MgAl2O4基復(fù)合陶瓷材料的微波燒結(jié)制備研究.pdf

1、通過(guò)MgAl2O4固相反應(yīng)過(guò)程中的化學(xué)熱力學(xué)的理論計(jì)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(fèi)大量的能源、時(shí)間。微波加熱技術(shù)是一種不同于傳統(tǒng)依靠對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射加熱的方式,它是利用微波特殊波段與材料細(xì)微結(jié)構(gòu)耦合而使電子、離子等產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),而彈性慣性和摩擦力使這些運(yùn)動(dòng)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。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(shì),同時(shí)還具有促進(jìn)相結(jié)構(gòu)均勻等非熱優(yōu)勢(shì)。
　　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(xué)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(shè)計(jì)MgAl2O4基的復(fù)合陶瓷組分,并經(jīng)過(guò)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(fù)合陶瓷材料;最后將試樣運(yùn)用XRD、SEM等手段進(jìn)行表征。結(jié)果表明:
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3、.理論計(jì)算部分,對(duì)于2.45 GHz激勵(lì)頻率的微波,明確了微波電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)的耦合關(guān)系,即,微波燒結(jié)腔的幾何中心位置電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng),同時(shí)燒結(jié)腔適合燒結(jié)圓柱狀的試樣。而且MgAl2O4基復(fù)合材料在微波燒結(jié)過(guò)程中,多物理場(chǎng)耦合情況下,升溫特性的數(shù)值計(jì)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(guò)一段時(shí)間后,大約在450 s左右的時(shí)候,溫度開(kāi)始呈現(xiàn)指數(shù)上升。說(shuō)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(duì)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(zhǎng)大,促進(jìn)晶粒尺寸均勻、晶界圓潤(rùn)、材料致密等優(yōu)點(diǎn)。且微波增加晶格點(diǎn)陣離子遷移率,導(dǎo)致擴(kuò)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(duì)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(shí)間30 min。
　　3.通過(guò)添加Si

5、O2、SiC,微波燒結(jié)合成MgAl2O4基復(fù)合陶瓷。由于微波燒結(jié)的時(shí)間短,物質(zhì)間來(lái)不及發(fā)生過(guò)多的副反應(yīng),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(méi)有變形。對(duì)于復(fù)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(yīng)30 min即能完全反應(yīng)生成MgAl2O4基復(fù)合陶瓷材料。
　　總之, MgAl2O4基復(fù)合陶瓷中,SiC可以改善混合材料壓坯在微波場(chǎng)內(nèi)的微波特性;SiO2的