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鄒小姐：13326633089 -
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微波加熱在日常生活中已應用甚廣，但在工業上達到規模應用目前仍在發展中，微波是指頻率在300兆赫茲到300千兆赫茲的電磁波，自20世紀90年代起，微波加熱制備陶瓷材料一直是國際研究熱點。國際無線電管理委員會為了避免對通信的干擾，規定用于工業微波加熱的頻率為915MHz和2.45GHz，其中陶瓷制備中最常用的頻率為2.45GHz，相應的波長為122mm。
微波頻段及應用
微波燒結的原理
與傳統燒結不同，在微波加熱過程中，電磁能量被材料吸收，材料整體發熱，熱量通過物體表面向外耗散，微波加熱是被加熱材料的功能性表現。被加熱材料的極性分子在快速變化的高頻電磁場作用下，其極性取向將隨著外電場的變化而變化，造成分子的運動和相互摩擦效應，從而使微波的電磁場能轉化為介質內的熱能。
微波加熱使水等極性分子運動摩擦生熱
微波燒結在促使材料致密化過程中，可以降低燒結溫度并減少燒結時間，常規熱輻射和熱傳導燒結過程中，陶瓷晶粒以體積擴散為主，而在電磁場的作用下，陶瓷顆粒以晶界擴散為主。
例如燒結氧化鋯陶瓷，鋯離子Zr4+的擴散速率決定了陶瓷致密化的速率，Zr4+的體積擴散活化能為515 kJ/mol，而晶界擴散活化能為200 kJ/mol，也就是說相比于傳統加熱方式，采用晶界擴散的加熱更容易。因此，在微波場作用下，氧化鋯陶瓷更容易達到致密化。
因此微波加熱有許多優點，如節省時間和能源，具有非常高的加熱速率(>400℃/min)，顯著降低燒結溫度，使被燒結材料具有精細的微觀結構，材料的機械性能更好等。
微波加熱材料的影響因素
微波與不同材料的相互作用取決于材料的電磁特性、晶粒尺寸和孔隙率，依據這些特性，材料可以分為微波透明體（無能量轉移，低介質損耗材料）、微波反射體（不能穿透到材料內部，導體）和微波吸收體（存在能量的吸收和交換，高介質損耗材料）。
一般來說，高介質損耗材料更容易實現微波加熱，而具有最佳絕緣性能的陶瓷，如氧化鋁、氧化鎂、二氧化硅和玻璃，在室溫下屬于微波透明體，但當加熱到臨界溫度Tc以上時，它們開始吸收微波，并逐步與微波輻射發生更有效的耦合。因此，在用微波加熱該類材料時，需要利用輔助加熱，使溫度升高到臨界值；或在室溫微波透明陶瓷中加入室溫高介質損耗的微波吸收第二相，增強整體與微波的相互作用，實現微波混合加熱。
微波加熱受材料本身性能影響
微波加熱特種陶瓷粉體
陶瓷粉體的合成一直是微波制備高性能陶瓷的主要領域，與傳統加熱方法相比，微波熱解乳化的化合物，更易獲得大量的納米級氧化物陶瓷粉體。微波熱解可以獲得分散性較好的氧化鋯或氧化鋁粉體，原因在于前驅體吸收微波整體加熱，熱量由內部向外擴散，顆粒之間形成熱量擴散通道，擴散驅動力使顆粒向四周分散，一定程度上阻礙晶粒的團聚。而常規輻射加熱熱解過程，熱輻射從外部加熱前驅體粉體，熱量從外部向內部聚集，容易造成粉體的團聚。
不過由于不同材料對微波的吸收有限，實現微波燒結并不容易。目前微波燒結材料的研究大多基于傳統的低頻(2.45GHz)微波發生器，在室溫下，這種頻率的微波與諸多材料不能有效耦合，較差的微波吸收特性使多數材料初始加熱困難。此外，在微波燒結過程中，可能會出現熱穩定差的現象，從而導致溫度失控，引起樣品嚴重過燒。另外，某些陶瓷粉體需要氣氛保護燒結，實現難度很大。
1.常規燒結
例如Al2O3等陶瓷粉體，在常規加熱中，由于輻射散熱，材料外圍溫度低于內部，存在的固有溫度梯度，在大升溫速率下，會造成嚴重的溫度不均勻，進而導致不均勻燒結或開裂，這使得工業中常采用保溫層等方式來改善。而微波加熱同樣也會遇到溫度不均勻的問題，只是在常規加熱中，加熱方向是由外到內，導致樣品表面溫度高于內部，使粉末坯體中心區域的微觀組織結構較差；而在微波加熱中，加熱方向是由內到外，導致樣品內部的溫度高于表面，使粉末坯體表面的微觀組織結構較差。
導熱球形粉體對表面微觀結構要求更高
因此這促使研究人員開發了直接微波加熱和常規熱源輻射相結合的混合加熱技術，利用微波和微波耦合外熱源的共同作用，可實現坯體內外的快速燒結，可用于燒結在低溫下具有低介電損耗，在高溫下具有高介電損耗的材料。這樣的混合加熱系統在低溫下使樣品更容易加熱，而在高溫下可保證樣品穩定加熱。
2.氣氛燒結
SiC是典型的氣氛保護燒結才能制備的陶瓷粉體，利用微波技術合成SiC晶體是可行的，但目前存在的主要問題包括：目前尚未有較成熟的微波加熱燒結SiC的技術路線，采用原料不統一，造成SiC結構、形貌的不確定性，缺乏完整的技術體系；微波加熱需要氣氛保護，不利于工業化推廣。
微波燒結制備特種陶瓷
微波加熱和燒結的優點主要有以下幾點：
（1）升溫速率快，可以實現陶瓷的快速燒結與晶粒變化；
（2）整體均勻加熱，內部溫度場均勻，顯著改善材料的顯微結構；
（3）微波加熱不存在熱慣性，燒結周期短；
（4）利用微波對材料的選擇性加熱，可以對材料某些部位進行加熱修復或缺陷愈合；
（5）自身加熱，不存在來自外熱源的污染；
（6）微波能向熱能的轉化效率可達80%~90%，高效節能。
大量研究探索證明，許多結構陶瓷可以應用微波燒結，氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及透明陶瓷用微波燒結，可以得到致密的性能優良的制品，且燒結時間縮短、燒結溫度降低。
目前氧化鋯和氧化鋁陶瓷作為重要的陶瓷工程結構件的組成部分，其工程制品的生產企業還普遍采用傳統燒結方式，與微波燒結相比，傳統燒結不但生產效率低，而且能耗高，因此，微波燒結氧化鋁和氧化鋯陶瓷工程制品的研究勢在必行。但當前微波燒結陶瓷的研究大多集中于小尺寸和簡單結構的陶瓷樣品，現有陶瓷工程制品的微波燒結，尤其是大型和異型陶瓷構件的燒結，存在熱場均勻性和整體加熱等諸多難題。
各類陶瓷結構件
總結
盡管有許多微波合成氧化物、碳化物、氮化物陶瓷粉體和微波燒結陶瓷復合材料的報道，但仍然局限于微波制備陶瓷材料可行性的研究階段，缺乏對微波加熱過程相關加熱效應及其調控機制的系統闡述，沒有規模化陶瓷制品的應用基礎。在實際工業生產中，微波燒結陶瓷制品仍是極小的一部分，而粉體的制備目前還未形成規模，微波燒結技術在陶瓷材料的應用探索上，我們仍有很長的路要走。
參考來源：
1.微波加熱制備特種陶瓷材料研究進展，陳勇強、王怡雪、張帆、李紅霞、董賓賓、閔志宇、張銳（無機材料學報）；
2.微波加熱在陶瓷材料中的應用，彭金輝、何藹平（稀有金屬）；
3.基于輔熱材料的微波燒結陶瓷刀具溫度場研究，鄭立輝、程寓、汪家傲、王子祥、殷增斌（中國陶瓷工業）。
粉體圈 小吉
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