中國粉體網訊 微波燒結作為一種材料燒結工藝被譽為“新一代燒結技術”。材料的微波燒結始于20世紀60年代中期，Levinson和Tinga首先提出陶瓷材料的微波燒結，隨著微波原理及其與材料相互作用機理研究的不斷深入，加上各發達國家對這項技術的大力支持，微波燒結技術已經取得長足的進步。
一、微波燒結的原理
微波燒結原理與傳統燒結有著本質區別。傳統燒結是工頻電流流過負載電阻，電阻把電能轉換成熱能，通過對流、輻射、傳導方式將熱量傳遞到被燒結的材料，然后材料通過自身的熱傳導由表及里升溫，從而達到燒結目的。微波燒結是利用微波具有的特殊波段與材料的基本細微結構耦合而產生熱量，材料在電磁場中的介質損耗使其材料整體加熱至燒結溫度，實現致密化的方法。
二、微波燒結裝置的結構
一般的微波燒結裝置主要由微波源系統，微波傳輸系統，微波燒結腔和監測控制系統4部分組成。其結構如圖1所示：可長時間連續工作的磁控管，它將直流電場中取得的直流能量最大限度地轉換成微波能量，儲存于諧振腔中，并通過能量耦合器輸出到微波傳輸系統。微波源的工作頻率一般為2.45 GHz，輸出功率連續可調。在磁控管與燒結腔之間一般配有三端口環形器，其作用主要是引導微波反射回來的能量進入水負載，保護微波功率源不受大功率反射波的損壞。微波能量以某種模式通過波導傳輸到微波燒結腔中，在腔體電場或磁場最強處放置燒結材料，使微波源的反射功率最大限度地減小，從而使材料在此加熱點能量利用率最高。監測控制系統包括測溫，測反射以及氣體的導入導出等。
三、微波燒結的特點
與傳統的燒結工藝相比，微波燒結具有如下優點：
1、降低燒結溫度，與傳統燒結相比，降溫幅度最大可達500℃左右。
2、高效節能，比傳統燒結節能70%～90%。由于微波燒結的時間大大縮短，因此大大提高了能源的利用效率。
3、安全無污染。微波燒結的快速燒結特點使得在燒結過程中作為燒結氣氛的氣體的使用量大大降低，這不僅降低了成本，也使燒結過程中廢氣、廢熱的排放量得到降低。
4、提高快速升溫條件下材料的性能。使用微波燒結快速升溫和致密化可以抑制晶粒組織長大，從而制備納米粉末、超細或納米塊體材料。
5、提高致密度，增加晶粒均勻性。微波輻射可提高粒子動能、有效加速粒子擴散。材料燒結過程包括致密化階段和晶粒生長階段，致密化速率主要與坯體顆粒間的離子擴散速率有關，晶粒生長速率則主要依賴于晶界擴散速率。所以微波燒結有助于提高材料致密度，增加晶粒均勻性。
但微波燒結也體現出了傳統燒結不曾有的缺點：
加熱設備復雜、需特殊設計、成本高；同時，由于不同介質吸收微波的能力及微波耦合不同，出現了微波可吸收材料，半吸收材料，不吸收材料等，選擇性加熱使得微波透過材料不能燒結，同時出現熱斑現象。
四、影響微波燒結效果的因素
影響微波燒結效果的因素主要有：所使用的微波頻率，燒結時間與燒結升溫速度，材料本身的介電損耗特性等。
1、使用高的微波頻率對燒結過程有兩方面的影響：可以改善微波燒結的均勻性，加快燒結過程。提高頻率對改善微波加熱的均勻性有一定的作用。另一方面，使用的微波頻率越高，在單位時間內樣品吸收的能量越多，燒結致密化速度越快。
2、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。過快的加熱速度會在材料內部形成很大的溫度梯度，產生的熱應力過大會導致材料開裂。
3、材料本身的特性也對微波燒結有很大的影響。微波燒結是利用材料對微波的吸收轉化為材料內部的熱量而使材料升溫，因而存在材料吸收微波能力的問題。燒結工藝與具體的微波裝置、每種材料本身特性有關。對于介電損耗高、介電特性也不隨溫度發生劇烈變化的陶瓷材料，微波燒結的加熱過程比較穩定，加熱過程容易控制。但是大多數陶瓷材料存在一個臨界溫度點，在室溫至臨界溫度點以下介電損耗較低，升溫較困難。一旦材料溫度高于臨界溫度，材料的介電損耗急劇增加，升溫就變得十分迅速甚至發生局部燒熔現象。
五、微波燒結工藝的應用及工業化
目前已知適合微波工藝的陶瓷材料主要有以下幾類，氮/碳化物：TiN、AIN、VN、Si3N4、TiC、SiC、WC、VC、B4C、TiCN、BN；硼化物：TiB2、ZrB2；氧化物：ZrO、TiO2、ZnO、CeO2；介質材料：Al2O3、YO、SiC等。到目前為止，幾乎所有的陶瓷材料已經使用微波工藝進行了燒結。但陶瓷材料微波燒結工藝產業化發展遠不如研究領域活躍。據報道，到目前為止也僅有Al2O3、ZnO、WC/Co、V2O5等陶瓷材料實現了小規模工業化生產。
材料介質特性數據缺乏和設備的缺乏、昂貴，是阻礙微波燒結技術發展產業化最主要的兩大障礙。目前微波燒結產業化的發展主要集中于高溫結構陶瓷和傳統工藝不易燒結的陶瓷材料。但對于大多數電子陶瓷材料而言，其燒結溫度并不高，雖然對于實現微波技術在陶瓷材料的工業化生產目前還有許多困難，但微波燒結工藝所展現的傳統燒結工藝無法比的優勢，勢必成為推動微波燒結技術工業化發展的動力。
