作者：丁力  曾令可  劉平安  王慧  稅安澤
摘要：介紹了微波合成納米T匯超微粉體的原理與所使用設備及影響粉體質量的因素。
關鍵詞：微波合成  工藝過程  連續合成設備  粉體表征

1微波合成原理
  微波是一種高頻電磁波，它遵循光的有關定律，可以被物質傳遞、吸收或反射，同時還能透過各種氣體，很方便地實現在各種氣氛保護下的微波加熱及有氣相參與的合成反應，其微波頻率范圍為0.3-300GHz。微波加熱不同于一般的常規加熱方式，后者是由熱源通過熱發射熱傳導由表及里的傳導式加熱。微波加熱是材料在電磁場中由介質損耗而引起的體加熱。陶瓷材料在微波電磁場的作用下，會產生如電子極化、原子極化、偶極子轉向極化和界而極化等介質極化，參加極化的微觀粒子種類不同，建立或消除極化的時間周期也不一樣。由于微波電磁場的頻率很高，使陶瓷材料內部的介質極化過程無法跟隨外電場的變化，極化強度矢量P總是滯后于電場矢量E一個角度，導致產生與電場同相的電流，從而構成材料內部的耗散，在微波波段，主要是偶極子極化和界而極化產生的吸收電流構成材料的介質耗散。
  微波合成是用微波源來替代傳統的熱源，對物料進行輻射并達到一定的高溫，從而完成合成過程。微波加熱過程中，由于材料內部整體吸收微波并被快速均勻加熱而不會在試樣內形成熱應力引起開裂。同時J決速合成使得陶瓷材料內部形成均勻的細晶結構和高的致密度，改善了所合成材料的性能，與常規合成法相比，微波合成具有如下特點。
1)合成溫度大幅度降低，與常規合成法相比，最大降溫幅度可達500℃左右。
2)比常規燒結節能70%-90%，降低了能耗費用。
3)安全無污染，微波合成的快速特點使得在燒結過程中作為合成氣氛氣體的使用量大大降低，這不僅降低了成本，也使燒結過程中廢氣、廢熱的排放量比常規合成法相比大為降低。
4)使用微波法快速升溫可以抑制晶粒組織長大，從而使制備的納米粉體粒度大幅度減小。
5)合成時間縮短，相對于傳統的輻射加熱過程致密化速度加快，微波合成是依靠材料本身吸收微波能轉化為材料內部分子的動能和勢能，材料內外同時均勻加熱，這樣材料內部熱應力可以減少到最低。

2微波合成納米TiC機理
  一般認為碳黑和TiO2高溫下通過碳熱還原反應生成TiC的過程如下:
    2TiO2(R)+C == Ti2O3+CO
    Ti2O3+3C == 2TiC+CO+O2
    TiO+2C == TiC+CO
    其總的反應式為:
    TiO2(R)+3C == TiC+2CO
  由于微波加熱合成TiC的過程反應物無氣體參加，因此其反應機理與一般合成反應不同，可能還存在如下合成反應方程式:
    3TiO2(R)+C == Ti3O5+CO
    3TiO2(R)+C == r-Ti3O5+CO
    Ti3O5 == r-Ti3O5
    Ti3O5+8C == 3TiC+5CO
    r-Ti3O5+8C == 3TiC+5CO
    2Ti3O5+16C == 6TiC+10CO
    TiO2(R)+C == TiO+CO
    Ti3O5+2C == 3TiC+2CO
  微波低溫合成納米TiC超微粉體是以納米TiO2,碳黑為原料利用碳熱還原反應原理，經原料混合、干燥、微波合成、產品性能檢測，最終得到納米TiC超微粉體。反應方程式為:
        TiO2（g）+3C（g）==TiC（g）+2CO
  本研究采用工業欽液，自制納米級TiO2,微粉和工業碳黑制備納米級TiC超微粉體。

3微波合成設備
  微波合成設備主要由微波發生器、加熱腔體、保溫系統、溫度控制系統組成，微波合成設備結構組成如圖1所示。

  目前所使用的加熱腔有諧振式和非諧振式2種，諧振式加熱腔又有單模諧振腔和多模諧振腔之分。單模諧振腔的特點是場強集中，適合介質損耗因子較小的材料。多模諧振腔的特點是結構簡單，適用各種加熱負載，但由于腔內存在多種諧振模式，加熱均勻性差，而目_很難精確分析，對不同的材料進行微波合成需要不斷通過試驗調節爐的參數。為改善多模諧振腔的均勻性，一般采用2種方式:一種是在合成過程中不斷移動試樣，使試樣各部分所受到的平均電場強度均勻;另一種是在微波入口處添加模式攪拌器攪亂電場的分布。
  由于微波合成過程中升溫速度很快和微波場強不均勻很容易導致在樣品內部產生溫度梯度。解決這種問題的最好方法是在樣品周圍加入保溫層，以起到減小熱損失、預熱低損耗材料和防!卜加熱腔中發生微波打火現象等多種作用。保溫材料的選擇要求具有不吸收或少吸收微波能、絕緣性好、耐熱以及高溫下不與被燒結的材料發生反應等特點。常用的保溫材料為氧化鋁和氧化錯等，它們劉一微波有很好的透過深度，不會影響被合成材料劉一微波能的吸收。保溫層形式主要有埋粉式和籃框式，為防止保溫材料與被合成材料發生粘連，還應進行隔離層設計，通常是在保溫層與燒結體之間夾入一層燒結體材料的介質，保溫層的結構設計對微波合成有較大的影響。在高溫下通過坯體表面的熱傳導和輻射方式導致的熱量散失較為嚴重，在設計中應盡量減小坯體與保溫層之間的間隔，加大保溫層的厚度，這樣有利于改善加熱的均勻性。
  溫度的精確控制對微波合成過程非常重要。目前主要的溫度控制手段有熱電偶測溫、光學高溫計測溫、紅外光纖測溫。熱電偶測溫的優點是可以從室溫開始測量，可以直接測量燒結試樣內部的溫度，而且便于和溫度控制儀表組成自動控制系統。但是，在磁場中熱電偶自身會發熱引起測量溫度不精確，同時熱電偶還會影響微波場的均勻性、引起燒結腔體發生電弧等缺陷。光學高溫計在測量很高溫度時有一定優勢，但是它在溫度低于600℃時測量精度差甚至不能有效地測量，而且不利于組成自動控制溫度測量系統。因此現在大多數微波燒結爐使用紅外光纖測溫裝置。

4 影響合成納米TiC超微粉體質量的主要因素
  微波合成納米級TiO2的工藝流程如圖2所示，合成所使用的微波頻率、燒結時間、升溫速度以及合成所用材料本身的介電損耗特性都會劉一合成質量產生影響。

  使用合適的高微波頻率合成可以改善微波合成的均勻性，加快合成過程。一方而提高微波頻率對改善微波加熱的均勻性有一定的作用，因為更高頻率微波的波長更短，在諧振腔內更容易得到均勻的微波場，從而使得微波加熱的均勻性得以提高。另一方而使用的微波頻率越高，在單位時間內樣品吸收的能量越多，合成速度越快。而合成時間和加熱速度對燒結體的組織性能有很大的影響，高溫快燒和低溫慢燒均會造成組織晶粒尺寸不均勻。本項目使用連續式低溫合成技術，微波頻率為2.45GHz,氫氣保護氣氛，自動檢測溫度及控制。

  從表1中TiC的平均粒度大小可知，隨反應時間的延長，其粒度越來越大，但均在納米范圍內。1200℃合成時間為35min左右時，TiC的粒度及合成率均偏大。這是因為用微波合成TiC，當合成溫度在1000℃左右時，常出現打火現象，若合成時間較長并適當控制微波輸入功率，可以較好地控制熱點問題。因此，合成時間較長，TiC的合成率及粒度大小的變化表現一定的規律性。合成時間較短時，由于要達到相同的溫度，必然要輸入較大的微波功率，故熱點的出現就較難避免。由于熱點的溫度很高，其結果是合成TiC的合成率及粒度值均偏大，這在1300℃的合成溫度下也出現了同樣的現象。

5結論
合成粒徑為30-50nm的TiC，合成率可達99%。采用微波合成法與常規合成法相比，由于微波合成法的速度很快，微波合成過程中的擴散過程、合成過程動力學以及傳熱機制都與常規加熱不同，對這些不同的內在機理等許多問題目前還不十分清楚，有待進一步更深入細致的研究。