微波燒結(jié)降低燒結(jié)溫度機理淺析
更新時間：2013-08-26
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微波加熱技術(shù)應(yīng)用于日用陶瓷生坯干燥，業(yè)已作了一些初步實踐與論述，但尚未將其應(yīng)用于日用陶瓷燒結(jié)方面。我們利用本公司自行研發(fā)的微波高溫工業(yè)爐做了日用陶瓷的燒結(jié)實驗工作，獲得了準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)，取得了令人振奮的結(jié)果。在試燒實驗中，我們發(fā)現(xiàn)微波燒結(jié)日用陶瓷可以降低燒結(jié)溫度，對此現(xiàn)象，本文擬作一些機理淺析。
微波是頻率范圍為0.3—300GHz、相應(yīng)波長為1mm—1m的高頻電磁波。微波燒結(jié)是利用微波加熱對材料進行燒結(jié)的技術(shù)。其基本原理是當(dāng)高頻率電磁波穿透至材料內(nèi)部后能引起材料（作為電介質(zhì)）內(nèi)部自由或束縛電荷（為隅極子、離子和電子等）的反復(fù)極化和劇烈運動，在分子間產(chǎn)生碰撞、摩擦和內(nèi)耗，將微波能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩a(chǎn)生高溫，達到燒結(jié)的目的。日用陶瓷燒結(jié)被稱為液相燒結(jié)（LPS），這是因坯體在燒結(jié)過程中有液相生成而故名。日用陶瓷坯體在加熱過程中，發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，造成液相生成，液相的體積填充坯體中所有氣孔，使坯體趨于致密化，完成燒結(jié)目的。日用陶瓷燒結(jié)就是玻璃化、致密化的過程。玻璃化即“粘性流動燒結(jié)”，泛指所有在高溫下有液相流體生成，造成致密化的致密過程。
我們將微波加熱技術(shù)應(yīng)用于日用陶瓷燒結(jié)生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)微波高溫工業(yè)爐燒結(jié)坯體時可降低燒成溫度50℃以上。分析原因有：
１、測溫方法不同造成誤差
傳統(tǒng)燒成的方式是窯體內(nèi)（或匣缽內(nèi)）溫度由外向內(nèi)傳遞，測溫?zé)犭娪缢鶞y溫度為邊界溫度，溫度顯示較高；而微波燒結(jié)方式是依靠坯體自身分子運動加熱即體積性加熱，溫度由內(nèi)向外傳遞，紅外線測溫儀所測的溫度是坯體底部溫度，有可能比傳統(tǒng)熱電隅所測溫度低。但這種誤差不可能相差50℃以上，故主要原因是在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的內(nèi)在因素。
２、從分子運動說分析機理
燒結(jié)可以認(rèn)為是坯體中晶粒配位形狀的變化，這種變化使晶粒以空間填充方式排列，即晶粒中心相互靠近，減少坯體尺寸并排除氣孔。在晶體材料中，原子只能在界面被移動或添加，晶粒中心的靠近是通過熱激活擴散，把原子從晶界移走并添加到氣孔表面。在非晶態(tài)材料中，晶粒形狀的變化可以通過粘性流動實現(xiàn)。日用陶瓷燒結(jié)過程中晶粒形狀的變化具有以上所述的雙重方式：當(dāng)坯體在獲得熱量后，隨著溫度升高，分子間的碰撞和分子變?yōu)榛罨肿訑?shù)目都在增加，隨著活化分子的百分?jǐn)?shù)增大，導(dǎo)致反應(yīng)速率成倍增長。被熱能激活的晶界原子轉(zhuǎn)移并填充氣孔，使晶粒中心相互靠近；隨著溫度進一步升高，造成液相生成，晶粒中心相互靠近的速度加快，終得到致密堅實、氣孔率很低的瓷器。
采用微波高溫工業(yè)爐燒結(jié)日用陶瓷時，遵循前述微波燒結(jié)的原理，坯體吸收到具有較大輻射滲透深度的微波后，在微波電磁場的作用下，導(dǎo)致坯體表面和內(nèi)部同時發(fā)熱，即坯體自身發(fā)熱，亦稱體積性加熱，這種體積性加熱與傳統(tǒng)的單面受熱相比，分子間的碰撞運動、活化分子的增加、晶界原子的轉(zhuǎn)移、各種物理化學(xué)反應(yīng)都將大提速，因而達到快燒和節(jié)能的目的，對于微波燒結(jié)應(yīng)用中十分突出的這一特征與優(yōu)勢，是易于解析和接受的。
但是，為什么采用微波燒結(jié)可以降低燒結(jié)溫度呢？過去，我們?yōu)榻档蜔Y(jié)溫度絞盡腦汁，千方百計在坯釉配方上下功夫，若要降低50℃都非常不易，然而微波燒結(jié)卻讓我們輕松得到。對于這一問題，現(xiàn)在尚無定論。J．A．Booske等認(rèn)為是微波與弱鍵連接的離子產(chǎn)生共振偶合作用，因而增加了晶格點陣離子遷移率，導(dǎo)致擴散和燒結(jié)速度加快，降低了燒結(jié)活化能，故降低了燒結(jié)溫度。M．A．Janney等研究發(fā)現(xiàn)，在28GHz的微波場下進行高純氧化鋁陶瓷的微波燒結(jié)所需的活化能為160KJ／mol，而常規(guī)燒結(jié)所需活化能卻要575KJ／mol。燒結(jié)活化能是物體達到燒結(jié)狀態(tài)時活化分子具有的平均能量與本體分子的平均能量之差，微波燒結(jié)與傳統(tǒng)燒結(jié)相比，其燒結(jié)活化能降低。分子碰撞理論認(rèn)為：分子發(fā)生有效碰撞所必須具備的低能量稱為臨界能，具有等于或大于臨界能的分子稱為活化分子。普通分子要吸收足夠的能量才能轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨肿印?br />
燒結(jié)活化能在燒結(jié)過程前后的變量（△U）只取決于某特定材料的始態(tài)與終態(tài)，而與該材料狀態(tài)變化的途徑無關(guān)日用陶瓷坯體在傳統(tǒng)燒結(jié)狀態(tài)下，其燒結(jié)活化能的增加是依靠熱源提供熱能轉(zhuǎn)化而來的；當(dāng)坯體在微波燒結(jié)過程中，其燒結(jié)活化能有所降低，說明除熱能轉(zhuǎn)化之外，還有其他一種能量給予了補充。這個未知的能量與熱能作用是相同的，即為普通分子提供足夠的能量，使普通分子激活為活化分子。所不同的是：熱能的轉(zhuǎn)化是提供“熱激活”，但微波的作用不僅提供了“熱激活”，而且還提供了“電磁場激活”。微波利用*的電磁場效應(yīng)給普通分子輸送能量，將電場能轉(zhuǎn)化為分子勢能或粒子間相互作用的能量，加快了反應(yīng)速度，降低了傳統(tǒng)觀念的燒結(jié)活化能，在溫度測定上反映出燒結(jié)溫度降低了。微波燒結(jié)日用陶瓷可以降低燒結(jié)溫度的機理是由于微波電場能除為坯體燒結(jié)轉(zhuǎn)化為熱能之外，還轉(zhuǎn)化為其他直接激活分子的能量，故在其表象上反映為：燒結(jié)熱能降低、燒結(jié)溫度降低。分子在外力場特別是外力磁場環(huán)境中運動的有關(guān)理論在無機化學(xué)、物理化學(xué)中都尚無闡述。
微波技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)僅有30多年的歷史，其學(xué)術(shù)研究與完整的理論系統(tǒng)正在不斷深入與完善。微波燒結(jié)除了快燒、節(jié)能、無污染源之外還有許多優(yōu)點，如：坯體由于自身發(fā)熱，溫度表里如一，坯內(nèi)溫度場均勻，熱應(yīng)力小，有利于復(fù)雜形狀陶瓷大部件的燒結(jié)；由于微波燒結(jié)升溫特快，因而避免晶粒長大，可獲得具有高強度、高韌性的超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)陶瓷。這些優(yōu)勢可以首先推廣應(yīng)用于生產(chǎn)大型、異型藝術(shù)瓷、薄胎藝術(shù)瓷、陶瓷雕塑、高強度藝術(shù)瓷方面，并逐步在日用陶瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)潔陶瓷生產(chǎn)領(lǐng)域開發(fā)利用。
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