[科普中国]-微波烧结

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。

定义微波烧结是一种材料烧结工艺的新方法，它具有升温速度快、能源利用率高、加热效率高和安全卫生无污染等特点，并能提高产品的均匀性和成品率，改善被烧结材料的微观结构和性能，已经成为材料烧结领域里新的研究热点。

微波烧结也是一种陶瓷的快速烧结方法，但微波烧结法区别于其他方法的最大特点是其独特的加热机理。所谓微波烧结，是指微波直接与物质粒子(分子、离子)相互作用，利用材料的介电损耗使样品直接吸收微波能量从而得以加热烧结的一种新型烧结方法。1

优点微波烧结的优点是：①可经济地获得200℃高温；②加热速度快，升温速率可达50℃/min；③具有即时性特点，只要有微波辐射，物料即刻得到加热，微波停止加热也立刻停止；④微波能量转换率高，可达80%-90%；⑤与常规烧结相比烧结温度降低，同时快速升温可以抑制晶粒组织长大，获得超细晶粒结构材料，显著改善材料的显微组织。

微波烧结可制备不锈钢、钢铁合金、铜锌合金、钨铜合金、镍基高温合金、硬质合金及电子陶瓷等。2

技术原理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，也很难得到细晶。

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。

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。

技术特点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、 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。

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。

历史沿革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。

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，相应的制备技术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、德国等发达国家的政府、工业界、学术界的广泛重视。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。国内仅有INNOV-SOURCE自2002年由归国博士彭虎等人组建了专家团队在国内融资成立，进行了较大的投入对材料微波工艺研究，实现了部分高温领域实验与产业化工业微波装备的研制实施和应用。国内其他从事微波产业化设备的机构与企业主要针对低温微波杀菌、硫化等食品、医药、木材等等行业。

传统加热炉是依靠发热体将热能通过对流、传导和辐射方式传递给被加热物质，热量从外向内缓慢传递，烧结时间长，很难得到具有细晶组织的制品。微波烧结是利用微波电磁场与材料介质相互作用，导致介电损耗而使陶瓷表面和内部同时均匀受热，利用材料自身发热(体积性加热)进行烧结：介质对微波的吸收是由于耦合后微波能发生电导损耗和傲化损耗 如果介质是导电材料，以电导损耗为主，吸收微波能力较低；如果介质为电绝缘和半导体材料，则以极化损耗为主，吸收微波能力较强．，因此，微波烧结具有加热快速、均匀、高效节能、无热源污染等许多优点，引起陶瓷材料领域科技人员的极大关注。从1998年开始，美国材料研究会(MRS)将微波烧结技术作为专题进行讨论。3

微波加热自蔓延高温成则是微波应用的另一重要方面。1990年，美国佛吉尼亚州立大学的R.C.Dalton等首先提出微波加热在自蔓延高温合成中的应用，并用该技术合成了TiC等9种材料。接着，英、德、美的科学家相继用此法合成了YBCuO，Si3C4，Al2O3-TiC等材料。1996年，美国J.K.Bechtholt等对微波自蔓延高温合成中的点火过程进行了数值模拟分析，通过模拟准确计算了点火时间。1999年，美国S.Gedevabshvili和D.Agrawal等用该技术合成了Ti-Al，Cu-Zn-Al等几使种金属间化合物和合金。

美国宾夕法尼亚州州立大学的Rustum Roy，Dinesh Agrawal等用微波烧结制造出粉末冶金不锈钢、铜铁合金、钨铜合金及镍基高温合金。其中，Fe-Ni的断裂模量比常规烧结制备的大60%。另外，高磁场条件下的微波烧结能够制备长骨完全非晶态的磁性材料，将具有显著硬磁特性的材料（如NdFeB永磁体）变成软磁材料。

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（synotherm）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。

相关案例国内微波烧结产业化实例国际知名微波热处理研究与开发机构INNOV-SOURCE是中国率先将被誉为“二十一世纪新一代技术”的微波高温加热技术全面应用于现代工业加热与新材料生产领域的高新技术企业，拥有以留美博士领衔外籍专家加盟的国际化多学科核心技术团队，技术居世界领先地位。

设备案例INNOV-SOURCE的微波辊道窑系列是全球首创的超大型标准化微波窑炉装备，广泛适用于各种物料在低温至高温及多气氛条件下的干燥、固化、热解、煅烧、焙烧、合成、烧结及热处理等。

主要特点采用INNOV-SOURCE;独有的微波源及其控制技术，确保微波源系统在各种复杂环境下长期连续稳定工作，其中磁控管的正常使用寿命≥1年；

产能巨大，微波功率、窑长根据客户需要进行设计；窑腔横截面积宽大，适合较大尺寸的坯件；

采用按SYNOTHERM®标准特制的高效微波传输系统，对物料进行均匀馈能；同时采用INNOV-SOURCE;独创的数理模型，结合加热工艺要求进行科学的腔体设计，使微波能与物料达成最佳耦合，以确保物料温度场均匀稳定，微波利用效率最高；

科学分布微波功率，实现精确温控曲线；

多种气氛（空气、氧气、氮气、惰性气体、弱还原性气体等）精细（分区）可控；

安全可靠的微波屏蔽设计，确保微波泄漏量