Применение СВЧ излучения для получения керамических материаллов

В последнее время все больше интереса вызывает нагревание материалов до высоких температур 1000 – 1400°С посредством резонаторных систем. Диэлектрические материалы с достаточно большим тангенсом диэлектрических потерь, размещенные для нагревания внутри резонаторов большого объема, используют СВЧ-энергию питающего генератора практически полностью.

Эта особенность СВЧ-печей дает надежду на использование резонаторных камер для нагрева изделий до более высоких температур порядка 3000°С, не используя в конструкции печи элементы из тугоплавких материалов.

Применение СВЧ-волн для получения керамик

На рубеже 1980-1990 годов были получены первые результаты по спеканию порошка с целью получения керамики с улучшенными характеристиками. В опытах применяли СВЧ-генераторы непрерывного режима с частотой 2,45 ГГц и средней мощностью 12 и 48 кВт. При длительном воздействии СВЧ-волн на порошок (от получаса до часа) наблюдалось спекание порошка и образование керамики.

Так как СВЧ-поле проникает на всю глубину порошка, нагревание происходит более равномерно, в отличие от обычных методов нагрева. Использование СВЧ позволяет сократить время и количество необходимой для спекания электроэнергии. Быстрый, практически безынерционный нагрев порошка и возможность контролировать параметры СВЧ-генератора во время процедуры спекания дает возможность получить новые уникальные возможности для создания продукта с новыми улучшенными свойствами.

Использование СВЧ-волн для спекания порошка позволило получить более плотную керамику, имеющую более мелкую кристаллическую структуру. Помимо этого, полученная таким образом керамика имеет и более высокую удельную плотность при малых размерах каждого зерна.

Недостатки СВЧ излучения низких частот

Стоит отметить, что СВЧ-колебания сравнительно низкой частоты (2,45 ГГц) для процесса производства керамики  имеет некоторые недостатки.

Во-первых, материал, имеющий в основе чистые окислы и нитриды, обладают сравнительно малым коэффициентом поглощения, так что только малая часть СВЧ-энергии будет поглощаться такими порошками.

Во-вторых, при частоте 2,45 ГГц распределение СВЧ-поля в резонаторе при спекании порошка будет неоднородно, что повлечет за собой неоднородность свойств получаемого продукта.

Использование более высоких частот позволяет устранить эти недостатки, так как поглощение имеет прямую зависимость от частоты. Так же пространственная неоднородность распределения поля уменьшается при увеличении отношения размера печи для спекания к длине волны СВЧ-колебаний. На практике это означает, что высокочастотный (миллиметровый) диапазон предпочтительнее дециметрового и сантиметрового.

Конструктивные особенности СВЧ установки для спекания керамического порошка

Типичная установка для спекания порошка состоит из СВЧ-генератора, охлаждаемого электромагнита, квазиоптической линии передачи с большим коэффициентом преобразования мод, печи отжига, системы измерения температуры и системы контроля.

Гиротрон является более предпочтительным для использования в качестве СВЧ-генератора и позволяет непрерывно генерировать мощность 10 кВт на частоте 30 ГГц.

В рабочей камере можно получить вакуум и изменять его от 10^-3 до 2 мм рт.ст.

Чтобы оптимизировать процесс спекания порошка, важно знать точное распределение электромагнитного поля внутри пустой и заполненной порошком камеры спекания.

Технологический процесс спекания в СВЧ установке

Эксперименты по спеканию, проводимые с порошком керамики Al₂О₃ и пьезокерамики, показали, что при использовании миллиметрового диапазона СВЧ-волн процесс спекания начинается при температуре примерно на 50°С меньше, чем при обычном спекании, и более низкие температуры дают более плотную керамику.

Понижение температуры спекания (например, с 1200°С до 950°С) особенно важно для пьезокерамики. При более низкой температуре спекания сокращается испарение добавки PbO пьезокерамик и их свойства существенно улучшаются.

Еще одной важной особенностью СВЧ-спекания является получение мелкокристаллической структуры готового материала, поскольку спекание при более низких температурах дает незначительное увеличение размеров зерен. Есть вероятность, что технология получения ультрадисперсных керамик позволит существенно улучшить их свойства.

Преимущества СВЧ спекания перед традиционными методами

Результаты исследования показали, что по сравнению с быстрым обычным спеканием СВЧ-спекание имеет ряд преимуществ: при более низких температурах плотность керамики достигает такого же значения, как при обычном спекании при температуре на 150°С ниже.

Исходя из результатов исследований можно сделать выводы, что использование СВЧ-энергии позволит разрабатывать принципиально новые технологии производства керамических материалов с гораздо более лучшими характеристиками. Особенно перспективной выглядит технология спекания при совместном воздействии на материал СВЧ и ультразвука.

Равномерное распределение температуры внутри образца, характерное для СВЧ-нагрева, может привести к положительным результатам. Уменьшение температуры от внутренней области к поверхности позволяет пористой структуре образца оставаться открытой до более высокого показателя плотности, что приводит к ускорению уплотнения и получению более высоких конечных плотностей.

Существует множество других процессов, в которых характерное для СВЧ-спекания распределение температуры играет положительную роль. Сюда можно отнести получение реакционно-спеченного нитрида кремния. Основанные на этом соединении керамические материалы представляют интерес для высокотемпературных применений, поскольку сохраняют механическую прочность при более высоких температурах.

Обычно нитрид кремния получают путем азотирования спрессованных кремниевых заготовок при температуре 1150 – 1450°С в атмосфере азота. При использовании СВЧ температура внутри образца выше, чем на поверхности, поэтому пористая структура на поверхности дольше остается открытой, что приводит к более легкой диффузии азота внутрь образца. Это позволяет азотировать заготовки, имеющие более высокую начальную плотность, увеличить прочность и трещиностойкость готовых изделий.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании