材料微波烧结的等离子体效应及烧结动力学研究

微波烧结的原理是利用材料与微波相互作用促使材料的致密化，具有节能、环保、改善材料性能等优点。材料内部等离子体现象可能引起复杂的热效应。本项目通过对微波烧结系统和保温结构进行优化，实现材料的本征微波加热或混合加热，从而探索微波烧结过程中材料内部等离子体产生的临界条件和基本表现；揭示半导体、绝缘体、金属粉体等不同介质损耗材料内部激发微波等离子体的规律；分析"热剧变"现象产生的根本原因，提出与"功率再分配"、"选择性加热"等因素相关的微波烧结机理。通过观察等离子体作用下样品内部颗粒颈部、气孔等特征区域原子分布状况，了解微波等离子体与材料相互作用的科学特征；通过计算机模拟，建立烧结过程中由辅助加热体、高温材料自身损耗、微波等离子体、颗粒表面涡流损耗等因素引起的"热效应"动力学模型；高频电磁场对原子扩散驱动力影响引起的"非热行为"动力学模型及"热效应"与"非热行为"协同作用下材料致密化过程理论模型。

微波烧结是样品依靠自身的介质损耗吸收微波，从内部产生热量，呈现体积“热效应”过程；同时，微波高频电磁场促进物质沿界面的扩散流动，使晶粒快速生长，加速化学反应，呈现“非热行为”过程，提高材料致密化过程。本项目通过对微波烧结系统和保温结构进行优化，实现材料的本征微波加热或混合加热，以ZrO2等无机粉体，ZrO2基陶瓷复合材料为主要研究对象，研究了微波烧结工艺过程中，微波与材料的作用规律及微波工艺参数变化规律，分析了微波加热对粉体及陶瓷样品的影响规律，探索了材料内部的等离子体现象，揭示不同介质损耗材料内部激发微波等离子体的规律，提出“受限生长效应”、“局部热效应”等相关的微波烧结机理。结果发现：在微波场作用下，材料成型后坯体内部残余的气体以及烧结过程中产生的气体，在微波场激发下都可能产生局部等离子体，从而使局部温度升高，促进物质扩散和晶粒生长；由于气体的不连续性，使等离子体在材料内部弥散状分布，提高了整体加热效率加加热均匀性，不仅有助于抑制晶粒的过度长大，保持晶粒结构细化，又能显著改善样品结构的均匀性，提高材料力学性能和性能一致性。项目期间还对Ni基复合材料的吸波性能、微波辅助合成金属氧化物基复合材料等进行了相关研究。立项以来，取得了一系列具有创新性的研究进展，在国际学术刊物上发表科学论文40篇，其中SCI收录34篇，申请专利13项，已授权9项。