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微(wei)波(bo)(bo)加热在日常生活中(zhong)已应用(yong)甚广，但(dan)在工业上(shang)达到规模应用(yong)目前仍在发展(zhan)中(zhong)，微(wei)波(bo)(bo)是(shi)指频率在300兆赫兹到300千兆赫兹的(de)(de)(de)电磁波(bo)(bo)，自20世纪90年代起，微(wei)波(bo)(bo)加热制(zhi)备陶(tao)(tao)瓷材(cai)料(liao)一直是(shi)国(guo)际研究热点。国(guo)际无线电管(guan)理委员会为了避免对通信的(de)(de)(de)干扰，规定用(yong)于工业微(wei)波(bo)(bo)加热的(de)(de)(de)频率为915MHz和2.45GHz，其中(zhong)陶(tao)(tao)瓷制(zhi)备中(zhong)最(zui)常用(yong)的(de)(de)(de)频率为2.45GHz，相应的(de)(de)(de)波(bo)(bo)长(zhang)为122mm。

微波频段及应用

微(wei)波烧结的原理

与传(chuan)统烧(shao)结不(bu)同，在微波(bo)加(jia)热(re)过程中，电磁能(neng)量被材(cai)(cai)料(liao)吸收，材(cai)(cai)料(liao)整体(ti)发(fa)热(re)，热(re)量通过物(wu)体(ti)表面向外耗散，微波(bo)加(jia)热(re)是被加(jia)热(re)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)功能(neng)性表现。被加(jia)热(re)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)极性分(fen)子在快速变化的(de)(de)高频电磁场作用(yong)下，其极性取(qu)向将(jiang)随着外电场的(de)(de)变化而(er)变化，造成分(fen)子的(de)(de)运(yun)动和相(xiang)互(hu)摩擦效应(ying)，从而(er)使微波(bo)的(de)(de)电磁场能(neng)转化为(wei)介质内的(de)(de)热(re)能(neng)。

微波(bo)加(jia)热(re)使水等极性分子运动摩(mo)擦生热(re)

微波(bo)烧(shao)结在促使(shi)材料致密(mi)化过程中，可以降低烧结温度(du)并减少(shao)烧结时(shi)间，常规热辐射和热传(chuan)导烧结过程中，陶瓷晶粒以体(ti)积扩(kuo)散为主，而在电磁场的作用下，陶瓷(ci)颗粒以晶界扩散(san)为主。

例如烧结氧化锆陶瓷，锆离子Zr4⁺的扩散速(su)(su)率(lv)决定了(le)陶瓷致密化的速(su)(su)率(lv)，Zr4⁺的体(ti)积扩(kuo)散(san)活(huo)化(hua)(hua)能(neng)(neng)为515 kJ/mol，而晶(jing)界扩(kuo)散(san)活(huo)化(hua)(hua)能(neng)(neng)为200 kJ/mol，也就是说相比于传统加(jia)热方式，采用(yong)晶(jing)界扩(kuo)散(san)的加(jia)热更容易。因此，在微(wei)波场作用(yong)下(xia)，氧化(hua)(hua)锆陶(tao)瓷更容易达到致密化(hua)(hua)。

因此微波加热有(you)许多优点，如节省时间和能源，具有(you)非常高的(de)加热速率(>400℃/min)，显著降(jiang)低烧(shao)结(jie)温度，使(shi)被烧(shao)结(jie)材料具有(you)精细的(de)微观结(jie)构，材料的(de)机械性能更(geng)好等。

微波加热材料的影响(xiang)因素

微(wei)波与不同材料(liao)的相(xiang)互作(zuo)用取(qu)决于材料(liao)的电磁特性、晶粒尺寸和孔(kong)隙(xi)率，依据(ju)这些特(te)性，材料可以分为微波(bo)透明体（无(wu)能量转移，低介质损(sun)耗材料）、微波反射体(ti)（不能穿透到材料内部，导体）和微(wei)波(bo)吸收(shou)体（存在能量的吸收(shou)和交换，高介质损耗材料）。

一般(ban)来(lai)说，高介(jie)质损耗材料更(geng)容易实(shi)现微(wei)波(bo)(bo)加(jia)热，而具有最佳(jia)绝缘性能的(de)陶(tao)瓷(ci)，如(ru)氧(yang)化(hua)铝、氧(yang)化(hua)镁、二氧(yang)化(hua)硅和(he)玻(bo)璃，在(zai)室(shi)温下属于(yu)微(wei)波(bo)(bo)透明体，但当加(jia)热到临界温度(du)Tc以(yi)上时(shi)，它们开始(shi)吸收微(wei)波(bo)(bo)，并逐步与微(wei)波(bo)(bo)辐(fu)射发生(sheng)更(geng)有效的(de)耦(ou)合。因此，在(zai)用(yong)微(wei)波(bo)(bo)加(jia)热该类材料时(shi)，需(xu)要利用(yong)辅助加热，使(shi)温度升高到(dao)临(lin)界值；或在(zai)室温微波透(tou)明(ming)陶瓷中加入室温高介质损耗的(de)微波吸收第二相，增强整(zheng)体与微波(bo)的(de)相互作用，实(shi)现(xian)微波(bo)混合加热。

微(wei)波加热受材料本身性能影(ying)响

微波加热特种陶瓷粉(fen)体

陶(tao)瓷粉体(ti)的(de)(de)合成(cheng)一直是微(wei)波制备(bei)高性(xing)能陶(tao)瓷的(de)(de)主要领域(yu)，与传统(tong)加热方法相比，微(wei)波热解乳(ru)化(hua)的(de)(de)化(hua)合物，更易获得大量的(de)(de)纳米(mi)级(ji)氧(yang)(yang)化(hua)物陶(tao)瓷粉体(ti)。微(wei)波热解可以获得分散性(xing)较好的(de)(de)氧(yang)(yang)化(hua)锆或氧(yang)(yang)化(hua)铝粉体(ti)，原(yuan)因在于前驱体(ti)吸收微(wei)波整体(ti)加热，热(re)量(liang)(liang)由内部(bu)向外扩(kuo)(kuo)散，颗粒之间形成热(re)量(liang)(liang)扩(kuo)(kuo)散通(tong)道，扩散驱(qu)动力使颗粒向四周(zhou)分散，一定程度上阻碍晶粒的团聚(ju)。而常规(gui)辐射加热(re)热(re)解(jie)过程，热(re)辐射从(cong)外部加热(re)前驱(qu)体粉体，热(re)量(liang)从(cong)外部向内部聚(ju)集，容易(yi)造(zao)成粉体的团聚(ju)。

不(bu)过(guo)由于不(bu)同材(cai)料(liao)对(dui)微波(bo)的(de)吸收有限，实现(xian)(xian)微波(bo)烧(shao)结并不(bu)容易。目前微波(bo)烧(shao)结材(cai)料(liao)的(de)研究(jiu)大多基于传统的(de)低频(2.45GHz)微波(bo)发生器(qi)，在(zai)室(shi)温下，这种频率的(de)微波(bo)与诸多材(cai)料(liao)不(bu)能(neng)有效(xiao)耦合，较(jiao)差的(de)微波(bo)吸收特性使多数材(cai)料(liao)初始加热(re)困难。此外，在(zai)微波(bo)烧(shao)结过(guo)程中，可能(neng)会出现(xian)(xian)热(re)稳定差的(de)现(xian)(xian)象，从(cong)而(er)导(dao)致温度失控，引起样品(pin)严重过(guo)烧(shao)。另外，某些陶瓷粉体需要气氛保护烧(shao)结，实现(xian)(xian)难度很大。

1.常规烧结(jie)

例如Al₂O₃等(deng)陶瓷粉体，在(zai)常(chang)(chang)(chang)规(gui)加热(re)(re)(re)中(zhong)(zhong)，由(you)于(yu)辐射(she)散热(re)(re)(re)，材料外围温度(du)低于(yu)内部(bu)(bu)，存(cun)在(zai)的(de)固有温度(du)梯(ti)度(du)，在(zai)大升温速(su)率(lv)下(xia)，会造(zao)成严重的(de)温度(du)不(bu)均(jun)匀(yun)(yun)，进而(er)导致(zhi)不(bu)均(jun)匀(yun)(yun)烧(shao)结(jie)(jie)或开裂，这使(shi)(shi)得(de)工业中(zhong)(zhong)常(chang)(chang)(chang)采用保温层等(deng)方(fang)式来(lai)改(gai)善。而(er)微波加热(re)(re)(re)同样也会遇到(dao)温度(du)不(bu)均(jun)匀(yun)(yun)的(de)问(wen)题(ti)，只是(shi)在(zai)常(chang)(chang)(chang)规(gui)加热(re)(re)(re)中(zhong)(zhong)，加热(re)(re)(re)方(fang)向(xiang)(xiang)是(shi)由(you)外到(dao)内，导致(zhi)样品表面(mian)温度(du)高于(yu)内部(bu)(bu)，使(shi)(shi)粉末坯(pi)体中(zhong)(zhong)心区域的(de)微观(guan)组织(zhi)结(jie)(jie)构较差(cha)；而(er)在(zai)微波加热(re)(re)(re)中(zhong)(zhong)，加热(re)(re)(re)方(fang)向(xiang)(xiang)是(shi)由(you)内到(dao)外，导致(zhi)样品内部(bu)(bu)的(de)温度(du)高于(yu)表面(mian)，使(shi)(shi)粉末坯(pi)体表面(mian)的(de)微观(guan)组织(zhi)结(jie)(jie)构较差(cha)。

导热球形粉体(ti)对表(biao)面微观(guan)结构要求(qiu)更高

因(yin)此这促使研究(jiu)人员开发(fa)了(le)直接微波加(jia)热(re)和常规热(re)源辐(fu)射相结合的混(hun)合加热(re)技术，利用(yong)(yong)微波和微波耦(ou)合外热源的共同(tong)作(zuo)用(yong)(yong)，可实现坯体内外的快速烧结，可用(yong)(yong)于烧结在低(di)温(wen)下(xia)具有(you)低(di)介电损耗，在高(gao)温(wen)下(xia)具有(you)高(gao)介电损耗的材料(liao)。这(zhei)样的混合加热系统在低(di)温(wen)下(xia)使(shi)样品更容易加热，而(er)在高(gao)温(wen)下(xia)可保证样品稳定加热。

2.气氛烧结

SiC是典型的(de)(de)气氛保(bao)护烧(shao)结才能(neng)制备的(de)(de)陶瓷粉(fen)体，利(li)用微(wei)波技术合成SiC晶体是可行的(de)(de)，但(dan)目前存在的(de)(de)主要(yao)问(wen)题包(bao)括：目前尚未有较成熟的(de)(de)微(wei)波加(jia)热烧(shao)结SiC的(de)(de)技术路线，采用原料不统一，造成SiC结构、形貌的(de)(de)不确(que)定性，缺乏(fa)完整的(de)(de)技术体系；微(wei)波加(jia)热需(xu)要(yao)气氛保(bao)护，不利(li)于工业化推广。

微波烧结制备特种陶瓷(ci)

微(wei)波加(jia)热和烧结的(de)优(you)点主(zhu)要有以下几点：

（1）升(sheng)温速率快，可(ke)以(yi)实现陶瓷的快速烧结与晶粒变化；

（2）整体均匀加热，内(nei)部温(wen)度场均匀，显著改善材料的显微结构；

（3）微波加热(re)不存在热(re)惯性(xing)，烧结周期短；

（4）利用微波对材料(liao)的选择性(xing)加(jia)热(re)，可以对材料(liao)某些部位(wei)进行加(jia)热(re)修复(fu)或缺陷(xian)愈合；

（5）自(zi)身加热，不(bu)存在来自(zi)外热源(yuan)的(de)污染；

（6）微波能向热能的转化效率可达80%~90%，高效节能。

大量研究(jiu)探(tan)索证明(ming)，许多结(jie)(jie)构陶(tao)瓷可(ke)以(yi)应用(yong)微波烧(shao)结(jie)(jie)，氧化物陶(tao)瓷、非氧化物陶(tao)瓷以(yi)及透明(ming)陶(tao)瓷用(yong)微波烧(shao)结(jie)(jie)，可(ke)以(yi)得到致密的(de)性能优良(liang)的(de)制品，且烧(shao)结(jie)(jie)时间缩短、烧(shao)结(jie)(jie)温度降低。

目(mu)前(qian)氧(yang)化(hua)锆(gao)和(he)(he)(he)氧(yang)化(hua)铝(lv)陶(tao)(tao)瓷作为重(zhong)要的(de)陶(tao)(tao)瓷工程(cheng)结(jie)构件(jian)的(de)组(zu)成部分，其(qi)工程(cheng)制品的(de)生产企业还(hai)普(pu)遍采(cai)用传统烧结(jie)方式，与微(wei)波(bo)烧结(jie)相比，传统烧结(jie)不(bu)但生产效(xiao)率低，而且(qie)能耗高，因此，微(wei)波(bo)烧结(jie)氧(yang)化(hua)铝(lv)和(he)(he)(he)氧(yang)化(hua)锆(gao)陶(tao)(tao)瓷工程(cheng)制品的(de)研究势在必行。但当前(qian)微(wei)波(bo)烧结(jie)陶(tao)(tao)瓷的(de)研究大多(duo)集(ji)中于小尺(chi)寸和(he)(he)(he)简单结(jie)构的(de)陶(tao)(tao)瓷样品，现有陶(tao)(tao)瓷工程(cheng)制品的(de)微(wei)波(bo)烧结(jie)，尤(you)其(qi)是大型和(he)(he)(he)异型陶(tao)(tao)瓷构件(jian)的(de)烧结(jie)，存(cun)在热场均匀(yun)性(xing)和(he)(he)(he)整体加热等诸多(duo)难题。

各类(lei)陶瓷结构件(jian)

总结

尽管(guan)有许多微(wei)(wei)波(bo)合成氧化物、碳(tan)化物、氮(dan)化物陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)粉体(ti)和(he)微(wei)(wei)波(bo)烧结陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)复(fu)合材(cai)料的(de)报道，但仍然局(ju)限于微(wei)(wei)波(bo)制(zhi)备(bei)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)料可行性的(de)研究阶段，缺(que)乏(fa)对微(wei)(wei)波(bo)加热过程相关加热效应(ying)及其(qi)调控机制(zhi)的(de)系(xi)统(tong)阐述，没有规模化陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)制(zhi)品(pin)(pin)的(de)应(ying)用基础。在(zai)实际工业生(sheng)产中(zhong)，微(wei)(wei)波(bo)烧结陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)制(zhi)品(pin)(pin)仍是极小的(de)一(yi)部分，而(er)粉体(ti)的(de)制(zhi)备(bei)目前还(hai)未形成规模，微(wei)(wei)波(bo)烧结技术在(zai)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)料的(de)应(ying)用探索(suo)上(shang)，我们(men)仍有很长(zhang)的(de)路要(yao)走。

参考来(lai)源：

1.微(wei)波(bo)加热制备特种陶瓷材料研究(jiu)进(jin)展(zhan)，陈勇(yong)强、王怡(yi)雪、张帆、李红霞、董宾宾、闵(min)志(zhi)宇、张锐（无机材料学报(bao)）；

2.微波加热(re)在陶瓷(ci)材(cai)料中的应(ying)用，彭金辉、何(he)蔼平（稀有金属）；

3.基于(yu)辅热(re)材料的微波烧(shao)结陶瓷刀具温度(du)场研究，郑立辉、程寓(yu)、汪家傲、王子(zi)祥、殷增斌（中国陶瓷工(gong)业(ye)）。

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