中國粉體網(wǎng)訊 眾所周知，陶瓷行業(yè)留給外界的印象就是一個高污染的行業(yè)，這是因為陶瓷高溫制備過程中，通常使用傳統(tǒng)燃氣窯爐和電加熱爐為主，這個過程中碳排放量、能耗高等問題不容小覷，早在2017年，環(huán)保更是成了陶瓷行業(yè)的主旋律。目前，我國面臨實現(xiàn)“雙碳”目標的巨大壓力，研究推廣清潔高效的加熱技術迫在眉睫。
一般采用微波燒結陶瓷材料，燒成的時間只用幾分鐘到幾十分鐘，與傳統(tǒng)燒結時間幾十小時相比，效率明顯提高；同時，由于通過電磁場直接對物體內(nèi)部加熱，熱效率很高，可以大幅度地節(jié)能。因此，微波燒結技術應用于陶瓷材料的燒結是一種理想的選擇，得到了各國的廣泛重視，并取得了較多研究結果。
微波燒結在陶瓷材料中的應用
1、微波燒結陶瓷粉體
陶瓷粉體的合成一直是微波制備高性能陶瓷的主要領域，有關的文獻研究也有很多。與傳統(tǒng)的燒結方式相比，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。通過微波熱解所制備的納米ZrO2粉體平均粒徑可達33nm，比表面積達42m2/g，相比同級別進口產(chǎn)品，其比表面積提高260%，分散性大幅提升；通過微波熱解所制備的 0.2 μm Al2O3粉體的比表面積為38.3 m2/g, 相比同級別進口產(chǎn)品, 其比表面積提高 570%, 分散性大幅提升。
陳浩等利用微波熱解氫氧化鋯粉體，不同溫度熱解后獲得的氧化鋯粉體SEM照片如圖1所示，由圖1(a)可見氧化鋯粉體已部分結晶，但仍有前驅(qū)體殘留。經(jīng)微波750℃熱解后，獲得分散性好、晶粒尺寸均勻的納米氧化鋯粉體。
圖1 不同微波熱解溫度和750℃常規(guī)熱解獲得氧化鋯粉體的SEM照片
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(qū)體吸收微波整體加熱，熱量由內(nèi)部向外擴散，顆粒之間形成熱量擴散通道，擴散驅(qū)動力使顆粒向四周分散，一定程度上阻礙晶粒的團聚。
2、微波燒結制備陶瓷制品
大型和異型陶瓷構件由于結構復雜所帶來的局部蓄熱差異而難以燒結制備。采用無壓燒結可以制備復雜的結構，但為了減少局部熱差異導致的開裂，往往需要緩慢加熱、保溫和降溫，從而導致燒結時間長，晶粒粗化，以及性能急劇下降。因此，燒結大型和異型陶瓷構件是傳統(tǒng)燒結方法難以解決的問題。
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，具有高強度、高硬度、耐磨、耐腐蝕、抗氧化、耐高溫、高絕緣等特性，其工程制品的生產(chǎn)企業(yè)還普遍采用傳統(tǒng)燒結方式。與微波燒結相比，傳統(tǒng)燒結不但生產(chǎn)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，張銳等提出局部熱量補償原理，設計輔助加熱保溫裝置，優(yōu)化微波燒結工藝，成功利用微波快速燒成直徑達160mm的異形ZTA陶瓷密閉閥門。
圖2 微波燒結結ZTA陶瓷制品的實物照片
3、微波燒結微波介質(zhì)陶瓷
在制備微波介質(zhì)陶瓷的過程中，燒結方式對其微波介電性能有著顯著的影響，微波燒結具有加熱均勻、燒結快速高效、節(jié)能環(huán)保、改善微觀組織、提高綜合性能的優(yōu)點，在制備陶瓷材料中有著廣泛的應用。
采用微波燒結制備LiAlSiO4/Al2O3復合陶瓷，在較低的燒結溫度下具有低介電常數(shù)、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和良好的力學性能；以較低的溫度燒結制備MgSiO4/MBS微晶玻璃材料，以滿足LTCC模塊的溫度要求（小于950℃），微波快速燒結的特點降低了該材料的結晶度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及粘度，并促進其致密化過程。
采用微波燒結技術制備微波介質(zhì)陶瓷，不僅能高效加熱、節(jié)省能耗，還能夠降低燒結溫度、改善陶瓷的顯微組織、促進晶粒的致密化，對于部分材料還能改善其微波介電性能。
微波燒結技術發(fā)展受阻原因
微波燒結設備是影響微波燒結工藝產(chǎn)業(yè)化的重要因素。由于微波本身的特性，在微波爐腔體中的場強往往不均勻，會出現(xiàn)過熱點，需通過有效設計獲得較大范圍的均勻微波場。另外高額的設備價格及維護費用，在成本上顯示不出其顯著的優(yōu)越性，最大問題在于功率磁控管的價格及維護。
微波燒結參數(shù)的差異是影響微波燒結工藝產(chǎn)業(yè)化的主要原因。不同材料的介質(zhì)損耗系數(shù)有很大差異，同一材料在不同燒結工藝下，介質(zhì)損耗系數(shù)也不同；會造成熱失控。一些熱膨脹系數(shù)大而熱導率又較小的陶瓷材料在微波降溫段，由于試樣中存在的溫度梯度而引起的熱應力開裂和變形。同時不同類型的微波燒結爐功率參數(shù)、磁場設計方式、燒結腔體保溫性能、燒結材質(zhì)的差異等都會導致微波燒結參數(shù)的多變。
小結
微波燒結工藝所展現(xiàn)的是傳統(tǒng)燒結工藝無法比的優(yōu)勢，勢必成為推動微波燒結技術工業(yè)化發(fā)展的動力。但是，材料介質(zhì)特性數(shù)據(jù)缺乏和設備的缺乏、昂貴，是阻礙微波燒結技術發(fā)展產(chǎn)業(yè)化最主要的兩大障礙。
微波燒結是綠色低碳燒結的發(fā)展方向之一，盡管在在實驗室研究已取得一定成果，但要大規(guī)模應用于工業(yè)生產(chǎn)，還有很長的路要走。
參考資料：
陳勇強等：微波加熱制備特種陶瓷材料研究進展.2022年
臧疆文：“雙碳”背景下燒結工序溫室氣體減排研
郝斌等：微波燒結的研究進展及其在陶瓷材料中的應用.2010
劉錦等：微波燒結微波介質(zhì)陶瓷的研究進展
李遠等：微波燒結陶瓷的研究進展.2011
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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