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微波烧结技术原理

时间:2008-08-28 00:13:53  浏览:        

微波烧结是利用微波加热来对材料进行烧结。它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。

1.1 材料中的电磁能量耗散

材料对微波的吸收是通过与微波电场或磁场耦合,将微波能转化热能来实现的。黄向东等利用麦克斯韦电磁理论,分析了微波与物质的相互作用机理,指出介质对微波的吸收源于介质对微波的电导损耗和极化损耗,且高温下电导损耗将占主要地位。在导电材料中,电磁能量损耗以电导损耗为主。而在介电材料(如陶瓷)中,由于大量的空间电荷能形成的电偶极子产生取向极化,且相界面堆积的电荷产生界面极化,在交变电场中,其极化响应会明显落后于迅速变化的外电场,导致极化弛豫。此过程中微观粒子之间的能量交换,在宏观上就表现为能量损耗。

1.2 微波促进材料烧结的机制

研究结果表明,微波辐射会促进致密化,促进晶粒生长,加快化学反应等效应。因为在烧结中,微波不仅仅只是作为一种加热能源,微波烧结本身也是一种活化烧结过程。M.A.Janny等首先对微波促进结构的现象进行了分析,测定了高纯Al2O3烧结过程中的表观活化能Ea,发现微波烧结中Ea仅为170kj/mol,而在常规电阻加热烧结中Ea=575kj/mol,由此可推测微波促进了原子的扩散。M.A.Janny等进一步用18O示踪法测量了Al2O3单晶的扩散过程,也证明微波加热条件下扩散系数高于常规加热时的扩散系数。S.A.Freeman等的实验结果表明,微波场具有增强离子电导的效应。认为高频电场能促进晶粒表层带电空位的迁移,从而使晶粒产生类似于扩散蠕动的塑性变形,从而促进了烧结的进行。

Birnboin等分析了微波场在2个相互接触的介电球颗粒间的分布,发现在烧结颈形成区域,电场被聚焦,颈区域内电场强度大约是所加外场的10倍,而颈区空隙中的场强则是外场的约30倍。并且,在外场与两颗粒中心连线间0°~80°的夹角范围内,都发现电场沿平行于连线方向极化,从而促使传质过程以极快的速度进行。另外,烧结颈区受高度聚焦的电场的作用还可能使局部区域电离,进一步加速传质过程。这种电离对共价化合物中产生加速传质尤为重要。上述研究结果表明,局部区域电离引起的加速度传质过程是微波促进烧结的根本原因。

  
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