材料的微波燒結(jié)開(kāi)始于20世紀(jì)60年代中期，W.R.Tinga首先提出了陶瓷材料的微波燒結(jié)技術(shù);到20世紀(jì)70年代中期，法國(guó)的J.C.Badot和A.J.Berteand開(kāi)始對(duì)微波燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。20世紀(jì)80年代以后，各種高性能的陶瓷和金屬材料得到了廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的制備技術(shù)也成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，微波燒結(jié)以其特有的節(jié)能、省時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，得到了美國(guó)、日本、加拿大、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的政府、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的廣泛重視，我國(guó)也于1988年將其納入“863”計(jì)劃。在此期間，主要探索和研究了微波理論、微波燒結(jié)裝置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料燒結(jié)工藝、材料介電參數(shù)測(cè)試，材料與微波交互作用機(jī)制以及電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等，燒結(jié)了許多不同類(lèi)型的材料。20世紀(jì)90年代后期，微波燒結(jié)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，美國(guó)、加拿大、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始小批量生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品。其中，美國(guó)已具有生產(chǎn)微波連續(xù)燒結(jié)設(shè)備的能力。

1微波燒結(jié)的技術(shù)原理

微波燒結(jié)是利用微波加熱來(lái)對(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)。它同傳統(tǒng)的加熱方式不同。傳統(tǒng)的加熱是依靠發(fā)熱體將熱能通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)或輻射方式傳遞至被加熱物而使其達(dá)到某一溫度，熱量從外向內(nèi)傳遞，燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，也很能得到細(xì)晶。而微波燒結(jié)則是利用微波具有的特殊波段與材料的基本細(xì)微結(jié)構(gòu)耦合而產(chǎn)生熱量，材料的介質(zhì)損耗使其材料整體加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化的方法。

1.1材料中的電磁能量耗散

材料對(duì)微波的吸收是通過(guò)與微波電場(chǎng)或磁場(chǎng)耦合，將微波能轉(zhuǎn)化熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。黃向東等利用麥克斯韋電磁理論，分析了微波與物質(zhì)的相互作用機(jī)理，指出介質(zhì)對(duì)微波的吸收源于介質(zhì)對(duì)微波的電導(dǎo)損耗和極化損耗，且高溫下電導(dǎo)損耗將占主要地位。在導(dǎo)電材料中，電磁能量損耗以電導(dǎo)損耗為主。而在介電材料(如陶瓷)中，由于大量的空間電荷能形成的電偶極子產(chǎn)生取向極化，且相界面堆積的電荷產(chǎn)生界面極化，在交變電場(chǎng)中，其極化響應(yīng)會(huì)明顯落后于迅速變化的外電場(chǎng)，導(dǎo)致極化弛豫。此過(guò)程中微觀粒子之間的能量交換，在宏觀上就表現(xiàn)為能量損耗。

1.2微波促進(jìn)材料燒結(jié)的機(jī)制

研究結(jié)果表明，微波輻射會(huì)促進(jìn)致密化，促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)，加快化學(xué)反應(yīng)等效應(yīng)。因?yàn)樵跓Y(jié)中，微波不僅僅只是作為一種加熱能源，微波燒結(jié)本身也是一種活化燒結(jié)過(guò)程。M.A.Janny等首先對(duì)微波促進(jìn)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，測(cè)定了高純Al2O3燒結(jié)過(guò)程中的表觀活化能Ea，發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)中Ea僅為170kj/mol，而在常規(guī)電阻加熱燒結(jié)中Ea=575kj/mol，由此可推測(cè)微波促進(jìn)了原子的擴(kuò)散。M.A.Janny等進(jìn)一步用18O示蹤法測(cè)量了Al2O3單晶的擴(kuò)散過(guò)程，也證明微波加熱條件下擴(kuò)散系數(shù)高于常規(guī)加熱時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)。S.A.Freeman等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微波場(chǎng)具有增強(qiáng)離子電導(dǎo)的效應(yīng)。認(rèn)為高頻電場(chǎng)能促進(jìn)晶粒表層帶電空位的遷移，從而使晶粒產(chǎn)生類(lèi)似于擴(kuò)散蠕動(dòng)的塑性變形，從而促進(jìn)了燒結(jié)的進(jìn)行。

Birnboin等分析了微波場(chǎng)在2個(gè)相互接觸的介電球顆粒間的分布，發(fā)現(xiàn)在燒結(jié)頸形成區(qū)域，電場(chǎng)被聚焦，頸區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度大約是所加外場(chǎng)的10倍，而頸區(qū)空隙中的場(chǎng)強(qiáng)則是外場(chǎng)的約30倍。并且，在外場(chǎng)與兩顆粒中心連線間0°～80°的夾角范圍內(nèi)，都發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)沿平行于連線方向極化，從而促使傳質(zhì)過(guò)程以極快的速度進(jìn)行。另外，燒結(jié)頸區(qū)受高度聚焦的電場(chǎng)的作用還可能使局部區(qū)域電離，進(jìn)一步加速傳質(zhì)過(guò)程。這種電離對(duì)共價(jià)化合物中產(chǎn)生加速傳質(zhì)尤為重要。上述研究結(jié)果表明，局部區(qū)域電離引起的加速度傳質(zhì)過(guò)程是微波促進(jìn)燒結(jié)的根本原因。

2微波燒結(jié)的技術(shù)特點(diǎn)

2.1微波與材料直接耦合，導(dǎo)致整體加熱

由于微波的體積加熱，得以實(shí)現(xiàn)材料中大區(qū)域的零梯度均勻加熱，使材料內(nèi)部熱應(yīng)力減少，從而減少開(kāi)裂、變形傾向。同時(shí)由于微波能被材料直接吸收而轉(zhuǎn)化為熱能，所以，能量利用率極高，比常規(guī)燒結(jié)節(jié)能80%左右。

2.2微波燒結(jié)升溫速度快，燒結(jié)時(shí)間短

某些材料在溫度高于臨界溫度后，其損耗因子迅速增大，導(dǎo)致升溫極快。另外，微波的存在降低了活化能，加快了材料的燒結(jié)進(jìn)程，縮短了燒結(jié)時(shí)間。短時(shí)間燒結(jié)晶粒不易長(zhǎng)大，易得到均勻的細(xì)晶粒顯微結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙少，空隙形狀比傳統(tǒng)燒結(jié)的圓，因而具有更好的延展性和韌性。同時(shí)，燒結(jié)溫度亦有不同程度的降低。

2.3微波可對(duì)物相進(jìn)行選擇性加熱，

由于不同的材料、不同的物相對(duì)微波的吸收存在差異，因此，可以通過(guò)選擇性和加熱或選擇性化學(xué)反應(yīng)獲得新材料和新結(jié)構(gòu)。還可以通過(guò)添加吸波物相來(lái)控制加熱區(qū)域，也可利用強(qiáng)吸收材料來(lái)預(yù)熱微波透明材料，利用混合加熱燒結(jié)低損耗材料。此外，微波燒結(jié)易于控制、安全、無(wú)污染。

3微波燒結(jié)的技術(shù)進(jìn)展

3.1微波燒結(jié)機(jī)理的研究進(jìn)展

微波能促進(jìn)陶瓷的燒結(jié)，但其微觀機(jī)理卻尚不清楚。黃向東等從微波電場(chǎng)使帶電缺陷(如空位、間隙離子)產(chǎn)生定向移動(dòng)的角度，分析了微波對(duì)擴(kuò)散的作用，指出：在微波燒結(jié)陶瓷制品時(shí)，相對(duì)于常規(guī)燒結(jié)，微波只是促進(jìn)了平行于電場(chǎng)方向的致密化，在宏觀上對(duì)于電場(chǎng)方向不隨時(shí)間轉(zhuǎn)向的偏振電磁波，平行于電場(chǎng)方向的收縮率大于垂直電場(chǎng)方向的收縮率。S.A.Freeman等對(duì)微波場(chǎng)中NaCl的電荷傳運(yùn)研究表明：微波場(chǎng)的存在未提高原有空位的運(yùn)動(dòng)能力，而是提高了電荷傳運(yùn)的驅(qū)動(dòng)力。另外，S.A.Freeman還對(duì)固體中的離子在微波場(chǎng)中的傳送進(jìn)行了數(shù)值模擬。

3.2微波燒結(jié)的設(shè)備與工藝的進(jìn)展

微波燒結(jié)的設(shè)備對(duì)微波燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。H.D.Kimmery等于1988年設(shè)計(jì)了頻率為28Hz的微波連續(xù)燒結(jié)系統(tǒng)，其場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻性小于4%;另外，他們針對(duì)頻率為2.45GHz的微波連續(xù)燒結(jié)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了模式攪拌器以提高場(chǎng)分布的均勻性。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬研究所和七七二廠設(shè)計(jì)的會(huì)聚天線激勵(lì)介質(zhì)多模諧振方案，采用將微波能均勻束在燒結(jié)區(qū)的方法，取得了顯著效果。近年來(lái)，中科院沈陽(yáng)金屬所在國(guó)家新技術(shù)“863計(jì)劃”的資助下，已研制出多臺(tái)MFM-863系列的微波燒結(jié)設(shè)備，其主要性能指標(biāo)為：電源，380V，50Hz;功率，0.5～10kW連續(xù)可調(diào);工作頻率，2.45GHz;工作溫度：大于1800℃;燒結(jié)區(qū)尺寸，120mm*120mm;平均時(shí)耗，0.5～2h/爐。

在工藝方面，H.D.Kimmery等提出了常規(guī)輻射或傳導(dǎo)加熱與微波直接加熱相結(jié)合混合加熱法。H.D.Kimmery在燒結(jié)ZrO2(摩爾數(shù)分?jǐn)?shù)為8%的Y2O3)時(shí)，采用SiC棒作為感熱器進(jìn)行混合加熱，消除了ZrO2熱失控。

3.3微波燒結(jié)應(yīng)用范圍的拓展

在微波燒結(jié)出現(xiàn)的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，主要研究和應(yīng)用僅限于陶瓷產(chǎn)品。近年來(lái)，微波燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用出現(xiàn)了很多新的餓生長(zhǎng)點(diǎn)。

納米材料是當(dāng)今材料研究的熱門(mén)，微波燒結(jié)納米材料也取得了可喜的進(jìn)展。李云凱等采用納米Al2O3和ZrO2(3Y)納米粉為原料，對(duì)不同配比的Al2O3-ZrO2(3Y)復(fù)相陶瓷進(jìn)行了微波燒結(jié)研究，獲得了很高的致密度，并提高了材料的斷裂韌性。J.A.Eastman等用了6kW，2.45GHz的微波燒結(jié)了平均顆粒尺寸為14mm的TiO2，獲得了很好的燒結(jié)性能。程宇航等采用微波燒結(jié)方法制備了CuTi-金剛石復(fù)合體，結(jié)果表明：金剛石顆粒在燒結(jié)中沒(méi)有發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變，CuTi-金剛石復(fù)合體中的金剛石顆粒與CuTi基體間能形成良好的結(jié)合。

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

美國(guó)賓夕法尼亞州州立大學(xué)的RustumRoy，DineshAgrawal等用微波燒結(jié)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，F(xiàn)e-Ni的斷裂模量比常規(guī)燒結(jié)制備的大60%。另外，高磁場(chǎng)條件下的微波燒結(jié)能夠制備長(zhǎng)骨完全非晶態(tài)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。

4微波燒結(jié)的技術(shù)展望

微波燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷了幾十年，雖然還有很多不成熟、不完善的地方，但是，它具有常規(guī)技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)示了它廣闊的發(fā)展前景。首先，作為一種省時(shí)、節(jié)能、節(jié)省勞動(dòng)、無(wú)污染的技術(shù)，微波燒結(jié)能滿足當(dāng)今節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的要求;其次，它所具有的活化燒結(jié)的特點(diǎn)有利于獲得優(yōu)良的顯微組織，從而提高材料性能;再次，微波與材料耦合的特點(diǎn)，決定了用微波可進(jìn)行選擇性加熱，從而能制得具有特殊組織的結(jié)構(gòu)材料，如梯度功能材料。這些優(yōu)勢(shì)使得微波燒結(jié)在高技術(shù)陶瓷及金屬陶瓷復(fù)合材料制備領(lǐng)域具有廣闊的前景。

各種材料的介電損耗特性隨頻率、溫度和雜質(zhì)含量等的變化而變化，由于自動(dòng)控制的需要，與此相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)還需要建立。微波燒結(jié)的原理也需要進(jìn)一步研究清楚。由于微波燒結(jié)爐對(duì)產(chǎn)品的選擇性強(qiáng)，不同的產(chǎn)品需要的微波爐的參數(shù)有很大差異，因此，微波燒結(jié)爐的設(shè)備需要投資增大。今后微波燒結(jié)設(shè)備的方向是用模塊化設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合。

材料的微波燒結(jié)開(kāi)始于20世紀(jì)60年代中期，W.R.Tinga首先提出了陶瓷材料的微波燒結(jié)技術(shù);到20世紀(jì)70年代中期，法國(guó)的J.C.Badot和A.J.Berteand開(kāi)始對(duì)微波燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。20世紀(jì)80年代以后，各種高性能的陶瓷和金屬材料得到了廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的制備技術(shù)也成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，微波燒結(jié)以其特有的節(jié)能、省時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，得到了美國(guó)、日本、加拿大、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的政府、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的廣泛重視，我國(guó)也于1988年將其納入“863”計(jì)劃。在此期間，主要探索和研究了微波理論、微波燒結(jié)裝置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料燒結(jié)工藝、材料介電參數(shù)測(cè)試，材料與微波交互作用機(jī)制以及電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等，燒結(jié)了許多不同類(lèi)型的材料。20世紀(jì)90年代后期，微波燒結(jié)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，美國(guó)、加拿大、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始小批量生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品。其中，美國(guó)已具有生產(chǎn)微波連續(xù)燒結(jié)設(shè)備的能力。