微波燒結微觀機理就是，當微波穿透和傳播到介電材料中時，內部電磁場使電子、離子等產生運動，而彈性慣性和摩擦力使這些運動受到阻礙，從而引起了損耗，從而產生體加熱。
基本介紹
- 中文名：微波燒結微觀機理
- 領域：物理學及其相關學科
微波是一種電磁波，它遵循光的有關定律，可以被物質傳遞、吸收或反射，同時還能透過各種氣體，很方便地實現在各種氣氛保護下的微波加熱及有氣相參與的合成反應。材料在微波場中可簡要地分為下列三種類型：（1）微波透明型材料：主要是低損耗絕緣體，如大多數高分子材料及部分非金屬材料，可使微波部分反射及部分穿透，很少吸收微波。這類材料可以長期處於微波場中而不發熱，可用作加熱腔體內的透波材料。（2）全反射微波材料主要是導電性能良好的金屬材料，這些材料對微波的反射係數接近於1，僅極少數入射的微波能量能透入，可用作微波加熱設備中的波導、微波腔體、攪拌器等。（3）微波吸收型材料：主要是一些介於金屬與絕緣體之間的電介質材料，包括紡織纖維材料、紙張、木材、陶瓷、水、石蠟等。微波加熱技術早在20世紀40年代末期就已產生，50年代美國的VonHippel在材料介質特性方面的開創性研究為微波加熱的套用奠定了基礎。微波燒結就是利用微波加熱原理來對材料進行的燒結。作為一種新型的陶瓷加工技術，微波燒結的套用時間並不長。加拿大的W．R．Tinga等人在60年代末期最早嘗試了用微波加熱及燒結陶瓷材料，並獲得了初步成功。進入80年代以後，人們對微波燒結技術進行了廣泛而深入的研究，並成功的製備出了Al2O3、B4C、Y2O3－ZrO2、SiO2、TiO2、ZnO等陶瓷材料。
1 微波燒結陶瓷材料的基本原理
1）微波燒結的微觀機理
陶瓷材料在微波電磁場的作用下，會產生如電子極化、原子極化、偶極子轉向極化和界面極化等介質極化，參加極化的微觀粒子種類不同，建立或消除極化的時間周期也不一樣。由於微波電磁場的頻率很高，使材料內部的介質極化過程無法跟隨外電場的變化，極化強度矢量P會滯後於電場強度矢量E一個角度，導致與電場同相的電流產生，這就構成了材料內部的耗散。在微波波段，主要是偶極子轉向極化和界面極化產生的吸收電流構成材料的功率耗散。微波燒結的成功與否，關鍵取決於材料自身的特性，如介電性能、磁性能以及導電性能等。當微波穿透和傳播到介電材料中時，內部電磁場使電子、離子等產生運動，而彈性慣性和摩擦力使這些運動受到阻礙，從而引起了損耗，這就產生了體加熱.
2）陶瓷材料的微波燒結設備及工藝參數
典型的微波燒結設備主要由微波發生器、波導管和加熱腔體等組成，。微波燒結設備結構框圖控制系統水負載測溫儀氣氛導入燒結腔體阻抗調配器定向耦合器環行器微波源微波源產生的微波能量由傳輸系統導入加熱腔中，對放置在腔體中的試樣進行加熱和燒結。由於傳輸系統並不總是與加熱腔完全匹配，因此會有一部分微波能被反射回來，而環行器的作用就是將反射回來的微波導向水負載，以保護微波源。微波燒結的工藝參數主要有微波源功率、微波頻率、燒結時間和燒結速度。微波源功率的大小影響著燒結腔中電場的強度，從而也影響著試樣的升溫速度。微波頻率影響著微波燒結過程中試樣吸收微波能的功率密度。頻率越高則試樣在單位時間、單位體積內吸收的微波能量就越多燒結時間和加熱速度對燒結體的組織性能有很大的影響。高溫快燒和低溫慢燒均會造成組織晶粒尺寸不均勻、孔隙尺寸過大等現象，這些都是材料性能惡化的主要原因。
2 陶瓷材料的微波燒結特點
1）整體加熱
微波加熱是將材料自身吸收的微波能轉化為材料內部分子的動能和勢能，熱量從材料內部產生，而不是來自於其它發熱體，這種內部的體加熱所產生的熱力學梯度和熱傳導方式和傳統加熱不同。在這種體加熱過程中，電磁能以波的形式滲透到介質內部引起介質損耗而發熱，這樣材料就被整體同時均勻加熱，而材料內部溫度梯度很小或者沒有，因此材料內部熱應力可以減小到最低程度，即使在很高的升溫速率（500～600℃/min）情況下，一般也不會造成材料的開裂。
2）降低燒結溫度
在微波電磁能的作用下，材料內部分子或離子動能增加，降低了燒結活化能，從而加速了陶瓷材料的緻密化速度，縮短了燒結時間，同時由於擴散係數的提高，使得材料晶界擴散加強，提高了陶瓷材料的緻密度從而實現了材料的低溫快速燒結。因此，採用微波燒結，燒結溫度可以低於常規燒結且材料性能會更優，並能實現一些常規燒結方法難以做到的新型陶瓷燒結工藝，有可能部分取代目前使用的極為複雜和昂貴的熱壓法和熱等靜壓法，為高技術新陶瓷的大規模工業化生產開闢新的途徑。例如，在1100℃微波燒結Al2O3陶瓷1h，材料密度可達96%以上，而常規燒結僅為60%。
3）改善材料性能
材料的自身吸熱，提高了加熱效率，易獲得2000℃以上的高溫，不僅縮短了燒結時間，而且可以改善燒結體的顯微結構，提高材料性能。例如，陶瓷材料的韌性是一個重要指標，提高陶瓷材料韌性的有效途徑之一無疑就是降低晶粒尺寸，即形成細晶粒或超細晶粒結構，由於微波燒結速度快、時間短、溫度低，因而這無疑是形成細晶或超細晶陶瓷的有效手段。
4）選擇性加熱
對於多相混合材料，由於不同材料的損耗不同，因而材料中不同成分對微波的吸收耦合程度不同，熱效應不同，產生的耗散功率也不同，可以利用這點來實現微波能的聚焦或試樣的局部加熱從而實現對複合材料的選擇性燒結，以獲得微觀結構新穎和性能優良的材料，並可以滿足某些陶瓷特殊工藝的要求，如陶瓷密封和焊接等等。
5）瞬時性和無污染
微波加熱過程中無須經過熱傳導，因而沒有熱慣性，即具有瞬時性，這就意味著熱源可以瞬時被切斷和及時發熱，體現了節能和易於控制的特點。同時，微波熱源純淨，不會污染所燒結的材料，能夠方便地實現在真空和各種氣氛及壓力下的燒結。
3 微波燒結在陶瓷材料中的套用
1）氧化物陶瓷
至今，國內外研究者幾乎對所有的氧化物陶瓷材料進行了微波燒結研究。瑞典微波技術研究所用微波能把超純矽石加熱到2000℃以上來製造光纖，與傳統熱源相比，不僅降低能耗，而且減低了石英表面的升華率。美國、加拿大等國用微波燒結來批量製造火花塞瓷、ZrO2、Si3N4、SiC、BaTiO3、SrTiO3、PZT、TiO2，Al2O3－TiC和Al2O3－SiC晶須、鐵氧體、超導材料、氫化鋰等陶瓷材料。對於大多數的氧化物陶瓷材料來說，如SiO2，它們在室溫時對微波是透明的，幾乎不吸收微波，只有達到某一臨界溫度之後，它們的損耗正切值才變得很大。對於這些材料的微波燒結，常加入一些微波吸收材料如SiC作為助燒劑，使它們在常溫時也有很強的微波耦合能力，以達到快速燒結的目的。
2）非氧化物陶瓷
B4C、SiC、Si3N4和TiB2等是用微波成功燒結的為數不多的非氧化物陶瓷材料。Holcombe發現，在用微波燒結非氧化物陶瓷材料的過程中，可加入各種燒結助劑.
3）透明陶瓷
Cable在19世紀60年代首先製備出了透明氧化鋁陶瓷。但是用傳統方法燒結出來的多晶陶瓷由於存在著晶界、第二相和氣孔等結構而極大地影響了其光學性能。而在微波燒結中，樣品自身吸收微波能並將之轉化為自身內部的熱能，從而實現了快速燒結。並且，在微波電磁能的作用下，材料內部分子或離子的動能增加，使燒結活化能降低，擴散係數提高，這樣就使得低溫快速燒結得以實現，從而獲得了緻密度高、晶粒結構均勻的多晶材料，使得由於氣孔和晶界造成的對光線的散射得以大幅度降低，這就提高了多晶陶瓷的透光，因此採用微波燒結的方法比常規燒結更容易製備出透明陶瓷
4 微波燒結存在的問題
儘管至今已對幾乎所有陶瓷材料的微波燒結的可行性進行了研究，但可成功燒結的材料種類並不是很多，一個重要原因就是燒結材料的介質損耗過小或過大，使之不能進行有效的微波加熱。對於介質損耗過低的材料，主要採取添加介質損耗較高的第二相作為微波耦合劑，或者採取混合加熱的方法。對於介質損耗過高的材料，如TiB2、B4C等，一般要對這些材料的表面進行塗層處理後再來微波燒結。微波燒結中存在的另外一個問題是，對於大尺寸、複雜形狀的陶瓷材料在燒結過程中還是很容易出現非均勻加熱現象的，嚴重時，還會導致陶瓷材料開裂。其原因主要有：（1）微波場分布不均勻；（2）特有的微波加熱現象，如熱失控、熱點、選擇加熱等；（3）陶瓷材料本身的原因，如熱膨脹係數大、導熱率低、形狀複雜、尺寸過大等。解決這些問題主要是採用混合加熱、對原材料進行預處理以及能量分配等方法。
