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微波烧结日用陶瓷可以降低烧结温度机理

时间:2008-08-28 00:27:25  浏览:        

微波烧结日用陶瓷可以降低烧结温度机理浅析
   (一)
微波加热技术应用于日用陶瓷生坯干燥,国内业已作了一些初步实践与论述,但尚未将其应用于日用陶瓷烧结方面。我们利用本公司自行研发的微波高温工业炉做了日用陶瓷的烧结实验工作,获得了准确的技术参数,取得了令人振奋的结果。在试烧实验中,我们发现微波烧结日用陶瓷可以降低烧结温度,对此现象,本文拟作一些机理浅析。
(二)
微波是频率范围为0.3—300GHz、相应波长为1mm—1m的高频电磁波。微波烧结是利用微波加热对材料进行烧结的技术。其基本原理是当高频率电磁波穿透至材料内部后能引起材料(作为电介质)内部自由或束缚电荷(为隅极子、离子和电子等)的反复极化和剧烈运动,在分子间产生碰撞、摩擦和内耗,将微波能转变为热能,从而产生高温,达到烧结的目的1。
日用陶瓷烧结被称为液相烧结(LPS)2,这是因坯体在烧结过程中有液相生成而故名。日用陶瓷坯体在加热过程中,发生一系列物理化学反应,造成液相生成,液相的体积填充坯体中所有气孔,使坯体趋于致密化,完成烧结目的。日用陶瓷烧结就是玻璃化、致密化的过程。(玻璃化即“粘性流动烧结”2,泛指所有在高温下有液相流体生成,造成完全致密化的致密过程)。
我们将微波加热技术应用于日用陶瓷烧结生产中,发现微波高温工业炉烧结坯体时可降低烧成温度50℃以上。对这一现象,我们分析原因有:
1、 测温方法不同造成误差
传统烧成的方式是窑体内(或匣钵内)温度由外向内传递,测温热电隅所测温度为边界温度,温度显示较高;而微波烧结方式是依靠坯体自身分子运动加热即体积性加热,温度由内向外传递,红外线测温仪所测的温度是坯体底部温度,有可能比传统热电隅所测温度低。但这种误差不可能相差50℃以上,故主要原因是在烧结过程中产生的内在因素。
2、从分子运动说分析机理
烧结可以认为是坯体中晶粒配位形状的变化,这种变化使晶粒以空间填充方式排列,即晶粒中心相互靠近,减少坯体尺寸并排除气孔。在晶体材料中,原子只能在界面被移动或添加,晶粒中心的靠近是通过热激活扩散,把原子从晶界移走并添加到气孔表面。在非晶态材料中,晶粒形状的变化可以通过粘性流动实现。日用陶瓷烧结过程中晶粒形状的变化具有以上所述的双重方式:当坯体在获得热量后,随着温度升高,分子间的碰撞和分子变为活化分子数目都在增加,随着活化分子的百分数增大,导致反应速率成倍增长。被热能激活的晶界原子转移并填充气孔,使晶粒中心相互靠近;随着温度进一步升高,造成液相生成,晶粒中心相互靠近的速度加快,最终得到致密坚实、气孔率很低的瓷器。
采用微波高温工业炉烧结日用陶瓷时,遵循前述微波烧结的原理,坯体吸收到具有较大辐射渗透深度的微波后,在微波电磁场的作用下,导致坯体表面和内部同时发热,即坯体自身发热,亦称体积性加热,这种体积性加热与传统的单面受热相比,分子间的碰撞运动、活化分子的增加、晶界原子的转移、各种物理化学反应都将大提速,因而达到快烧和节能的目的,对于微波烧结应用中十分突出的这一特征与优势,是易于解析和接受的。
(三)
但是,为什么采用微波烧结可以降低烧结温度呢?过去,我们为降低烧结温度绞尽脑汁,千方百计在坯釉配方上下功夫,若要降低50℃都非常不易,然而微波烧结却让我们轻松得到。
对于这一问题,现在尚无定论。J.A.Booske4等认为是微波与弱键连接的离子产生共振偶合作用,因而增加了晶格点阵离子迁移率,导致扩散和烧结速度加快,降低了烧结活化能,故降低了烧结温度。M.A.Janney5等研究发现,在28GHz的微波场下进行高纯氧化铝陶瓷的微波烧结所需的活化能为160KJ/mol,而常规烧结所需活化能却要575KJ/mol。
烧结活化能是物体达到烧结状态时活化分子具有的平均能量与本体分子的平均能量之差,微波烧结与传统烧结相比,其烧结活化能降低,笔者拟沿着能量转化的思路作些浅显的论述。
分子碰撞理论认为:分子发生有效碰撞所必须具备的最低能量称为临界能,具有等于或大于临界能的分子称为活化分子。普通分子要吸收足够的能量才能转变为活化分子。烧结活化能在烧结过程前后的变量(△∪)只取决于某特定材料的始态与终态,而与该材料状态变化的途径无关6。日用陶瓷坯体在传统烧结状态下,其烧结活化能的增加是依靠热源提供热能转化而来的;当坯体在微波烧结过程中,其烧结活化能有所降低,说明除热能转化之外,还有其他一种能量给予了补充。这个未知的能量与热能作用是相同的,即为普通分子提供足够的能量,使普通分子激活为活化分子。所不同的是:热能的转化是提供“热激活”,但微波的作用不仅提供了“热激活”,而且还提供了“电磁场激活”。微波利用特有的电磁场效应给普通分子输送能量,将电场能转化为分子势能或粒子间相互作用的能量,加快了反应速度,降低了传统观念的烧结活化能,在温度测定上反映出烧结温度降低了。
本文的结论是:
微波烧结日用陶瓷可以降低烧结温度的机理是由于微波电场能除为坯体烧结转化为热能之外,还转化为其他直接激活分子的能量,故在其表象上反映为:
烧结热能降低 → 烧结温度降低
分子在外力场特别是外力磁场环境中运动的有关理论在无机化学、物理化学中都尚无阐述。微波技术应用于工业生产仅有30多年的历史,其学术研究与完整的理论系统正在不断深入与完善。本人所接触到的问题仅仅是微波技术生产应用中的“冰山一角”,肤浅之见,望同仁斧正。
(四)
微波烧结除了快烧、节能、无污染源之外还有许多优点,如:坯体由于自身发热,温度表里如一,坯内温度场均匀,热应力小,有利于复杂形状陶瓷大部件的烧结;由于微波烧结升温特快,因而避免晶粒长大,可获得具有高强度、高韧性的超细晶粒结构陶瓷。这些优势可以首先推广应用于生产大型、异型艺术瓷、薄胎艺术瓷、陶瓷雕塑、高强度艺术瓷方面,并逐步在日用陶瓷、建筑陶瓷、卫洁陶瓷生产领域开发利用。
  
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