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摘要 近年来，微波已经在陶瓷材料的加工、修复等诸多领域得以运用，取得了良好的进展。本文结合微波加工技术的特征，对其在陶瓷加工中的具体应用进行分析与探讨。
关键词 微波；特征；陶瓷加工；应用
中图分类号 TQ174 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）102-0153-01
1 微波烧结技术概述
在传统的材料加热方式中，需要将材料放置到加热环境中，通过对流、辐射或者传导等方式，将热量传递到材料的表面，再通过表面进入到材料内部，实现热平衡。在这一过程中，由于加热的环境并不是绝对的热封闭，为了确保材料芯部组织状态和表面保持一致，达到燃烧要求，就需要适当延长加热的时间，而更多的热量在环境中散失，能量损失问题严重。
如果采用微波加热方法，利用微波电磁场中陶瓷材料的介质特征，通过其损耗作用实现材料的整体性加热，直到符合烧结温度，进而实现烧结目的，增强致密性。受到微波电磁场的作用，介质材料就会发生介质极化现象，如原子极化、电子极化、界面极化或者偶极子的转向极化等；在这一过程中，极性分子从过去的随机分布状态改变成按照电场极性进行排列的形式；再加上高频电磁场的作用力，结合交变电磁的频率变化而出现分子取向的不同。但是在这一过程中，材料内部介质的极化过程不会随着外电场而出现变化，一般极化强度的矢量可能滞后于电场强度的矢量，造成电极化过程的电滞问题。
同时，微观粒子之间产生的能量交换，在一定程度上体现为能量的消耗。在微波波段运行中，偶极子会转为极化以及界面极化，由此形成吸收电流，发生材料功率的耗散。采用微波烧结技术的关键在于材料自身特征，如磁性能、介电性能、导电性能等。
2 微波加工技术的特征
与传统的辐射、传导加热形式相比，微波加热的速度更快且加热均匀，具有诸多优势。以下将对其技术特征进行具体分析：
2.1 具备选择性加热能力
对于不同的介质来说，吸收微波的能力也有所不同，尤其在良导体中，以金属为例，基本在表面形成了微波反射，这样进入金属内部的热量就比较小，仅停留在表面薄薄一层，那么良导体就难以通过微波实现加热。在电导率低、极化损耗小的微波绝缘体介质中，例如电容瓷器、石英玻璃等，则产生全透射作用，加热也存在难度；在电导率或者极化损耗都较为适中的介质中，微波则可做到渗透性与吸收性相结合，较好地实现微波加热。
2.2 支持体积性加热需求
在微波加热过程中，当微波进入介质内部之后，就会与介质发生作用，通过对介质的消耗而吸收一部分微波能量，进而达到升温目标，符合体积性加热需求。在传统的加热方法中，主要通过外部热源的对流与辐射作用，快速将热量传递到样品的表面，再通过热传导向的作用在内部完成热量传递。
2.3 良好的升温控制性
首先，随着微波的形成、消散，可以灵活掌握加热的过程。一般情况下，随着温度的变化，介质吸收微波的能力也会随之变化。在不同的温度区间内，加热特性有所不同。当微波进入快速升温阶段，极易造成热失控现象，如何控制这一问题，是应用微波加热的关键所在。
3 微波在陶瓷加工中的应用
3.1 微波烧结陶瓷的应用
有关微波烧结技术的应用，可主要划分为以下几大方面：其一，微波加热烧结技术。主要通过微波场的中介材料极化消耗作用，实现了本体加热目标。通过该种加热方法，其温度场较为均匀，可有效降低热应力，尤其在快速烧结中应用效果良好。在微波电磁场中，可以促使物质的扩散作用，进一步增强烧结的效率，实现陶瓷材料的晶粒细化，避免晶粒异常长大现象，以此保障材料显微结构的合理性、均匀性。但是也要注意到，在微波加热烧结过程中，由于受到材料微波吸收能力的不同影响，如果处于低温状态下，物质中介质损耗相对较低，就难以吸收微波的能量。为了能够改善这一问题，可考虑采取混合助热保温结构。分别在试样和保温结构的周围分布各种材料，如SIC棒。在常温作用下，SIC会吸收较多的微波，以此达到样品加热目标；在温度相对较高的状态下，试样可以直接吸收微波达到加热作用，提高烧成陶瓷的效率，同时确保材料晶粒的细小、均匀。其二，微波等离子烧结做用。利用微波的作用，促使气体电离成等离子体，当等离子体加热之后，即可获得较为致密的陶瓷烧结体。在微波等离子的烧结过程中，不会受到介质介电性能的过多影响，但是大量的等离子气体在常温状态下不能发生激励作用，但是负压等离子体可能由于高温作用而挥发样品，因此需谨慎选用微博等离子体烧结方法。
3.2 微波在陶瓷涂层的应用
一方面，采用等离子体喷涂方法。加工氧化物陶瓷涂层，在个别基体中可达到良好效果。但是也要考虑到涂层孔隙率相对较高，并且和大部分基体难以结合，因此该方法的使用受到一定限制。另一方面，采用化学气相沉积方法。需要将基体加热到900℃左右，但是该方法的沉积速度较慢，制成后的膜厚度偏小。当前，除了采用以上两种传统的方法以外，微波涂敷技术已经投入使用。在界面位置最易吸收微波，尤其在高温作用下，界面发生了化学反应，同时微波形成的非热效应促使界面物质的扩散，加快反应速度，以此构成固溶体，实现涂层和基体之间的有效融合。
3.3 微波在陶瓷裂纹修复的应用
引发陶瓷表面或者内部裂纹问题的原因较多，可能由于陶瓷材料问题、使用不当问题等，如机械加工损伤、晶型转变或者热膨胀等，如果在细小裂纹尚未发生破坏作用之前采取愈合修复手段，可较好地恢复受损材料基本性能。采用微波加热技术，比传统技术更具优势，一方面，升温速度快；另一方面，较好地促进物质扩散。因此在陶瓷裂纹愈合中发挥了高效率、高质量的作用，具有一定现实意义。
由上可见，当前微波烧结技术已经成为材料界发展的热门话题之一，尤其在陶瓷加工领域的应用，取得了一定进展。随着微波烧结设备的不断完善，正朝着智能化、自动化、高效率方向发展，其中存在的问题和差距也会逐步改善，并在高技术陶瓷、金属陶瓷复合材料等更多领域发挥重要价值。
参考文献
[1]郝斌，刘大成.微波烧结的研究进展及其在陶瓷材料中的应用[J].中国陶瓷工业，2010，5.
[2]汪学方，刘伟钦，刘胜等.陶瓷材料微波辅助塑性切削技术综述[J].工具技术，2007，7.
[3]方可，方利.微波烧结原理及研究进展[J].价值工程，2011，14.
[4]杨俊飞，田欣利，吴志远等.结构陶瓷材料加工技术的新进展[J].兵工学报，2008，10.
[5]高鸣，曹昆，冯佳伦等.氧化铝陶瓷加工表面粗糙度与材料显微结构间关系[J].真空电子技术，2011，6.
关键词 微波；特征；陶瓷加工；应用
中图分类号 TQ174 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）102-0153-01
1 微波烧结技术概述
在传统的材料加热方式中，需要将材料放置到加热环境中，通过对流、辐射或者传导等方式，将热量传递到材料的表面，再通过表面进入到材料内部，实现热平衡。在这一过程中，由于加热的环境并不是绝对的热封闭，为了确保材料芯部组织状态和表面保持一致，达到燃烧要求，就需要适当延长加热的时间，而更多的热量在环境中散失，能量损失问题严重。
如果采用微波加热方法，利用微波电磁场中陶瓷材料的介质特征，通过其损耗作用实现材料的整体性加热，直到符合烧结温度，进而实现烧结目的，增强致密性。受到微波电磁场的作用，介质材料就会发生介质极化现象，如原子极化、电子极化、界面极化或者偶极子的转向极化等；在这一过程中，极性分子从过去的随机分布状态改变成按照电场极性进行排列的形式；再加上高频电磁场的作用力，结合交变电磁的频率变化而出现分子取向的不同。但是在这一过程中，材料内部介质的极化过程不会随着外电场而出现变化，一般极化强度的矢量可能滞后于电场强度的矢量，造成电极化过程的电滞问题。
同时，微观粒子之间产生的能量交换，在一定程度上体现为能量的消耗。在微波波段运行中，偶极子会转为极化以及界面极化，由此形成吸收电流，发生材料功率的耗散。采用微波烧结技术的关键在于材料自身特征，如磁性能、介电性能、导电性能等。
2 微波加工技术的特征
与传统的辐射、传导加热形式相比，微波加热的速度更快且加热均匀，具有诸多优势。以下将对其技术特征进行具体分析：
2.1 具备选择性加热能力
对于不同的介质来说，吸收微波的能力也有所不同，尤其在良导体中，以金属为例，基本在表面形成了微波反射，这样进入金属内部的热量就比较小，仅停留在表面薄薄一层，那么良导体就难以通过微波实现加热。在电导率低、极化损耗小的微波绝缘体介质中，例如电容瓷器、石英玻璃等，则产生全透射作用，加热也存在难度；在电导率或者极化损耗都较为适中的介质中，微波则可做到渗透性与吸收性相结合，较好地实现微波加热。
2.2 支持体积性加热需求
在微波加热过程中，当微波进入介质内部之后，就会与介质发生作用，通过对介质的消耗而吸收一部分微波能量，进而达到升温目标，符合体积性加热需求。在传统的加热方法中，主要通过外部热源的对流与辐射作用，快速将热量传递到样品的表面，再通过热传导向的作用在内部完成热量传递。
2.3 良好的升温控制性
首先，随着微波的形成、消散，可以灵活掌握加热的过程。一般情况下，随着温度的变化，介质吸收微波的能力也会随之变化。在不同的温度区间内，加热特性有所不同。当微波进入快速升温阶段，极易造成热失控现象，如何控制这一问题，是应用微波加热的关键所在。
3 微波在陶瓷加工中的应用
3.1 微波烧结陶瓷的应用
有关微波烧结技术的应用，可主要划分为以下几大方面：其一，微波加热烧结技术。主要通过微波场的中介材料极化消耗作用，实现了本体加热目标。通过该种加热方法，其温度场较为均匀，可有效降低热应力，尤其在快速烧结中应用效果良好。在微波电磁场中，可以促使物质的扩散作用，进一步增强烧结的效率，实现陶瓷材料的晶粒细化，避免晶粒异常长大现象，以此保障材料显微结构的合理性、均匀性。但是也要注意到，在微波加热烧结过程中，由于受到材料微波吸收能力的不同影响，如果处于低温状态下，物质中介质损耗相对较低，就难以吸收微波的能量。为了能够改善这一问题，可考虑采取混合助热保温结构。分别在试样和保温结构的周围分布各种材料，如SIC棒。在常温作用下，SIC会吸收较多的微波，以此达到样品加热目标；在温度相对较高的状态下，试样可以直接吸收微波达到加热作用，提高烧成陶瓷的效率，同时确保材料晶粒的细小、均匀。其二，微波等离子烧结做用。利用微波的作用，促使气体电离成等离子体，当等离子体加热之后，即可获得较为致密的陶瓷烧结体。在微波等离子的烧结过程中，不会受到介质介电性能的过多影响，但是大量的等离子气体在常温状态下不能发生激励作用，但是负压等离子体可能由于高温作用而挥发样品，因此需谨慎选用微博等离子体烧结方法。
3.2 微波在陶瓷涂层的应用
一方面，采用等离子体喷涂方法。加工氧化物陶瓷涂层，在个别基体中可达到良好效果。但是也要考虑到涂层孔隙率相对较高，并且和大部分基体难以结合，因此该方法的使用受到一定限制。另一方面，采用化学气相沉积方法。需要将基体加热到900℃左右，但是该方法的沉积速度较慢，制成后的膜厚度偏小。当前，除了采用以上两种传统的方法以外，微波涂敷技术已经投入使用。在界面位置最易吸收微波，尤其在高温作用下，界面发生了化学反应，同时微波形成的非热效应促使界面物质的扩散，加快反应速度，以此构成固溶体，实现涂层和基体之间的有效融合。
3.3 微波在陶瓷裂纹修复的应用
引发陶瓷表面或者内部裂纹问题的原因较多，可能由于陶瓷材料问题、使用不当问题等，如机械加工损伤、晶型转变或者热膨胀等，如果在细小裂纹尚未发生破坏作用之前采取愈合修复手段，可较好地恢复受损材料基本性能。采用微波加热技术，比传统技术更具优势，一方面，升温速度快；另一方面，较好地促进物质扩散。因此在陶瓷裂纹愈合中发挥了高效率、高质量的作用，具有一定现实意义。
由上可见，当前微波烧结技术已经成为材料界发展的热门话题之一，尤其在陶瓷加工领域的应用，取得了一定进展。随着微波烧结设备的不断完善，正朝着智能化、自动化、高效率方向发展，其中存在的问题和差距也会逐步改善，并在高技术陶瓷、金属陶瓷复合材料等更多领域发挥重要价值。
参考文献
[1]郝斌，刘大成.微波烧结的研究进展及其在陶瓷材料中的应用[J].中国陶瓷工业，2010，5.
[2]汪学方，刘伟钦，刘胜等.陶瓷材料微波辅助塑性切削技术综述[J].工具技术，2007，7.
[3]方可，方利.微波烧结原理及研究进展[J].价值工程，2011，14.
[4]杨俊飞，田欣利，吴志远等.结构陶瓷材料加工技术的新进展[J].兵工学报，2008，10.
[5]高鸣，曹昆，冯佳伦等.氧化铝陶瓷加工表面粗糙度与材料显微结构间关系[J].真空电子技术，2011，6.