一種節(jié)能、高效的新型材料工藝 ——微波燒結(jié)技術(shù)

1、，EXPERTS FORUM·專家論壇一種節(jié)能、高效的新型材料工藝微波燒結(jié)技術(shù)A New Materials Technology of Economize Energy and High Effect Microwave Sintering Technique中國(guó)西南應(yīng)用磁學(xué)研究所余聲明（四川綿陽信箱）摘 要： 簡(jiǎn)述了微波燒結(jié)技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)、發(fā)展與應(yīng)用，表明它在節(jié)約能源與高效率上是對(duì)材料燒結(jié)工藝技術(shù)的一場(chǎng)革命關(guān)鍵詞：微波燒結(jié)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用1 前言技術(shù)從根本上改變了材料燒結(jié)的工藝現(xiàn)狀，它將成為創(chuàng)造燒結(jié)工藝是材料制備過程中的重要手段和工序，通過具有特殊性能材料的有效手段，具有巨大的

2、發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)燒結(jié)設(shè)備控制燒結(jié)溫度與時(shí)間等參數(shù)以實(shí)現(xiàn)材料的最好特用前景。性。然而傳統(tǒng)燒結(jié)工藝必須經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間與高溫，耗去高的2 微波燒結(jié)的技術(shù)原理、特點(diǎn)與應(yīng)用范圍能量才能達(dá)到目的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近二十年來出現(xiàn)了一種省時(shí)、節(jié)能、節(jié)省勞動(dòng)、無污染的微波燒結(jié)工藝2.1 原理技術(shù)，它正好適應(yīng)了現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的要求。微波燒結(jié)是利用微波加熱來對(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)的，它與微波燒結(jié)（）是一種利用微波高溫傳統(tǒng)的加熱方式不同。傳統(tǒng)的加熱是依靠發(fā)熱體將熱能通過加熱來對(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)的工藝技術(shù)。而微波則是頻率在對(duì)流、傳導(dǎo)或輻射方式傳遞至被加熱物而使其達(dá)到某一溫兆赫到千兆赫的一種電磁波。處于微波場(chǎng)中的材料與微度，熱量從外向內(nèi)傳

3、遞，燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，也很難得到細(xì)晶。圖波耦合，吸收微波能量，轉(zhuǎn)化為熱能。而其溫度大于示出了二者的異同。所以微波燒結(jié)則是利用微波具有的特的微波加熱即為微波高溫加熱技術(shù)。所以微波燒結(jié)就是利殊波段與材料的基本細(xì)微結(jié)構(gòu)耦合而產(chǎn)生熱量，材料的介質(zhì)用微波高溫加熱來達(dá)到燒結(jié)目的的新型工藝技術(shù)。它是快損耗使其材料整體加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化的方法。速制備高質(zhì)量的新材料和制備具有新的性能的傳統(tǒng)材料的微波燒結(jié)技術(shù)的誕生和發(fā)展，已引起傳統(tǒng)燒結(jié)概念的由于微波的體積加熱，得以實(shí)現(xiàn)材料中大區(qū)域的零梯突破，被材料界譽(yù)為“燒結(jié)技術(shù)的一場(chǎng)革命”。微波燒結(jié)度均勻加熱，使材料內(nèi)部熱應(yīng)力減少，從而減少開裂、變2008.03·

4、專家論壇·EXPERTS FORUM，傳統(tǒng)加熱傳熱方向：外向與被加熱物質(zhì)無關(guān)能量傳遞過程外設(shè)發(fā)熱體的面加熱大量的能量損失在環(huán)境中對(duì)材料的熱處理完全依靠熱效應(yīng)微波加熱內(nèi)外（同時(shí)進(jìn)行）與被加熱物質(zhì)直接相關(guān)能量轉(zhuǎn)換過程自身整體加熱能量集中在被加熱物質(zhì)同時(shí)具有熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)即特有的微波效應(yīng)圖微波加熱與傳統(tǒng)加熱的異同，EXPERTS FORUM·專家論壇節(jié)能高效由于微波能被材料直接吸收而轉(zhuǎn)化為熱能而達(dá)到輻射傳導(dǎo)熱能的目的，微波燒結(jié)直接加熱樣品的能，所以，能量利用率極高，同時(shí)，燒結(jié)溫度亦有不同程機(jī)理決定了其比傳統(tǒng)燒結(jié)在節(jié)能方面的優(yōu)越。傳統(tǒng)燒結(jié)往度的降低，比常規(guī)燒結(jié)節(jié)能以上。往需要大量

5、的保溫材料，而其中相當(dāng)大的能量被這部分材綠色環(huán)保微波加熱過程無廢氣、廢渣，無污染，料吸收，而微波燒結(jié)中所需要的保溫材料僅僅只是傳統(tǒng)的屬于綠色環(huán)保能源。而微波燒結(jié)的能耗較傳統(tǒng)燒結(jié)工藝大大降低。為說明它的上述優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)引用近年來在磁性行業(yè)不少實(shí)驗(yàn)表明，耗電量?jī)H相當(dāng)于傳統(tǒng)燒結(jié)能耗的左右。企業(yè)也開始的微波燒結(jié)工藝的試驗(yàn)成果。湖南長(zhǎng)沙隆泰科（）材料的品質(zhì)提高。技公司，李俊等先后用微波燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行了、表為國(guó)內(nèi)外微波燒結(jié)與傳統(tǒng)燒結(jié)高磁導(dǎo)率鐵氧軟磁材料和旋磁材料的研究。體材料主要性能的比較。它們充分吸收和綜合各方面的優(yōu)秀成果，采用雙色紅這又充分證明了微波燒結(jié)的優(yōu)越性。外線測(cè)溫儀實(shí)現(xiàn)精確測(cè)溫，采用大功率高精度程控

6、微波源實(shí)現(xiàn)溫度控制和升降溫速率控制，通過對(duì)保溫體的科學(xué)設(shè)3 微波燒結(jié)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)展計(jì)和輔熱材料的合理搭配選擇等，開發(fā)出國(guó)內(nèi)首臺(tái)具有完全自主知識(shí)主權(quán)、用于高溫?zé)Y(jié)實(shí)際生產(chǎn)的微波鐘罩爐，3.1 微波燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展并實(shí)際用于高磁導(dǎo)率、和旋磁鐵氧體材料的燒材料的微波燒結(jié)開始于世紀(jì)年代中期，結(jié)，取得了較好結(jié)果。首先提出了陶瓷材料的微波燒結(jié)技術(shù)；到世紀(jì)年代中相比傳統(tǒng)燒結(jié)耗時(shí)耗能的生產(chǎn)工藝，微波燒結(jié)磁性材期，法國(guó)的和開始對(duì)微波燒結(jié)技術(shù)料表現(xiàn)出的優(yōu)越性能主要體現(xiàn)在：進(jìn)行系統(tǒng)研究。世紀(jì)年代以后，各種高性能的陶瓷和（）燒結(jié)溫度降低和燒結(jié)時(shí)間大大縮短。圖為磁性材金屬材料得到了廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的制備技術(shù)也成了人們關(guān)料

7、的微波燒結(jié)與傳統(tǒng)燒結(jié)溫度曲線。注的焦點(diǎn)，微波燒結(jié)以其特有的節(jié)能、省時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，得到（）保溫材料大大減少，環(huán)境熱損失減少。了美國(guó)、日本、加拿大、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的政府、比較傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)需要首先給予周圍環(huán)境足夠的熱工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的廣泛重視，我國(guó)也于年將其納入“”計(jì)劃。在此期間，主要探索和研究了微波理論、微波燒結(jié)裝置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料燒結(jié)工藝、材料介電參數(shù)測(cè)試，材料與微波交互作用機(jī)制以及電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等，燒結(jié)了許多不同類型的材料。世紀(jì)年代后期，微波燒結(jié)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，美國(guó)、加拿大、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家開始小批量生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品。其中，美國(guó)已具有生產(chǎn)微波連續(xù)燒結(jié)設(shè)備的能力，我國(guó)也有部分企業(yè)能制

8、圖微波燒結(jié)與傳統(tǒng)燒結(jié)溫度曲線造微波燒結(jié)爐。表國(guó)內(nèi)外微波燒結(jié)與傳統(tǒng)燒結(jié)高磁導(dǎo)率鐵氧體材料主要性能的比較性能日本日本荷蘭飛利浦德國(guó)西門子中國(guó)廠隆泰科技±±±±±±±±（）（）/A·m·（）Td/g·cm2008.03·專家論壇·EXPERTS FORUM，3.2 微波燒結(jié)的技術(shù)進(jìn)展微波能促進(jìn)陶瓷的燒結(jié)，但其微觀機(jī)理卻尚不清楚。黃向東等從微波電場(chǎng)使帶電缺陷（如空位、間隙離子）產(chǎn)生定向移動(dòng)的角度，分析了微波對(duì)擴(kuò)散的作用，指出：在微波燒結(jié)陶瓷制品時(shí)，相對(duì)于常規(guī)燒結(jié)，微波只是促

9、進(jìn)了平行于電場(chǎng)方向的致密化，在宏觀上對(duì)于電場(chǎng)方向不隨時(shí)間轉(zhuǎn)向的偏振電磁波，平行于電場(chǎng)方向的收縮率大于垂直電場(chǎng)方向的收縮率。等對(duì)微波場(chǎng)中的電荷傳運(yùn)研究表明：微波場(chǎng)的存在未提高原有空位的運(yùn)動(dòng)能力，而是提高了電荷傳運(yùn)的驅(qū)動(dòng)力。另外，還對(duì)固體中的離子在微波場(chǎng)中的傳送進(jìn)行了數(shù)值模擬。一套完整的微波燒結(jié)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成如圖所示?？刂葡到y(tǒng)圖微波燒結(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖微波燒結(jié)系統(tǒng)主要由微波源（發(fā)生器）、微波波導(dǎo)、阻抗調(diào)配器、燒結(jié)腔、過程監(jiān)控系統(tǒng)以及安全保護(hù)系統(tǒng)等幾部分組成。）微波發(fā)生器微波發(fā)生器是微波加工設(shè)備的關(guān)鍵部分，它的心臟部分是產(chǎn)生微波的電子管微波管，其主要作用是產(chǎn)生所需要的微波（能量），然后微波通過波導(dǎo)裝置

10、無損耗地傳輸?shù)轿⒉Y(jié)腔中。目前，工業(yè)用微波源的工作頻率通常為和。）微波波導(dǎo)微波波導(dǎo)是實(shí)現(xiàn)微波能由微波發(fā)生器到微波燒結(jié)腔之間無損耗傳輸?shù)闹匾?。微波波?dǎo)的設(shè)計(jì)及加工工藝對(duì)微波加工效率乃至微波加工設(shè)備的壽命都是至關(guān)重要的。理想的微波波導(dǎo)應(yīng)實(shí)現(xiàn)合適的阻抗匹配，且保證從諧振腔中反射回來的微波不至于直接反射到微波發(fā)生器中，避免對(duì)微波發(fā)生器的損害。）微波燒結(jié)腔微波諧振腔是實(shí)現(xiàn)物料與微波相互作用的空間，微波能量在此轉(zhuǎn)化為被加工物料的內(nèi)能，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的微波加·工。微波諧振腔的設(shè)計(jì)應(yīng)保證微波能在諧振腔內(nèi)的均勻分布，且無微波泄漏問題。）監(jiān)控系統(tǒng)在整個(gè)燒結(jié)過程中，從升溫到燒結(jié)、保溫、降溫都需要根據(jù)工藝

11、來控制，這一過程通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制微波功率來實(shí)現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)外不少?gòu)S家已經(jīng)開發(fā)出了微波燒結(jié)設(shè)備與系統(tǒng)供材料廠家選購(gòu)，例如，美國(guó)科研微波系統(tǒng)公司推出了一種名為的新型實(shí)驗(yàn)微波燒結(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在分鐘內(nèi)使溫度達(dá)到。該可為工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究提供超快的加熱且能耗低、靈活性強(qiáng)，成本低、安裝方便、占空間小。該系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，可用于陶瓷產(chǎn)品的快速燒結(jié)、牙齒修補(bǔ)產(chǎn)品生產(chǎn)、少量貴金屬和非貴金屬及玻璃的融熔、設(shè)計(jì)理念和材料開發(fā)的快速試驗(yàn)。該系統(tǒng)的一大特點(diǎn)是可控溫度范圍廣、熱反應(yīng)快，對(duì)于生產(chǎn)過程中小部件的生產(chǎn)來講可以大大節(jié)約成本。湖南長(zhǎng)沙隆泰科技公司生產(chǎn)的微波燒結(jié)實(shí)驗(yàn)爐、微波連續(xù)燒結(jié)爐、小型微波燒結(jié)爐等已推向市場(chǎng)。4 微波燒結(jié)的技術(shù)展望與產(chǎn)業(yè)化前景4.1 微波燒結(jié)的技術(shù)展望微波燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷了幾十年，雖然還有很多不成熟、不完善的地方，但是，它具有常規(guī)技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)示了它廣闊的發(fā)展前景。首先，作為一種省時(shí)、節(jié)能、節(jié)省勞動(dòng)、無污染的技術(shù)，微波燒結(jié)能滿足當(dāng)今節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的要求；其次，它所具有的活化燒結(jié)的特點(diǎn)有利于獲得優(yōu)良的顯微組織，從而提高材料性能；再次，微波與材料耦合的特點(diǎn)，決定了用微波可進(jìn)行選擇性加熱，從而能制得具有特殊組織的結(jié)構(gòu)材料，如梯度功能材料。這些優(yōu)勢(shì)使得微波