作者：方可
摘要：微波燒結是一項新型材料制備技術，具有整體加熱、低溫快燒、節能、安全無污染等許多優點，在粉末冶金領域中具有廣闊的發展前景。為此簡要回顧了微波燒結技術的起源和發展，對微波燒結金屬粉末材料的原理、特點、研究和應用進展以及發展前景等方面進行了總結和論述。
關鍵詞：微波燒結;金屬粉末;進展

微波是頻率在300MHz-300GHz(對應波長在1000--1mm)范圍內的電磁波。微波燒結就是利用微波輻射來代替傳統的外加熱源，材料通過自身對電磁場能量的吸收(介質損耗)達到燒結溫度而實現致密化。微波燒結技術研究始于20世紀50年代，美國的VonHippel在材料介質特性方面的開創性研究為將微波加熱應用于材料燒結奠定了基礎川。早期的微波燒結研究和應用主要集中于現代陶瓷材料領域。
20世紀 90年代末，美國賓西法尼亞州立大學的研究人員發現，相對于傳統認識一塊體金屬會將微波輻射反射掉，處于粉末狀態的金屬卻能有效吸收微波而實現加熱，從而能夠利用微波燒結制備金屬器件，為金屬粉末冶金工業發明了一種新的生產和制造工藝。微波燒結能顯著改進金屬制品的性能，能夠生產形狀復雜的器件，且生產成本較低，燒結周期短一任何金屬粉末生坯都能在10-30min內燒結完成。研究試驗了鐵、鋼、銅、鉛、鎳、鉆、鑰、鎢、碳化鎢和錫的環狀、管狀和齒輪制品，所制得的微波燒結器件比傳統制品具有更高的力學性能，顯微組織的均勻性好，氣孔率很低。
各類硬質合金和難熔金屬材料具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優良性能，特別是高硬度和耐磨性，在刀具和鉆探領域用途廣泛。將微波燒結技術應用于金屬粉末冶金，能大幅降低燒結溫度，改善材料顯微結構，使制品性能得到顯著提升，應用和發展前景廣闊。

1 微波燒結金屬粉末原理
微波燒結技術是基于物質與電磁場相互作用中產生熱效應的原理。當材料的基本細微結構與特定頻率的電磁場禍合時，內部微觀粒子響應電磁振蕩，熱運動加劇，材料因介質損耗吸收微波能轉化為熱能。將微波加熱原理應用于傳統燒結工藝，就是微波燒結。在微波燒結中，因存在電磁場作用，材料介電性能、磁性能以及導電性能等特性對燒結效果具有重要影響。
1.1微波熱效應
金屬導體材料在微波電磁場中，其內部自由電荷在電磁場作用下，會迅速向導體表面聚集，這種現象稱為趨膚效應。馳豫時間用來表征自由電荷響應電磁場變化的快慢。由于馳豫時間遠小于電磁場振動周期，故在每周期剛開始，自由電荷就已聚集于導體表面，內部自由電荷密度為零。塊體金屬內部不存在自由電荷，缺少與電磁場相互作用、吸收和轉化的媒介，因而無法被有效加熱。
根據黃銘、彭金輝等研究，電磁場在物質中傳播，在單位體積物質中發生的功率損耗為:

故金屬導體表面是吸波的，吸波機理為電導損耗，但穿透深度很小，一般都在微米級：

可見，在電磁場作用下，金屬導體表面會產生電流，存在歐姆損耗，故只要減小金屬導體的宏觀尺寸，使之能與微波電磁場完全藕合，就能有效實現加熱和燒結。
1.2微波非熱效應
在微波燒結中，除明顯的微波熱效應外，還存在一定的微波非熱效應，包括活化過程速率增強、燒結體性能改變等。微波非熱效應是微波燒結中的重要因素，能夠對燒結過程起到明顯的促進作用。其機理可能是在電磁場存在條件下，引起沿電場方向的電勢梯度，導致空間電荷產生附加驅動力，增強了帶電微粒的擴散作用，降低了粉末的燒結活化能，使得各種微粒的遷移變得更加容易發生，且遷移速率提高很多，故能明顯促進致密化過程，具體表現就是燒結溫度更低、升溫速度更快、燒結時間大幅縮短。

2 微波燒結特點
與傳統燒結相比，微波燒結主要有整體加熱、低溫快燒、無加熱慣性、選擇性加熱等顯著特點。在傳統燒結過程中，材料表面、內部和中心區域溫度存在較大梯度，容易導致晶粒不均勻，內部存在較多缺陷。微波燒結依靠電磁場輻射透人材料內部，材料整體發生介質損耗而升溫，各部分溫差小，材料顯微結構得到改善，性能更加優異(見圖1)。

微波燒結能耗低，效率高，比傳統燒結節能80%左右，而且清潔、安全、無污染。微波燒結能得到均勻細晶顯微結構，孔隙少且規則，材料具有更好的延展性和韌性，宏觀性能優異。微波燒結具有的獨特優點預示其在現代材料制備行業中擁有廣闊的發展空間，被廣泛譽為“燒結技術的一場革命”

3 微波燒結裝置
3.1燒結裝置
微波燒結實驗裝置由微波發生器(磁控管和調速管)、波導管、加熱腔和微波電源組成，加熱腔有諧振式和非諧振式兩種，諧振式加熱腔又有多模場型和單模場型兩種。單模場型可形成穩定的電磁波，能量集中，適合燒結低損耗材料，但均勻場區小，無法燒結大尺寸工件;多模場型諧振腔結構簡單，易得到較大區域的均勻場強，可用于燒結大尺寸、介質損耗高的材料。為得到穩定和均勻的微波場分布，必須對加熱腔進行合理設計。
3.2場型分析
研究表明，不同類型的材料在分別放置于加熱腔內的電場或磁場區域中時，會表現出極為不同的加熱行為。如金屬或合金粉末壓坯等導體材料，在磁場中的加熱效果比在電場中要好。場型分析為各種材料的微波燒結實驗研究提供了基本依據。
在標準矩形波導中傳播TE10波，假設矩形波導寬邊為a，窄邊為b，沿z方向傳播的TE10波各分量可描述為：

在寬邊中間位置((x=a/2)，電場乓和磁場Hx為最強，而磁場HZ為零;在寬邊兩側(x=0或者a)處，電場Ey和磁場Hx為零，而磁場Hz為最大。
3.3燒結工藝
微波燒結的工藝參數主要有微波源功率、微波頻率、燒結時間和燒結速度。研究表明，在同等燒結條件下(燒結溫度和保溫時間)，微波燒結晶粒要明顯大于常規燒結，說明微波作用下晶粒生長更快、致密化過程更加迅速;溫度過低會導致“欠燒”，過高或保溫時間太長會引起晶粒異常長大;升溫速度也是重要因素，如升溫速度較慢，加熱時間就得適當延長，導致材料在高溫區停留時間較長。

在材料與電磁場相互作用過程中，材料結構狀態起著關鍵作用，如銅粉末壓坯在電磁場中能有效吸收微波能，而塊體銅就不能，因而減小粉末顆粒尺寸有助于快速升溫和提高制品性能;另一方面，單獨的電場或磁場作用于材料時熱效應差異顯著，因此，根據燒結腔內微波場結構特點和分布規律，在腔體內選擇合適位置使電場或磁場最大，可對燒結成敗起到決定作用。
因燒結溫度很高(在1000℃以上)，樣品在加熱過程中會散失部分熱量，可能會導致材料無法達到燒結溫度，不能致密化，因此需要對樣品進行保溫。對于保溫材料的選擇應考慮三點:一是微波透明(即不吸收微波能，微波完全穿透);二是耐高溫;三是保溫效果好。

4 研究進展
自1999年美國賓西法尼亞州立大學的研究者發現微波燒結也能用于制備金屬材料，這項新的粉末冶金工藝激起眾多研究人員的興趣和研究熱情，十余年中得到很大發展和應用。
4.1微觀機理
與塊體金屬只能反射微波不同，金屬粉體能夠有效吸收微波而加熱至很高溫度。易建宏、羅述東等研究表明，在燒結過程中，材料介電損耗、渦流損耗以及金屬粉體顆粒對微波輻射的多次散射都對熱效應的產生具有重要作用，但由于微波電磁場對金屬導體內部存在的自由電荷的固有影響，渦流損耗成為主要機理。導體內部自由電子在外加高頻電磁場作用下，高速來回運動產生焦耳熱，壓坯從內部整體均勻加熱和升溫。
胡常波、習小明等通過構建“柱體電容”模型，推證出弧光放電“臨界長度”的存在。金屬粉體顆粒受交變電磁場作用，等效于磁場分量切割金屬導線而產生電流，生成焦耳熱，揭示了微波燒結金屬材料的可行性。
4.2工藝研究
傳統的金屬燒結過程需要15至20 h，采用微波燒結可使燒結時間大幅縮短到5至10min。研究W-10Ni-Cu粉末合金在微波爐和傳統燒結中的行為時發現，微波燒結特有的低溫快燒能夠大大抑制W晶粒的長大，從而形成細小的W晶粒在Ni-Cu基體中均勻分布的微觀組織。
在燒結后期，金屬粉體壓坯達到一定致密化程度，其粉體特點逐步弱化，與塊體金屬差異消失，坯體微波反射升高，吸收下降，致密化進程變得緩慢并趨于停滯。為此，可采用混合加熱方式，在壓坯外填埋高損耗介質，既能起到保溫作用，在燒結后期還能繼續對坯體加熱，從而進一步提高致密化程度。
多模加熱腔具有均勻場區大的優點，適合燒結尺寸較大的制件，是微波燒結工業應用的重要方向。左蘭蘭、陳艷等實驗和研究了在不充惰性氣體保護的情況下無氧化燒結金屬粉末壓坯。
4.3材料制備
與普通高溫加熱相比，微波燒結制取的機械零件具有勻質顯微結構，內部孔隙很少，不僅牢固致密，而且具有更好的延展性和韌性。在采用微波燒結方法制備金屬材料的研究中，報道較多的是WC硬質合金、Fe系高密度合金以及其它難熔金屬材料。
4.3.1   WC硬質合金
羅述東、易健宏等研究了微波燒結制備WC硬質合金，分析了升溫速度對材料顯微結構、密度和硬度的影響，結果表明，微波燒結能夠快速制備高密度和高硬度的硬質合金材料。
周建、全峰等研究了在TE103單模腔中微波燒結WC-lOC。硬質合金，結果表明，微波磁場下的升溫速率比在電場下要大，但溫度只能升至1160℃左右，另外，研究了燒結溫度和脫蠟時間對材料密度和硬度的影響。
鮑瑞、易健宏、楊亞杰等研究了微波燒結超細WC-Co硬質合金，分析了燒結溫度和保溫時間對材料顯微結構、力學性能以及密度和硬度等方面的影響。研究結果表明，隨燒結溫度提高或保溫時間延長，晶粒尺寸增加不大，且沒有出現異常長大，分布均勻。研究微波燒結WC-12C。合金表明，保溫時間超過30min后，由于晶粒異常長大以及鉆相分布不均勻，導致合金的密度和硬度急劇下降。
4.3.2高密度合金
周承商、易健宏等通過研究微波燒結W -Ni -Fe高密度合金，分析并揭示了燒結溫度和保溫時間等工藝參數對材料顯微結構、力學性能和密度的影響規律，重點研究了W晶粒的生長行為。結果表明，如燒結時間較短，微波燒結樣品的鎢晶粒尺寸小于常規燒結;但微波燒結中晶粒具有更大的生長速率，不宜過度延長燒結時間。另一方面，微波燒結制備的合金材料的變形得到有效控制，樣品頂部與底部的晶粒尺寸、硬度等方面差異較小，說明微波燒結能得到均勻細晶結構。
李波、尚福軍對分別采用傳統方法和微波燒結制備93W-Ni-Fe合金材料進行了對比，對材料顯微結構和性能的分析表明，微波燒結的試樣組織均勻、細小，鎢顆粒明顯小于傳統燒結水平，徑向性能分布均勻。
4.3.3  Fe一Cu一C合金
黃加伍、彭虎研究了粉末冶金Fe-Cu-C合金在氨氣或氮氣保護下的微波燒結，分析了燒結溫度和保溫時間對密度和樣品性能的影響。結果表明，合金粉末在室溫下具有較強的微波吸收能力，微波燒結樣品幾乎完全致密，且無變形和裂紋。
彭元東、易健宏等對微波燒結Fe-Cu一C合金材料進行了探索性研究，分析了不同燒結溫度對材料顯微結構和性能的影響。結果表明，短時間燒結時，晶粒來不及長大，易得到均勻的細晶粒顯微結構，內部缺陷較少。在相同溫度下燒結時，微波燒結比常規燒結具有更致密的微觀結構。而且，金相觀察表明，微波燒結有一個致密的核心，邊緣多孔，這表明材料自身發熱，熱傳遞從內而外，內部溫度高于表面。微波燒結試樣的組織主要由鐵素體、片狀和粒狀珠光體以及極少量的孔隙組成，大量珠光體的存在能顯著改善力學性能。
4.3.4難熔金屬
鎢、釩、妮、擔、鑰等難熔金屬及因熔點高、塑性差，主要采用粉末冶金法制備。采用傳統方法，在燒結過程中晶粒極易長大，導致制品性能降低。而采用微波燒結，產品致密度高且具有更好的延展性和韌性，快速燒結有利于細化晶粒，顯微結構均勻，燒結體性能得到明顯提高。
4.3.5金屬陶瓷
晉勇、王玉環等研究了微波燒結制備納米金屬陶瓷材料的燒結工藝和性能，燒結前后晶粒尺寸變化很小。唐思文、張厚安等研究了真空微波燒結TiCN基金屬陶瓷，結果表明快速燒結能夠得到細晶結構。
研究的金屬材料還有純銅、不銹鋼、銅鐵合金、鎢銅合金及鎳基高溫合金等，最新研究的還有W-Cu觸頭材料、LiNi0.5Mn0.5O2正極材料、MnNiCuFe系材料、鈦酸鍶鋇紅外探測器等金屬和金屬陶瓷材料。微波燒結技術正得到越來越廣泛的研究和應用。
另外，高磁場條件下的微波燒結能夠制備完全非晶態的磁性材料，將具有顯著硬磁特性的材料(如NdFeB永磁體)變成軟磁材料。
4.3.6發展方向
硬質合金為脆性材料，采用微波燒結制備超細晶粒硬質合金，可以得到具有一定韌性的硬質合金材料。納米材料成為今后主要的研究方向。研究表明，當硬質合金的晶粒尺寸達到納米級，材料的力學性能、電性能和熱性能等都將得到顯著提高，從而使合金硬度和強度之間的矛盾得到解決。
形狀記憶合金獨特的形狀記憶效應在于存在熱彈性馬氏體，合金的微觀組織結構對形狀記憶效應影響很大，微觀組織越均勻越有利于馬氏體的均勻分布。采用微波燒結制備形狀記憶合金，其整體加熱、低溫快燒等特點能大幅優化合金顯微結構(細化晶粒，減少缺陷)，從而使形狀記憶效應得到顯著增強。

5 結語
微波燒結技術已成為快速制備高質量新材料和新性能傳統材料的重要技術手段。在微波燒結技術產業化中，一是要能夠產生穩定和均勻場區大的微波場;另外，由于不同類型的材料與電磁場禍合作用不同，致使加熱行為存在很大差異，因而微波燒結設備不可能成為一種通用設備，而只是某一類材料專用型設備。
通過對加熱腔選擇適當尺寸，在腔體內形成相當于對微波進行漫反射的“絕對黑體”，不斷反射使各種模譜連續疊加，最后得到的微波場區大而均勻。另一方面，若能應用計算機和精確測量技術，在微波燒結中建立起有效的溫度反饋和功率自動調節機制，就能實現對燒結過程的精確自動控制，為此，已設計出具有數字控制的雙頻微波燒結爐。
微波燒結技術是人類社會進人現代文明后才出現的新型技術，因節能高效、清潔無污染、安全可靠等諸多優點，在現代材料領域擁有廣闊的發展空間，市場潛力巨大，對技術進步以及社會發展都將產生革命性影響。自微波燒結技術誕生以來，各國政府都高度重視，不惜投人巨大的人力和物力資源來開發這一新型技術。