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微波燒結日用陶瓷可以降低燒結溫度機理淺析
祇ガ丁2008-8-5 12:01:18 ㄓ 科技在線

(一)


  微波加熱技術應用於日用陶瓷生坯幹燥,國內業已作了一些初步實踐與論述,但尚未將其應用於日用陶瓷燒結方面。我們利用本公司自行研發的微波高溫工業爐做了日用陶瓷的燒結實驗工作,獲得了準確的技術參數,取得了令人振奮的結果。在試燒實驗中,我們發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。
(二)


  微波是頻率範圍為0.3—300GHz、相應波長為1mm—1m的高頻電磁波。微波燒結是利用微波加熱對材料進行燒結的技術。其基本原理是當高頻率電磁波穿透至材料內部後能引起材料(作為電介質)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,在分子間產生碰撞、摩擦和內耗,將微波能轉變為熱能,從而產生高溫,達到燒結的目的1。
日用陶瓷燒結被稱為液相燒結(LPS)2,這是因坯體在燒結過程中有液相生成而故名。日用陶瓷坯體在加熱過程中,發生一系列物理化學反應,造成液相生成,液相的體積填充坯體中所有氣孔,使坯體趨於致密化,完成燒結目的。日用陶瓷燒結就是玻璃化、致密化的過程。(玻璃化即“粘性流動燒結”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應用於日用陶瓷燒結生產中,發現微波高溫工業爐燒結坯體時可降低燒成溫度50℃以上。對這一現象,我們分析原因有:

1、 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加熱即體積性加熱,溫度由內向外傳遞,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程中產生的內在因素。

2、從分子運動說分析機理
  

  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,減少坯體尺寸並排除氣孔。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,把原子從晶界移走並添加到氣孔表面。在非晶態材料中,晶粒形狀的變化可以通過粘性流動實現。日用陶瓷燒結過程中晶粒形狀的變化具有以上所述的雙重方式:當坯體在獲得熱量後,隨著溫度升高,分子間的碰撞和分子變為活化分子數目都在增加,隨著活化分子的百分數增大,導致反應速率成倍增長。被熱能激活的晶界原子轉移並填充氣孔,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。
采用微波高溫工業爐燒結日用陶瓷時,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後,在微波電磁場的作用下,導致坯體表面和內部同時發熱,即坯體自身發熱,亦稱體積性加熱,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、活化分子的增加、晶界原子的轉移、各種物理化學反應都將大提速,因而達到快燒和節能的目的,對於微波燒結應用中十分突出的這一特征與優勢,是易於解析和接受的。

(三)
  但是,為什麽采用微波燒結可以降低燒結溫度呢?過去,我們為降低燒結溫度絞盡腦汁,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。
對於這一問題,現在尚無定論。J.A.Booske4等認為是微波與弱鍵連接的離子產生共振偶合作用,因而增加了晶格點陣離子遷移率,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5等研究發現,在28GHz的微波場下進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,微波燒結與傳統燒結相比,其燒結活化能降低,筆者擬沿著能量轉化的思路作些淺顯的論述。
分子碰撞理論認為:分子發生有效碰撞所必須具備的最低能量稱為臨界能,具有等於或大於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變為活化分子。燒結活化能在燒結過程前後的變量(△∪)只取決於某特定材料的始態與終態,而與該材料狀態變化的途徑無關6。日用陶瓷坯體在傳統燒結狀態下,其燒結活化能的增加是依靠熱源提供熱能轉化而來的;當坯體在微波燒結過程中,其燒結活化能有所降低,說明除熱能轉化之外,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給普通分子輸送能量,將電場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,降低了傳統觀念的燒結活化能,在溫度測定上反映出燒結溫度降低了。

本文的結論是:

  微波燒結日用陶瓷可以降低燒結溫度的機理是由於微波電場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
分子在外力場特別是外力磁場環境中運動的有關理論在無機化學、物理化學中都尚無闡述。微波技術應用於工業生產僅有30多年的歷史,其學術研究與完整的理論系統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生產應用中的“冰山一角”,膚淺之見,望同仁斧正。

(四)
  微波燒結除了快燒、節能、無汙染源之外還有許多優點,如:坯體由於自身發熱,溫度表裏如一,坯內溫度場均勻,熱應力小,有利於復雜形狀陶瓷大部件的燒結;由於微波燒結升溫特快,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構陶瓷。這些優勢可以首先推廣應用於生產大型、異型藝術瓷、薄胎藝術瓷、陶瓷雕塑、高強度藝術瓷方面,並逐步在日用陶瓷、建築陶瓷、衛潔陶瓷生產領域開發利用。

 

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