特種陶瓷的微波燒結技術及研究進展

朱佑念 楊 超 張曉東 楊 軍 王 雄

（長沙隆泰微波熱工有限公司，湖南長沙410000）

0 引言

特種陶瓷又稱為精細陶瓷，是指制作工藝、化學組成及特性不同于傳統陶瓷，具有高強度、耐高溫、耐腐蝕或具有各種敏感性的陶瓷材料。按照用途可分為結構陶瓷（又叫工程陶瓷）和功能陶瓷。通常，特種陶瓷的制造工藝包括粉末制備、成型、燒結、加工、成品等過程。其中，燒結是特種陶瓷制造工藝過程中的一個十分重要的環節。常用的燒結方法主要有常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結和氣氛燒結[1]。近40年來，由于微波燒結具有快速加熱、高效節能、環保以及改善材料結構、提高材料性能等一系列優點[2]，世界上許多國家采用微波技術成功燒結了許多不同的陶瓷材料，如：Al2O3、ZrO2、S i3N4、AlN、PZT等。隨著對微波燒結技術的深入研究，特種陶瓷的燒結正向產業化階段邁進，其發展潛力和應用前景越來越巨大。

1 陶瓷的微波燒結技術

陶瓷材料的微波燒結原理與目前的常規燒結工藝有著本質的區別。傳統的加熱是利用電阻加熱，通過輻射、傳導或對流的方式將發熱體的熱量傳遞給樣品，熱流方向是從樣品表面指向心部（見圖1（a）），形成樣品表面溫度高，心部溫度低的溫度場。而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，材料在電磁場中的介質損耗使材料整體加熱至燒結溫度而實現致密化的方法。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，如圖1（b）所示。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。

2 特種陶瓷微波燒結研究現狀

首次利用微波加工陶瓷材料是在20世紀60年代[3]。隨著人們對這種新型的陶瓷加工技術的關注和重視，微波燒結的應用日益得到蓬勃發展。幾十年的時間，幾乎所有陶瓷材料的微波燒結可行性得到研究。同時，微波燒結技術也得到了深入的研究。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材料[4]。目前，微波高溫加熱技術得到了廣泛而深入的研究，使得具備高性能的結構陶瓷和功能陶瓷的微波燒結成為可能。

2.1 結構陶瓷

2.1.1 氧化物陶瓷

自從微波燒結技術應用到陶瓷工藝中以來，研究較多的為Al2O3、ZrO2及其復合陶瓷材料。謝杰等人[5]采用自制微波燒結設備，通過向純Al2O3粉末中添加Mg O和Y2O3助燒劑，制備出高純度和高密度的Al2O3陶瓷，其強度和韌性得到了顯著增強。Patteson等人[6]對高純Al2O3進行微波和常規燒結，實驗發現，微波燒結的楊氏模量和斷裂韌性均大于常規燒結，分別為 398.5 GPa、3.25 MPam-2和 397 GPa、3.04 MPam-2。丁明桐等[7]采用納米級高純超細粉，通過添入適量稀土氧化物（Y2O3），經微波燒結制成新型Y-ZrO2稀土增韌陶瓷材料。清華大學[8]將15 wt.%ZrO2+85 wt.%Al2O3的Z T A陶瓷坯體在多模腔微波燒結裝置中加熱至1540℃保溫20 min，其密度可達到理論密度的99%，性能與常規的無壓燒結相比，試樣晶粒細小，均勻度好，力學性能亦有一定改善。李云凱等人[9]用Al2O3和ZrO2納米粉為原料，用微波燒結出具有很高相對密度，較高斷裂韌度的Al2O3-ZrO2復合陶瓷材料。

除了成功燒結出Al2O3、ZrO2陶瓷材料，其他氧化物陶瓷也通過微波燒結技術制備出來，如TiO2、SiO2、ZnO等陶瓷材料。例如，Eastman等人[10]利用微波制備了平均顆粒尺寸為14 n m的TiO2，得到了良好的物理性能，材料的斷裂韌性要比傳統燒結方式制備的材料高出60%。

2.1.2 非氧化物陶瓷

由于非氧化物陶瓷材料的應用得到快速發展，其制備技術要求越來越高。而由于微波燒結技術具有許多常規燒結技術所不具備的優點，許多非氧化物陶瓷材料已嘗試通過微波技術燒結出來，目前已成功燒出的有硼化物、碳化物、氮化物等。Holcombe[11]發現，在燒結B4C時加入2.5%的C作為燒結助劑，在2150℃燒結30 min，其致密度比傳統燒結方式提高17%。曾小峰等人[12]采用微波高溫燒結工藝，制備了致密的Al N陶瓷，與傳統燒結方法相比，Al N陶瓷的微波燒結效率高，節能優勢明顯。楊軍等人[13]以硅粉為原料，在氮氣氣氛下用微波成功合成了S i3N4粉體。黃加伍等人[14]以錳粉為原料，在氫氣和氮氣的混合氣、750℃保溫2 h的條件下，用微波合成氮含量為7.75 wt%的氮化錳。與傳統工藝相比，合成溫度至少低100℃，合成時間縮短一半。王雄等人[15]用五氧化二釩或偏釩酸銨為原料，炭黑為還原劑，采用微波法研究了氮化釩的制備工藝。在配碳比為35%，氮化時間為120 min，氮化溫度為1450℃等條件下，微波合成的產物基本上全部為純氮化釩。同時與傳統的電阻爐加熱方式相比，微波加熱縮短了反應和冷卻時間，節省能耗，簡化工藝，降低成本。

2.2 功能陶瓷

一般而言，凡具有某種功能(光、電、磁、聲、熱、力學、生物、化學功能等)的精細陶瓷，稱為功能陶瓷。為了發揮陶瓷有價值的功能，必須精選原料，通過精密調配化學組成和嚴格控制制造工藝進行陶瓷合成，把經過這些過程制備的陶瓷稱為精細陶瓷，由于它具有某種或數種特定的功能，故又稱之為功能陶瓷。功能陶瓷可分為電功能陶瓷、磁功能陶瓷、光功能陶瓷、生物功能陶瓷等[16]。

2.2.1 電子陶瓷

李磊等人[17]比較了微波和傳統燒結ZnO壓敏電阻的性能，發現微波燒結工藝明顯改善了ZnO壓敏電阻的致密化行為，縮短了燒結周期，改善了電性能。中科院楊文等人[18]采用溶膠-凝膠工藝和微波燒結工藝所得到的Ba0.65Sr0.35TiO3粉體顆粒尺寸在50nm附近，比傳統制備的粉體低一個數量級；而且獲得的陶瓷燒結體的晶粒尺寸也要比常規燒結低一個數量級，約在1μm以下；此外陶瓷燒結體內部具有豐富的尺寸小且分布均勻的氣孔。

2.2.2 光學陶瓷

Cheng[19]等人在制備透明氧化鋁陶瓷的過程中，采用高純氧化鋁粉末做原料，并添加適當的燒結助劑，置于2.45GHz、1.5kW的單模腔中，升溫速率為l 50℃/min，在l 700℃條件下燒結l0 min就能得到致密而透明的Al2O3。若適當延長燒結時間，在其它條件不變的情況下，Al2O3的透明度更高。盧斌等人[20]在不添加任何燒結助劑的前提下，采用高純微米級氮化鋁(Al N)粉，在1700℃/2 h的微波低溫燒結工藝條件下制備出透明度較高的Al N透明陶瓷。該透明陶瓷晶粒尺寸細小(＜10 μm)，晶粒發育完善且分布均勻，晶界平直光滑且無第二相分布。

2.2.3 磁性陶瓷

彭虎等人[21]利用微波燒結旋磁鐵氧體材料，將物料整體加熱，內外溫差小，可快速升溫，并且微波加熱伴有“非熱”效應，可以降低反應溫度，促進物體內部晶體致密化。由于燒結胚體內應力小，即使快速燒結也不會導致胚體開裂，且燒結的材料具有較佳的性能，從而使得胚體燒結合格率提高。李俊等人[22]采用微波燒結方法可生產磁導率μi為10000的Mn-Z n鐵氧體材料，整個燒結周期是傳統的1/3～1/2，材料的各項性能均達到或超過傳統燒結方法燒結的樣品性能。

2.2.4 生物陶瓷

盧東梅等人[23]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1600℃保溫10 min，可達到99%的相對密度，與傳統燒結方式相比，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。吳娜等[24]采用沉淀法合成羥基磷灰石粉體，將R2O-Al2O3-B2O3-SiO3體系玻璃粉按一定的比例與HAP粉混合，成型后，在微波裝置下燒結，得到的羥基磷灰石-玻璃復合陶瓷的結構較致密，樣品的收縮率比普通燒結方法燒結的小。

3 展望

利用微波燒結特種陶瓷材料，有利于降低燒結溫度，提高燒結速率，改善顯微結構和性能，并且在節能環保方面也存在巨大潛力。目前微波燒結技術應用于制備特種陶瓷材料的范圍在不斷擴展，其中多孔陶瓷、生物陶瓷、非氧化物陶瓷及陶瓷復合材料等將成為今后利用微波燒結技術研究和開發的重點。

雖然微波技術在陶瓷材料燒結領域內有很好應用前景，在某些方面也得到了一定程度的產業化應用，但是其燒結機理不清楚及許多工程技術問題限制了微波燒結技術的發展。

（1）測定材料的介電常數及掌握不同頻率下各種材料介電常數的變化規律，對優化燒結工藝和設計微波設備可以提供豐富的理論依據。

（2）微波保溫材料的選型，燒結過程中溫度均勻性的控制，是生產出質量穩定的陶瓷產品的關鍵。

（3）大功率微波發生器的研制，微波能的轉換效率的提高，微波高溫材料成本的控制等是解決高溫微波加熱設備的工業化應用的難題。

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