中國粉體網(wǎng)訊 微波燒結的概念在1968年由Tinga.W.R等人提出。70年代中期，Berteand和Badot成功利用微波燒結Al2O3、SiO2、Y2O3和ZrO2等陶瓷材料，研究表明采用微波燒結法時燒結溫度顯著下降，燒結時間減少。90年代末，Roy等利用微波技術首次成功燒結制備了金屬粉體成形件，之后國內(nèi)外對微波燒結技術進行了大量研究，高性能陶瓷和金屬材料逐漸開始得到應用。
微波燒結之所以廣泛吸引人們關注，原因在于相比于傳統(tǒng)燒結具有的眾多優(yōu)勢，如加熱周期短、加熱速率快、微觀結構好、節(jié)能低耗、環(huán)境友好及產(chǎn)品機械性能優(yōu)良等等。
微波燒結技術在陶瓷材料的燒結與連接、無機合成、粉末冶金、水泥及混凝土材料的加工、復合材料的研發(fā)、工業(yè)和放射性廢物處理等領域具有突出優(yōu)勢，具有廣闊的工業(yè)應用前景。隨著人們對微波燒結技術的研究，它逐漸成為陶瓷材料燒結工藝中的研究熱點。
微波燒結技術的原理
微波燒結的本質(zhì)是一種高頻電磁波，它的頻率一般在300MHz~300GHz之間，它通常使用的頻率主要是2.45GHz，微波燒結是利用材料吸收微波能量使材料從內(nèi)向外整體加熱而使樣品實現(xiàn)致密化。不同的介質(zhì)材料在特定頻率下進行微波電磁場耦合時，介質(zhì)材料會產(chǎn)生介質(zhì)極化。若將這種材料置于交變的電場之中，介質(zhì)材料中的極性分子取向隨著電場的極性變化而變化，微波高頻電磁場頻率很高，且不斷變化，分子排列取向也不斷發(fā)生變化，分子間發(fā)生劇烈運動，電磁能不斷被損耗，逐漸轉(zhuǎn)化為分子間劇烈運動的動能，從而實現(xiàn)從電磁能向熱能的轉(zhuǎn)變，導致材料溫度升高。
微波燒結的特點
(1)極快的加熱速度
微波燒結是利用材料的介質(zhì)損耗使樣品從內(nèi)向外整體加熱，從而實現(xiàn)樣品的致密化。微波燒結為瞬時加熱，當儀器啟動后，微波照射使得被加熱樣品的內(nèi)部結構發(fā)生微波磁場耦合，從而產(chǎn)生熱能，具有快速燒結特點。微波燒結一般的加熱速度可達幾十度每分鐘。
(2)整體性加熱
微波燒結與傳統(tǒng)燒結熱傳遞方式不同，其中傳統(tǒng)燒結是從外向內(nèi)進行加熱，使得樣品內(nèi)部出現(xiàn)較大的溫度差，晶粒大小不均勻，樣品致密度低。而微波燒結是借助微波場的熱振動對樣品進行從內(nèi)向外整體加熱，樣品內(nèi)部各位置的溫差較小，晶粒生長均勻，有效改善材料的顯微結構，提高其各方面性能。
微波燒結與傳統(tǒng)燒結對比圖(左圖為傳統(tǒng)燒結，右圖為微波燒結)
（圖片來源：王玉潔. 固態(tài)電解質(zhì)Li7La3Zr2O12的微波燒結及摻雜改性研究）
(3)促進產(chǎn)品致密化
燒結過程包括粒子致密化和晶粒長大兩階段。其中，致密化進程與粒子間的擴散緊密相關，晶粒長大過程取決于晶界的擴散。在微波燒結過程中，微波緊密集中于試樣，其快速升溫的特點加速了試樣表面粒子的離子化進程，進而加速了顆粒之間的擴散并促進了致密化階段。另一方面，在微波對晶界處的微粒強烈的耦合作用下，晶界附近的微粒獲得了較高的動能并進一步向晶界擴散，這就加速了燒結過程中晶粒的長大。由于微波燒結快速加熱和均勻加熱的特點，燒結產(chǎn)品通常具有晶粒尺寸分布均勻及致密度高等特性。
(4)選擇性燒結
微波燒結主要利用被加熱物質(zhì)介質(zhì)損耗使材料從內(nèi)向外整體加熱，而不同物質(zhì)對于電磁場所產(chǎn)生的介質(zhì)耦合不同，產(chǎn)生的熱能也不同。可以利用這一特點對不同陶瓷材料進行選擇性燒結。
(5)安全無污染、能耗低
傳統(tǒng)燒結的加熱方式是通過熱輻射和熱傳導的方式對物質(zhì)進行加熱，加熱過程中材料內(nèi)部位置的溫度差較大，會使得樣品內(nèi)部缺陷增多，且所需熱量損耗較大。而微波燒結利用被加熱物質(zhì)自身的介質(zhì)損耗與電磁場之間的作用產(chǎn)生熱能從而加熱，基本上無損耗。除此以外，微波熱源純凈，不會像煤油、氣等燃燒污染環(huán)境。
微波燒結技術的應用
在美國賓夕法尼亞大學成功利用微波燒結技術加熱粉末金屬及其合金后，美國、中國、日本、德國、日本、印度、新加坡等國均對該項技術應用于金屬材料制備做了相應研究。短短幾年時間內(nèi)就報道出了大量微波燒結金屬材料及其合金的成功實例，具體包括Fe基合金、Cu基合金、Al基合金、Mg基合金、金屬W、金屬Cu、金屬Fe、金屬Ni及其他金屬間化合物。而對于Ti基合金和復合材料的研究進展也較為迅速，現(xiàn)階段主要著重于Ti基陶瓷體和Ti基合金植入材料的研究。
近些年來，隨著新能源行業(yè)的不斷發(fā)展，微波燒結也逐漸被應用于鋰電池行業(yè)，但主要集中在電池正極材料的合成，比如He等人通過微波輔助流變相法制備得到純相的尖晶石LiMn2O4正極材料，與傳統(tǒng)制備方法相比，該方法合成樣品大大縮短了合成時間，并且合成后的樣品的初始電化學比容量和倍率循環(huán)穩(wěn)定性得到顯著提高。
Leopold Hallopeau等人以Li2CO3、TiO2、NH4H2PO4和Al2O3為原料，采用微波輔助一步法燒結技術在890°C保溫10min的條件下成功制備出了LATP致密陶瓷，與傳統(tǒng)燒結相比，大大降低燒結溫度和時間，并且獲得較高的室溫電導率3.15×10-4S/cm。微波輔助燒結在電解質(zhì)制備領域，應用較為少見，可以進行進一步的探索研究。
小結：
微波燒結工藝作為一種新型的燒結工藝，不僅僅是一種加熱能源，更是一種活化燒結過程，具有傳統(tǒng)燒結技術無法超越的優(yōu)點，其工藝的優(yōu)越性以及制備的復合材料具有的功能性廣泛引起了人們的關注，預示著可觀的發(fā)展前景。一方面，作為一種節(jié)能、高效、無污染的新技術，微波燒結更能滿足人們和環(huán)境的需求；另一方面，微波燒結獨具的活化燒結特點有利于制備出微觀結構優(yōu)良，綜合性能良好的材料，能夠更好的滿足人們對功能材料的需求。微波燒結技術的推廣對于降低燒結成本、提高燒結效率及改革燒結技術有重要意義。
參考文獻
1、謝蒙優(yōu)，石建軍等. 微波燒結技術的研究進展及展望
2、廖益龍. 微波燒結技術在Ti基復合材料制備中應用研究
3、王玉潔. 固態(tài)電解質(zhì)Li7La3Zr2O12的微波燒結及摻雜改性研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
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