陶瓷材料的微波烧结特性及应用培训课件.ppt

Company Logo LOGO 陶瓷材料的微波烧结特性及应用 主要内容 前言 1 微波烧结及陶瓷材料烧结特点 2 微波烧结陶瓷材料的研究进展 3 微波烧结存在的问题 4 微波烧结制备陶瓷技术的前景 前言 背景 微波是频率范围为300MHZ 到300GHZ 的电磁波，其真空中波长从1m－0.1mm。而各国规定工业、科学和医疗设备使用的微波频段主要是：433，915，2450，5800，22152MHz。目前被广泛应用的频率是915，2450MHz。微波对被照物有很强的穿透力，对反应物起深层加热作用。对于凝聚态物质，微波主要通过极化和传导机制进行加热。一般说来，离子化合物中离子传导机制占主导；共价化合物则是极化机制占优势。微波的辐射功率、微波对反应物的加热速率、溶剂的性质、反应的体系以等均能影响化学反应的速率。反应物对微波能量的吸收与分子的极性有关。极性分子由于分子内部电荷分布不均匀，在微波辐射下吸收能量，通过分子的偶极作用产生热效应，称为介质损耗；非极性分子内部电荷分布均匀，在微波辐射下不易产生极化，所以微波对此类物质加热作用较小。 微波不仅可以改变化学反应的速率，还可以改变化学反应的途径。微波辐射改变化学反应速率的原因主要有微波热效应（Thermal effects）和微波非热效应（Nonthermal effects）。微波作用于反应物，加剧分子的运动，提高了分子的平均动能，加快了分子的碰撞频率，从而改变反应速率。这种通过微波加热，使温度升高，改变反应速率的现象称为热效应。把不能归结于微波加热温度升高导致的异常现象，称为非热效应或者特殊效应（Specific effects）。微波热效应得到了众多学者的认可，微波加热机理也很清楚。 前言 前言 而微波非热效应则一直处于争论之中。一些人认为，即使在相同的温度下，通过微波加热可以极大地促进化学反应的进行，然而通过常规加热方法却无法实现，另一些人认为微波化学实验中，很容易出现微波加热的过热现象，溶剂温度可以超过沸点而不沸腾，也不能避免局部热点（Hot spot）效应，所以很多实验中的异常现象都可以通过热效应进行解释。微波化学中温度测量是一个难题，因此在研究微波化学机理时一定要注意温度的测量和控制，这样才可能得到与常规加热对比的可靠结果。在密闭容器中进行的微波化学反应，还要注意温度和压力的变化，防止出现爆炸现象。 一、微波烧结及陶瓷材料烧结特点 1.1 微波烧结基本原理 1.2 陶瓷材料的微波烧结设备及工艺参数 1.3 陶瓷材料的微波烧结 1.4 陶瓷材料的微波烧结特点 1.1 微波烧结基本原理 微波烧结是利用微波电磁场中陶瓷材料的介质损耗使材料整体加热至烧结温度，实现烧结和致密化。介质材料在微波电磁场的作用下会产生介质极化，如电子极化、原子极化、偶极子转向极化和界面极化等。 材料与微波的交互作用导致材料吸收微波能量而被加热，在单位时间内，材料吸收的微波能量即发热量可表示为： 式中，f为微波频率，E为内电场幅值，ε'，tgδ为介电损耗因子，ε。为材料的介电常数。可见能量耗散的速率和材料的加热能力决定了升温速率。 微波烧结的原理与常规烧结工艺有本质的区别，常规烧结时热量是通过介质由表面向里扩散，而微波烧结则利用了微波的加热特性，及材料吸热的微波能被转化为材料内部分子的动能和势能，使材料整体均匀加热，因此其加热和烧结速度非常快。由于材料整体内外同时均匀受热，使试样内部的温度梯度很小，从而可使材料内部热应力减至最小，这对于制备超细晶粒结构的高密度，高强度，高韧性材料非常有利。由于材料可内外均匀地整体吸收微波能并被加热，使得处于微波场中的被烧结物内部的热梯度和热流方向与常规烧结时完全不同，因此可实现有选择的烧结，从而制备出具有新型微观结构和优良性能的材料。 1.2 陶瓷材料的微波烧结设备及工艺参数 典型的微波烧结设备主要由微波发生器、波导管和加热腔体等组成如图1所示微波源产生的微波能量由传输系统导入加热腔中，对放置在腔体中的试样进行加热和烧结。由于传输系统并不总是与加热腔完全匹配，因此会有一部分微波能被反射回来，而环行器的作用就是将反射回来的微波导向水负载，以保护微波源。 微波烧结的工艺参数主要有微波源功率、微波频率、烧结时间和烧结速度。微波源功率的大小影响着烧结腔中电场的强度，从而也影响着试样的升温速度。微波频率影响着微波烧结过程中试样吸收微波能的功率密度。频率越高则试样在单位时间、单位体积内吸收的微波能量就越多。烧结时间和加热速度对烧结体的组织性能有很大的影响。高温快烧和低温慢烧均会造成组织晶粒尺寸不均匀、孔隙尺寸过大等现象，这些都是材料性能恶化的主要原因。 1.3 陶瓷材料的微波烧结 材料在微波场中可大致分为三种类型： (1)微波透