特种烧结方法一：微波烧结 微波加热原理： 微波是指在300兆赫至300千兆赫的电磁波。在微波电磁场的作用下， 介质中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而重 新排列取向。例如：微波频率在2450兆赫，就会出现每秒24.5亿排列， 分子间就会因运动而产生激烈摩擦，微波能量瞬间转化为物质内的热能， 使物质温度呈现快速升高
微波加热原理： 微波是指在 300 兆赫至 300 千兆赫的电磁波。在微波电磁场的作用下， 介质中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而重 新排列取向。例如：微波频率在 2450 兆赫，就会出现每秒 24.5 亿排列， 分子间就会因运动而产生激烈摩擦，微波能量瞬间转化为物质内的热能， 使物质温度呈现快速升高。 特种烧结方法一：微波烧结
应用一：陶瓷的微波烧结 陶瓷的常规烧结缺点： 热能只能依靠物料表面 传入里面，而陶瓷导热 蜂窝陶瓷定型设备 性能差，烧结时间长， 同时坯体里外温度上升 的不一致性，容易造成 坯体里外层收缩不同面 变形、开裂。 而微波内外同时加热，缩 短了加热、保温时间，最终 使烧结坯具有细小均匀的晶 粒组织的特点恰好解决了 这一问题。 主要用途：烧结高品质的 结构陶瓷，氧化硅，碳化 硅，氧化铝以及用于烧结 http://china.machine365.com 电子陶瓷器件，PZT压电 陶瓷，氧化锌压敏电阻等
而微波内外同时加热，缩 短了加热、保温时间，最终 使烧结坯具有细小均匀的晶 粒组织的特点恰好解决了 这一问题。 主要用途：烧结高品质的 结构陶瓷，氧化硅，碳化 硅，氧化铝以及用于烧结 电子陶瓷器件，PZT压电 陶瓷，氧化锌压敏电阻等。 陶瓷的常规烧结缺点： 热能只能依靠物料表面 传入里面，而陶瓷导热 性能差，烧结时间长， 同时坯体里外温度上升 的不一致性，容易造成 坯体里外层收缩不同面 变形、开裂。 应用一：陶瓷的微波烧结
金属基粉末冶金零件的微波烧结机理初探 致密金属是一种高损耗物质，能有效地加 强对微波反射，实现微波能整体均匀地 向热能转化是不可能的！
致密金属是一种高损耗物质,能有效地加 强对微波反射，实现微波能整体均匀地 向热能转化是不可能的！ 金属基粉末冶金零件的微波烧结机理初探
原因： 微波在金属导体中行进时，由于产生的焦耳热使微波能不断损耗，波的振幅迅速衰减， 同时，相位也明显滞后。在实际有耗的金属媒质中沿+Z方向行进的微波，若设其电 场强度沿+X方向，Ex为x处的电场强度，根据麦克斯韦方程组导出传播方程： 電界面 界 Ex Ee-coS(Wt -Bz) (1) 碰界面 式中E0是位移z=0处电场强度的值，a为衰减常数，B为相位常数，W是微波频率，鼋数D進行方向 t是时间。其中 a=V1+(2- (2) B=w+(2+ (3) 其中4为磁导率，e为介电常数，σ为电导率。α和B分别反映出微 波在传播过程中的衰减程度和相位落后的情况。引入穿透深度概念： 6=1 (5) 简化(2)、（⑤）式得6=1一 (6) √fLo
微波在金属导体中行进时，由于产生的焦耳热使微波能不断损耗,波的振幅迅速衰减, 同时,相位也明显滞后。在实际有耗的金属媒质中沿+ Z 方向行进的微波，若设其电 场强度沿+ X 方向， Ex 为x 处的电场强度，根据麦克斯韦方程组导出传播方程： 式中Emo是位移z = 0 处电场强度的值,α为衰减常数,β为相位常数，W 是微波频率， t 是时间。其中 其中μ为磁导率,ε为介电常数,σ为电导率。α和β分别反映出微 波在传播过程中的衰减程度和相位落后的情况。引入穿透深度概念： 简化(2) 、(5) 式得 原因： E E e cos( Wt z) az X mo [ 1 ( ) 1] 2 2 W a W [ 1 ( ) 1] 2 2 W W (1) (2) (3)
8=一 (6) 随波的频率f、金属导体的磁导率μ和电导率σ的升高， 微波的穿透深度6降低。 表1部分常见金属在2.45G五z时的穿透深度 金属媒质 紫铜 铁 铝 镁 银 穿透深度m 1.333 0.101 1.716 2.1771.295 所以，金属导体只有表面极其薄（常为微米级）的一层在 微波能向热能的转化中有贡献
随波的频率f 、金属导体的磁导率μ和电导率σ的升高, 微波的穿透深度δ降低。 所以，金属导体只有表面极其薄(常为微米级)的一层在 微波能向热能的转化中有贡献
可利用要点： 1.微波在金属媒质中行进时，振幅显著衰减，穿透深度有限 说明其能量在不断损耗；同时，交变的电场在媒质中产生的 电场梯度驱使内部的载流子—自由电荷快速地向电场 强度高的方向运动，途中与晶格声子发生碰撞，导致生热，媒 质内能升高。 2.构成压坯的颗粒粒度通常为微米级或更低的纳米级，其 尺寸与微波对金属的穿透深度相近。减小金属宏观尺寸， 以金属粉体为媒质，能有效地降低微波反射率，实现微波整 体、均匀加热，达到烧结目的，制备出性能优异的产品！
2.构成压坯的颗粒粒度通常为微米级或更低的纳米级,其 尺寸与微波对金属的穿透深度相近。减小金属宏观尺寸, 以金属粉体为媒质,能有效地降低微波反射率,实现微波整 体、均匀加热,达到烧结目的,制备出性能优异的产品！ 1.微波在金属媒质中行进时,振幅显著衰减,穿透深度有限, 说明其能量在不断损耗;同时,交变的电场在媒质中产生的 电场梯度驱使内部的载流子———自由电荷快速地向电场 强度高的方向运动,途中与晶格声子发生碰撞,导致生热,媒 质内能升高。 可利用要点：
7.5m 1100 10m 80 70m 800 800 30 40 50 60 时间m血n 图1铜粉的粒度对微波加热速率的影响
图1 铜粉的粒度对微波加热速率的影响
重要机理： 金属粉末压坯吸收微 波能并转化为热能的 过程中，介电损耗、涡 流损耗以及粉末颗粒 对微波的多次散射具 有不可忽略的贡献 。 电场力Fx=e:E、洛仑兹力Fy=eVXB 但涡流损耗成为其促 图2微波场中金属颗粒内自由电子运动公析 进金属粉末压坯烧结 (a)自由电子在微波场中的运动分析： (6)颗粒内形成的涡中流（箭头所笮为电流方向） 的重要机理。 自由电子就被约束在各自颗粒的表面，形成界面极 化。快速改变电、磁场方向，使得自由电子也以此 速度改变极化方向，电荷高速来回运动产生焦耳热， 从而，压坯从内部整体均匀地加热、升温
金属粉末压坯吸收微 波能并转化为热能的 过程中,介电损耗、涡 流损耗以及粉末颗粒 对微波的多次散射具 有不可忽略的贡献。 但涡流损耗成为其促 进金属粉末压坯烧结 的重要机理。 自由电子就被约束在各自颗粒的表面,形成界面极 化。快速改变电、磁场方向,使得自由电子也以此 速度改变极化方向,电荷高速来回运动产生焦耳热, 从而,压坯从内部整体均匀地加热、升温。 重要机理： 电场力Fx = e·E、洛仑兹力Fy = eV ×B
微波烧结制取的合金性能明显优于常规方法 表2 微波与常规工艺制取的金属样品性能 压坯密度烧结后密洛氏硬度 断裂强度 样品 工艺 /g cm3 度/gcm3 (HRB) /MPa Fe-Ni MW 7.11 7.15 82 1220 (工业产品) Conv 7.10 77 751 FeCu MW 6.81 7.17 96 978 (工业产品) Conv 6.84 80 813 FeCu MW 6.95 6.96 75 923 (工业产品) Conv 6.95 64 840 W:微波工艺，Cov:常规工艺
微波烧结制取的合金性能明显优于常规方法
特种烧结方法二：激光烧结 放电空同 出水口 阴极 阳极 水冷套 贮气套管 回气肾 薨 进水口 分子气体激光器(CO2激光器)结构图 CO,激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十mA或几百mA的 直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子 的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰 撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，C02分子从低能级跃迁 到高能级上形成粒子数反转发出激光
CO2激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十mA或几百mA的 直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子 的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰 撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁 到高能级上形成粒子数反转发出激光。 分子气体激光器( CO2激光器)结构图 特种烧结方法二：激光烧结 激 光