CN104180654A - 一种超声振动活化辅助烧结管式炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波振动活化辅助烧结管式炉，包括炉壳、炉管、炉头，发热体，坩埚，变幅杆，变幅杆支撑架，超声波发生器，超声波换能器。气氛通过通气管通入炉管，炉管内的空气及废气通过真空泵抽出。超声波功率和加载时间通过超声波发生器控制，超声波发生器产生的电信号通过超声波换能器转换成超声振动，超声振动通过变幅杆、坩埚传递给坩埚内的待烧样品，使待烧样品在烧结过程中处于超声振动状态，在发热体辐射热等热作用下，待烧样品的物质微粒在高温下高速振动，促进待烧样品晶粒均匀成核长大或者均匀熔化。本发明具有使块状烧结样品的微结构更加均匀、致密，粉状烧结样品更加均匀分散的效果。

Description

一种超声振动活化辅助烧结管式炉

技术领域

本发明涉及一种管式烧结炉，尤其涉及一种通过超声波振动活化辅助烧结陶瓷等无机材料的管式电阻烧结炉。

背景技术

烧结是陶瓷等无机材料制备工艺的核心环节。在烧结过程中材料形成独有的晶型结构、颗粒尺寸、形貌以及位错、缺陷等物理和化学特征，从而使材料具备特有的性能。电阻加热式管式烧结炉具有具有安全可靠、操作简单、控温精度高、保温效果好、温度范围大、炉膛温度均匀性高、可选配气氛等特点，广泛应用于大专院校、科研院所、工矿企业等实验和小批量生产。现有管式烧结炉中烧结体或烧结物料位置固定，烧结过程中烧结体或烧结物料只能被动受到热辐射和空气热传导的作用，烧结体或烧结物料各部分受热均匀性差、烧结时反应速度不一致，从而使烧结过程长，烧结体容易出现内部不同区域固溶体或晶粒长大速度相差较大，液相反应、固相反应较慢，产品微观结构波动大，形貌不易控制。组合式烧结可以取得更好的烧结效果，例如授权公告号CN 101482368 B的发明专利《高温旋转管式炉装置》发明了一种高温旋转管式炉，可以使粉末与气氛充分反应，烧结制品环境温度均匀。而授权公告号CN 101701768 B的发明专利《加热球磨一体式管式炉》发明了一种加热球磨一体式管式炉，将球磨处理和高温处理两个工序合为一体，避免合成材料因为转移而被污染，自动化程度高。但这两种管式炉结构较复杂，烧结时处理频率较低。

超声波是一种频率高于20kHz的声波，具有方向性好、穿透能力强、能量集中的特点，传播时可以在传播介质中引发独特的物理现象，如产生机械效应、热效应、空化效应以及化学效应。目前超声波技术在湿化学合成材料的化学制备、处理过程中已有应用。发明专利《超声辅助致密化装置》(公开号CN 101684520A)通过加载超声波高频振动使压坯颗粒之间达到紧密配合，从而使压坯的压制密度提高且分布均匀。超声波具有特有的机械效应、热效应和空化效应，采用超声波技术活化辅助烧结可以细化烧结制品组织、降低烧结制品孔隙率，但目前未见其用在材料的烧结过程中的应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有新材料研发对特种烧结技术的实际需求、超声波技术的优点及管式炉的固有缺陷，设计了一种超声波振动活化辅助烧结的管式烧结炉，其主要包含以下构造：

一种超声振动活化辅助烧结管式炉，包括炉壳、炉管、炉头，发热体，坩埚，变幅杆，变幅杆支撑架，超声波发生器，超声波换能器，其特征是，炉头上设有通气管，炉管中央设有坩埚，坩埚与变幅杆相连，变幅杆另一端与位于炉头外的超声波换能器连接，变幅杆通过变幅杆支撑架固定，变幅杆支撑架通过炉头上的小孔穿过炉头。

所述的超声振动活化轴助烧结管式炉，其特征是，超声换能器、超声波发生器与变幅杆、变幅杆支撑架、坩埚组成超声振动活化装置，变幅杆支撑架通过炉头上的小孔安装并固定，坩埚、变幅杆支撑架和变幅杆的材料包括三氧化二铝、二氧化锆、氧化镁、氧化铍、氮化硼，碳化硼、碳化硅、氮化硅、氮化铝在内的陶瓷、耐高温玻璃或石墨，包括高温合金钢、碳化钨、碳化钛、钛铝合金、不锈钢在内的高温高强度合金。

所述的超声振动活化轴助烧结管式炉，其特征是，炉管包括横式结构和竖式结构，变幅杆以平行于圆柱管的方式方置于管式炉中部，变幅杆与坩埚侧面或底部连接。

所述的超声振动活化辅助烧结管式炉，其特征是，工作温度范围为100℃～1800℃，最高工作温度由管式炉的额定工作温度及坩埚和变幅杆的最高使用温度确定。

所述的超声振动活化辅助烧结管式炉，其特征是，气氛不限于空气气氛，还包括氧气、氩气、氮气等气氛，使用氧气、氩气、氮气等气氛烧结时，通过炉头上的通气管通入烧结气体，通过炉管上另一个炉头上的通气管连接真空泵抽气换气。

所述的超声振动活化辅助烧结管式炉，其特征是，超声换能器为磁致伸缩换能器或压电换能器，超声换能器工作频率为20kHz～100kHz，超声波功率和加载时间通过超声波发生器控制，超声波发生器产生与超声换能器工作频率匹配的电信号，电信号通过超声波换能器转换成超声振动，超声振动通过变幅杆、坩埚传递给坩埚内的待烧样品，使待烧样品在烧结过程中处于超声振动状态，在发热体热辐射等热作用下，待烧样品的物质微粒在高温下高速振动，促进待烧样品晶粒均匀成核长大或者均匀熔化，块状样品微结构均匀、致密，粉状样品均匀分散，样品在微观结构上更加优异。

本发明具有如下的有益效果：

(1)阻止晶粒长大：由于超声能使待烧样品剧烈振动，增加待烧样品颗粒之间的接触面积，加速待烧样品颗粒原子之间的扩散，促进待烧样品成核和烧结或熔化过程的进行，同时促进在高温下产生的液相更快更好的填充到固体晶粒之间，有效的增加晶核数量。通过液体在超声场中的空化效应，可以使颗粒中的液相破裂，可以保持或细化被烧结材料的微观组织，防止待烧样品在烧结过程中的晶粒长大，从而使待烧样品的晶粒细化，这对于纳米材科的制备具有非常明显的优势。

(2)制品致密度高、孔隙率低：超声振动机制下烧结出来的制品密度高，分布均匀，颗粒之间接触面积大，液相可以更充分填充到固相颗粒之间，促使空气更快的排出，孔隙率低。

(3)适应性广：在材料的许可温度范围内，几乎适用于一切固体材料。

(4)节能：采用超声振动活化辅助烧结装置可以在比常规烧结温度低的温度下以及比常规烧结时间短的条件下制备出微观结构更好的块体或粉体材料。

附图说明

附图1为超声振动活化轴助特殊气氛烧结管式炉正视示意图；

附图2为超声振动活化辅助空气气氛烧结管式炉正视示意图；

图中标号：1-炉壳，2-发热体，3-炉管，4-坩埚，5-待烧样品，6-变幅杆，7-变幅杆支架，8-超声波换能器，9-超声波发生器，10-炉头，11-真空泵，12-气瓶，13-通气管。

具体实施方式

本发明提供了一种超声振动活化辅助烧结管式炉，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1：

如图1超声振动活化辅助特殊气氛烧结管式炉正视示意图所示，本发明提供的超声振动活化轴助烧结管式炉可进行特殊气氛烧结。中空圆柱环状的氧化铝陶瓷变幅杆支撑架7穿过炉头10上的小孔，氧化铝陶瓷变幅杆6穿过变幅杆支撑架7，两者之间较紧密接触但可以滑动，变幅杆6在炉管内的一端通过外螺纹接到底部具有对应内螺纹的氧化铝陶瓷坩埚4，在变幅杆6的炉管外一端通过螺纹方式连接工作频率20kHz的超声波换能器8，超声波换能器8通过电线连接到超声波发生器9上。将待烧样品5放入坩埚4中。两端的炉头10封闭住炉管3，气瓶内的氧气、氩气、氮气等气体通过通气管13通入炉管，真空泵11通过穿过炉头10的通气管13将炉管内的空气抽出，使炉管内呈现气氛状态。设定好待烧样品的烧结温度制度，发热体2开始加热。超声波发生器9的工作频率设定为20kHz，超声振动功率和加载时间通过超声波发生器9控制，根据待烧样品的烧结温度制度选择全程或特定升温、保温或降温时间段内加载超声振动，实现超声振动活化辅助烧结。本实施例中最高烧结温度应低于管式炉的额定工作温度及氧化铝陶瓷坩埚和氧化铝陶瓷变幅杆的使用温度。

实施例2：

如图2超声振动活化辅助空气气氛烧结管式炉正视示意图所示，本发明提供的超声振动活化辅助烧结管式炉可进行普通空气气氛烧结。中空圆柱环状的高温合金钢变幅杆支撑架7固定在炉管3上，高温合金钢变幅杆6穿过变幅杆支撑架7，两者之间较紧密接触但可以滑动，变幅杆6在炉器内的一端通过外螺纹接到底部具有对应内螺纹的高温合金钢坩埚4，在变幅杆6的炉管外一端通过螺纹方式连接工作频率40kHz的超声波换能器8，超声波换能器8通过电线连接到超声波发生器9上。将待烧样品5放入坩埚4中。设定好待烧样品的烧结温度制度，发热体2开始加热。超声波发生器9的工作频率设定为40kHz，超声振动功率和加载时间通过超声波发生器9控制，根据待烧样品的烧结温度制度选择全程或特定升温、保温或降温时间段内加载超声振动，实现超声振动活化辅助烧结。本实施例中最高烧结温度应低于管式炉的额定工作温度及高温合金钢坩埚和高温合金钢变幅杆的使用温度。

Claims (6)

1.一种超声振动活化辅助烧结管式炉，包括炉壳、炉管、炉头，发热体，坩埚，变幅杆，变幅杆支撑架，超声波发生器，超声波换能器，其特征是，炉头上设有通气管，炉管中央设有坩埚，坩埚与变幅杆相连，变幅杆另一端与位于炉头外的超声波换能器连接，变幅杆通过变幅杆支撑架固定，变幅杆支撑架通过炉头上的小孔穿过炉头。

2.根据权利要求1所述超声振动活化辅助烧结管式炉，其特征是，超声换能器、超声波发生器与变幅杆、变幅杆支撑架、坩埚组成超声振动活化装置，变幅杆支撑架通过炉头上的小孔安装并固定，坩埚、变幅杆支撑架和变幅杆的材料包括三氧化二铝、二氧化锆、氧化镁、氧化铍、氮化硼，碳化硼、碳化硅、氮化硅、氮化铝在内的陶瓷、耐高温玻璃或石墨，包括高温合金钢、碳化钨、碳化钛、钛铝合金、不锈钢在内的高温高强度合金。

3.根据权利要求1所述的超声振动活化辅助烧结管式炉，其特征是，炉管包括横式结构和竖式结构，变幅杆以平行于圆柱管的方式放置于管式炉中部，变幅杆与坩埚侧面或底部连接。

4.根据权利要求1所述的超声振动活化辅助烧结管式炉，其特征是，工作温度范围为100℃～1800℃，最高工作温度由管式炉的额定工作温度及坩埚和变幅杆的最高使用温度确定。

5.根据权利要求1所述超声振动活化辅助烧结管式炉，其特征是，气氛不限于空气气氛，还包括氧气、氩气、氮气等气氛，使用氧气、氩气、氮气等气氛烧结时，通过炉头上的通气管通入烧结气体，通过炉管上另一个炉头上的通气管连接真空泵抽气换气。

6.根据权利要求2所述超声振动活化辅助烧结管式炉，其特征是，超声换能器为磁致伸缩换能器或压电换能器，超声换能器工作频率为20kHz～100kHz，超声波功率和加载时间通过超声波发生器控制，超声波发生器产生与超声换能器工作频率匹配的电信号，电信号通过超声波换能器转换成超声振动，超声振动通过变幅杆、坩埚传递给坩埚内的待烧样品，使待烧样品在烧结过程中处于超声振动状态，在发热体热辐射等热作用下，待烧样品的物质微粒在高温下高速振动，促进待烧样品晶粒均匀成核长大或者均匀熔化。