微波是一种电磁波，它遵循光的有关定律，可以被物质传递、吸收或反射，同时还能透过各种气体，很方便地实现在各种气氛保护下的微波加热及有气相参与的合成反应。材料在微波场中可简要地分为下列三种类型：（1）微波透明型材料：主要是低损耗绝缘体，如大多数高分子材料及部分非金属材料，可使微波部分反射及部分穿透，很少吸收微波。这类材料可以长期处于微波场中而不发热，可用作加热腔体内的透波材料。（2）全反射微波材料主要是导电性能良好的金属材料，这些材料对微波的反射系数接近于1，仅极少数入射的微波能量能透入，可用作微波加热设备中的波导、微波腔体、搅拌器等。（3）微波吸收型材料：主要是一些介于金属与绝缘体之间的电介质材料，包括纺织纤维材料、纸张、木材、陶瓷、水、石蜡等。微波加热技术早在20世纪40年代末期就已产生，50年代美国的VonHippel在材料介质特性方面的开创性研究为微波加热的应用奠定了基础。微波烧结就是利用微波加热原理来对材料进行的烧结。作为一种新型的陶瓷加工技术，微波烧结的应用时间并不长。加拿大的W．R．Tinga等人在60年代末期最早尝试了用微波加热及烧结陶瓷材料，并获得了初步成功。进入80年代以后，人们对微波烧结技术进行了广泛而深入的研究，并成功的制备出了Al2O3、B4C、Y2O3－ZrO2、SiO2、TiO2、ZnO等陶瓷材料。

1　微波烧结陶瓷材料的基本原理

1）微波烧结的微观机理

陶瓷材料在微波电磁场的作用下，会产生如电子极化、原子极化、偶极子转向极化和界面极化等介质极化，参加极化的微观粒子种类不同，建立或消除极化的时间周期也不一样。由于微波电磁场的频率很高，使材料内部的介质极化过程无法跟随外电场的变化，极化强度矢量P会滞后于电场强度矢量E一个角度，导致与电场同相的电流产生，这就构成了材料内部的耗散。在微波波段，主要是偶极子转向极化和界面极化产生的吸收电流构成材料的功率耗散。微波烧结的成功与否，关键取决于材料自身的特性，如介电性能、磁性能以及导电性能等。当微波穿透和传播到介电材料中时，内部电磁场使电子、离子等产生运动，而弹性惯性和摩擦力使这些运动受到阻碍，从而引起了损耗，这就产生了体加热.

2）陶瓷材料的微波烧结设备及工艺参数

典型的微波烧结设备主要由微波发生器、波导管和加热腔体等组成，。微波烧结设备结构框图控制系统水负载测温仪气氛导入烧结腔体阻抗调配器定向耦合器环行器微波源微波源产生的微波能量由传输系统导入加热腔中，对放置在腔体中的试样进行加热和烧结。由于传输系统并不总是与加热腔完全匹配，因此会有一部分微波能被反射回来，而环行器的作用就是将反射回来的微波导向水负载，以保护微波源。微波烧结的工艺参数主要有微波源功率、微波频率、烧结时间和烧结速度。微波源功率的大小影响着烧结腔中电场的强度，从而也影响着试样的升温速度。微波频率影响着微波烧结过程中试样吸收微波能的功率密度。频率越高则试样在单位时间、单位体积内吸收的微波能量就越多烧结时间和加热速度对烧结体的组织性能有很大的影响。高温快烧和低温慢烧均会造成组织晶粒尺寸不均匀、孔隙尺寸过大等现象，这些都是材料性能恶化的主要原因。

2　陶瓷材料的微波烧结特点

1）整体加热

微波加热是将材料自身吸收的微波能转化为材料内部分子的动能和势能，热量从材料内部产生，而不是来自于其它发热体，这种内部的体加热所产生的热力学梯度和热传导方式和传统加热不同。在这种体加热过程中，电磁能以波的形式渗透到介质内部引起介质损耗而发热，这样材料就被整体同时均匀加热，而材料内部温度梯度很小或者没有，因此材料内部热应力可以减小到最低程度，即使在很高的升温速率（500～600℃／min）情况下，一般也不会造成材料的开裂。

2）降低烧结温度

在微波电磁能的作用下，材料内部分子或离子动能增加，降低了烧结活化能，从而加速了陶瓷材料的致密化速度，缩短了烧结时间，同时由于扩散系数的提高，使得材料晶界扩散加强，提高了陶瓷材料的致密度从而实现了材料的低温快速烧结。因此，采用微波烧结，烧结温度可以低于常规烧结且材料性能会更优，并能实现一些常规烧结方法难以做到的新型陶瓷烧结工艺，有可能部分取代目前使用的极为复杂和昂贵的热压法和热等静压法，为高技术新陶瓷的大规模工业化生产开辟新的途径。例如，在1100℃微波烧结Al2O3陶瓷1h，材料密度可达96％以上，而常规烧结仅为60％。

3）改善材料性能

材料的自身吸热，提高了加热效率，易获得2000℃以上的高温，不仅缩短了烧结时间，而且可以改善烧结体的显微结构，提高材料性能。例如，陶瓷材料的韧性是一个重要指标，提高陶瓷材料韧性的有效途径之一无疑就是降低晶粒尺寸，即形成细晶粒或超细晶粒结构，由于微波烧结速度快、时间短、温度低，因而这无疑是形成细晶或超细晶陶瓷的有效手段。

4）选择性加热

对于多相混合材料，由于不同材料的损耗不同，因而材料中不同成分对微波的吸收耦合程度不同，热效应不同，产生的耗散功率也不同，可以利用这点来实现微波能的聚焦或试样的局部加热从而实现对复合材料的选择性烧结，以获得微观结构新颖和性能优良的材料，并可以满足某些陶瓷特殊工艺的要求，如陶瓷密封和焊接等等。

5）瞬时性和无污染

微波加热过程中无须经过热传导，因而没有热惯性，即具有瞬时性，这就意味着热源可以瞬时被切断和及时发热，体现了节能和易于控制的特点。同时，微波热源纯净，不会污染所烧结的材料，能够方便地实现在真空和各种气氛及压力下的烧结。

3　微波烧结在陶瓷材料中的应用

1）氧化物陶瓷

至今，国内外研究者几乎对所有的氧化物陶瓷材料进行了微波烧结研究。瑞典微波技术研究所用微波能把超纯硅石加热到2000℃以上来制造光纤，与传统热源相比，不仅降低能耗，而且减低了石英表面的升华率。美国、加拿大等国用微波烧结来批量制造火花塞瓷、ZrO2、Si3N4、SiC、BaTiO3、SrTiO3、PZT、TiO2，Al2O3－TiC和Al2O3－SiC晶须、铁氧体、超导材料、氢化锂等陶瓷材料。对于大多数的氧化物陶瓷材料来说，如SiO2，它们在室温时对微波是透明的，几乎不吸收微波，只有达到某一临界温度之后，它们的损耗正切值才变得很大。对于这些材料的微波烧结，常加入一些微波吸收材料如SiC作为助烧剂，使它们在常温时也有很强的微波耦合能力，以达到快速烧结的目的。

2）非氧化物陶瓷

B4C、SiC、Si3N4和TiB2等是用微波成功烧结的为数不多的非氧化物陶瓷材料。Holcombe发现，在用微波烧结非氧化物陶瓷材料的过程中，可加入各种烧结助剂.

3）透明陶瓷

Cable在19世纪60年代首先制备出了透明氧化铝陶瓷。但是用传统方法烧结出来的多晶陶瓷由于存在着晶界、第二相和气孔等结构而极大地影响了其光学性能。而在微波烧结中，样品自身吸收微波能并将之转化为自身内部的热能，从而实现了快速烧结。并且，在微波电磁能的作用下，材料内部分子或离子的动能增加，使烧结活化能降低，扩散系数提高，这样就使得低温快速烧结得以实现，从而获得了致密度高、晶粒结构均匀的多晶材料，使得由于气孔和晶界造成的对光线的散射得以大幅度降低，这就提高了多晶陶瓷的透光，因此采用微波烧结的方法比常规烧结更容易制备出透明陶瓷

4 微波烧结存在的问题

尽管至今已对几乎所有陶瓷材料的微波烧结的可行性进行了研究，但可成功烧结的材料种类并不是很多，一个重要原因就是烧结材料的介质损耗过小或过大，使之不能进行有效的微波加热。对于介质损耗过低的材料，主要采取添加介质损耗较高的第二相作为微波耦合剂，或者采取混合加热的方法。对于介质损耗过高的材料，如TiB2、B4C等，一般要对这些材料的表面进行涂层处理后再来微波烧结。微波烧结中存在的另外一个问题是，对于大尺寸、复杂形状的陶瓷材料在烧结过程中还是很容易出现非均匀加热现象的，严重时，还会导致陶瓷材料开裂。其原因主要有：（1）微波场分布不均匀；（2）特有的微波加热现象，如热失控、热点、选择加热等；（3）陶瓷材料本身的原因，如热膨胀系数大、导热率低、形状复杂、尺寸过大等。解决这些问题主要是采用混合加热、对原材料进行预处理以及能量分配等方法。