料微波参数的获得,微波在原料内部的穿透能力,原料加热深度等问题。微波管在不同炉内衬材质中的使用寿命,多组微波管在大规模生产中耦合等问题也值得我们作进一步研究。此外,阻碍该技术实用化的困难还有:烧结材料种类的局限性,加热过程热失控,温度难以准确测量和控制,烧结件开裂,烧结产量低等[11]。

4 微波烧结制备陶瓷技术的前景

微波烧结技术发展了几十年,虽然还有许多不成熟、不完善的地方,但它具有常规技术无法比拟的优点,预示了它广阔的发展前景。作为一种省时、节能、节省劳动力、无污染的技术,微波烧结能满足当今节约能源,保护环境的要求,它所具有的活化烧结的特点有利于获得优良的显微组织,从而提高材料性能,微波与材料耦合的特点,决定了用微波可进行原则性加热,从而能制得具有特殊组织结构的材料,如梯度功能材料。微波烧结依靠材料本身吸收微波能并转化为材料内部分子的动能和势能,使材料内外同时均匀加热,因此材料内部形成的热应力极小。它使烧结活化能降低,扩散系数提高,可实现低温快速烧结,使微粉晶粒来不及长大就已经完成烧结[12～14],所以微波加热烧结将是制备高强度、高硬度、高韧性纳米陶瓷材料的有效手段。总之,微波烧结将会成为最有效、最具有竞争力的新一代烧结技术。

1 TingaW R,VossW A G.Microwavepower Engineering.New York:Academic Press,1968

2 Berteaud A J,Badet JC.High temperaturemicrowave heating in refractorymaterials.Microwave Power,1976(11):315～320

3 Sutton W H.Microwave processing of ceramic materials.American Ceramic Society Bulletion,1989,68(2):376～386

4 张光堂,钟若青.微波加热技术基础.北京:北京电子工业出版社,1988

5 吴苏,鹿安理.陶瓷材料的微波烧结机理探讨.航空材料学报,1996,16(4):24～29

6 吴红,史洪刚,冯宏伟,等.微波烧结技术的研究进展.兵器材料科学与工程,2004,27(4):59～61

7 曾小峰,彭虎,钱端芬,等.微波烧结AlN陶瓷的初步研究.硅酸盐通报,2005(3):29～32

8 晋勇,薛屺,汤小文,等.纳米金属陶瓷材料的微波烧结工艺研究.机械工程材料,2004,28(12):49～51

9 卢冬梅,万乾炳,晋勇.牙科全瓷材料的微波烧结研究.四川大学学报,2003,40(6):1 114～1 118

10 吴娜,王志强,李长敏,等.羟基磷灰石-玻璃复合陶瓷的微波烧结.硅酸盐通报,2006,25(4):54～58

11 张劲松.微波烧结关键技术的进展.材料通报,1994(2):34～37

12 Rodiger K,Dreyer K,Gerdes T,et al.Microwave sintering of hardmetal.International Journal of Refractory,Metals and Hard Materials,1998,16(4～6):409～416

13 Cheng J P,Agrawal D,Zhang Y H,et al.Fabricating transparent ceramic by microwave sintering.American Ceramic Society Bullite,2000,79(9):71-74

14 Fang Y,Roy R,Agrawal D,et al.Transparentmullite ceramics from disphasic aerogels bymicrowave and conventional processing.Materials Letters,1996,28(1～3):11～15

The Research Development of Prepararing Ceram ic Material by M icrowave Sintering

Sun Zhenhua,Hao Bin(The Departmentof Environmental and Chemical Engineering,Tangshan College,Hebei,Tangshan,063000)

Themicrowave agglutination isa new usemicrowave heating carrieson the agglutination to thematerial themethod,it isa prepares the high quality new material quickly and enables the traditionalmaterial to have the new performance technologicalmeans.Thisarticle introduced themicrowave agglutination history,the basic principle,the preparation ceramicmaterial research development,some questionsof microwave agglutination technology and themicrowave agglutination technology prospect briefly and so on.

Microwave agglutination;Ceramicmaterial;Research development