微波燒結降低燒結溫度機理淺析

　　微波加熱技術(shù)應用于日用陶瓷生坯干燥，業(yè)已作了一些初步實(shí)踐與論述，但尚未將其應用于日用陶瓷燒結方面。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實(shí)驗工作，獲得了準確的技術(shù)參數，取得了令人振奮的結果。在試燒實(shí)驗中，我們發(fā)現微波燒結日用陶瓷可以降低燒結溫度，對此現象，本文擬作一些機理淺析。
　　
　　微波是頻率范圍為0.3—300GHz、相應波長(cháng)為1mm—1m的高頻電磁波。微波燒結是利用微波加熱對材料進(jìn)行燒結的技術(shù)。其基本原理是當高頻率電磁波穿透至材料內部后能引起材料（作為電介質(zhì)）內部自由或束縛電荷（為隅極子、離子和電子等）的反復極化和劇烈運動(dòng)，在分子間產(chǎn)生碰撞、摩擦和內耗，將微波能轉變?yōu)闊崮?，從而產(chǎn)生高溫，達到燒結的目的。日用陶瓷燒結被稱(chēng)為液相燒結（LPS），這是因坯體在燒結過(guò)程中有液相生成而故名。日用陶瓷坯體在加熱過(guò)程中，發(fā)生一系列物理化學(xué)反應，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，完成燒結目的。日用陶瓷燒結就是玻璃化、致密化的過(guò)程。玻璃化即“粘性流動(dòng)燒結”，泛指所有在高溫下有液相流體生成，造成致密化的致密過(guò)程。
　　
　　我們將微波加熱技術(shù)應用于日用陶瓷燒結生產(chǎn)中，發(fā)現微波高溫工業(yè)爐燒結坯體時(shí)可降低燒成溫度50℃以上。分析原因有：
　　
　?。?、測溫方法不同造成誤差
　　
　　傳統燒成的方式是窯體內（或匣缽內）溫度由外向內傳遞，測溫熱電隅所測溫度為邊界溫度，溫度顯示較高；而微波燒結方式是依靠坯體自身分子運動(dòng)加熱即體積性加熱，溫度由內向外傳遞，紅外線(xiàn)測溫儀所測的溫度是坯體底部溫度，有可能比傳統熱電隅所測溫度低。但這種誤差不可能相差50℃以上，故主要原因是在燒結過(guò)程中產(chǎn)生的內在因素。
　　
　?。?、從分子運動(dòng)說(shuō)分析機理
　　
　　燒結可以認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(dòng)或添加，晶粒中心的靠近是通過(guò)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(guò)粘性流動(dòng)實(shí)現。日用陶瓷燒結過(guò)程中晶粒形狀的變化具有以上所述的雙重方式：當坯體在獲得熱量后，隨著(zhù)溫度升高，分子間的碰撞和分子變?yōu)榛罨肿訑的慷荚谠黾?，隨著(zhù)活化分子的百分數增大，導致反應速率成倍增長(cháng)。被熱能激活的晶界原子轉移并填充氣孔，使晶粒中心相互靠近；隨著(zhù)溫度進(jìn)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(shí)、氣孔率很低的瓷器。
　　
　　采用微波高溫工業(yè)爐燒結日用陶瓷時(shí)，遵循前述微波燒結的原理，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(chǎng)的作用下，導致坯體表面和內部同時(shí)發(fā)熱，即坯體自身發(fā)熱，亦稱(chēng)體積性加熱，這種體積性加熱與傳統的單面受熱相比，分子間的碰撞運動(dòng)、活化分子的增加、晶界原子的轉移、各種物理化學(xué)反應都將大提速，因而達到快燒和節能的目的，對于微波燒結應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可以降低燒結溫度呢？過(guò)去，我們?yōu)榻档蜔Y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，然而微波燒結卻讓我們輕松得到。對于這一問(wèn)題，現在尚無(wú)定論。J．A．Booske等認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(diǎn)陣離子遷移率，導致擴散和燒結速度加快，降低了燒結活化能，故降低了燒結溫度。M．A．Janney等研究發(fā)現，在28GHz的微波場(chǎng)下進(jìn)行高純氧化鋁陶瓷的微波燒結所需的活化能為160KJ／mol，而常規燒結所需活化能卻要575KJ／mol。燒結活化能是物體達到燒結狀態(tài)時(shí)活化分子具有的平均能量與本體分子的平均能量之差，微波燒結與傳統燒結相比，其燒結活化能降低。分子碰撞理論認為：分子發(fā)生有效碰撞所必須具備的低能量稱(chēng)為臨界能，具有等于或大于臨界能的分子稱(chēng)為活化分子。普通分子要吸收足夠的能量才能轉變?yōu)榛罨肿印?br />　　
　　燒結活化能在燒結過(guò)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(wú)關(guān)日用陶瓷坯體在傳統燒結狀態(tài)下，其燒結活化能的增加是依靠熱源提供熱能轉化而來(lái)的；當坯體在微波燒結過(guò)程中，其燒結活化能有所降低，說(shuō)明除熱能轉化之外，還有其他一種能量給予了補充。這個(gè)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(chǎng)激活”。微波利用*的電磁場(chǎng)效應給普通分子輸送能量，將電場(chǎng)能轉化為分子勢能或粒子間相互作用的能量，加快了反應速度，降低了傳統觀(guān)念的燒結活化能，在溫度測定上反映出燒結溫度降低了。微波燒結日用陶瓷可以降低燒結溫度的機理是由于微波電場(chǎng)能除為坯體燒結轉化為熱能之外，還轉化為其他直接激活分子的能量，故在其表象上反映為：燒結熱能降低、燒結溫度降低。分子在外力場(chǎng)特別是外力磁場(chǎng)環(huán)境中運動(dòng)的有關(guān)理論在無(wú)機化學(xué)、物理化學(xué)中都尚無(wú)闡述。
　　
　　微波技術(shù)應用于工業(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正在不斷深入與完善。微波燒結除了快燒、節能、無(wú)污染源之外還有許多優(yōu)點(diǎn)，如：坯體由于自身發(fā)熱，溫度表里如一，坯內溫度場(chǎng)均勻，熱應力小，有利于復雜形狀陶瓷大部件的燒結；由于微波燒結升溫特快，因而避免晶粒長(cháng)大，可獲得具有高強度、高韌性的超細晶粒結構陶瓷。這些優(yōu)勢可以首先推廣應用于生產(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、衛潔陶瓷生產(chǎn)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)利用。