新闻中心

News

先进陶瓷微波烧结技术的研究与产业化应用

日期: 2018-12-27
浏览次数: 874

微波烧结是一种新型的材料致密化烧结工艺,它是利用微波加热对材料进行烧结。材料的微波烧结始于20世纪60年代中期,LevinsonTinga首先提出陶瓷材料的微波烧结;从70年代中期到90年代中期,国内外对微波烧结技术进行了系统研究,体现在不同材料的微波理论、装置系统优化、介电参数、数值模拟和烧结工艺等方面;90年代后期,微波烧结进入产业化阶段,美国、加拿大、德国、日本等发达国家开始小批量生产陶瓷产品。我国在1988年将微波用于材料烧结,目前已经取得了很大的进展,正逐步向产业化方向发展。微波烧结技术因其在陶瓷材料制备领域的突出优势,被誉为“21世纪新一代烧结术[1]

 

01

微波烧结的原理与装置结构

 

微波烧结原理与传统烧结有着本质区别。传统烧结是工频电流流过负载电阻,电阻把电能转换成热能,通过对流、辐射、传导方式将热量传递到被烧结的材料,然后材料通过自身的热传导由表及里升温,从而达到烧结目的。微波烧结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,材料在电磁场中的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度,实现致密化的方法。


先进陶瓷微波烧结技术的研究与产业化应用

 

 

一般的微波烧结装置主要由微波源系统,微波传输系统,微波烧结腔和监测控制系统4部分组成。其结构如图1所示:可长时间连续工作的磁控管,它将直流电场中取得的直流能量最大限度地转换成微波能量,储存于谐振腔中,并通过能量耦合器输出到微波传输系统。微波源的工作频率一般为2.45GHz,输出功率连续可调。在磁控管与烧结腔之间一般配有三端口环形器,其作用主要是引导微波反射回来的能量进入水负载,保护微波功率源不受大功率反射波的损坏。微波能量以某种模式通过波导传输到微波烧结腔中,在腔体电场或磁场最强处放置烧结材料,使微波源的反射功率最大限度地减小,从而使材料在此加热点能量利用率最高。监测控制系统包括测温,测反射以及气体的导入导出等[2]

 

先进陶瓷微波烧结技术的研究与产业化应用 

 

02

 微波烧结的优缺点

 

与传统的烧结工艺相比,微波烧结具有如下优点:

 


1.降低烧结温度,与传统烧结相比,降温幅度最大可达500℃左右。


2.高效节能,比传统烧结节能70%90%。由于微波烧结的时间大大缩短,因此大大提高了能源的利用效率[3]


3.安全无污染。微波烧结的快速烧结特点使得在烧结过程中作为烧结气氛的气体的使用量大大降低,这不仅降低了成本,也使烧结过程中废气、废热的排放量得到降低。


4.提高快速升温条件下材料的性能。使用微波烧结快速升温和致密化可以抑制晶粒组织长大,从而制备纳米粉末、超细或纳米块体材料。

 

5.提高致密度,增加晶粒均匀性。微波辐射可提高粒子动能、有效加速粒子扩散。材料烧结过程包括致密化阶段和晶粒生长阶段,致密化速率主要与坯体颗粒间的离子扩散速率有关,晶粒生长速率则主要依赖于晶界扩散速率。所以微波烧结有助于提高材料致密度,增加晶粒均匀性。

 

但微波烧结也体现出了传统烧结不曾有的缺点[4]

 

加热设备复杂、需特殊设计、成本高;同时,由于不同介质吸收微波的能力及微波耦合不同,出现了微波可吸收材料,半吸收材料,不吸收材料等,选择性加热使得微波透过材料不能烧结,同时出现热斑现象。

 

03

影响微波烧结效果的因素

 

影响微波烧结效果的因素主要有:所使用的微波频率,烧结时间与烧结升温速度,材料本身的介电损耗特性等[3]

 


1.使用高的微波频率对烧结过程有两方面的影响:可以改善微波烧结的均匀性,加快烧结过程。提高频率对改善微波加热的均匀性有一定的作用。另一方面,使用的微波频率越高,在单位时间内样品吸收的能量越多,烧结致密化速度越快。


2.烧结时间和加热速度对烧结体的组织性能有很大的影响。高温快烧和低温慢烧均会造成组织晶粒尺寸不均匀,孔隙尺寸过大等现象。过快的加热速度会在材料内部形成很大的温度梯度,产生的热应力过大会导致材料开裂。


3.材料本身的特性也对微波烧结有很大的影响。微波烧结是利用材料对微波的吸收转化为材料内部的热量而使材料升温,因而存在材料吸收微波能力的问题。烧结工艺与具体的微波装置、每种材料本身特性有关。对于介电损耗高、介电特性也不随温度发生剧烈变化的陶瓷材料,微波烧结的加热过程比较稳定,加热过程容易控制。但是大多数陶瓷材料存在一个临界温度点,在室温至临界温度点以下介电损耗较低,升温较困难。一旦材料温度高于临界温度,材料的介电损耗急剧增加,升温就变得十分迅速甚至发生局部烧熔现象。

 

04

微波烧结技术亟待解决的问题

 

因其本身的复杂性,微波烧结技术在先进陶瓷材料乃至整个材料学领域还有许多问题亟待解决,一些基础性研究还有待开展,具体总结为以下几个方面[5]

 

1.进一步加强材料科学、电磁场理论以及固体电介质理论的系统综合与研究,为微波烧结机理的探索提供理论依据。


2.致力于各种材料介电参数的测定及相应数据库的建立,为研究微波与材料的相互作用原理提供详尽的数据支撑。


3.尝试应用有限元分析等方法对材料的微波烧结进行计算机模拟,对材料的烧结工艺和加热机制进行更直观的分析和研究。

 

4.加快研制更加自动化、智能化、更高功率密度的微波烧结设备,是微波烧结技术向大规模产业化转变的关键所在。

 

05

微波烧结工艺的应用及产业化

 

目前已知适合微波工艺的先进陶瓷材料主要有以下几类,氮/碳化物:TiN、AIN、VN、Si3N4TiC、SiC、WC、VC、B4C、TiCN、BN;硼化物:TiB2ZrB2;氧化物:ZrO、TiO2ZnO、CeO2;介质材料:Al2O3YO、SiC等。到目前为止,几乎所有的陶瓷材料已经使用微波工艺进行了烧结。但陶瓷材料微波烧结工艺产业化发展远不如研究领域活跃。据报道,到目前为止也仅有Al2O3ZnO、WC/Co、V2O5等陶瓷材料实现了小规模工业化生产。目前国际上率先实现微波技术中小规模产业化应用的国家,主要有美国、加拿大、德国、日本。其产品主要集中在硬质合金、氧化铝结构陶瓷、高温耐火陶瓷材料、日用陶瓷材料等[4]

 

材料介质特性数据缺乏和设备的缺乏、昂贵,是阻碍微波烧结技术发展产业化最主要的两大障碍[4]。其中,微波烧结设备是影响微波烧结工艺产业化的重要因素。由于微波本身的特性,在微波炉腔体中的场强往往不均匀,会出现过热点,需通过有效设计获得较大范围的均匀微波场。另外高额的设备价格及维护费用,在成本上显示不出其显著的优越性,最大问题在于功率磁控管的价格及维护。同时,微波烧结参数的差异是影响微波烧结工艺产业化的主要原因。不同材料的介质损耗系数有很大差异,同一材料在不同烧结工艺下,介质损耗系数也不同;会造成热失控。一些热膨胀系数大而热导率又较小的陶瓷材料在微波降温段,由于试样中存在的温度梯度而引起的热应力开裂和变形。同时不同类型的微波烧结炉功率参数、磁场设计方式、烧结腔体保温性能、烧结材质的差异等都会导致微波烧结参数的多变。

 

虽然对于实现微波技术在先进陶瓷材料的工业化生产目前还有许多困难,但微波烧结工艺所展现的传统烧结工艺无法比的优势,势必成为推动微波烧结技术工业化发展的动力。随着微波烧结设备朝着更高功率密度、自动化、智能化方向的发展,微波烧结技术必将成为最具应用前景的新一代烧结技术[3]

 

参考文献

1]殷增斌,袁军堂,程寓,等.陶瓷材料微波烧结工艺与机理研究现状[J].硅酸盐通报,2016,35(5): 1492-1497.

2]李远,汪建华,熊礼威,等.微波烧结陶瓷的研究进展[J].热处理技术与装备,2011,32(2): 7-11.

3]范景莲,黄伯云,刘军,等.微波烧结原理与研究现状[J].粉末冶金工业,2004,14(1): 29-33.

4]周书助,伍小波,高凌燕,等.陶瓷材料微波烧结研究进展与工业应用现状[J].硬质合金,2012,29(3): 174-180.

5]王飞,周新贵,余金山,等.微波烧结工艺制备陶瓷材料的研究现状[J].材料导报,2011,25(10): 28-31.

  先进陶瓷微波烧结技术的研究与产业化应用

      明:文章内容转载粉体网,仅作分享,不代表本号立场,如有侵权,请联系编除,谢谢!


News / 推荐新闻 More
2019 - 04 - 25
截止到2018年年底,全球154个移动运营商正在进行5G技术测试或试验,参与5G的国家已经扩展到66个。随着5G时代的到来,手机产业又将迎来一轮新的变革,手机背板市场面临着重新洗牌。其中氧化锆陶瓷在新一轮技术洗牌中脱颖而出。一、氧化锆陶瓷手机背板脱颖而出5G时代要求信号传输速度更快,是4G的1~100倍。5G通信将采用3Ghz以上的频谱,其毫米波的波长更短,与金属背板相比,陶瓷背板对信号无干扰,且拥有其他材料无可比拟的优越性能,受到手机生产商的青睐。在所有的陶瓷材料中,氧化锆陶瓷除了具有高强度、高硬度、耐酸碱耐腐蚀及高化学稳定性等优点,同时具有抗刮耐磨、无信号屏蔽、散热性能优良、外观效果好等特点,因此成为继塑料、金属、玻璃之后一种新型的手机机身材质。目前氧化锆陶瓷在手机中的应用主要是背板和指纹识别盖板两部分。某厂家生产的氧化锆陶瓷球某厂家生产的氧化锆陶瓷手机背板二、氧化锆手机陶瓷制备及难点...
2019 - 04 - 23
纳米陶瓷是纳米材料的一个分支,是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能。在陶瓷基体中引入纳米分散相进行复合,能使材料的力学性能得到极大的改善。纳米陶瓷的增韧有改善陶瓷的力学性能,提高陶瓷稳定性等的作用。其主要增韧机理有以下几种。裂纹偏转裂纹偏转增韧是裂纹非平面断裂效应的一种增韧方式。当纳米颗粒与基体间存在热膨胀系数差异时,残余热应力会导致瓷体中的扩展裂纹发生偏转,使得裂纹扩展路径延长,有利于材料韧性的提高。裂纹偏转方向与纳米颗粒和基体间热膨胀系数的相对大小有关。当基体的热膨胀系数较大时,裂纹向纳米颗粒扩展,如果纳米颗粒本身及其与基体间的结合强度足够大,纳米颗粒此时甚至可以对裂纹起到钉扎的作用;当基体的热膨胀系数较小时,扩展裂纹趋向于沿切向绕过纳米颗粒。裂纹扩展到达晶须时,被迫沿晶须偏转,这意味着裂纹的前行路径更长,裂纹尖端的应力强度减少,裂纹...
2019 - 04 - 20
多孔陶瓷是一种新型陶瓷材料,也称为气孔功能陶瓷,它是成型后经高温烧成,体内具有大量彼此相通或闭合气孔的陶瓷材料。根据成孔方法和空隙,多孔陶瓷可分为:泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷、粒状陶瓷,其对应气孔率如下:多孔陶瓷材料由于其独特的多孔结构而体积密度小、比表面积高、热导率低,加之陶瓷材料本身特有的耐高温、强度高、化学稳定性好等特点,目前已广泛应用于环保、节能、化工、冶炼、食品、制药、生物医疗等多个领域。一、多孔陶瓷材料用于过滤与分离装置多孔过滤陶瓷管多孔陶瓷的板状或管状制品组成的过滤装置具有过滤面积大、过滤效率高的特点。被广泛应用于水的净化处理、油类的分离过滤以及有机溶液、酸碱溶液、其它粘性液体和压缩空气、焦炉煤气、蒸气、甲烷、乙炔等气体的分离。由于多孔陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀、机械强度高等优点,在腐蚀性流体、高温流体、熔融金属等应用领域,正日益显示其特有的优势。二、多孔陶瓷材料用于吸音降噪...
2019 - 04 - 18
氧化铝粉体是工业化生产中最重要的粉体材料之一,而球形粉体,特别是高度分散的球形粉体,因其本身的球形结构使得其具有良好的流动性,加上其分散性,更大的比表面积以及其本身的物化性能,使得其在更多的应用领域中发挥作用。因此,随着日新月异的工业化发展,球形氧化铝粉体必将得到更深层次的开发及更广泛的应用。一、氧化铝家族从广义上讲,氧化铝可以分为含水氧化铝和无水氧化铝两大类。水合氧化铝向α-Al2O3的转变氧化铝及其水合物的不同晶型和特有的理化性能,决定了它们在石油化工、电子、耐火材料、陶瓷、磨料、制药以及航空航天等领域都有广泛的应用。另一方面,正是氧化铝粉体的物化性质的稳定性,所以想通过直接加工氧化铝粉体而提高其性能是极为困难的。因此要得到更高性能的氧化铝粉体需要从合成制备技术开始。二、球形氧化铝的制备粉体球化方法包括物理方法和化学方法。按照不同的物质聚集方式,可将制备球形氧化铝的方法系统地分为气相法...
分享到:
新之联伊丽斯(上海)展览服务有限公司
广州公司 电话:020-8327 6369
电邮:iacechina@unifair.com
上海公司 电话:4000 778 909
电邮:iacechina@unirischina.com
版权所有 2017-2020 新之联伊丽斯(上海)展览服务有限公司
犀牛云提供企业云服务
关注展会官微,在线看展