微波烧结计算机自动控制系统

1．绪 论

1.1 材料微波处理技术发展概况

微波是波长在1mm～1m之间的电磁波，其对应的频率范围是：300MHz～300GHz,介于红外线与无线电波之间。微波技术是近代科学的重大成就之一，微波的应用范围，除了人们十分熟悉的微波通信之外，还涉及到医药卫生，公路建设、航空航天、环境保护、能量传送和人们的日常生活等各个方面。在工业领域，微波能已开始用于材料合成、材料烧结、有机物处理、废物利用、杀菌消毒等。微波能在这些领域都有其独特的优点。几十年来，微波已发展成为一门比较成熟的学科，在雷达、通讯、导航、电子对抗等许多领域得到了广泛的应用。

微波烧结技术起源于欧美等发达国家，美国宾州州立大学材料研究院是世界上最早从事微波烧结技术研究的单位之一，从80 年代中期开始，该研究院一直在进行微波烧结电子陶瓷的研究工作。而日本则比较注重微波的工业应用，日本的核融合科学研究所和高砂窑业等单位主要研究微波煤处理、粉末冶金、磁性材料烧结等,目前主要进行微波在建筑陶瓷等领域的工业化应用。

1.2 电子陶瓷材料微波烧结的特点

1.2.1电子陶瓷的烧结工艺

信息功能陶瓷材料主要包括半导体敏感陶瓷（正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）、ZnO 压敏电阻等）、BaTiO3 电容器瓷、铁电压电陶瓷等。信息功能陶瓷元器件在电子、通讯、计算机等领域得到广泛应用。信息功能陶瓷材料的制造工艺的主要过程有：原料检验、称量、混合、脱铁、脱水、干燥、成型、预烧、粉碎、造粒、成型、烧结、上电极、测量、装配和成品检验等16 个步骤。其中，烧结也称为烧成，是制造电子陶瓷材料的关键工序。功能陶瓷元件的烧结温度较高、烧结时间较长，如PTC 元件一般要烧结10 多个小时，高温区的时间约1-2 小时。在高温下，陶瓷生坯固体颗粒的相互键联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体，这种现象称为烧结。半导体陶瓷对烧结工艺十分敏感，烧结温度、保温时间、升降温速率对产品性能影响极大。

1.2.2微波烧结与传统烧结的对比

微波加热法与传统的加热法有许多不同的地方，比如：两者的加热机制不同，传统的加热方法是通过热量的辐射来达到加热的目的，属于直接接触法加热，微波加热法是通过能量转换来使物体加热的，属于非接触法加热；加热的对象也不同，微波加热具有选择性，只有损耗高的物质才能够被微波加热；热量传导曲线不同，由于微波加热时体加热，物质自身成为发热体，由于物体的外部可以与外界环境进行热传递，而物体内部的热量散发不出去，因此，物体的内部温度比外部温度高，热量由内向外传递，所以微波加热法的温度场与传统加热法的温度场正好相反。

1.3 微波烧结计算机自动控制系统的功能和要求

根据电子陶瓷烧结工艺的具体要求，微波烧结计算机自动控制系统的主要功能有：
（1） 配置嵌入式微机控制系统，可在手动和自动两种模式之间自由切换
（2） 计算机显示与控制，并且记录每次运行的温度数据。
（3） 能够对温度进行分段控制，升温曲线最多可以设置 30 段。
（4） 微波输出功率连续可调
（5） 采用红外测温仪作为测温装置，精度高，且抗微波干扰。
（6） 采用碳化硅作为辅助加热材料，可加工处理对微波耦合程度不同的材料，
具有通用性。
（7） 烧结时间比传统工艺较大幅度减少。
（8） 烧结过程耗电量大大降低。
（9） 微波磁控管采用强迫水冷，确保设备安全、延长磁控管的使用寿命。
（10）具有安全可靠的防微波泄露措施，微波泄露参数符合国家标准
（11）安全、洁净、舒适、人性化

2．微波烧结计算机自动控制系统的总体设计

与传统高温设备相比，微波高温设备与材料制备工艺的联系更为紧密。只有完全掌握了材料的微波吸收与反射特性并根据这些参数进行设计才有可能制造出专用微波能高温设备。微波烧结要求人们对微波烧结设备和对材料自身性能都有充分的理解，只有结合两者的特点，才能够充分发挥微波烧结的优势。计算机可以精确控制微波的发射功率，根据温度来控制烧结过程，因此计算机控制是微波烧结设备的发展趋势。

下图是烧结系统工艺流程图：

2.1 微波烧结电子陶瓷材料的原理

2.1.1微波加热原理

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。参与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