微波加热在日常生活中已应用甚广，但在工业上达到规模应用目前仍在发展中，微波是指频率在300兆赫兹到300千兆赫兹的电磁波，自20世纪90年代起，微波加热制备陶瓷材料一直是国际研究热点。国际无线电管理委员会为了避免对通信的干扰，规定用于工业微波加热的频率为915MHz和2.45GHz，其中陶瓷制备中最常用的频率为2.45GHz，相应的波长为122mm。

微波频段及应用

微波烧结的原理

与传统烧结不同，在微波加热过程中，电磁能量被材料吸收，材料整体发热，热量通过物体表面向外耗散，微波加热是被加热材料的功能性表现。被加热材料的极性分子在快速变化的高频电磁场作用下，其极性取向将随着外电场的变化而变化，造成分子的运动和相互摩擦效应，从而使微波的电磁场能转化为介质内的热能。

微波加热使水等极性分子运动摩擦生热

微波烧结在促使材料致密化过程中，可以降低烧结温度并减少烧结时间，常规热辐射和热传导烧结过程中，陶瓷晶粒以体积扩散为主，而在电磁场的作用下，陶瓷颗粒以晶界扩散为主。

例如烧结氧化锆陶瓷，锆离子Zr4⁺的扩散速率决定了陶瓷致密化的速率，Zr4⁺的体积扩散活化能为515 kJ/mol，而晶界扩散活化能为200 kJ/mol，也就是说相比于传统加热方式，采用晶界扩散的加热更容易。因此，在微波场作用下，氧化锆陶瓷更容易达到致密化。

因此微波加热有许多优点，如节省时间和能源，具有非常高的加热速率(>400℃/min)，显著降低烧结温度，使被烧结材料具有精细的微观结构，材料的机械性能更好等。

微波加热材料的影响因素

微波与不同材料的相互作用取决于材料的电磁特性、晶粒尺寸和孔隙率，依据这些特性，材料可以分为微波透明体（无能量转移，低介质损耗材料）、微波反射体（不能穿透到材料内部，导体）和微波吸收体（存在能量的吸收和交换，高介质损耗材料）。

一般来说，高介质损耗材料更容易实现微波加热，而具有最佳绝缘性能的陶瓷，如氧化铝、氧化镁、二氧化硅和玻璃，在室温下属于微波透明体，但当加热到临界温度Tc以上时，它们开始吸收微波，并逐步与微波辐射发生更有效的耦合。因此，在用微波加热该类材料时，需要利用辅助加热，使温度升高到临界值；或在室温微波透明陶瓷中加入室温高介质损耗的微波吸收第二相，增强整体与微波的相互作用，实现微波混合加热。

微波加热受材料本身性能影响

微波加热特种陶瓷粉体

陶瓷粉体的合成一直是微波制备高性能陶瓷的主要领域，与传统加热方法相比，微波热解乳化的化合物，更易获得大量的纳米级氧化物陶瓷粉体。微波热解可以获得分散性较好的氧化锆或氧化铝粉体，原因在于前驱体吸收微波整体加热，热量由内部向外扩散，颗粒之间形成热量扩散通道，扩散驱动力使颗粒向四周分散，一定程度上阻碍晶粒的团聚。而常规辐射加热热解过程，热辐射从外部加热前驱体粉体，热量从外部向内部聚集，容易造成粉体的团聚。

不过由于不同材料对微波的吸收有限，实现微波烧结并不容易。目前微波烧结材料的研究大多基于传统的低频(2.45GHz)微波发生器，在室温下，这种频率的微波与诸多材料不能有效耦合，较差的微波吸收特性使多数材料初始加热困难。此外，在微波烧结过程中，可能会出现热稳定差的现象，从而导致温度失控，引起样品严重过烧。另外，某些陶瓷粉体需要气氛保护烧结，实现难度很大。

1.常规烧结

例如Al₂O₃等陶瓷粉体，在常规加热中，由于辐射散热，材料外围温度低于内部，存在的固有温度梯度，在大升温速率下，会造成严重的温度不均匀，进而导致不均匀烧结或开裂，这使得工业中常采用保温层等方式来改善。而微波加热同样也会遇到温度不均匀的问题，只是在常规加热中，加热方向是由外到内，导致样品表面温度高于内部，使粉末坯体中心区域的微观组织结构较差；而在微波加热中，加热方向是由内到外，导致样品内部的温度高于表面，使粉末坯体表面的微观组织结构较差。

导热球形粉体对表面微观结构要求更高

因此这促使研究人员开发了直接微波加热和常规热源辐射相结合的混合加热技术，利用微波和微波耦合外热源的共同作用，可实现坯体内外的快速烧结，可用于烧结在低温下具有低介电损耗，在高温下具有高介电损耗的材料。这样的混合加热系统在低温下使样品更容易加热，而在高温下可保证样品稳定加热。

2.气氛烧结

SiC是典型的气氛保护烧结才能制备的陶瓷粉体，利用微波技术合成SiC晶体是可行的，但目前存在的主要问题包括：目前尚未有较成熟的微波加热烧结SiC的技术路线，采用原料不统一，造成SiC结构、形貌的不确定性，缺乏完整的技术体系；微波加热需要气氛保护，不利于工业化推广。

微波烧结制备特种陶瓷

微波加热和烧结的优点主要有以下几点：

（1）升温速率快，可以实现陶瓷的快速烧结与晶粒变化；

（2）整体均匀加热，内部温度场均匀，显著改善材料的显微结构；

（3）微波加热不存在热惯性，烧结周期短；

（4）利用微波对材料的选择性加热，可以对材料某些部位进行加热修复或缺陷愈合；

（5）自身加热，不存在来自外热源的污染；

（6）微波能向热能的转化效率可达80%~90%，高效节能。

大量研究探索证明，许多结构陶瓷可以应用微波烧结，氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及透明陶瓷用微波烧结，可以得到致密的性能优良的制品，且烧结时间缩短、烧结温度降低。

目前氧化锆和氧化铝陶瓷作为重要的陶瓷工程结构件的组成部分，其工程制品的生产企业还普遍采用传统烧结方式，与微波烧结相比，传统烧结不但生产效率低，而且能耗高，因此，微波烧结氧化铝和氧化锆陶瓷工程制品的研究势在必行。但当前微波烧结陶瓷的研究大多集中于小尺寸和简单结构的陶瓷样品，现有陶瓷工程制品的微波烧结，尤其是大型和异型陶瓷构件的烧结，存在热场均匀性和整体加热等诸多难题。

各类陶瓷结构件

总结

尽管有许多微波合成氧化物、碳化物、氮化物陶瓷粉体和微波烧结陶瓷复合材料的报道，但仍然局限于微波制备陶瓷材料可行性的研究阶段，缺乏对微波加热过程相关加热效应及其调控机制的系统阐述，没有规模化陶瓷制品的应用基础。在实际工业生产中，微波烧结陶瓷制品仍是极小的一部分，而粉体的制备目前还未形成规模，微波烧结技术在陶瓷材料的应用探索上，我们仍有很长的路要走。

参考来源：

1.微波加热制备特种陶瓷材料研究进展，陈勇强、王怡雪、张帆、李红霞、董宾宾、闵志宇、张锐（无机材料学报）；

2.微波加热在陶瓷材料中的应用，彭金辉、何蔼平（稀有金属）；

3.基于辅热材料的微波烧结陶瓷刀具温度场研究，郑立辉、程寓、汪家傲、王子祥、殷增斌（中国陶瓷工业）。

粉体圈 小吉

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