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(shù)源于第二次世界大戰(zhàn)，當時美國負責維修雷達的工程師經(jīng)常發(fā)現(xiàn)口袋里的巧克力會熔化掉，這才意識到電磁波對物質(zhì)有加熱、干燥的作用，因而引發(fā)了人們對這項技術(shù)的研究^[1]。微波燒結(jié)是一種材料燒結(jié)工藝的新方法，與常規(guī)燒結(jié)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(wèi)生無污染等特點，并能提高產(chǎn)品的均勻性和成品率，改善被燒結(jié)材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。21 世紀隨著人們對納米材料研究的重視，該技術(shù)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(shù)被譽為“21 世紀新一代燒結(jié)技術(shù)”。

微波燒結(jié)技術(shù)工作原理

微波燒結(jié)是利用微波具有的特殊波段與材料的基本細微結(jié)構(gòu)耦合而產(chǎn)生熱量，材料的在電磁場中的介質(zhì)損耗使其材料整體加熱至燒結(jié)溫度而實現(xiàn)致密化的方法。微波燒結(jié)原理與目前的常規(guī)燒結(jié)工藝有著本質(zhì)區(qū)別^{[3～5 ]}。由于材料可內(nèi)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(jié)物內(nèi)部的熱梯度和熱流方向與常規(guī)燒結(jié)時完全不同。微波可以實現(xiàn)快速均勻加熱而不會引起試樣開裂或在試樣內(nèi)形成熱應(yīng)力，更重要的是快速燒結(jié)可使材料內(nèi)部形成均勻的細晶結(jié)構(gòu)和較高的致密性，從而改善材料性能。同時，由于材料內(nèi)部不同組分對微波的吸收程度不同，因此可實現(xiàn)有選擇性燒結(jié)，從而制備出具有新型微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能的材料。

在微波燒結(jié)爐中采用微波發(fā)生器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱源，它與傳統(tǒng)技術(shù)相比較，屬于兩種截然不同的加熱方式。微波介質(zhì)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(zhuǎn)和震動，例如頻率為2．45GHz，以每秒24億5千萬次的旋轉(zhuǎn)和震動，產(chǎn)生了類似于分子之間相互摩擦的效應(yīng)，從而吸收電場的能量而發(fā)熱，物體本身成為發(fā)熱體。當用傳統(tǒng)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(nèi)部傳播最終完成燒結(jié)反應(yīng)。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(nèi)部，首先使樣品中心溫度迅速升高達到著火點并引發(fā)燃燒合成。燒結(jié)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(jié)反應(yīng)。微波點火引燃在樣品中產(chǎn)生的溫度梯度(dT，dt)比傳統(tǒng)點火方式小得多。即微波燒結(jié)過程中燒結(jié)波的傳播要比傳統(tǒng)加熱方式均勻得多。

圖1  微波燒結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖^{[6 ]}

微波燒結(jié)技術(shù)優(yōu)點^{[7 ]}
1. 燒結(jié)溫度大幅度降低，與常規(guī)燒結(jié)相比，最大降溫幅度可達500 ℃左右。
2. 比常規(guī)燒結(jié)節(jié)能70 %～90 % ，降低燒結(jié)能耗費用。由于微波燒結(jié)的時間大大縮短，尤其對一些陶瓷材料燒結(jié)過程從過去的幾天甚至幾周降低到用微波燒結(jié)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(jié)的快速燒結(jié)特點使得在燒結(jié)過程中作為燒結(jié)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(jié)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(jié)時間縮短，相對于傳統(tǒng)的輻射加熱過程致密化速度加快，材料內(nèi)外同時均勻加熱，這樣材料內(nèi)部熱應(yīng)力可以減少到最小。其次在微波電磁能作用下，材料內(nèi)部分子或離子的動能增加，使燒結(jié)活化能降低，擴散系數(shù)提高，可以進行低溫快速燒結(jié)，使細粉來不及長大就被燒結(jié)。
6. 能實現(xiàn)空間選擇性燒結(jié)^{[9- 10]}。

微波燒結(jié)發(fā)展史

材料的微波燒結(jié)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(jié)技術(shù)；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(jié)技術(shù)進行系統(tǒng)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(yīng)用，相應(yīng)的制備技術(shù)也成了人們關(guān)注的焦點，微波燒結(jié)以其特有的節(jié)能、省時的優(yōu)點，得到了美國、日本、加拿大、英國、德國等發(fā)達國家的政府、工業(yè)界、學術(shù)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(jié)裝置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和材料燒結(jié)工藝、材料介電參數(shù)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(shù)值模擬等，燒結(jié)了許多不同類型的材料。

20世紀90年代后期，微波燒結(jié)已進入產(chǎn)業(yè)化階段，美國、加拿大、德國等發(fā)達國家開始小批量生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品。其中，美國已具有生產(chǎn)微波連續(xù)燒結(jié)設(shè)備的能力。國內(nèi)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(nèi)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(xiàn)了部分高溫領(lǐng)域?qū)嶒炁c產(chǎn)業(yè)化工業(yè)微波裝備的研制實施和應(yīng)用。國內(nèi)其他從事微波產(chǎn)業(yè)化設(shè)備的機構(gòu)與企業(yè)主要針對低溫微波殺菌、硫化等食品、醫(yī)藥、木材等等行業(yè)。

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(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(shù)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(shù)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(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，高磁場條件下的微波燒結(jié)能夠制備長骨完全非晶態(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。

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，由于自動控制的需要，與此相關(guān)的數(shù)據(jù)庫還需要建立。微波燒結(jié)的原理也需要進一步研究清楚。由于微波燒結(jié)爐對產(chǎn)品的選擇性強，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（synotherm）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)計與計算機控制相結(jié)合。

微波燒結(jié)研究現(xiàn)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(jié)技術(shù)所具有的燒結(jié)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(jié)納米金屬陶瓷的研究^[13]

陶瓷燒結(jié)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(jié)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(jié)技術(shù)很好地克服了這一點。晉勇等^[14]，采用微波燒結(jié)新技術(shù)研究了納米金屬陶瓷材料的燒結(jié)工藝與性能。結(jié)果表明，微波燒結(jié)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(jié)溫度降低，燒結(jié)時間大幅度縮短，且燒結(jié)前后晶粒粒徑分別為35 mm 和55 mm ，變化很小。微波燒結(jié)金屬陶瓷前后晶粒粒徑變化很小，燒結(jié)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(jié)在納米牙科全瓷的研究

盧冬梅等^[15]采用微波技術(shù)研究了納米牙科全瓷材料的燒結(jié)工藝與性能。結(jié)果表明，微波燒結(jié)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(tǒng)燒結(jié)相比，其燒結(jié)溫度降低，燒結(jié)時間大幅度縮短，燒結(jié)前后晶粒尺寸變化很小。與設(shè)計的助熱保溫結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可成功地對Al2O3 全瓷進行燒結(jié)，由此建立的加熱系統(tǒng)加熱效率高，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。微波燒結(jié)全瓷材料的晶粒度尺寸在燒結(jié)前后變化很小，燒結(jié)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(jié)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(jié)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(yīng)用。因此，增強HAP 材料的力學性能是生物材料領(lǐng)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(jié)。實驗表明，采用微波燒結(jié)有利于樣品的快速致密化，用微波燒結(jié)的樣品的收縮率明顯比用普通燒結(jié)法在相同溫度下燒結(jié)的樣品收縮率小。微波燒結(jié)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(jié)果表明，采用等靜壓成形和微波燒結(jié)HAP - G陶瓷可以實現(xiàn)快速燒結(jié)和致密化。

4、微波燒結(jié)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(jié)法成功地用金屬粉未制成了小型齒輪及其它環(huán)狀、管狀的機械零件。與利用普通高溫加熱燒結(jié)法制出的金屬零件相比，這些燒結(jié)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(gòu)成的坯件燒結(jié)完畢^[17]。

Chemizzs等人用微波燒結(jié)技術(shù)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(chǎn)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(jié)劑，再分別用普通燒結(jié)方法和微波燒結(jié)方法燒制成斷裂試樣。結(jié)果表明用微波爐燒結(jié)的試樣的力學性能達到或優(yōu)于普通粉末冶金燒結(jié)法制成的TC—0208鋼，其強度達，1077Mpa，比用常規(guī)方法燒結(jié)的提高了30%密度也提高至7.45g∕cm³。通過檢測發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)的樣品中孔洞很小，呈球形且分布均勻，而普通方法燒結(jié)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(jié)論是微波燒結(jié)后材料力學性能的提高是由于材料內(nèi)部孔洞體積變小、形狀發(fā)生變化、密度提高等原因造成的^[18-21]。

微波燒結(jié)現(xiàn)存問題

盡快深入研究材料的微波燒結(jié)機理是擴展燒結(jié)材料的種類、擴大微波燒結(jié)技術(shù)應(yīng)用范圍的基礎(chǔ)。

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(zhì)含量等因素有關(guān)，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(shù)的變化規(guī)律是必須要盡快解決的問題。

微波設(shè)備一直是制約微波燒結(jié)技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的主要問題。目前，微波燒結(jié)設(shè)備的最高燒結(jié)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(jié)設(shè)備造價太高，暫時還無法進行工業(yè)化應(yīng)用。隨著微波燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展及燒結(jié)材料種類的不斷擴大，微波設(shè)備的模塊化設(shè)計應(yīng)該引起廣泛重視。

目前微波作為工業(yè)化應(yīng)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(nèi)部的穿透能力，原料加熱深度等問題。微波管在不同爐內(nèi)襯材質(zhì)中的使用壽命，多組微波管在大規(guī)模生產(chǎn)中耦合等問題也值得我們作進一步研究。此外，阻礙該技術(shù)實用化的困難還有:燒結(jié)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(jié)件開裂，燒結(jié)產(chǎn)量低等^[22]。

微波燒結(jié)設(shè)備的工業(yè)應(yīng)用

微波燒結(jié)設(shè)備可用于燒結(jié)各種高品質(zhì)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(jié)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(tǒng)加熱方式引發(fā)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(yīng)物質(zhì)本身吸收微波能量的結(jié)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(yīng)一旦引發(fā)，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(yīng)能夠保持在一個足夠高的溫度下進行．直到反應(yīng)完全。微波燃燒合成或微波燒結(jié)是一個可以控制的過程。這就是說，我們可以根據(jù)對產(chǎn)品性質(zhì)的要求，通過對一系列參數(shù)的調(diào)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(tǒng)技術(shù)的一個顯著的優(yōu)點。微波功率的調(diào)節(jié)，可以是直接采用可調(diào)功率的微波源來控制樣品對微波能量的吸收(或耗散)。

結(jié)束語

微波燒結(jié)技術(shù)的研究與工業(yè)化應(yīng)用盡管還處于發(fā)展早期，但它展現(xiàn)出了常規(guī)燒結(jié)技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，預(yù)示了它具有廣泛的發(fā)展前景。作為一種省時、節(jié)能、節(jié)省勞動力、無污染的技術(shù)，微波燒結(jié)能滿足當今節(jié)約能源，保護環(huán)境的要求，它所具有的活化燒結(jié)的特點有利于獲得優(yōu)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(jié)構(gòu)的材料，如梯度功能材料。隨著微波燒結(jié)設(shè)備朝著更高功率密度、自動化、智能化方向的發(fā)展，微波燒結(jié)技術(shù)必將成為最具應(yīng)用前景的新一代燒結(jié)技術(shù)。

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