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?yàn)樘沾筛邷刂苽溥^程中，通常使用傳統(tǒng)燃?xì)飧G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(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的巨大壓力，研究推廣清潔高效的加熱技術(shù)迫在眉睫。
一般采用微波燒結(jié)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(jié)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(jié)技術(shù)應(yīng)用于陶瓷材料的燒結(jié)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(jié)果。
微波燒結(jié)在陶瓷材料中的應(yīng)用
1、微波燒結(jié)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(lǐng)域，有關(guān)的文獻(xiàn)研究也有很多。與傳統(tǒng)的燒結(jié)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(dá)33nm，比表面積達(dá)42m2/g，相比同級別進(jìn)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(jìn)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(jié)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(kuò)散，顆粒之間形成熱量擴(kuò)散通道，擴(kuò)散驅(qū)動力使顆粒向四周分散，一定程度上阻礙晶粒的團(tuán)聚。
2、微波燒結(jié)制備陶瓷制品
大型和異型陶瓷構(gòu)件由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜所帶來的局部蓄熱差異而難以燒結(jié)制備。采用無壓燒結(jié)可以制備復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但為了減少局部熱差異導(dǎo)致的開裂，往往需要緩慢加熱、保溫和降溫，從而導(dǎo)致燒結(jié)時間長，晶粒粗化，以及性能急劇下降。因此，燒結(jié)大型和異型陶瓷構(gòu)件是傳統(tǒng)燒結(jié)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(jié)構(gòu)件的組成部分，具有高強(qiáng)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(jié)方式。與微波燒結(jié)相比，傳統(tǒng)燒結(jié)不但生產(chǎn)效率低，而且能耗高。因此，微波燒結(jié)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(bǔ)償原理，設(shè)計輔助加熱保溫裝置，優(yōu)化微波燒結(jié)工藝，成功利用微波快速燒成直徑達(dá)160mm的異形ZTA陶瓷密閉閥門。
圖2 微波燒結(jié)結(jié)ZTA陶瓷制品的實(shí)物照片
3、微波燒結(jié)微波介質(zhì)陶瓷
在制備微波介質(zhì)陶瓷的過程中，燒結(jié)方式對其微波介電性能有著顯著的影響，微波燒結(jié)具有加熱均勻、燒結(jié)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(diǎn)，在制備陶瓷材料中有著廣泛的應(yīng)用。
采用微波燒結(jié)制備LiAlSiO4/Al2O3復(fù)合陶瓷，在較低的燒結(jié)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(xué)性能；以較低的溫度燒結(jié)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(jié)的特點(diǎn)降低了該材料的結(jié)晶度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及粘度，并促進(jìn)其致密化過程。
采用微波燒結(jié)技術(shù)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(jié)溫度、改善陶瓷的顯微組織、促進(jìn)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(jié)技術(shù)發(fā)展受阻原因
微波燒結(jié)設(shè)備是影響微波燒結(jié)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(qiáng)往往不均勻，會出現(xiàn)過熱點(diǎn)，需通過有效設(shè)計獲得較大范圍的均勻微波場。另外高額的設(shè)備價格及維護(hù)費(fèi)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(hù)。
微波燒結(jié)參數(shù)的差異是影響微波燒結(jié)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(jié)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(dǎo)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(yīng)力開裂和變形。同時不同類型的微波燒結(jié)爐功率參數(shù)、磁場設(shè)計方式、燒結(jié)腔體保溫性能、燒結(jié)材質(zhì)的差異等都會導(dǎo)致微波燒結(jié)參數(shù)的多變。
小結(jié)
微波燒結(jié)工藝所展現(xiàn)的是傳統(tǒng)燒結(jié)工藝無法比的優(yōu)勢，勢必成為推動微波燒結(jié)技術(shù)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(shè)備的缺乏、昂貴，是阻礙微波燒結(jié)技術(shù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)化最主要的兩大障礙。
微波燒結(jié)是綠色低碳燒結(jié)的發(fā)展方向之一，盡管在在實(shí)驗(yàn)室研究已取得一定成果，但要大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，還有很長的路要走。
參考資料：
陳勇強(qiáng)等：微波加熱制備特種陶瓷材料研究進(jìn)展.2022年
臧疆文：“雙碳”背景下燒結(jié)工序溫室氣體減排研
郝斌等：微波燒結(jié)的研究進(jìn)展及其在陶瓷材料中的應(yīng)用.2010
劉錦等：微波燒結(jié)微波介質(zhì)陶瓷的研究進(jìn)展
李遠(yuǎn)等：微波燒結(jié)陶瓷的研究進(jìn)展.2011
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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