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一种节能、高效的新型材料工艺——微波烧结技术

时间:2008-08-28 00:49:40  浏览:        

1 前言
烧结工艺是材料制备过程中的重要手段和工序,通过烧结设备控制烧结温度与时间等参数以实现材料的最好特性。然而传统烧结工艺必须经过长时间与高温,耗去高的能量才能达到目的。随着科学技术的发展,近二十年来出现了一种省时、节能、节省劳动、无污染的微波烧结工艺技术,它正好适应了现代社会发展的要求。微波烧结(microwave sintering)是一种利用微波高温加热来对材料进行烧结的工艺技术。而微波则是频率在300兆赫到300千兆赫的一种电磁波。处于微波场中的材料与微波耦合,吸收微波能量,转化为热能。而其温度大于400 ℃的微波加热即为微波高温加热技术。所以微波烧结就是利用微波高温加热来达到烧结目的的新型工艺技术。它是快速制备高质量的新材料和制备具有新的性能的传统材料的重要技术手段,具有烧结温度低、烧结时间短、能源利用率和加热效率高、安全卫生无污染等优点。微波烧结技术的诞生和发展,已引起传统烧结概念的突破,被材料界誉为“烧技术的一场革命”。微波烧结技术从根本上改变了材料烧结的工艺现状,它将成为创造具有特殊性能材料的有效手段,具有巨大的发展潜力和应用前景。
2 微波烧结的技术原理、特点与应用范围
2.1 原理
微波烧结是利用微波加热来对材料进行烧结的,它与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,也很难得到细晶。图1示出了二者的异同。所以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。
2.2 微波烧结的技术特点、应用领域
2.2.1 微波与材料直接耦合,导致整体加热由于微波的体积加热,得以实现材料中大区域的零梯度均匀加热,使材料内部热应力减少,从而减少开裂、变一形倾向。同时由于微波能被材料直接吸收而 转化为热能,所以,能量利用率极高,比常规烧结节能80%左右。
2.2.2 微波烧结升温速度快,烧结时间短
某些材料在温度高于临界温度后,其损耗因子迅速增大,导致升温极快。另外,微波的存在降低了活化能,加快了材料的烧结进程,缩短了烧结时间。短时间烧结晶粒不易长大,易得到均匀的细晶粒显微结构,内部孔隙少,空隙形状比传统烧结的圆,因而具有更好的延展性和韧性。同时,烧结温度亦有不同程度的降低。
2.2.3 微波可对物相进行选择性加热,
由于不同的材料、不同的物相对微波的吸收存在差异,因此,可以通过选择性和加热或选择性化学反应获得新材料和新结构。还可以通过添加吸波物相来控制加热区域,也可利用强吸收材料来预热微波透明材料,利用混合加热烧结低损耗材料。此外,微波烧结易于控制、安全、无污染。
2.2.4 应用领域
陶瓷、冶金、化工等领域包含几乎所有材料大类的高温处理均能采用先进的微波高温技术。其典型应用包括粉末冶金材、结构陶瓷、先进陶瓷、金属陶瓷刀具/模具、电子陶瓷与器件、精细日用陶瓷、磁性材料、无机非金属粉体材料、微波苏打烧结、微波矿物处理、固-固反应、气-固反应、金属化、其他等。
在陶瓷、工程陶瓷、磁性材料和硬质合金等材料制造中,工艺过程时间缩短50%以上;由于微波能量直接用于加热工件,能耗可以低至3.6千瓦时每公斤,在相同的生产率条件下仅为传统烧结工艺的10%;微波烧结不存在高温下辐射传导的阴影效应,减小热变形;被微波烧结的材料具有极为细小的显微结构;使烧结纳米材料成为可能;微波烧结使工件表面成分变化可能性降低;微波烧结能降低烧结温度;提高烧结密度;改善产品质量。微波烧结技术业已证明是加热和烧结功能陶瓷、工程陶瓷、磁性材料和硬质合金等材料的最好方法,其优点:快速升温——微波加热升温速度快,烧结时间短。高强度的微波电磁场降低了活化能,加快了材料加热进程,缩短烧结或合成反应的时间。加热均匀——微波与材料直接耦合,导致整体加热。由于微波的体积加热,得以实现材料中大区域的零梯度均微波加热与传统加热的异同加热,使材料内部热应力减少,从而减少开裂、变形倾向。节能高效—由于微波能被材料直接吸收而转化为热能,所以,能量利用率极高,同时,烧结温度亦有不同程度的降低,比常规烧结节能70%以上。绿色环保——微波加热过程无废气、废渣,无污染,属于绿色环保能源。为说明它的上述优点,现引用近年来在磁性行业不少企业也开始的微波烧结工艺的试验成果。湖南长沙隆泰科技公司,李俊等先后用微波烧结技术进行了MnZn、NiZn软磁材料和旋磁材料的研究。它们充分吸和综合各方面的优秀成果,采用双色红外线测温仪实现精确测温,采用大功率高精度程控微波源实现温度控制和升降温速率控制,通过对保温体的科学设计和辅热材料的合理搭配选择等,开发出国内首台具有完全自主知识主权、用于高温烧结实际生产的微波钟罩炉,并实际用于高磁导率MnZn、NiZn和旋磁铁氧体材料的烧结,取得了较好结果。相比传统烧结耗时耗能的生产工艺,微波烧结磁性材料表现出的优越性能主要体现在:
(1) 烧结温度降低和烧结时间大大缩短。磁性材料的微波烧结与传统烧结温度曲线。
(2) 保温材料大大减少,环境热损失减少。比较传统烧结技术需要首先给予周围环境足够的热能而达到辐射传导热能的目的,微波烧结直接加热样品的机理决定了其比传统烧结在节能方面的优越。传统烧结往往需要大量的保温材料,而其中相当大的能量被这部分材料吸收,而微波烧结中所需要的保温材料仅仅只是传统的1/5-1/10。而微波烧结的能耗较传统烧结工艺大大降低。实验表明,耗电量仅相当于传统烧结能耗的15%左右。
(3) 材料的品质提高。
国内外微波烧结与传统烧结高磁导率MnZn铁氧体材料主要性能的比较。这又充分证明了微波烧结的优越性。
3 微波烧结的发展与技术进展
3.1 微波烧结技术的发展
材料的微波烧结开始于20世纪60年代中期,W.R.Tinga首先提出了陶瓷材料的微波烧结技术;到20世纪70年代中期,法国的J.C.Badot和A.J.Berteand开始对微波烧结技术进行系统研究。20世纪80年代以后,各种高性能的陶瓷和金属材料得到了广泛应用,相应的制备技也成了人们关注的焦点,微波烧结以其特有的节能、省时的优点,得到了美国、日本、加拿大、英国、德国等发国家的政府、工业界、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,烧结了许多不同类型的材料。20世纪90年代后期,微波烧结已进入产业化阶段,美国、加拿大、德国等发达国家开始小批量生产陶瓷产品。其中,美国已具有生产微波连续烧结设备的能力,我国也有部分企业能制造微波烧结炉。
3.2 微波烧结的技术进展
3.2.1 理论研究
微波能促进陶瓷的烧结,但其微观机理却尚不清楚。黄向东等从微波电场使带电缺陷(如空位、间隙离子)产生定向移动的角度,分析了微波对扩散的作用,指出:在微波烧结陶瓷制品时,相对于常规烧结,微波只是促进了平行于电场方向的致密化,在宏观上对于电场方向不随时间转向的偏振电磁波,平行于电场方向的收缩率大于垂直电场方向的收缩率。S.A.Freeman等对微波场中NaCl的电荷传运研究表明:微波场的存在未提高原有空位的运动能力,而是提高了电荷传运的驱动力。另外,S.A.Freeman还对固体中的离子在微波场中的传送进行了数值模拟。
3.2.2 微波烧结的设备与工艺的进展
一套完整的微波烧结系统主要结构组成如图3所示。微波源 环形器 定向耦合器 阻抗调配器 烧结腔体 气氛导入水负载 测温仪控制系统
1)微波发生器
微波发生器是微波加工设备的关键部分,它的心脏部分是产生微波的电子管——微波管,其主要作用是产生所需要的微波(能量),然后微波通过波导装置无损耗地传输到微波烧结腔中。目前,工业用微波源的工作频率通常为2 450 MHz和915 MHz。
2)微波波导
微波波导是实现微波能由微波发生器到微波烧结腔之间无损耗传输的重要元件。微波波导的设计及加工工艺对微波加工效率乃至微波加工设备的寿命都是至关重要的。理想的微波波导应实现合适的阻抗匹配,且保证从谐振腔中反射回来的微波不至于直接反射到微波发生器中,避免对微波发生器的损害。
3)微波烧结腔
微波谐振腔是实现物料与微波相互作用的空间,微波能量在此转化为被加工物料的内能,实现对物料的微波加工。微波谐振腔的设计应保证微波能在谐振腔内的均匀分布,且无微波泄漏问题。
4)监控系统
在整个烧结过程中,从升温到烧结、保温、降温都需要根据工艺来控制,这一过程通过计算机控制系统控制微波功率来实现。目前国内外不少厂家已经开发出了微波烧结设备与系统供材料厂家选购,例如,美国科研微波系统公司推出了一种名为ThermWAVE的新型实验微波烧结系统,该系统可以在30分钟内使温度达到1500℃。该ThermWAVE可为工业生产和实验研究提供超快的加热且能耗低、灵活性强,成本低、安装方便、占空间小。该系统应用广泛,可用于陶瓷产品的快速烧结、牙齿修补产品生产、少量贵金属和非贵金属及玻璃的融熔、设计理念和材料开发的快速试验。该系统的一大特点是可控温度范围广、热反应快,对于生产过程中小部件的生产来讲可以大大节约成本。湖南长沙隆泰科技公司生产的微波烧结实验炉、微波连续烧结炉、小型微波烧结炉等已推向市场。
4 微波烧结的技术展望与产业化前景
4.1 微波烧结的技术展望
微波烧结技术的发展已经历了几十年,虽然还有很多不成熟、不完善的地方,但是,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。首先,作为一种省时、节能、节省劳动、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;其次,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;再次,微波与材料耦合的特点,决定了用微波可进行选择性加热,从而能制得具有特殊组织的结构材料,如梯度功能材料。这些优势使得微波烧结在高技术陶瓷及金属陶瓷复合材料制备领域具有广阔的前景。各种材料的介电损耗特性随频率、温度和杂质含量等的变化而变化,由于自动控制的需要,与此相关的数据库还需要建立。微波烧结的原理也需要进一步研究清楚。由于微波烧结炉对产品的选择性强,不同的产品需要的微波炉的参数有很大差异,因此,微波烧结炉的设备需要投资增大。今后微波烧结设备的方向是用模块化设计与计算机控制相结合
  
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