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微波烧结技术的发展及现状

信息来源:gkong.biz  时间:2011-03-05  浏览次数:128

  建立在现代工业基础上的文明有赖于特殊材料的应用,传统的粉末冶金材料和新兴的各种陶瓷材料是现代工业生产所不可缺少的基础,而烧结技术往往是决定粉末冶金制品和陶瓷制品性能的重要环节。
  微波具有特殊波段与大多数材料的基本细微结构的耦合,能对材料产生奇特的电磁场加热效应,被作为一种输入能量而得以广泛应用。
  微波烧结技术概述
  微波烧结(microwave sInterlng)是一种利用微波加热来对材料进行烧结。微波烧结技术是利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量,材料的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法,是快速制备高质量的新材料和制备具有新的性能的传统材料的重要技术手段。它具有烧结温度低、烧结时间短、能源利用率和加热效率高、安全卫生无污染等优点。与传统的烧结工艺生产的工件相比,用微波烧结制成的工件具有较高的密度、硬度和强韧性。短时间烧结产生均匀的细晶粒显微结构,内部孔隙很少,孔隙形状比传统烧结的圆,因而具有更好的延展性和韧性。微波加热能使工件加热均匀,加热速度可以高达15000c/分钟,高效节能,对某些材料甚至可以以很少的输入能量实现2000℃以上高温。由于微波对大多数粉末陶瓷材料有很大的穿透性,可以均匀地加热工件,减小高温烧结过程中的温度梯度,从而降低由膨胀不均匀产生的材料变形,使迅速升温成为可能,而且在高温下停留的时间可以大幅度缩短,抑制晶粒的长大,改善材料的物理、力学性能。采用微波烧结炉烧结技术陶瓷、工程陶瓷、磁性材料和硬质合金等材料具有迅速的升温和烧结过程;工艺过程时间缩短50%以上;由于微波能量直接用于加热工件,能耗可以低至3.6千瓦时每公斤,在相同的生产率条件下仅为传统烧结工艺的10%;微波烧结不存在高温下辐射传导的阴影效应,减小热变形;被微波烧结的材料具有极为细小的显微结构;使烧结纳米材料成为可能;微波烧结使工件表面成分变化可能性降低;微波烧结能降低烧结温度;提高烧结密度;改善产品质量。微波烧结技术业已证明是加热和烧结功能陶瓷、工程陶瓷、磁性材料和硬质合金等材料的最好方法。
  微波烧结技术的诞生和发展,已引起传统烧结概念的突破,被材料界誉为“烧结技术的一场革命”。微波烧结技术从根本上改变了材料烧结的工艺现状,它将成为创造具有特殊性能材料的有效手段,具有巨大的发展潜力和应用前景。
  国内外微波烧结技术的发展状况
  微波烧结的概念由Tinga.W.R等人提出于20世纪60年代末期。微波烧结技术的发展历程大致可分为三个阶段:70年代中期80年代早期进入初步实验研究阶段,1976年,Berteaud和Badot首先报导了在实验室用微波烧结材料取得成功,这个期间研究和实验工作主要局限于一些容易吸收微波而烧结温度又较低的陶瓷材料,如BaTi03、U02等。80年代中期至90年代中期进入研究发展期,美国、加拿大、德国等各国投入了大量的财力、人力用于研究和发展微波烧结技术。1985年开始,美国材料研究学会(MRS)和陶瓷协会主办了有关微波烧结专题国际会;1988年开始,美国MRS会议将微波烧结技术作为一个专题列入讨论,之后,每两年举行一次,迄今已进行5次,并出版了多本论文集。1991年在美国创刊的“Journal of Material Syn-thesis and Processing”也将微波烧结技术作为重要的内容之一。在这个期间,主要探索和研究了微波理论、微波烧结装置系统优化设计和材料烧结工艺、材料介电参数测试、材料与微波交互作用机制以及电磁场和温度场计算机数值模拟等,烧结了许多不同类型的材料。
  20世纪90年代晚期进入微波烧结产业化阶段,美国、加拿大、德国等发达国家开始投入小批量生产。美国已经具有生产微波连续烧结设备的能力,主要针对硬质合金。现在他们正在开发压敏陶瓷器件的微波连续烧结设备。由于美国并不是硬质合金和磁性材料的生产国,主要的微波烧结研究方向是高性能的电子陶瓷。美国宾州立大学的微波工艺研究中心证明了微波还可以用以烧结粉末冶金制品如不锈钢、铜铁合金、铜锌合金、钨铜合金及镍基高温合金等。加拿大INDEXABLE TOOLSLTD拥有自己研制的微波烧结设备用于本公司生产氮化硅刀具。一天可以生产2万片高品质的半英寸氮化硅刀片。产品主要满足北美需要。该公司也曾进行了微波烧结硬质合金的卓有成效的尝试。作者曾帮助INDEXABLE TOOLS LTD建立了微波烧结的模型以改进设备效率。目前美国军方已投资进行陶瓷防弹装甲材料的微波烧结研究,而高磁场条件下的微波能够制备出完全非晶态的磁性材料,将具有显著硬磁特性的材料变成软磁材料,这一发现意味着微波能量的应用开始从简单的烧结和合成向微波改性发展。此项目也得到了美国军方的巨额资金支持,德国的主要研究方向集中在微波烧结硬质合金的产业化,德意志大学的WillertPorada提出的微波烧结收缩机理模型已被大多数同行所认同。
  1988年,武汉工业大学在我国率先开展了微波烧结技术研究,并被列为国家“863计划”。中国科学院沈阳金属所、上海硅酸盐所、清华大学等单位相继开展了该技术的研究,推动了该技术在我国的发展。据不完全统计,目前,国内有近三十几家大学、研究单位和生产单位先后从事微波烧结及微波合成材料方面的研究工作。具有代表性的单位有中国科学院金属研究所、武汉工业大学、清华大学和中国科学院上海硅酸盐研究所等。武汉工业大学承担了“863计划”项目“小型连续化微波烧结系统研制”,热电偶套管、高铝质陶瓷管、辊道窑用陶瓷辊棒等多种长条形规格的非金属材料在垂直方向均匀地通过该系统中的烧结腔体、实现连续化烧结,且具有快速、成品率高、质量高、节能降耗等~系列常规烧结无法代替的优点。被烧结材料外直径不大于60mm,长度不大于3米,成品率高达90%。
  中国科学院沈阳金属研究所在国家高新技术“863计划”连续两个五年计划资助下,研制出多台MFM-863系列微波烧结设备,其主要技术指标:电源:380V,50Hz;功率:0.5-10KW连续可调;工作频率:2450MHz;工作温度:>1800~C;烧结区:120×120ram;平均时耗:0.5-2h/炉。该设备主要应用于陶瓷烧结,反应烧结,陶瓷/金属焊接,原料合成,超细粉制备,快速充气,热处理等方面。
  另外,对微波烧结的基本原理进行了研究,认为介质材料与微波相互作用出现的极化驰豫机制将微波能在材料内部瞬时转变为热能,而使材料整体得以同时高效快速加热。另外,清华大学和上海硅酸盐研究所在微波烧结方面分别承担国家自然科学基金项目。以上研究单位的研究成果及整个研究工作基本处于实验室阶段。
  制约我国微波烧结技术发展主要因素是微波烧结机理、材料介质特性数据、微波烧结设备的制造、自动化控制。迄今我国真正的工业应用型设备还没有做出来。 2001年,在中国成立了长沙隆泰科技有限公司,该公司为微波烧结专业企业,致力于工业化微波烧结设备制造,微波烧结工艺技术及其新材料制备的研究开发和批量生产。该公司拥有的自主知识产权的微波烧结技术,目前已拥有多项中国专利和外国专利。在微波烧结设备方面针对某一种烧结材料的批量生产使用炉体和工艺参数固定的专用设备可以降低成本,提高生产效率,在特种冶金和陶瓷领域已实现产业化。因此,对于不同的材料要求应设计制造不同的微波设计专用设备,主要构件采用模块化设计,方便维护和换代。整个微波烧结设备由电源及能量输入系统、炉体和计算机控制系统组成。为了提高生产效率,采用微波连续烧结设备或几个炉体共用一套微波电源。原则上一套设备由一台计算机实现控制,生产规模大时可用一台计算机控制整个烧结车间的多套烧结设备。基于模块化的烧结思想,在需要改变烧结材料的时候,只须更换炉体和计算机控制软件。在高技术新材料烧结方面已成功地开发出氮化硅、压电陶瓷、压敏陶瓷电阻、多层陶瓷电容器、电感器、锰锌铁氧体软磁、钕铁硼永磁和硬质合金等材料的微波烧结工艺技术。

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