CN104944929A - 一种氧化铝陶瓷球的微波烧结方法及辅助加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化铝陶瓷球的微波烧结方法及辅助加热装置。本发明提供的氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，将生坯与辅助加热材料共同放入微波加热设备的加热腔体内，第一阶段升温至电流浮动范围在10μA以内，第二阶段升温至烧结温度，保温，冷却，制备了氧化铝陶瓷球。本发明提供的辅助加热装置利用微波烧结过程中不同物质对微波的吸收特性，在低温阶段，采用辅助加热材料加热方式，在高温阶段，采用氧化物陶瓷自身的体加热方式，并通过装置的保温特性保证了烧结过程中氧化物陶瓷的温度场和热应力均匀。本发明提供的微波烧结方法，烧结时间短，烧结温度低，工艺简单，操作方便，适合工业化快速生产，具有广阔的应用前景。

Description

一种氧化铝陶瓷球的微波烧结方法及辅助加热装置

技术领域

本发明属于以氧化铝为基料的陶瓷成型制品技术领域，具体涉及一种氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，还涉及一种应用于微波烧结的辅助加热装置。

背景技术

氧化铝陶瓷球以其适中的密度、耐磨损、价格低廉等特点而广泛应用于陶瓷、电子材料、磁性材料以及食品、制药等行业原材料的研磨和加工，与天然石球和普通瓷球相比，氧化铝陶瓷球的耐磨性提高20～40倍，研磨效率提高40～60％。氧化铝陶瓷球是研磨釉料、坯料、化工原料及各种矿粉最理想的高效研磨介质。产品广泛应用于陶瓷、水泥、涂料、耐火材料及无机矿物粉体等行业。基于氧化铝陶瓷球的加工产品，如陶瓷球阀等，广泛应用于造纸、医药、煤化工、电力、石油、航天等多个领域。

一般工业生产氧化铝陶瓷球通常采用传统的常温常压烧结方法，其存在着烧结温度高，烧结时间长，能效低，污染较大等缺点，同时由于温度场不均匀，热应力较大，烧结而成的陶瓷球孔隙率大，氧化铝晶粒生长不均匀，结合致密性差。热等静压烧结法虽然可以降低烧结温度，但是因为需要对素坯进行包封或者预烧结，压力条件比较苛刻，也不适于实现工业化生产。

专利CN103360040A公开了一种高导热氧化铝陶瓷材料及其低温微波烧结配方。其通过配料、造粒、成型、排胶、烧结等步骤，制得高密度氧化铝陶瓷材料，其制备过程虽然也采用了微波烧结步骤，但前期预烧结阶段需在另外的电阻炉中进行，不仅烧结工序繁杂，而且由于电阻炉中温度场不均匀导致烧结初期氧化铝晶粒均匀性变差，从而影响最终产品的结合致密性。

发明内容

本发明提供一种氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，解决现有氧化铝陶瓷球烧结时间长、能源消耗大、烧结工序繁琐、烧结制品均匀性差的问题。

本发明另外提供一种用于微波烧结的辅助加热装置。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，由以下步骤制备而成：

1)制备氧化铝陶瓷球生坯，将生坯与辅助加热材料共同放入微波加热设备的加热腔体内，所述辅助加热材料在800℃以下具有微波吸收特性；

2)开启微波源，升温至电流浮动范围在10μA以内；

3)升温至烧结温度，保温；

4)关闭微波源，冷却至室温，即得氧化铝陶瓷球。

氧化铝陶瓷球的生坯由以下质量百分比的组分组成：Al₂O₃粉体98～99％，余量为SiO₂、TiO₂、MgO和CaO的混合物。通过混合物的比例可以对氧化铝陶瓷球的韧性等性能进行调节，混合物的比例没有特定要求，优选情况下，混合物中SiO₂、TiO₂、MgO和CaO的质量比为1:1:1:1。

陶瓷球生坯的成型方式有很多，可以采用等静压成型的方式制成生坯，生坯的形状和结构可以根据需要选择，本申请采用等静压成型方式制成实心氧化铝陶瓷球生坯。

步骤1)所述辅助加热材料为SiC材料，优选为SiC圆柱体。材料对微波的吸收是通过与微波的电场或磁场耦合，将微波能转化为热能实现的。材料在外加电磁场作用下内部介质的极化强度矢量滞后于电场的一个角度，从而产生与电场同相的电流，并构成材料内部的功率耗散，即利用介质损耗将电磁能转变成热能。所述“具有微波吸收特性”，指低温情况下(800℃以下)，材料与微波有较好的耦合作用，可吸收微波能量以实现辅助加热。

步骤1)生坯与辅助加热材料相互隔开。所述隔开指生坯与辅助加热材料不接触，避免辅助加热材料直接传热，造成生坯表面温度高于内部温度。

步骤1)中，微波加热设备的加热腔体内设有保温棉，将生坯和辅助加热材料放置在加热腔体内的保温棉上。

步骤2)升温前将生坯预热，预热时的升温速率为3～5℃/min，预热时间为70～100min，预热后以5～10℃/min升温至电流浮动范围在10μA以内。

步骤2)升温速率为5～10℃/min。微波源产生的微波能量由传输系统导入烧结腔体中，由于传输系统并不总与烧结腔体内负载完全匹配，一部分微波被反射回来。电流浮动范围在10μA以内可视作反射功率稳定，此时微波与负载的匹配情况良好，负载与微波的耦合作用强。

步骤3)的升温速率为3～5℃/min，所述烧结温度为1450～1600℃，保温时间为30～50min。

本发明的氧化铝陶瓷球的微波烧结方法中，在低温情况下(800℃以下)，以辅助加热材料加热为主，能将温度升至800℃以上，达到氧化铝陶瓷球与微波有较好耦合作用的温度；高温情况下，辅助加热材料的介电损耗很低，烧结过程以氧化铝陶瓷本身的介电损耗为主，其自身吸收电磁能并加热至烧结温度。

低温阶段的前半段还可以采用预热步骤，可以使生坯整体受热均匀，为低温阶段的后半段升温做好准备。如果包括预热步骤的话，整个烧结过程经历缓慢升温预热、相对快速稳定升温、缓慢烧结、保温、冷却五个阶段。进一步的优化选择，可以采用低温缓慢升温(3～5℃/min)使样品均匀预热；相对快速升温(5～10℃/min)，适当减少升温时间；高温缓慢升温(3～5℃/min)使样品均匀烧结；保温(30～50min)使样品充分致密，从而进一步保证氧化铝陶瓷球致密均匀无开裂。

本发明的氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，根据材料的吸波特性，采用阶段升温的方式进行烧结，保证氧化铝陶瓷球在整个烧结过程中温度场和热应力均匀变化，所得氧化铝陶瓷球致密无开裂，气孔率可低至0.2％，硬度达到14GPa以上，烧结时间(从开启微波源至关闭微波源的总时间)仅为280～320min，相对于传统烧结方式，烧结时间短，节省了大量能源；同时该方法工艺简单，操作方便，适合工业化快速生产，具有广阔的应用前景。

本发明提供的用于微波烧结的辅助加热装置，包括箱体，该箱体由底壁和侧壁围设而成，形成用于容纳被烧结物的腔体，腔体开口处设有用于在烧结时密闭所述腔体的箱盖，所述箱体的底壁、箱体的侧壁和/或箱盖中设有夹层结构，该夹层结构中设有在800℃以下具有微波吸收特性的辅助加热材料。

所述底壁、侧壁和/或箱盖是由内板和外板构成，所述内板与外板之间相互隔开构成所述的夹层结构。作为优选方案，内板和外板为莫来石材料。

所述夹层结构中填充有保温棉，所述辅助加热材料均匀分布在所述保温棉中。所述腔体内填充有保温棉，将氧化铝陶瓷球放置在保温棉上，一方面可避免与底壁直接接触造成局部温度过高，另一方面在加热和降温过程中具有保温作用。夹层和腔体内的保温棉优选为莫来石保温棉。夹层和腔体内的保温棉可与辅助加热装置的夹层结构共同作用赋予更好的保温特性，在微波烧结过程中，辅助加热装置构成了一个密闭的空间，加热和降温过程中，能量均匀传递，密闭空间内温度场均匀变化。

所述辅助加热材料为SiC圆柱体。SiC类辅助加热材料，在低温下(800℃以下)具有微波吸收特性，与微波有较强耦合作用，而在高温下(800℃以上)，其本身的介电损耗很低，基本不吸收微波的电磁能。

本发明的辅助加热装置利用氧化物陶瓷材料，如Al₂O₃、SiO₂、MgO、Si₃N₄、AlN、ZrO₂等，在不同温度下的微波吸收特性，低温情况下，氧化物陶瓷材料基本不吸收微波，而辅助加热材料具有微波吸收特性，可吸收微波能量，并将之传递给装置中的陶瓷材料，装置的保温特性可将能量均匀的传递给装置中的陶瓷材料，从而保证烧结初期温度场均匀。高温情况下，辅助加热材料基本不吸收微波，氧化物陶瓷材料的损耗因子会迅速增大，从而强烈吸收微波，本发明装置的保温特性保证了烧结后期温度场和热应力变化均匀，从而使陶瓷制品气孔率低且晶粒均匀，结合致密。

附图说明

图1为实施例1的氧化铝陶瓷球生坯的实物图；

图2本发明辅助加热装置一个具体实施例的俯视示意图；

图3本发明辅助加热装置一个具体实施例的侧面剖视图；

图4为实施例1所得氧化铝陶瓷球成品与生坯的对照图，左瓷球为成品，右瓷球为生坯；

图5为实施例1所得氧化铝陶瓷球成品的断面SEM图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例的氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，由以下步骤制备而成：

1)Al₂O₃粉体的质量含量为99％，余量为SiO₂、TiO₂、MgO和CaO的混合物，混合物中SiO₂、TiO₂、MgO和CaO的质量比为1:1:1:1。将Al₂O₃粉体与SiO₂、TiO₂、MgO和CaO组成的混合物混合、球磨制成混合料，采用等静压成型制成实心氧化铝陶瓷球生坯，所述氧化铝陶瓷球生坯的结构如图1所示，球径为80mm。将所得生坯与辅助加热材料共同放入微波烧结腔体内；

2)开启微波源，调节微波输入功率，在低温阶段以3℃/min的速率预热，预热时间为100min，保证生坯受热均匀；

3)连续的调节微波输入功率，以5℃/min的速率升温，适当减少升温时间，同时监测反射功率至反射功率稳定(电流上下浮动范围在10μA以下)；

4)以3℃/min的速率升温至烧结温度1550℃，保温50min，使得氧化铝陶瓷球充分烧结致密；

5)关闭微波源，冷却至室温，即得致密无开裂的氧化铝陶瓷球。

本实施例的氧化铝陶瓷球的微波烧结方法中，所用的微波谐振腔为TE666大容积微波谐振腔(常规结构)，谐振腔采用微波频率为2.45GHz，最大输出功率为10KW的微波源，通过10个磁控管均匀分布在腔体上方，保证谐振腔内微波场强分布均匀；腔体顶部设有排气装置及用于插入远红外辐射温度计的探孔；红外测温仪实时监测谐振腔内样品温度，所测温度范围为600～1800℃。

实施例2～5

实施例2～5氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，烧结过程与实施例1基本相同，工艺参数和氧化铝陶瓷球的性能列于表1中：

表1实施例2～5氧化铝陶瓷球的微波烧结工艺参数

(注1：总烧结时间为从开启微波源至关闭微波源的总时间。)

实施例6

本实施例的氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，由以下步骤制备而成：

1)Al₂O₃粉体的质量含量为99％，余量为SiO₂、TiO₂、MgO和CaO的混合物，混合物中SiO₂、TiO₂、MgO和CaO的质量比为1:1:1:1。将Al₂O₃粉体与SiO₂、TiO₂、MgO和CaO组成的混合物混合、球磨制成混合料，采用等静压成型制成实心氧化铝陶瓷球生坯。将所得生坯与辅助加热材料共同放入微波烧结腔体内；

2)开启微波源，连续调节微波输入功率，以5℃/min的速率升温，监测反射功率至反射功率稳定(电流上下浮动范围在10μA以下)；

3)以3℃/min的速率升温至烧结温度1550℃，保温40min，使得氧化铝陶瓷球充分烧结致密；

4)关闭微波源，冷却至室温，即得致密无开裂的氧化铝陶瓷球。

本发明用于微波烧结的辅助加热装置的具体实施方式如下：

本发明辅助加热装置的结构示意图如图2、3所示，包括箱体11，该箱体11由底壁9和侧壁8围设而成，形成用于容纳被烧结物的腔体6，腔体6开口处设有用于在烧结时密闭所述腔体的箱盖5。

可依据被烧结物的具体情况选择底壁9、侧壁8、箱盖5其中之一或之二具有夹层结构1，夹层结构1中设有在800℃以下具有微波吸收特性的辅助加热材料4，辅助加热材料4可以优选为SiC圆柱体。为使被烧结物受热更加均匀，优选底壁9、侧壁8和箱盖5都具有夹层结构1，即箱体11和箱盖5六个面均采用夹层结构，加热时可以从各个方向同时受热。

夹层结构1可以是开设在底壁9、侧壁8、箱盖5上的槽或孔，相应的辅助加热材料4可以设于该槽或孔中，同样也能起到微波辅助加热的作用。作为优选的实施例，夹层结构1还可以采用内板3和外板2相互隔开构成。

为使烧结期间对被烧结物的保温效果更好，优选情况下，夹层结构1内填充有保温棉10，相应的辅助加热材料4可以均匀的分散在保温棉当中，提高加热的均匀性。保温棉10可以选择莫来石保温棉。另外可以在腔体6的底部垫设有保温棉7，既可以进一步提高烧结的保温性能，还可以作为支撑被烧结物的垫覆物。

本发明的辅助加热装置用在氧化铝陶瓷球的烧结过程中，氧化铝陶瓷球制成生坯后，放置于本实施例辅助加热装置的腔体6内，将装置移入微波加热设备的加热腔体内，在低温阶段，夹层结构1内的SiC圆柱体4具有微波吸收特性，可吸收微波能量并将热量传递给腔体6内的氧化铝陶瓷球，从而保证烧结初期温度场均匀。高温情况下，SiC圆柱体4基本不吸收微波，氧化铝陶瓷球自身强烈吸收微波产生热量，此时设备内的莫来石保温棉10和夹层结构1起到保温的作用，使氧化铝陶瓷球的内部温度和表面温度基本保持一致，从而保证了烧结后期温度场变化均匀。

图4为实施例1所得氧化铝陶瓷球成品与生坯的对照图。从图4可以看出，烧成氧化铝陶瓷球收缩均匀，形状完好，无裂纹，外观形状满足使用要求。

实施例1所得氧化铝陶瓷球圆环成品的断面SEM图如图5所示。从图5可以看出，氧化铝晶粒均匀，结合致密。

Claims (10)

1.一种氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，其特征在于：由以下步骤制备而成：

1)制备氧化铝陶瓷球生坯，将生坯与辅助加热材料共同放入微波加热设备的加热腔体内，所述辅助加热材料在800℃以下具有微波吸收特性；

2)开启微波源，升温至电流浮动范围在10μA以内；

3)升温至烧结温度，保温；

4)关闭微波源，冷却至室温，即得氧化铝陶瓷球。

2.根据权利要求1所述氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，其特征在于：步骤1)生坯与辅助加热材料相互隔开。

3.根据权利要求1所述氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，其特征在于：步骤1)中，微波加热设备的加热腔体内设有保温棉，将生坯和辅助加热材料放置在加热腔体内的保温棉上。

4.根据权利要求1所述的氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，其特征在于：步骤2)升温前将生坯预热，预热时的升温速率为3～5℃/min，预热时间为70～100min，预热后的升温速率为5～10℃/min。

5.根据权利要求1所述的氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，其特征在于：步骤2)升温速率为5～10℃/min。

6.根据权利要求1所述的氧化铝陶瓷球的微波烧结方法，其特征在于：步骤3)的升温速率为3～5℃/min。

7.一种用于微波烧结的辅助加热装置，其特征在于：包括箱体，该箱体由底壁和侧壁围设而成，形成用于容纳被烧结物的腔体，腔体开口处设有用于在烧结时密闭所述腔体的箱盖，所述箱体的底壁、箱体的侧壁和/或箱盖中设有夹层结构，该夹层结构中设有在800℃以下具有微波吸收特性的辅助加热材料。

8.根据权利要求7所述的用于微波烧结的辅助加热装置，其特征在于：所述底壁、侧壁和/或箱盖是由内板和外板构成，所述内板与外板之间相互隔开构成所述的夹层结构。

9.根据权利要求7所述的用于微波烧结的辅助加热装置，其特征在于：所述夹层结构中填充有保温棉，所述辅助加热材料均匀分布在所述保温棉中。

10.根据权利要求7所述的用于微波烧结的辅助加热装置，其特征在于：所述辅助加热材料为SiC圆柱体。