JP7149937B2 - マイクロ波によるセラミック部品の熱処理の方法 - Google Patents

Description

本発明はセラミック材料を熱処理するための方法に関し、より詳細にはマイクロ波キャビティ内でセラミック材料から作成された部品を高密度化するための方法に関する。

セラミック材料から作成された部品は、強化し、かつ／または高密度化するために熱処理によって製造されてもよい。例えば圧縮または鋳造により事前に粉末形状にされた固体部品は、加熱または焼結により高密度化されてもよい。この操作は、従来赤外放射線で、かつ／または対流により圧縮された粉末の試料を加熱することによって実行される。赤外放射線を放出する熱源は、典型的には抵抗素子を使用して、またはガスを燃焼することによって獲得される。試料は、典型的には７００℃を超える温度に加熱される。このタイプの方法を実施する熱処理の効率は、エネルギーを大きく損失し、生産コストがより高くなり、環境影響が大きくなるという非最適な結果をもたらす。ガスオーブンの場合、加熱により環境に有害な炭素含有ガスの放出を引き起こす。

電子レンジは、これらの２つの加熱処理方法に替わる対象である。非金属を加熱するとき、それらの効率は上述した２つの方法の効率よりはるかに高く、対流式オーブンの場合に対して、使用されるエネルギー量を大幅に節約する可能性がある。この効率は、試料内でエネルギーの局在吸収および加熱される全容積の低減をもたらす。また電子レンジは熱処理の継続時間を従来の方法に比べて低減することもできる。

先行技術では、大きい寸法、例えば３ｃｍより大きいサイズのセラミック材料から作成された部品の加熱は、マイクロ波加熱に適合しない、またはあまり適合しない。いくつかの理由がこの技術的問題を説明し得る。

多くのセラミック材料の誘電特性は、室温でマイクロ波との結合が好ましくなく、これは実際に通常約４００℃の温度まではそのままである。例として、ジルコニアの誘電損失が著しく４００℃を超えて増加することにより、この温度を超えてジルコニアとマイクロ波との間により良好な結合をもたらす。

加えて（マイクロ波の試料への侵入深さに実質的に対応する）試料を加熱できる厚さは、材料の特性だけでなく、マイクロ波の周波数ｖ_０の両方に依存し、侵入深さは周波数が低減するにつれて増加する。マイクロ波によって加熱されたある特定のセラミック材料については、侵入深さは１ミリメートルより小さくてもよく、ｖ_０＝２．４５ＧＨｚである（この周波数は電子レンジで通常使用される周波数である）。前記部品内のマイクロ波によって消散されたエネルギーによって加熱されたセラミック材料の部品の大きさは、この場合に限定される。

単一モードのキャビティの使用により、試料をキャビティの容積内で均一に熱処理することができ、この容積の大きさは、キャビティ内に誘導されたマイクロ波の周波数が増加するにつれて低減する。例えばその中にマイクロ波が周波数２．４５ＧＨｚで放出される典型的な単一モードのキャビティは、典型的には０．３５Ｌ未満の容積の試料を処理することができる。

１つの先行技術の解決策は、９１５ＭＨｚに等しい低い周波数ｖ_０を使用することを含む。Ｓ．Ｌｉらは（Ｌｉ，Ｓ．，Ｘｉｅ，Ｇ．，Ｌｏｕｚｇｕｉｎｅ－Ｌｕｚｇｉｎ，Ｄ．Ｖ．，Ｓａｔｏ，Ｍ．，＆ Ｉｎｏｕｅ，Ａ．（２０１１）．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｃｕ－ｂａｓｅｄ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｇｌａｓｓ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ ９１５－ＭＨｚ ａｐｐｌｉｃａｔｏｒ．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ａ，４２（６），１４６３－１４６７）、例えばアモルファス金属合金、すなわち非セラミック材料の熱処理にこの解決策を適用した。熱処理の温度は４００℃であった。この方法を使用すると、最高熱処理温度は、電磁場の強度によって生じるプラズマおよび／または電弧の出現によって制限される。セラミック材料の焼結は、試料を高温、例えば１３００℃～１６００℃で処理する必要がある。マイクロ波の加熱によってこれらの温度に達することは困難であり、すなわち高い強度の電磁場が通常必要とされる。マイクロ波キャビティの内側の試料またはあらゆる他の部品がマイクロ波を（一部であっても）反射することができるとき、マイクロ波の反射によって局所的に増加された電場強度はプラズマの出現をもたらすことがある。プラズマの出現は試料の熱処理に劇的効果を有する。プラズマはそれらの容積内に自由荷電粒子を含有し、したがって非常に伝導性が良く、すなわちプラズマは入射電磁場を反射する特性を有する。このプラズマは、試料の温度を非常に急激に大幅に低減させるように加熱に大きな障害をもたらすことがある。プラズマの出現は、キャビティ内の電磁場の空間分布の障害をもたらし、したがって１つまたは複数の処理部品の不均一な熱処理をもたらす。

別の解決策は、単一モードの９１５ＭＨｚオーブン内で２つの平行なサセプタを使用することを含み、その表面はキャビティ内にある電磁場に垂直であり（Ｒ．Ｈｅｕｇｕｅｔ，“Ｄｅｖｅｌｏｐｐｅｍｅｎｔ ｄｅｓ ｐｒｏｃｅｄｅｓ ｍｉｃｒｏ－ｏｎｄｅｓ ｍｏｎｏｍｏｄｅｓ ａ ２４５０ ＭＨｚ ｅｔ ９１５ ＭＨｚ ｐｏｕｒ ｌｅ ｆｒｉｔｔａｇｅ ｄｅ ｃｅｒａｍｉｑｕｅｓ ｏｘｙｄｅｓ”［Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ ２４５０ ＭＨｚ ａｎｄ ９１５ ＭＨｚ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｆｏｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｏｘｉｄｅ ｃｅｒａｍｉｃｓ］，Ｔｈｅｓｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ １４ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１４，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅ ｄｅ Ｃａｅｎ Ｂａｓｓｅ Ｎｏｒｍａｎｄｉｅ）、２つのサセプタは熱処理される試料を包囲する。具体的には、サセプタは電磁場に垂直であるので、サセプタにより電磁場が試料に集結する。これにより必要なマイクロ波電力を最小にすることができ、したがって試料付近でのプラズマの生成を大幅に制限する。この解決策により約１５００℃の温度に達することができる。しかし本発明者らは、高いマイクロ波電力が必要であるときに、プラズマが依然としてサセプタ付近に現れることを観察し、これは方法に悪影響を与えることに気付いた。

Ｌｉ，Ｓ．，Ｘｉｅ，Ｇ．，Ｌｏｕｚｇｕｉｎｅ－Ｌｕｚｇｉｎ，Ｄ．Ｖ．，Ｓａｔｏ，Ｍ．，＆ Ｉｎｏｕｅ，Ａ．（２０１１）．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｃｕ－ｂａｓｅｄ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｇｌａｓｓ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ ９１５－ＭＨｚ ａｐｐｌｉｃａｔｏｒ．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ａ，４２（６），１４６３－１４６７ Ｒ．Ｈｅｕｇｕｅｔ，"Ｄｅｖｅｌｏｐｐｅｍｅｎｔ ｄｅｓ ｐｒｏｃｅｄｅｓ ｍｉｃｒｏ－ｏｎｄｅｓ ｍｏｎｏｍｏｄｅｓ ａ ２４５０ ＭＨｚ ｅｔ ９１５ ＭＨｚ ｐｏｕｒ ｌｅ ｆｒｉｔｔａｇｅ ｄｅ ｃｅｒａｍｉｑｕｅｓ ｏｘｙｄｅｓ"［Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｍｏｄｅ ２４５０ ＭＨｚ ａｎｄ ９１５ ＭＨｚ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｆｏｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｏｘｉｄｅ ｃｅｒａｍｉｃｓ］，Ｔｈｅｓｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ １４ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１４，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅ ｄｅ Ｃａｅｎ Ｂａｓｓｅ Ｎｏｒｍａｎｄｉｅ

本発明は、先行技術の前述の欠点の一部またはすべてを、より具体的には１ｃｍ^３を超える容積のセラミック部品の少なくとも一部のマイクロ波による熱処理を修正し、多孔セラミック材料から作成された部品の場合、例えば対流式オーブンを使用して先行技術の方法で実行した高密度化で達した温度と等しい温度にセラミック部品を高密度化することを目的とする。

この目的を達成することができる本発明の一主題は、マイクロ波キャビティ内でセラミック材料から作成された少なくとも１つの固体部品を熱処理するための方法であって、前記キャビティはチャンバによって形成され、チャンバの幾何形状は、９００ＭＨｚ～１ＧＨｚに含まれる周波数ｖ_０で、前記キャビティ内の電場または磁場の少なくとも１つの局所的極値を画定する、単一モードの電磁場における共振に適切であり、電場Ｅの方向は前記キャビティが空であるときに前記キャビティ内で実質的に均一であり、少なくとも以下のステップ、すなわち
ａ）前記キャビティ内に周波数ｖ_０および７００℃以上の温度Ｔで、前記局所的電場または磁場の極値でマイクロ波を吸収するのに適したセラミック材料から作成された少なくとも１つの前記部品を置くステップであって、セラミック材料から作成された前記部品は少なくとも１つの第１のサセプタによって包囲され、サセプタの寸法、材料および配置は、赤外放射線がマイクロ波と相互作用中に前記固体部品に向かって直接放出されるように構成され、各前記第１のサセプタは少なくとも１つの第１の主表面を含み、各前記第１の主表面は線織面であり、線織面の母線は前記キャビティが空であるときに前記キャビティ内の前記電場Ｅに平行である、置くステップと、
ｂ）前記マイクロ波を周波数ｖ_０で前記キャビティの中に放出するステップとを含む。

好都合なことに、前記固体部品は最初に多孔であり、少なくとも１つの前記固体部品はステップｂ）において加熱することによって高密度化される。

好都合なことに、少なくとも２つの前記固体部品は、ステップｂ）において蝋付けされる。

好都合なことに、少なくとも１つの前記第１のサセプタのリッジおよび頂点から選択された少なくとも１つの要素は丸みを帯びている。

好都合なことに、少なくとも１つの前記第１のサセプタは、炭化ケイ素から作成される。

好都合なことに、少なくとも１つの前記セラミック部品の材料は、アルミナおよびジルコニアから選択される。

好都合なことに、セラミック材料から作成された少なくとも１つの前記固体部品は、単位体積当たり少なくとも９０％のセラミック材料を含むように高密度化される。

好都合なことに、前記方法は、前記１つまたは複数の第１のサセプタおよびセラミック材料から作成された前記１つまたは複数の部品を第１の熱閉じ込め部内に置くことを含むステップを含む。

好都合なことに、前記第１の熱閉じ込め部は、１つまたは複数の第２のサセプタによって包囲される。

好都合なことに、前記１つまたは複数の第２のサセプタの前記配置は、前記１つまたは複数の第２のサセプタによって区切られた第２の容積を形成し、前記第２のサセプタの寸法、材料および配置は、赤外放射線がマイクロ波と相互作用中に放出されるように構成される。

好都合なことに、前記１つまたは複数の第２のサセプタおよび前記第１の熱閉じ込め部は、第２の熱閉じ込め部内に配置される。

好都合なことに、各前記第２のサセプタは少なくとも１つの第２の主表面を含み、各前記第２の主表面は線織面であり、線織面の母線は前記キャビティが空であるときに前記キャビティ内の前記電場Ｅに平行である。

好都合なことに、少なくとも１つの前記第２のサセプタのリッジおよび頂点から選択された少なくとも１つの要素は丸みを帯びている。

好都合なことに、少なくとも１つの前記サセプタの材料は、遷移金属の耐火性および半導体酸化物、ならびに炭化物から選択される。

好都合なことに、前記１つまたは複数の第１および第２のサセプタの材料は、炭化ケイ素およびランタンクロマイトから選択される。

好都合なことに、前記セラミック材料は、複数の異なるセラミック相を含み、各前記第１のサセプタの寸法、材料および配置は、セラミック材料から作成された各前記部品の前記相の少なくとも１つを選択的に熱処理するように構成される。

好都合なことに、前記部品の最大サイズＤは、前記マイクロ波の前記部品への侵入深さとＤとの割合が０．５～１０に含まれるように選択される。

本発明は、例として添付図面を参照して提供された以下の例示的記載からより良く理解され、それらの他の利点、詳細および特徴が明らかになる。

本発明を実施するために使用される装置の断面を概略的に示す。 本発明を実施するために使用される装置の一部の写真である。 部品を含有するキャビティの側面、ならびにキャビティの様々な構成に関連した電場および磁場の概略図である。 本発明と異なる間接加熱方法の概略図である。 本発明と異なる直接加熱方法の概略図である。 本発明の一実施形態によるハイブリッド加熱方法の概略図である。 本発明に利用されたサセプタと異なるサセプタを中心とする電場強度のシミュレーションの図である。 本発明に利用されたサセプタと異なるサセプタを中心とする電場強度のシミュレーションの１組の図である。 本発明の一実施形態による熱処理中のセラミック材料から作成された部品の温度の変動を示す。 本発明の一実施形態による熱処理後に、セラミック材料から作成された部品の断面を電子顕微鏡を走査することによって撮った顕微鏡写真である。

以下の記載は、本発明の装置の実施形態の複数の例を表し、これらの例は本発明の範囲を限定するものではない。実施形態のこれらの例は本発明の本質的特徴および問題になっている実施形態に関係した追加特徴の両方を有する。わかりやすくするために、同じ要素は様々な図において同じ参照番号が与えられている。

図１は、本発明を実施するために使用される装置の断面を概略的に示す。

概して用語「マイクロ波」は、電磁波を意味すると理解され、その周波数は３００ＭＨｚ～３００ＧＨｚに含まれる。本発明に使用されるマイクロ波１の周波数は、先行技術の問題の一部を解決するために９００ＭＨｚ～１０００ＭＨｚに含まれ、マイクロ波周波数は、最大の可能な侵入深さをもつセラミック材料から作成された固体部品４を加熱するように、またマイクロ波キャビティ内で均一に部品を加熱できる最大の可能な容積を獲得するように、マイクロ波周波数の範囲で最低周波数から選択される。具体的には図１に概略的に示されたように、単一モードの共振キャビティは、マイクロ波１の周波数が９１５ＭＨｚであるとき、試料を均一に加熱できる９Ｌの容積を含有する。マイクロ波１は、例えば図１に示された断面の平面に垂直方向にキャビティの中に放出される。比較すると、類似しているが、２．４５ＧＨｚに等しい周波数のマイクロ波１に対して単一モードの共振に（例えば外形的に）修正されたキャビティは、２５分の１の大きさで同様の容積を含有するはずである。本発明の様々な実施形態において、セラミック材料から作成された固体部品４の大きさは、キャビティの大きさより小さいように選択される。好都合なことに、とりわけ放出されるマイクロ波１の周波数に依存して固体部品４の大きさを選択することが可能であり、Ｄは部品４の最大の大きさであり、部品４の材料へのマイクロ波の侵入深さとＤとの割合は、０．５～１００、好ましくは０．５～１０に含まれるように大きさＤを選択することが可能である。本発明の様々な実施形態において、マイクロ波１はマグネトロンでキャビティ９の中に放出されてもよい。

概して本発明のすべての実施形態において、方法はチャンバによって形成されたキャビティ９内で実行され、チャンバの幾何形状は、９００ＭＨｚ～１ＧＨｚに含まれる周波数ｖ_０、実質的に９１５ＭＨｚが好都合である、電磁場の単一モード（モノモード）の共振を伝播して支持するのに適している。本発明の様々な実施形態において、利用された構成は、好ましくはキャビティ９がマイクロ波１の共振の１モードを支持するように設計された構成であり、キャビティ９はしたがって単一モードであると言われる。キャビティ９の幾何形状は、単一モードであるように試料を導入する前に調節されてもよい。図１に示されたキャビティは概略であり、実際には、例えば可動の短絡ピストンまたはマイクロ波１をキャビティの中に導入するために、使用される導波管内のアイリスのパラメータを変えることによりキャビティを修正することができる。本発明のすべての実施形態において、キャビティが空であるときのキャビティ内の電場Ｅは、マイクロ波１がキャビティの中に放出されるときに均一方向を有する。具体的には電場Ｅの方向は、セラミック材料から作成された固体部品４が熱処理プロセスの間、好都合なことには高密度化プロセスの間に置かれる容積内で均一である。ベクトルＥは図１に示されている。

セラミック材料から作成された少なくとも１つの固体部品４は、キャビティ９内に置かれる。セラミック材料から作成された少なくとも１つの固体部品４は、好都合なことに断熱材７から作成されたホルダ上に置かれる。「セラミック材料から作成された固体部品」が意味することは、少なくとも１つのセラミック材料を含む部品であり、これは例えばホルダ上に置かれたときに、坩堝内に置かれたセラミック材料の粉末とは対照的に、部品が機構的に自立できる。セラミック材料から作成された固体部品４は多孔であってもよい。「多孔」が意味することは、固体部品４が多孔を含有する、すなわち容積が液体または気体媒体を含有できることである。具体的には多孔材料は、細孔の容積と材料の見掛容積との間の割合が実質的にゼロでない、好ましくは１％より高い割合を有する材料である。固体部品４は、ホルダ上に置かれたときに例えば材料の様々な粒子の間の付着によって自立でき、部品の機構的安定性が確保される。概してセラミック材料から作成された固体部品４のセラミック材料は、周波数ｖ_０および７００℃以上の温度Ｔでマイクロ波１を吸収するのに適している。本発明の特定の実施形態では、固体部品４の材料は、例えばアルミナ、ジルコニアおよびスピネルから選択されたセラミック酸化物であってもよい。キャビティ９を通るマイクロ波１の伝播のモードは、部品４の材料によりマイクロ波１の吸収を最適にするように選択されてもよい。マイクロ波１の放出中に、少なくとも１つの定常局所電場および／または磁場極値は、単一モードのキャビティ９内で別個の場所に形成されてもよい。例えば電場および／または磁場の反ノードおよびノードは、直角位相でキャビティ９内に長手方向に配置されてもよい。好ましくはセラミック材料から作成された固体部品４は、キャビティ９内に電場または磁場の反ノードに配置される。

本発明の特定の一実施形態では、断熱材７は、例えば断熱材７ｌｉｔｅＣｅｌｌ（ＡＥＴ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、高いアルミナ含有量の断熱材）であってもよい。

セラミック材料から作成された固体部品４は、少なくとも１つの第１のサセプタ３によって包囲される。図１に示されている本発明の特定の一実施形態では、セラミック材料から作成された固体部品４は、セラミック材料から作成された固体部品４の左右それぞれに２つの第１のサセプタ３によって包囲される。本発明の他の実施形態では、１つまたは複数の第１のサセプタ３は、セラミック材料から作成された固体部品４を包囲してもよい。好都合なことに、少なくとも１つの前記第１のサセプタのリッジおよび頂点から選択された少なくとも１つの要素は丸みを帯びている。この特性は熱処理中にプラズマの出現を制限または防止する。「丸みを帯びる」が意味することは、第１のサセプタ３の様々な壁がリッジおよび／または頂点を形成するために接合することであり、リッジおよび／または頂点の表面は湾曲の少なくとも１つの半径を辿り、湾曲の長さはキャビティ９の最大寸法の１０００分の１より長く、好ましくはキャビティ９の最大寸法の１００分の１より長い。

１つまたは複数の第１のサセプタ３の寸法、材料および配置は、赤外放射線が周波数ｖ_０で各前記固体部品４付近または各前記部品４を中心にマイクロ波１と相互作用している間に、前記固体部品４に向かって直接放出されるように選択または構成される。「直接」が意味することは、１つまたは複数の固体部品４に向かって１つまたは複数の第１のサセプタ３によって放出された赤外放射線の経路が、固体材料から作成されたあらゆる他の部品を通過せず、１つまたは複数の固体部品４を包囲する気相のみを通過することである。

「近位」が意味することは、セラミック材料から作成された１つまたは２つ以上の固体部品４の特性長さより短い長さである。

サセプタは、所与の周波数でマイクロ波１の放射線の優れた吸収が可能な材料である。この放射線を吸収する間、サセプタ材料は、例えば赤外放射線２を介して吸収されたエネルギーを再度放出してもよい。サセプタ材料の吸収は、例えばマイクロ波１の場合、電磁場により材料を励起中に高い誘電、電力または磁気の損失によって支配される。本発明の実施形態において第１および／または第２のサセプタとして使用される材料は、好都合なことに炭化ケイ素（ＳｉＣ）および／またはランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）であってもよい。マイクロ波１を吸収する高い能力を備えた他の材料が使用されてもよい。遷移金属の耐火性および半導体酸化物を含む材料が使用されてもよい。また例えば炭化ホウ素などの炭化物からなる材料の使用も可能である。

概して、また本発明のすべての実施形態において、第１のサセプタ３は少なくとも１つの第１の主表面５を含む。「主表面」が意味することは、第１のサセプタ３または第２のサセプタ１２の一部または全体の配置が表面によって画定されてもよいことである。主表面は、図１が例えば２つの第１のサセプタ３を示し、２つの第１のサセプタ３の第１の主表面５は平面であり、前記サセプタは断面に見える平面であってもよい。これらの主表面の１つは、白い破線によって示されている。また主表面は、例えば円筒の側面の場合に湾曲していてもよい。概して、また本発明のすべての実施形態において、各前記第１または第２のサセプタ３、１２の各前記第１または第２の主表面５、２１は線織面であり、線織面の母線はキャビティ９が空であるときにキャビティ９の電場Ｅ、かつ／または試料を受領するのに適した容積の電場Ｅに平行である。この特徴により、先行技術の１つの技術的問題、すなわちセラミック材料から作成された固体部品４を高温、例えば７００℃を超える温度で９００ＭＨｚ～１ＧＨｚに含まれた周波数ｖ_０のマイクロ波１で、キャビティ９内にプラズマまたはいかなる電弧も形成することなく処理する方法の問題を解決できる。この技術的問題の解決策の物理的態様は、図６および７の説明に詳述されている。

マイクロ波１の局所吸収は、キャビティ９内の様々なサセプタの配置に依存して容積を形成することができ、その中で固体部品４は赤外放射線により１つまたは複数の第１のサセプタ３によって直接加熱されてもよい。

好都合なことに、セラミック材料から作成された固体部品４およびセラミック材料から作成された固体部品４を包囲する１つまたは複数の第１のサセプタ３によって形成された組立体は、断熱材７から作成された第１の熱閉じ込め部１０内に配置される（または置かれる）。本発明の特定の一実施形態では、断熱材７は、ｌｉｔｅＣｅｌｌ（ＡＥＴ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｓ．Ａ．Ｓ．、高いアルミナ含有量の断熱材）および／またはＱｕａｒｔｚｅｌ（登録商標、Ｓａｉｎｔ－Ｇｏｂａｉｎ Ｑｕａｒｔｚ Ｓ．Ａ．Ｓ．）から作成されてもよい。断熱材７によるこの閉じ込め部は、熱処理中に放射線を介するエネルギー損失を制限することができる。熱閉じ込め部１０の形状は円筒形であってもよい。

図１に示された本発明の一実施形態では、２つの第２のサセプタ１２は第１の熱閉じ込め部１０を包囲する。第２のサセプタ１２および第１の熱閉じ込め部１０から構成された組立体は、断熱材７から作成された第２の熱閉じ込め部１１によって包囲される。この構造は熱閉じ込め部を増加させることができる。本発明のこの特定の実施形態では、第２の熱閉じ込め部１１は断熱材７から作成される。

図１に示された本発明の実施形態では、第２の熱閉じ込め部１１はアルミニウムから作成されたデッキ８上に置かれる。

キャビティ９、第１の熱閉じ込め部１０および第２の熱閉じ込め部１１は、サイト６の高温測定ラインを描くことができるために穿孔されてもよい。サイト６のこのラインは、熱処理中に遠隔温度センサがセラミック材料から作成された固体部品４の温度を測定できることがある。本発明の特定の一実施形態では、温度センサおよびマイクロ波１のエミッタは、バスを介して処理装置に接続される。処理装置は、１つまたは複数のマイクロプロセッサおよびメモリを含む。処理装置により、マイクロ波エミッタの放出力を独立して制御し、温度センサによって送達された情報を処理することができる。本発明の特定の実施形態では、電力は、所与の温度設定点に依存して自動的に制御される。温度設計点は、温度勾配または定常温度熱処理などの画定された処理温度プロファイルを行うことができるように経時的に変動できることがある。本発明の一実施形態によれば、マイクロ波１の一部の放出を通して、またはその間、セラミック材料から作成された固体部品４の温度を測定し、次いで測定した温度に依存してマイクロ波の放出強度を調節または自動的に制御することができる。

図２は、本発明の方法を実施するために使用される装置の一部の写真である。セラミック材料から作成された固体部品４は、写真をわかりやすくするために白い長方形でその中に概略的に示されている。２つの第１のサセプタ３は、セラミック材料から作成された固体部品４を包囲する。「包囲する」がここで意味することは、セラミック材料から作成された固体部品４の面積の少なくとも半分が、第１のサセプタ３付近に配置されることである。第１のサセプタ３の１つの第１の主表面５は、斜視的に長方形の白い破線で示されている。磁場Ｅは写真の右下に示されている。本発明のこの実施形態では、２つのサセプタの平坦な第１の主表面５は、磁場Ｅの方向に平行である。第１のサセプタ３およびセラミック材料から作成された固体部品４は、４つのレンガによって形成された一部が写真に示されている、第１の熱閉じ込め部１０の内部に置かれる。

図３は、部品４を含有するキャビティ９の側面図、ならびにキャビティ９の様々な構成に関連した電場および磁場の概略図である。キャビティ９は壁から、その端部の一方が結合アイリス１９から、その端部の他方が短絡ピストン２０から形成されてもよい。第１の構成（ａ）は、結合アイリス１９の位置および短絡ピストン２０の位置に関連付けられ、それらの位置は不規則な点鎖線によって示されている。第２の構成（ｂ）は、結合アイリス１９の別の位置および短絡ピストン２０の別の位置に関連付けられ、それらの位置も不規則な点鎖線によって示されている。図３の中央には、空洞の構成（ａ）に対応する電場（ｃ）の振幅および磁場（ｄ）の振幅が、概略的に示されている。図３の底部には、空洞の構成（ｂ）に対応する電場（ｃ）の振幅および磁場（ｄ）の振幅が、概略的に示されている。

本発明の実施形態では、部品４は電場または磁場の局所的極値に置かれる。空洞の構成（ａ）では、部品４は、磁場（ｄ）の振幅の反ノード（または極値）および電場（ｃ）のノードに置かれる。空洞の構成（ｂ）では、部品４は、電場（ｃ）の反ノード（または極値）および磁場（ｄ）のノードに置かれる。

図４は、本発明と異なる間接加熱方法を概略図である。図４のパネルＡは、間接加熱作動の実施の上面図の概略図である。

間接加熱は、少なくとも１つの第１のサセプタ３および１つまたは複数の第１のサセプタ３によって包囲された試料１８を必要とする。間接加熱する場合、加熱される試料１８が作成される材料は、マイクロ波１に対して透明、またはマイクロ波１に対して不透明である。

「透明」が意味することは、材料が所与の周波数でマイクロ波場１に曝されるときに、材料の誘電および／または磁気損失が実質的にゼロである材料である。透明材料は、概して非常に低い電気伝導率を有する。透明材料の電気伝導率は１０^－８Ｓ．ｍ．^－１未満、好ましくは１０^－１０Ｓ．ｍ．^－１未満、より好ましくは１０^－１２Ｓ．ｍ．^－１未満であってもよい。

「不透明」が意味することは、所与の周波数に対してマイクロ波１の放射線を反射する材料である。不透明材料は、概して高い電気伝導率を有する。不透明材料の電気伝導率は好ましくは１０^３Ｓ．ｍ．^－１より高い。本発明と異なるこの実施形態では、マイクロ波１と試料１８との間の相互作用は、試料１８の温度を高くすることができない。それと対照的に、試料１８を中心に置かれたサセプタ３はマイクロ波１を吸収し、赤外放射線２を放出する。試料は、次いで赤外放射線２によって加熱されてもよい。

図４のパネルＢは、軸に沿って試料１８の中心を通過する温度プロファイルを概略的に示す。この実施の２つの温度最大値は、第１のサセプタ３の場所の距離（横座標ｄによって示されている）に置かれる。試料の中心の温度は、主に試料の周辺の赤外放射線２、および／または上に説明されたように試料内の熱伝導と結合された、試料を包囲する媒体の対流による加熱に起因する。

熱処理のこのモードは、先行技術の１つの技術的問題を解決できず、すなわちマイクロ波１による加熱で可能な効果のほとんどの部分は失われる。

図５は、本発明と異なる直接加熱方法の概略図である。図５のパネルＡは、直接加熱作動の実施の上面図の概略図である。直接加熱する場合、加熱される試料１８が作成される材料は、マイクロ波１を所与の周波数で吸収する。マイクロ波１と試料１８の吸収材料との間の相互作用は、試料を加熱することができる。

図５のパネルＢは、軸に沿って試料１８の中心を通過する温度プロファイルを概略的に示す。本発明と異なるこの実施では、温度プロファイルは試料の中心に最大値を有する。プロファイルは、特に試料１８の大きさ、試料１８の材料、ならびに放出されたマイクロ波１の電力および波長に依存するので、プロファイルは異なることがある。

この実装は、先行技術のある特定の技術的問題を解決できない。試料１８がセラミック材料から作成された固体部品４である場合、部品の材料は室温でマイクロ波１によって直接加熱できない可能性がある。加えて多孔部品４は高温の熱処理中に高密度化され、すなわちある特定のセラミック材料の場合、部品の密度が高過ぎると、マイクロ波１の穿孔容積は、部品４の総容積に対して小さいことがある。マイクロ波１で達成した加熱効果は、したがって制限され、ある特定の温度設定点、例えば７００℃を超える温度に到達することができない。

図６は、本発明の一実施形態によるハイブリッド加熱プロセスの上面図の概略図である。本発明のこの実施形態の実施は、セラミック材料から作成された固体部品４を含む。試料は第１のサセプタ３によって包囲される。本発明のこの実施形態では、サセプタ３はマイクロ波１を所与の周波数で吸収する。第１のサセプタ３は、この場合赤外放射線２を放出し、赤外放射線２は、特に固体部品４の温度の増加の第１段階の間にセラミック材料から作成された固体部品４の熱処理に寄与し、この段階では固体部品４の材料はマイクロ波１と弱い相互作用のみが可能である。さらに一部のマイクロ波１は、セラミック材料から作成された固体部品４により所与の周波数で吸収されることがある。このハイブリッドプロセスは、固体部品４を赤外放射線によってなされた寄与を介して、またマイクロ波放射線１によってなされた寄与を介して加熱することができる。すなわち電磁場の局部強度は、固体部品４の温度が最初に上昇する間にセラミック材料から作成された固体部品４の近位でプラズマ１４の形成を限定するように、同等の部品４が第１のサセプタ３なしで加熱されたときと比べて緩やかであることがある。

図７は、本発明に利用されたサセプタと異なるサセプタの周囲の電場の強度のシミュレーションを示す図である。電場の強度は、黒色に対応するＥの最大強度を図のグレースケールによって示されている。この実施形態では、第１のサセプタは、例えばセラミック材料を最初に粉末の形で焼結するために使用される坩堝である。この第１のサセプタも、図７に示されたようにセラミック材料から作成された固体部品４を含有してもよい。電場Ｅの線は、細い黒線によって示されている。第１のサセプタおよびセラミック材料から作成された固体部品４がない場合、電場の線は垂直線である。示された坩堝形状のサセプタの幾何形状は、第１の主表面５を含まないだけであり、第１の主表面５の母線は空のキャビティ９の電場Ｅに平行である。本発明者らは、空のキャビティ９の電場Ｅに平行でない１つまたは複数の第１の主表面５が、具体的には電場が高い強度からなる空間帯域をもたらし、マイクロ波１の放出中に、第１および／または第２のサセプタの表面で電場が途切れる傾向があることを発見した。これらの帯域は、具体的にはセラミック材料から作成された固体部品４の熱処理および／または高密度化中に、プラズマおよび／または電弧の出現をもたらす傾向がある。本発明者らは、１つのみまたは複数の第１のサセプタ３を利用することによりこれらの帯域の大きさを低減することができ、１つのみまたは複数の第１のサセプタ３の第１の主表面５は、空のキャビティすなわちサセプタ内のＥの方向に平行であり、サセプタの各前記第１の主表面５は線織面であり、線織面の母線は空のキャビティ９内のＥに平行であることを発見した。また１つまたは複数の第２のサセプタ１２をキャビティ内に置くことにより、これらの帯域の大きさを低減することも可能であり、１つまたは複数の第２のサセプタ１２の各前記第２の主表面２１は線織面であり、線織面の母線は空のキャビティ９内のＥに平行である。

図８は、本発明に利用されたサセプタと異なるサセプタの周囲の電場の強度のシミュレーションの１組の図である。電場の強度は、黒色に対応するＥの最大強度を図のグレースケールによって示されている。

具体的には図８のパネルＡは、坩堝の底部に対応する図７の詳細であり、坩堝の幾何形状は空のキャビティ内のＥに平行な第１の主表面５を含まない。破線はサセプタの外表面に対応し、サセプタは破線の上に配置されている。パネルＡに示された電場の強度、強度の変動および断絶は、マイクロ波１の放出中にプラズマおよび／または電弧の出現を促すことがある。

図８のパネルＢは、図７に示された坩堝の右の部分に対応する図７の詳細である。この部分は、空のキャビティ内の電場Ｅに平行な第１の主表面を含む。Ｅの平均強度は、パネルＡに示された平均強度より低い。この部分の配置により、キャビティ９内にプラズマおよび／または電弧を形成することなく、有効な熱処理および／または有効な高密度化に十分な温度増加を獲得できる。

図９は、本発明の一実施形態による熱処理中に、セラミック材料から作成された固体部品４の温度の変動を示す。使用されるセラミック材料は、アルミナであってもよい。本発明の変動が示された本発明の実施形態では、温度設定点は１６００℃である。この設定点には２５０分未満で到達する。３段階の変動が見られ、すなわち変動の傾斜が平均９℃／分である第１段階（０分～約４０分）、変動の傾斜が平均６．５℃／分である第２段階（約４０分～約１５０分）、および変動の傾斜が平均３．５℃／分である第３段階（約１５０分～約２１０分）である。この変動は部品４のセラミック材料の微細構造への影響を有する。

図１０は、本発明の一実施形態による熱処理後に、セラミック材料から作成された固体部品４の断面を電子顕微鏡が走査することによって撮られた顕微鏡写真である。使用されるセラミック材料は、アルミナであってもよい。スケールバーは１μｍの長さに対応する。顕微鏡写真のセラミック材料の微細構造は、熱処理により獲得された微細構造に対応し、熱処理の変動は図９に示されている。まず熱処理の前に、セラミック材料から作成された、利用された固体部品４はアルミナ酸化物のペレットであり、ペレットの直径は例えば８０ｍｍである。本発明の一実施形態による高密度化プロセスの後、セラミック材料から作成された固体部品４の測定された密度は、（容積で）厳密に９５％を超え、材料内に観察された微細構造は細かく、具体的には図１０は微細構造を示し、微細構造の粒子１７は１ミクロン未満、実質的には３５０ｎｍに等しい平均直径を有する。サセプタが、空のキャビティ９の電場Ｅに平行でない第１の主表面５および／または第２の主表面２１を含むとき、プラズマの出現によりこの設定点温度に達するのを妨げられることがある。本発明の実施形態では、マイクロ波１を放出するステップに対応する熱処理時間、および放出されたマイクロ波１の電力は、セラミック材料から作成された固体部品４を単位容積当たりのセラミック材料が９０％を超える値に熱処理および／または高密度化するようにパラメータ化されてもよい。

本発明の実施形態では、部品４のセラミック材料は多相であってもよく、複数の異なるセラミック相を含んでもよい。これらの材料のマイクロ波１との相互作用の特質は、９００ＭＨｚ～１ＧＨｚに含まれる周波数ｖ_０のマイクロ波１を放出中に異なってもよい。様々な第１のサセプタ３の配置は、様々な相において消散された電力を変化させ、したがって部品４の１つの材料のある特定の相、または少なくとも１つの相を選択的に熱処理および／または高密度化することができることがある。

好都合なことに、任意選択的に多孔セラミックから作成された２つの部品４はマイクロ波の放出中に蝋付けされるように熱処理されてもよい。本発明による方法により、この場合、蝋付けするセラミック部品に対する従来の温度に達することができる一方で、プラズマが出現する危険性を低減し、従来の蝋付け方法に関してエネルギーを節約し、これらの従来の蝋付け温度に達するために必要な時間を低減する（蝋付け温度は固体部品４のセラミック材料に依存して、例えば６００℃～１２００℃に含まれてもよい）。

Claims (16)

1. マイクロ波キャビティ（９）内でセラミック材料から作成された少なくとも１つの固体部品（４）を熱処理するための方法であって、前記マイクロ波キャビティはチャンバによって形成され、前記チャンバの幾何形状は、９００ＭＨｚ～１ＧＨｚに含まれる周波数ｖ_０で、前記マイクロ波キャビティ内の局所的電場または磁場の少なくとも１つの局所的極値を画定する、単一モードの電磁場における共振に適切であり、前記局所的電場の方向は前記マイクロ波キャビティが空であるときに前記マイクロ波キャビティ内で実質的に均一であり、少なくとも以下のステップ：
   ａ）前記マイクロ波キャビティ内に周波数ｖ_０および７００℃以上の温度Ｔで、前記局所的電場または磁場の局所的極値でマイクロ波（１）を吸収するのに適したセラミック材料から作成された少なくとも１つの前記固体部品を置くステップであって、セラミック材料から作成された前記固体部品は少なくとも１つの第１のサセプタ（３）によって包囲され、少なくとも１つの前記第１のサセプタ（３）の寸法、材料および配置は、赤外放射線が前記マイクロ波と相互作用中に前記固体部品に向かって直接放出されるように構成され、各前記第１のサセプタは少なくとも１つの第１の主表面（５）を含み、各前記第１の主表面は線織面であり、前記線織面の母線は前記マイクロ波キャビティが空であるときの前記マイクロ波キャビティ内の前記局所的電場に平行である、置くステップと、
   ｂ）前記マイクロ波を前記周波数ｖ_０で前記マイクロ波キャビティの中に放出するステップとを含み、
   少なくとも２つの前記固体部品は、ステップｂ）において蝋付けされる、方法。
2. 前記固体部品は最初に多孔であり、少なくとも１つの前記固体部品はステップｂ）において加熱することによって高密度化される、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも１つの前記第１のサセプタのリッジおよび頂点から選択された少なくとも１つの要素は丸みを帯びている、請求項１～２のいずれか一項に記載の方法。
4. 少なくとも１つの前記第１のサセプタは、炭化ケイ素から作成される、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 少なくとも１つの前記固体部品の材料は、アルミナおよびジルコニアから選択される、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. セラミック材料から作成された少なくとも１つの前記固体部品は、単位容積当たり少なくとも９０％のセラミック材料を含むように高密度化される、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記１つまたは複数の第１のサセプタとセラミック材料から作成された前記１つまたは複数の固体部品とを第１の熱閉じ込め部（１０）内に置くことを含むステップを含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記第１の熱閉じ込め部は、１つまたは複数の第２のサセプタ（１２）によって包囲される、請求項７に記載の方法。
9. 前記１つまたは複数の第２のサセプタの前記配置は、前記１つまたは複数の第２のサセプタによって区切られた第２の容積を形成し、前記第２のサセプタの寸法、材料および配置は、赤外放射線が前記マイクロ波と相互作用中に放出されるように構成される、請求項８に記載の方法。
10. 前記１つまたは複数の第２のサセプタおよび前記第１の熱閉じ込め部は、第２の熱閉じ込め部（１１）内に配置される、請求項８または９に記載の方法。
11. 各前記第２のサセプタは少なくとも１つの第２の主表面（２１）を含み、各前記第２の主表面は線織面であり、前記線織面の母線は前記マイクロ波キャビティが空であるときに前記マイクロ波キャビティ内の前記局所的電場に平行である、請求項８～１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 少なくとも１つの前記第２のサセプタのリッジおよび頂点から選択された少なくとも１つの要素は丸みを帯びている、請求項８～１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 少なくとも１つの前記サセプタ（３、１２）の材料は、遷移金属の耐火性および半導体酸化物、ならびに炭化物から選択される、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記１つまたは複数の第１および第２のサセプタ（３、１２）の材料は、炭化ケイ素およびランタンクロマイトから選択される、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記セラミック材料は、複数の異なるセラミック相を含み、各前記第１のサセプタの寸法、材料および配置は、セラミック材料から作成された各前記固体部品の前記セラミック相の少なくとも１つを選択的に熱処理するように構成される、請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記固体部品の最大サイズＤは、前記マイクロ波の前記固体部品への侵入深さとＤとの割合が０．５～１０に含まれるように選択される、請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法。

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