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微波燒結(jié)日用陶瓷可以降低燒結(jié)溫度機理淺析

發(fā)布:2008-9-18 10:41:49  來源: 科技在線 [字體: ]

(一)


  微波加熱技術(shù)應(yīng)用于日用陶瓷生坯干燥,國內(nèi)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。
(二)


  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1。
日用陶瓷燒結(jié)被稱為液相燒結(jié)(LPS)2,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)”2,泛指所有在高溫下有液相流體生成,造成完全致密化的致密過程)。
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。對這一現(xiàn)象,我們分析原因有:

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,最終得到致密堅實、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。

(三)
  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4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5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,筆者擬沿著能量轉(zhuǎn)化的思路作些淺顯的論述。
分子碰撞理論認為:分子發(fā)生有效碰撞所必須具備的最低能量稱為臨界能,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。燒結(jié)活化能在燒結(jié)過程前后的變量(△∪)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)6。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”。微波利用特有的電磁場效應(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。

本文的結(jié)論是:

  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。本人所接觸到的問題僅僅是微波技術(shù)生產(chǎn)應(yīng)用中的“冰山一角”,膚淺之見,望同仁斧正。

(四)
  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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