MgAl2O4基復合陶瓷材料的微波燒結(jié)制備研究.pdf

1、通過MgAl2O4固相反應過程中的化學熱力學的理論計算和分析獲知, MgAl2O4的燒結(jié)制備需要較高的溫度和能耗。常規(guī)方法制備MgAl2O4耗費大量的能源、時間。微波加熱技術(shù)是一種不同于傳統(tǒng)依靠對流、傳導、輻射加熱的方式,它是利用微波特殊波段與材料細微結(jié)構(gòu)耦合而使電子、離子等產(chǎn)生運動,而彈性慣性和摩擦力使這些運動受到阻礙,引起了介質(zhì)損耗,從而使材料自身產(chǎn)生體加熱,這是常規(guī)燒結(jié)無法比擬的優(yōu)勢。微波固相燒結(jié)較傳統(tǒng)的加熱方法具有快速、節(jié)能、環(huán)

2、保等加熱優(yōu)勢,同時還具有促進相結(jié)構(gòu)均勻等非熱優(yōu)勢。
　　本文首先利用HFSS以及 COMSOL有限元軟件中的射頻模塊,傳熱模塊和結(jié)構(gòu)分析模塊,建立合理的數(shù)學模型和物理控制方程,仿真模擬MgAl2O4在微波燒結(jié)爐中的溫度特性曲線;然后設計MgAl2O4基的復合陶瓷組分,并經(jīng)過微粉制備、微粉壓坯、微波燒結(jié)等步驟,采用微波固相燒結(jié)技術(shù),獲得MgAl2O4基復合陶瓷材料;最后將試樣運用XRD、SEM等手段進行表征。結(jié)果表明:
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3、.理論計算部分,對于2.45 GHz激勵頻率的微波,明確了微波電磁場與溫度場的耦合關(guān)系,即,微波燒結(jié)腔的幾何中心位置電場強度最強,同時燒結(jié)腔適合燒結(jié)圓柱狀的試樣。而且MgAl2O4基復合材料在微波燒結(jié)過程中,多物理場耦合情況下,升溫特性的數(shù)值計算結(jié)果表明,微波燒結(jié)的起初,溫度上升比較緩慢,經(jīng)過一段時間后,大約在450 s左右的時候,溫度開始呈現(xiàn)指數(shù)上升。說明微波加熱MgO-Al2O3體系材料的升溫速率極快。
　　2.常規(guī)燒結(jié)和微波

4、燒結(jié)均能獲得MgAl2O4,但對比研究表明,微波固相燒結(jié)制備MgAl2O4,微觀上具備可以避免晶粒的長大,促進晶粒尺寸均勻、晶界圓潤、材料致密等優(yōu)點。且微波增加晶格點陣離子遷移率,導致擴散和燒結(jié)速度加快,降低了燒結(jié)活化能,降低燒結(jié)溫度。對于MgO與Al2O3粉末材料體系,微波固相燒結(jié)制備MgAl2O4,在微波頻率為2.45 GHz的情況下,獲得的較優(yōu)的微波燒結(jié)參數(shù):輸出功率1600 W,燒結(jié)時間30 min。
　　3.通過添加Si

5、O2、SiC,微波燒結(jié)合成MgAl2O4基復合陶瓷。由于微波燒結(jié)的時間短,物質(zhì)間來不及發(fā)生過多的副反應,微觀上雜質(zhì)相能夠得以控制,而且宏觀上,試樣保持規(guī)則外形,沒有變形。對于復合材料體系,微波固相燒結(jié)制備MgAl2O4,在微波頻率為2.45 GHz的情況下,在1800 W反應30 min即能完全反應生成MgAl2O4基復合陶瓷材料。
　　總之, MgAl2O4基復合陶瓷中,SiC可以改善混合材料壓坯在微波場內(nèi)的微波特性;SiO2的