引言

微波與無線電、紅外線、可見光一樣都是電磁波，只不過微波是一種高頻電磁波，其頻率范圍為0.3～300GHz，波長為1mm～1m。微波加熱技術源于第二次世界大戰，當時美國負責維修雷達的工程師經常發現口袋里的巧克力會熔化掉，這才意識到電磁波對物質有加熱、干燥的作用，因而引發了人們對這項技術的研究^[1]。微波燒結是一種材料燒結工藝的新方法，與常規燒結相比，它具有升溫速度快、能源利用率高、加熱效率高和安全衛生無污染等特點，并能提高產品的均勻性和成品率，改善被燒結材料的微觀結構和性能。21 世紀隨著人們對納米材料研究的重視，該技術在制備納米塊體金屬材料和納米陶瓷方面具有很大的潛力^{[2 ]}，該技術被譽為“21 世紀新一代燒結技術”。

微波燒結技術工作原理

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，材料的在電磁場中的介質損耗使其材料整體加熱至燒結溫度而實現致密化的方法。微波燒結原理與目前的常規燒結工藝有著本質區別^{[3～5 ]}。由于材料可內外均勻地整體吸收微波能并被加熱，使得處于微波場中的被燒結物內部的熱梯度和熱流方向與常規燒結時完全不同。微波可以實現快速均勻加熱而不會引起試樣開裂或在試樣內形成熱應力，更重要的是快速燒結可使材料內部形成均勻的細晶結構和較高的致密性，從而改善材料性能。同時，由于材料內部不同組分對微波的吸收程度不同，因此可實現有選擇性燒結，從而制備出具有新型微觀結構和優良性能的材料。

在微波燒結爐中采用微波發生器來代替傳統的熱源，它與傳統技術相比較，屬于兩種截然不同的加熱方式。微波介質進行加熱，化學原料一旦放入微波電場中，其中的極性分子和非極性分子就引起極化，變成偶分子。按照電場方向定向，由于該電場屬于交變電場，所以偶極子便隨著電場變化而引起旋轉和震動，例如頻率為2．45GHz，以每秒24億5千萬次的旋轉和震動，產生了類似于分子之間相互摩擦的效應，從而吸收電場的能量而發熱，物體本身成為發熱體。當用傳統方式加熱時，點火引燃總是從樣品表面開始，燃燒從表面向樣品內部傳播最終完成燒結反應。而采用微波輻射時，情況就不同了。由于微波有較強的穿透能力，它能深入到樣品內部，首先使樣品中心溫度迅速升高達到著火點并引發燃燒合成。燒結波沿徑向從里向外傳播，這就能使整個樣品幾乎是均勻地被加熱，最終完成燒結反應。微波點火引燃在樣品中產生的溫度梯度(dT，dt)比傳統點火方式小得多。即微波燒結過程中燒結波的傳播要比傳統加熱方式均勻得多。

圖1  微波燒結設備結構圖^{[6 ]}

微波燒結技術優點^{[7 ]}
1. 燒結溫度大幅度降低，與常規燒結相比，最大降溫幅度可達500 ℃左右。
2. 比常規燒結節能70 %～90 % ，降低燒結能耗費用。由于微波燒結的時間大大縮短，尤其對一些陶瓷材料燒結過程從過去的幾天甚至幾周降低到用微波燒結的幾個小時甚至幾分鐘，大大得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. 使用微波法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^{[8 ]}。
5. 燒結時間縮短，相對于傳統的輻射加熱過程致密化速度加快，材料內外同時均勻加熱，這樣材料內部熱應力可以減少到最小。其次在微波電磁能作用下，材料內部分子或離子的動能增加，使燒結活化能降低，擴散系數提高，可以進行低溫快速燒結，使細粉來不及長大就被燒結。
6. 能實現空間選擇性燒結^{[9- 10]}。

微波燒結發展史

材料的微波燒結開始于20世紀60年代中期，W.R.Tinga^[11]首先提出了陶瓷材料的微波燒結技術；到20世紀70年代中期，法國的J.C.Badot和A.J.Berteand^[12]開始對微波燒結技術進行系統研究。20世紀80年代以后，各種高性能的陶瓷和金屬材料得到了廣泛應用，相應的制備技術也成了人們關注的焦點，微波燒結以其特有的節能、省時的優點，得到了美國、日本、加拿大、英國、德國等發達國家的政府、工業界、學術界的廣泛重視，我國也于1988年將其納入“863”計劃。在此期間，主要探索和研究了微波理論、微波燒結裝置系統優化設計和材料燒結工藝、材料介電參數測試，材料與微波交互作用機制以及電磁場和溫度場計算機數值模擬等，燒結了許多不同類型的材料。

20世紀90年代后期，微波燒結已進入產業化階段，美國、加拿大、德國等發達國家開始小批量生產陶瓷產品。其中，美國已具有生產微波連續燒結設備的能力。國內目前僅有SYNOTHERM自2002年由歸國博士彭虎等人組建了專家團隊在國內融資成立了長沙隆泰微波，進行了較大的投入對材料微波工藝研究，實現了部分高溫領域實驗與產業化工業微波裝備的研制實施和應用。國內其他從事微波產業化設備的機構與企業主要針對低溫微波殺菌、硫化等食品、醫藥、木材等等行業。

微波加熱自蔓延高溫成則是微波應用的另一重要方面。1990年，美國佛吉尼亞州立大學的R.C.Dalton等首先提出微波加熱在自蔓延高溫合成中的應用，并用該技術合成了TiC等9種材料。接著，英、德、美的科學家相繼用此法合成了YBCuO，Si3C4，Al2O3-TiC等材料。1996年，美國J.K.Bechtholt等對微波自蔓延高溫合成中的點火過程進行了數值模擬分析，通過模擬準確計算了點火時間。1999年，美國S.Gedevabshvili和D.Agrawal等用該技術合成了Ti-Al，Cu-Zn-Al等幾使種金屬間化合物和合金。

美國賓夕法尼亞州州立大學的Rustum Roy，Dinesh Agrawal等用微波燒結制造出粉末冶金不銹鋼、銅鐵合金、鎢銅合金及鎳基高溫合金。其中，Fe-Ni的斷裂模量比常規燒結制備的大60%。另外，高磁場條件下的微波燒結能夠制備長骨完全非晶態的磁性材料，將具有顯著硬磁特性的材料（如NdFeB永磁體）變成軟磁材料。

各種材料的介電損耗特性隨頻率、溫度和雜質含量等的變化而變化，由于自動控制的需要，與此相關的數據庫還需要建立。微波燒結的原理也需要進一步研究清楚。由于微波燒結爐對產品的選擇性強，不同的產品需要的微波爐的參數有很大差異，因此，微波燒結爐（synotherm）的設備需要投資增大。今后微波燒結設備的方向是用模塊化設計與計算機控制相結合。

微波燒結研究現狀

納米材料的研究一直是材料界的研究熱點，雖然納米粉末的制備不是很容易，但是比較起來，具有納米晶粒的塊體材料的制備更難，是困擾研究人員最大的問題之一。而微波燒結技術所具有的燒結溫度低、時間短等特性為成功地制備具有納米晶粒的塊體材料提供了可能。

1、微波燒結納米金屬陶瓷的研究^[13]

陶瓷燒結過程中不可避免地伴有晶粒長大，所以如何控制納米顆粒在燒結過程中的長大，使其保持原有特性是納米塊體陶瓷材料制備面臨的一個難題，而微波燒結技術很好地克服了這一點。晉勇等^[14]，采用微波燒結新技術研究了納米金屬陶瓷材料的燒結工藝與性能。結果表明，微波燒結Al2O3 - TiC - Mo - Ni 納米金屬陶瓷在1 500 ℃保溫10 min ，可達到99. 9 %的相對密度，使燒結溫度降低，燒結時間大幅度縮短，且燒結前后晶粒粒徑分別為35 mm 和55 mm ，變化很小。微波燒結金屬陶瓷前后晶粒粒徑變化很小，燒結體均勻、致密，這對于制備納米材料提供了重要的工藝手段。

2、微波燒結在納米牙科全瓷的研究

盧冬梅等^[15]采用微波技術研究了納米牙科全瓷材料的燒結工藝與性能。結果表明，微波燒結高純α-Al₂O₃ 全瓷在1 600 ℃的保溫10 min ，可達到99. 0 %的相對密度;與傳統燒結相比，其燒結溫度降低，燒結時間大幅度縮短，燒結前后晶粒尺寸變化很小。與設計的助熱保溫結構相結合，可成功地對Al2O3 全瓷進行燒結，由此建立的加熱系統加熱效率高，結構簡單，操作方便。微波燒結全瓷材料的晶粒度尺寸在燒結前后變化很小，燒結體均勻、致密，這為高性能牙科全瓷材料，特別是對納米牙科陶瓷材料的研制提供了重要的工藝手段。

3、微波燒結在生物陶瓷的研究

羥基磷灰石是人體骨骼的無機礦物組成，與機體有良好的生物相容性，植入人體后能誘導周圍骨組織的生長并逐步參與代謝，最終與人體骨形成緊密的化學結合，是良好的生物陶瓷材料。但HAP 材料的力學性能較差，限制了其在人體承重部位的應用。因此，增強HAP 材料的力學性能是生物材料領域研究的重點課題。吳娜等^[16] ，采用沉淀法合成羥基磷灰石粉體，將R₂O - Al₂O₃- B₂O₃- SiO₃體系玻璃粉按一定比例與HAP 粉混合，采用等靜壓成形及微波燒成兩種成形方法對羥基磷灰石- 玻璃復合粉體成形，分別在1 150℃、1 200 ℃、1 250 ℃下微波燒結。實驗表明，采用微波燒結有利于樣品的快速致密化，用微波燒結的樣品的收縮率明顯比用普通燒結法在相同溫度下燒結的樣品收縮率小。微波燒結是有效的生物陶瓷材料的燒成方法，收縮率、密度和SEM觀察結果表明，采用等靜壓成形和微波燒結HAP - G陶瓷可以實現快速燒結和致密化。

4、微波燒結在金屬方面的研究

眾所周知，金屬是良導體，不能吸收微波，因此在微波爐中不能使用金屬器皿進行加熱，但是美國賓夕法尼亞大學材料研究實驗室的科學家在《自然》雜志上稱金屬粉末是很好的微波吸收體，可以被有效地加熱，其加熱速率可以達到100℃。他們在研究中采用2.45GHz的微波場對鐵、鎳、鎢、鋁、銅、鋁和錫等金屬和金屬合金的粉末進行了加熱試驗，并利用微波加熱燒結法成功地用金屬粉未制成了小型齒輪及其它環狀、管狀的機械零件。與利用普通高溫加熱燒結法制出的金屬零件相比，這些燒結制品不僅牢固致密，而且具有更好的延展性和韌性。事實上，利用微波加熱只需15min至30min即可將任何粉末金屬構成的坯件燒結完畢^[17]。

Chemizzs等人用微波燒結技術對Al∕SiC復合材料進行了制備，得到了具有超細晶粒的復合材料塊體。在壓坯時，SiC能將Al顆粒表面的氧化膜壓破，因而提高了Al的微波吸收能力。

有的研究者用加拿大Quebec金屬公司生產的鐵銅合金混合粉壓制成31.85mm×12.80mm×6.95mm的坯料，然后升溫至500℃脫粘結劑，再分別用普通燒結方法和微波燒結方法燒制成斷裂試樣。結果表明用微波爐燒結的試樣的力學性能達到或優于普通粉末冶金燒結法制成的TC—0208鋼，其強度達，1077Mpa，比用常規方法燒結的提高了30%密度也提高至7.45g∕cm³。通過檢測發現微波燒結的樣品中孔洞很小，呈球形且分布均勻，而普通方法燒結后材料中的孔洞較大，孔洞中有尖角，分布不均勻。從這項研究中得出結論是微波燒結后材料力學性能的提高是由于材料內部孔洞體積變小、形狀發生變化、密度提高等原因造成的^[18-21]。

微波燒結現存問題

盡快深入研究材料的微波燒結機理是擴展燒結材料的種類、擴大微波燒結技術應用范圍的基礎。

每種材料的電滯損耗特性與微波頻率、溫度、材料自身的密度、雜質含量等因素有關，因此尋找特定材料與微波藕合較好的微波頻段并摸索其隨各種參數的變化規律是必須要盡快解決的問題。

微波設備一直是制約微波燒結技術工業化應用的主要問題。目前，微波燒結設備的最高燒結溫度可以達到1700℃，工作頻率分別為28GHz，60GHz，2.4GHz，915MHz等，由于頻率為28GHz，60GHz的微波燒結設備造價太高，暫時還無法進行工業化應用。隨著微波燒結技術的發展及燒結材料種類的不斷擴大，微波設備的模塊化設計應該引起廣泛重視。

目前微波作為工業化應用還存在一些問題尚待解決，如更大的均勻微波場的獲得，低介電損耗材料在室溫至臨界溫度點之間的加熱，微波在原料內部的穿透能力，原料加熱深度等問題。微波管在不同爐內襯材質中的使用壽命，多組微波管在大規模生產中耦合等問題也值得我們作進一步研究。此外，阻礙該技術實用化的困難還有:燒結材料種類的局限性，加熱過程熱失控，溫度難以準確測量和控制，燒結件開裂，燒結產量低等^[22]。

微波燒結設備的工業應用

微波燒結設備可用于燒結各種高品質陶瓷、鈷酸鋰、氮化硅、碳化硅、氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、氫氧化鎂、鋁、鋅、高嶺土、硫酸鈷，草酸鈷、五氧化二釩、磷石膏、石膏等；燒結電子陶瓷器件：PZT壓電陶瓷、壓敏電阻等。

同時實驗還表明，當試件的壓緊密度高時，傳統加熱方式引發的燃燒波的傳播速率大大減小，甚至因“自熄”而不能自燃。但是，若采用微波輻照，由于溫度的升高是反應物質本身吸收微波能量的結果，只要微波源不斷地給予能量，樣品溫度將很快達到著火溫度。反應一旦引發，放出的熱量又促使樣品溫度進一步升高達到燃燒溫度，樣品吸收微波輻射的能力也同時增加，這就保證了反應能夠保持在一個足夠高的溫度下進行．直到反應完全。微波燃燒合成或微波燒結是一個可以控制的過程。這就是說，我們可以根據對產品性質的要求，通過對一系列參數的調整，人為地控制燃燒波的傳播。這是微波燃燒合成較之于傳統技術的一個顯著的優點。微波功率的調節，可以是直接采用可調功率的微波源來控制樣品對微波能量的吸收(或耗散)。

結束語

微波燒結技術的研究與工業化應用盡管還處于發展早期，但它展現出了常規燒結技術無法比擬的優點，預示了它具有廣泛的發展前景。作為一種省時、節能、節省勞動力、無污染的技術，微波燒結能滿足當今節約能源，保護環境的要求，它所具有的活化燒結的特點有利于獲得優良的顯微組織，從而提高材料性能，微波與材料耦合的特點，決定了用微波可進行原則性加熱，從而能制得具有特殊組織結構的材料，如梯度功能材料。隨著微波燒結設備朝著更高功率密度、自動化、智能化方向的發展，微波燒結技術必將成為最具應用前景的新一代燒結技術。

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