CN105170981A - 一种微波热压烧结与钎焊装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波热压烧结与钎焊装置，包括微波谐振腔体，所述微波谐振腔体一侧连接有微波发生装置，另一侧连接有可调节全反射终端装置，所述微波谐振腔体上还设置有用于对试样施加压力的加压系统。该微波热压烧结与钎焊装置的微波谐振腔体为夹层水冷的矩形结构，所述微波谐振腔体的外壁设有冷却水进口和冷却水出口，所述微波谐振腔体的前方、后方、上方、下方各设有一个与其内部相通的用于防止微波泄漏的圆柱形衰减波导，所述微波谐振腔体的前方设置有用于测量热循环的光纤红外测温传感器，本装置加热速度快、节约能源，实现微波加热、加压、气氛保护一体化。

Description

一种微波热压烧结与钎焊装置及其使用方法

技术领域

本发明提供一种微波热压烧结与钎焊装置及其使用方法，特别是惰性气体保护下陶瓷的热压烧结与钎焊，属于机械设备技术领域。

背景技术

陶瓷材料的硬度大、脆性大，难以烧结和加工。传统的陶瓷制造行业普遍存在着能耗大、污染大、生产效率较低等问题。微波加热是利用材料在微波电磁场中的介质损耗来实现物体加热的。这种加热方式的温度场均匀、热应力小、适宜于快速烧结，还可以使烧结后材料的晶粒细化，有利于产品性能的提高。利用微波烧结与钎焊技术来代替陶瓷行业普遍使用的常规烧结方法是解决能源短缺和环境污染问题良好的解决方法。

微波加热腔内存在高频的强电磁场，采用常规温度传感器测温时，金属材料制作的测温探头及导线在高频电磁场下产生感生电流，由于集肤效应和涡流效应，使其自身温度升高，造成较大的测量误差。

众所周知，热压烧结是材料烧结方法中常用的方法之一。可以使粉体颗粒在压力和温度的双重作用下完成致密化过程。具有烧结温度低、保温时间短、气孔率低和晶粒细化等特点。但现有微波加热的设备的不足之处就是缺少加压系统，只能实现单纯的常压烧结。对陶瓷材料，特别是SiC这类原子扩散率很低的陶瓷材料在钎焊的过程中常常需要施加一定的压力，而在传统的微波加热设备中很难实现。

发明内容

本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种微波热压烧结与钎焊装置及其使用方法。

本发明解决技术问题所采用的方案是一种微波热压烧结与钎焊装置，包括微波谐振腔体，所述微波谐振腔体一侧连接有微波发生装置，另一侧连接有可调节全反射终端装置，所述微波谐振腔体上还设置有用于对试样施加压力的加压系统。

进一步的，所述微波谐振腔体为夹层水冷的矩形结构，所述微波谐振腔体的外壁设有冷却水进口和冷却水出口。

进一步的，所述微波谐振腔体的前方、后方、上方、下方各设有一个与其内部相通的用于防止微波泄漏的圆柱形衰减波导，所述微波谐振腔体的前方设置有用于测量热循环的光纤红外测温传感器,所述微波谐振腔体的中上方设置有位移传感器。

进一步的，所述微波谐振腔体的前方设有用于红外测温的观察窗，所述观察窗由微波谐振腔体前方的圆柱形衰减波导与石英玻璃组成。

进一步的，所述微波谐振腔体的后方设有用于导入保护性气体的接入孔，所述接入孔由微波谐振腔体后方的圆柱形衰减波导组成。

进一步的，所述微波发生装置包括操作面板、微波发振器、微波电源，所述微波发生装置与微波谐振腔体之间经直波导管进行连接。

进一步的，所述加压系统包括经驱动机构驱动的用于独立进行竖向往复运动调节的上移动板、下移动板，所述上移动板下方设有用于插嵌入微波谐振腔体上方的圆柱形衰减波导的上压头，所述下移动板上方设有用于插嵌入微波谐振腔体下方的圆柱形衰减波导的下压头，所述上压头与下压头分别经夹块进行固定。

进一步的，所述上压头与下压头的材料为用于防止在加压路径上微波泄漏的高纯度石英棒。

进一步的，所述驱动机构包括上固定板、下固定板，所述上固定板上设置有相连接的电机、减速器、联轴器、丝杆，所述丝杆上设有滚珠螺母，所述滚珠螺母与上移动板固连，所述下固定板上设置有螺纹顶杆，所述螺纹顶杆顶住下移动板的表面，所述上固定板与下固定板之间还竖直设置有导杆，所述上移动板与下移动板经导套穿设在导杆上。

一种微波热压烧结与钎焊装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）先将用于防止微波泄漏的金属丝网将微波谐振腔体罩好，打开微波发振器，并经冷却水进口和冷却水出口进行冷却水循环、经接入孔向微波谐振腔体内通入保护性气体，开启光纤红外测温传感器；

（2）将用于防止石英棒过热损坏的多晶莫来石纤维棉放置于下压头的石英棒上表面，将装有实验用试样的石墨模具放于纤维棉之上，启动加压系统，使下压头向上移动到试样处于微波谐振腔体的腔体中心位置；

（3）使上压头向下移动进入到微波谐振腔体的腔体内部并与石墨模具上表面接触，并设定好加压压力；

（4）当进行烧结时，将金属粉末的试样在冷压成型压力下压坯成型，将压制好的试样放于石墨模具内，启动上压头给试样加压后进行粉体烧结，进行钎焊时，将母材和钎料置于石墨模具内，然后启动上压头施压使母材和钎料间紧密接触；

（5）在烧结与钎焊过程中，光纤红外测温传感器的激光瞄准点始终处于试样中心，对加热过程中的整个热循环进行测量，并启动微波电源，以一定速率增大微波功率，防止加热速度过快导致的微波谐振腔体内放电或加热速度过慢导致的试样无法烧结，可调节全反射终端装置作为全反射负载进行加热速度的调节。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、微波谐振腔体采用夹层水冷的矩形结构，且设有冷却水进口和冷却水出口，可在夹层中充入循环冷却水，在加热过程中可防止由于温度过高而与介电材料之间发生起弧的现象。

2、实现了微波加热、可控气氛以及热压烧结或钎焊技术的集成。采用微波加热技术实现了有针对性地局部高温加热，升温迅速；采用机械式的加压系统，通过上压头对试样施加压力，实现了热压烧结或钎焊，有利于提高产品的致密度。

3、采用高纯度石英棒作为压力传导，石英的介电常数低，对微波透明，可在一定程度上防止微波泄漏；微波谐振腔体由网孔密度较小的金属丝网罩住，从而在多重防护下降低了微波泄漏量。

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1为该发明的结构示意图；

图2为图1去除微波发生装置的A向视图；

图中：

1-微波谐振腔体；2-微波发生装置；3-加压系统；4-冷却水进口；5-冷却水出口；6-圆柱形衰减波导；7-位移传感器；8-观察窗；9-接入孔；10-操作面板；11-微波发振器；12-微波电源；13-直波导管；14-上移动板；15-下移动板；16-上压头；17-下压头；18-夹块；19-上固定板；20-下固定板；21-减速器；22-联轴器；23-丝杆；24-电机；25-螺纹顶杆；26-导杆；27-导套。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1～2所示，一种微波热压烧结与钎焊装置，包括微波谐振腔体1，所述微波谐振腔体一侧连接有微波发生装置2，另一侧连接有可调节全反射终端装置，所述微波谐振腔体上还设置有用于对试样施加压力的加压系统3。

在本实施例中，所述微波谐振腔体为夹层水冷的矩形结构，所述微波谐振腔体的外壁设有冷却水进口4和冷却水出口5。

在本实施例中，所述微波谐振腔体的前方、后方、上方、下方各设有一个与其内部相通的用于防止微波泄漏的圆柱形衰减波导6，所述微波谐振腔体的前方设置有用于测量热循环的光纤红外测温传感器,所述微波谐振腔体的中上方设置有位移传感器7。

在本实施例中，所述微波谐振腔体的前方设有用于红外测温的观察窗8，所述观察窗由微波谐振腔体前方的圆柱形衰减波导与石英玻璃组成。

在本实施例中，所述微波谐振腔体的后方设有用于导入保护性气体的接入孔9，所述接入孔由微波谐振腔体后方的圆柱形衰减波导组成。

在本实施例中，所述微波发生装置包括操作面板10、微波发振器11、微波电源12，所述微波发生装置与微波谐振腔体之间经直波导管13进行连接。

在本实施例中，所述加压系统包括经驱动机构驱动的用于独立进行竖向往复运动调节的上移动板14、下移动板15，所述上移动板下方设有用于插嵌入微波谐振腔体上方的圆柱形衰减波导的上压头16，所述下移动板上方设有用于插嵌入微波谐振腔体下方的圆柱形衰减波导的下压头17，所述上压头与下压头分别经夹块18进行固定。

在本实施例中，所述上压头与下压头的材料为用于防止在加压路径上微波泄漏的高纯度石英棒。

在本实施例中，所述驱动机构包括上固定板19、下固定板20，所述上固定板上设置有相连接的电机24、减速器21、联轴器22、丝杆23，所述丝杆上设有滚珠螺母，所述滚珠螺母与上移动板固连，所述下固定板上设置有螺纹顶杆25，所述螺纹顶杆顶住下移动板的表面，所述上固定板与下固定板之间还竖直设置有导杆26，所述上移动板与下移动板经导套27穿设在导杆上。

一种微波热压烧结与钎焊装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）先将用于防止微波泄漏的金属丝网将微波谐振腔体罩好，打开微波发振器，并经冷却水进口和冷却水出口进行冷却水循环、经接入孔向微波谐振腔体内通入保护性气体，开启光纤红外测温传感器；

（2）将用于防止石英棒过热损坏的多晶莫来石纤维棉放置于下压头的石英棒上表面，将装有实验用试样的石墨模具放于纤维棉之上，启动加压系统，使下压头向上移动到试样处于微波谐振腔体的腔体中心位置；

（3）使上压头向下移动进入到微波谐振腔体的腔体内部并与石墨模具上表面接触，并设定好加压压力；

（4）当进行烧结时，将一定量金属粉末的试样在一定的冷压成型压力下压坯成型，其中冷压成型压力的选择与粉末的种类有密切关系，密度太大会导致压坯具有金属特性而无法烧结，密度太小会影响对微波能的吸收；将压制好的试样放于石墨模具内，启动上压头给试样加压后进行粉体烧结，进行钎焊时，将母材和钎料以“三明治”形式置于石墨模具内，然后启动上压头施压使母材和钎料间紧密接触；

（5）在烧结与钎焊过程中，光纤红外测温传感器的激光瞄准点始终处于试样中心，对加热过程中的整个热循环进行测量，并启动微波电源，以一定速率增大微波功率，防止加热速度过快导致的微波谐振腔体内放电或加热速度过慢导致的试样无法烧结，可调节全反射终端装置作为全反射负载进行加热速度的调节。

在本实施例中，由于石墨具有较高的介电常数可以被微波良好加热，因此可以作为微波的辅助吸收体，提高试样加热速度，特别是对介电常数较低的材料，可以使用这种混合加热的方式进行微波加热；这种混合加热的方式也有利于提高实验的可重复性，还可以在一定程度上避免由于“热失控”而造成的材料开裂。

在本实施例中，使用可调节全反射终端装置作为全反射负载，可以使波导管中形成由入射波和反射波组成的频率相同、振幅相同、传播方向相反的微波，这两列波在波导管中形成驻波，通过可调节全反射终端装置中短路器的位置可改变微波谐振腔体的长度从而改变试样中的耦合功率，最终实现加热速度的调节。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波热压烧结与钎焊装置，其特征在于：包括微波谐振腔体，所述微波谐振腔体一侧连接有微波发生装置，另一侧连接有可调节全反射终端装置，所述微波谐振腔体上还设置有用于对试样施加压力的加压系统。

2.根据权利要求1所述的微波热压烧结与钎焊装置，其特征在于：所述微波谐振腔体为夹层水冷的矩形结构，所述微波谐振腔体的外壁设有冷却水进口和冷却水出口。

3.根据权利要求1所述的微波热压烧结与钎焊装置，其特征在于：所述微波谐振腔体的前方、后方、上方、下方各设有一个与其内部相通的用于防止微波泄漏的圆柱形衰减波导，所述微波谐振腔体的前方设置有用于测量热循环的光纤红外测温传感器,所述微波谐振腔体的中上方设置有位移传感器。

4.根据权利要求3所述的微波热压烧结与钎焊装置，其特征在于：所述微波谐振腔体的前方设有用于红外测温的观察窗，所述观察窗由微波谐振腔体前方的圆柱形衰减波导与石英玻璃组成。

5.根据权利要求3所述的微波热压烧结与钎焊装置，其特征在于：所述微波谐振腔体的后方设有用于导入保护性气体的接入孔，所述接入孔由微波谐振腔体后方的圆柱形衰减波导组成。

6.根据权利要求1所述的微波热压烧结与钎焊装置，其特征在于：所述微波发生装置包括操作面板、微波发振器、微波电源，所述微波发生装置与微波谐振腔体之间经直波导管进行连接。

7.根据权利要求3所述的微波热压烧结与钎焊装置，其特征在于：所述加压系统包括经驱动机构驱动的用于独立进行竖向往复运动调节的上移动板、下移动板，所述上移动板下方设有用于插嵌入微波谐振腔体上方的圆柱形衰减波导的上压头，所述下移动板上方设有用于插嵌入微波谐振腔体下方的圆柱形衰减波导的下压头，所述上压头与下压头分别经夹块进行固定。

8.根据权利要求7所述的微波热压烧结与钎焊装置，其特征在于：所述上压头与下压头的材料为用于防止在加压路径上微波泄漏的高纯度石英棒。

9.根据权利要求7所述的微波热压烧结与钎焊装置，其特征在于：所述驱动机构包括上固定板、下固定板，所述上固定板上设置有相连接的电机、减速器、联轴器、丝杆，所述丝杆上设有滚珠螺母，所述滚珠螺母与上移动板固连，所述下固定板上设置有螺纹顶杆，所述螺纹顶杆顶住下移动板的表面，所述上固定板与下固定板之间还竖直设置有导杆，所述上移动板与下移动板经导套穿设在导杆上。

10.一种微波热压烧结与钎焊装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）先将用于防止微波泄漏的金属丝网将微波谐振腔体罩好，打开微波发振器，并经冷却水进口和冷却水出口进行冷却水循环、经接入孔向微波谐振腔体内通入保护性气体，开启光纤红外测温传感器；

（2）将用于防止石英棒过热损坏的多晶莫来石纤维棉放置于下压头的石英棒上表面，将装有实验用试样的石墨模具放于纤维棉之上，启动加压系统，使下压头向上移动到试样处于微波谐振腔体的腔体中心位置；

（3）使上压头向下移动进入到微波谐振腔体的腔体内部并与石墨模具上表面接触，并设定好加压压力；

（4）当进行烧结时，将金属粉末的试样在冷压成型压力下压坯成型，将压制好的试样放于石墨模具内，启动上压头给试样加压后进行粉体烧结，进行钎焊时，将母材和钎料置于石墨模具内，然后启动上压头施压使母材和钎料间紧密接触；

（5）在烧结与钎焊过程中，光纤红外测温传感器的激光瞄准点始终处于试样中心，对加热过程中的整个热循环进行测量，并启动微波电源，以一定速率增大微波功率，防止加热速度过快导致的微波谐振腔体内放电或加热速度过慢导致的试样无法烧结，可调节全反射终端装置作为全反射负载进行加热速度的调节。