一种微波烧结用金属骨架SiC陶瓷辅热装置

一种微波烧结用金属骨架sic陶瓷辅热装置
技术领域
1.本发明属于高温微波加热领域，具体涉及一种微波烧结用金属骨架sic陶瓷辅热装置。


背景技术：

2.目前陶瓷、金属化合物、非金属化合物以及有机物常用的高温烧结制备方式有常规烧结方式和微波烧结方式。其中，常规烧结方式的热量是通过热传导的方式从物体表面传到到内部，物体内部通常存在较大的温度梯度，并且加热缓慢，加热时间较长，容易造成大量的能源浪费。而微波烧结是利用材料介质损耗产生热量使材料由内向外实现自体加热的一种高效加热方式，可以实现材料的整体加热，因此材料升温速度快、内部温度梯度小、受热均匀，使得烧成的材料性质均匀，具有晶粒细小，致密性好的优点。另外，微波烧结还具有高效、节能、清洁等特点，可以实现常规烧结方式无法实现的结构和性能。然而部分材料(如陶瓷材料)的烧结温度较高，并且在低温阶段相对介电常数较小，吸波性能较差，导致在低温阶段升温速率较慢，因此辅热装置的设计是目前限制微波烧结技术应用和发展的重要因素之一。对辅热装置进行合理的设计能够提高加热材料的加热效率。
3.目前公开的关于微波烧结用辅热装置常见的是通过埋粉助热烧结的方式，并在莫来石纤维箱体中填充一些其他的保温材料，如在专利申请公布号(cn105091604a)公布的一种微波烧结陶瓷刀具材料用保温及辅助加热装置。所述装置包括外层莫来石箱体、耐高温氧化铝纤维棉和耐高温氧化铝泡沫砖构成的保温区以及碳化硅、石墨和活性碳粉末构成的辅助加热区。该装置在烧结过程中可承受近2000℃的烧结温度，保温效果优异。但是该专利中氧化铝纤维棉与坩埚直接接触，会导致坩埚的温度散失过快。并且只有一个制备腔体，刀具材料的制备效率较低。在专利申请公布号(cn 106288785 a)中在坩埚周围设置了多晶莫来石纤维棉层，使得坩埚内部温度均匀且温度不易散失，最终使陶瓷刀具材料的升温速率更快，温度场更加均匀，并采用多腔体微波烧结保温装置具有三个以上的烧结腔体，可以一次制备多个和多种陶瓷刀具材料，在一定程度上增加了制备效率；但是该方法采用的是埋粉烧结的方法，同样存在着如下问题。
4.在上述的这些方案中，主要是对坩埚外部的保温材料进行设计优化，并未考虑到当采用碳化硅埋粉助烧的方式时，虽然在低温阶段，能够对陶瓷材料进行辅助加热，使得其可以快速升温，然而当温度逐渐提高，到达高温阶段时，碳化硅材料的导电性增大，会屏蔽加热试样周围电场，从而影响到加热试样的升温，最终降低加热试样的加热效率。并且这些专利只能进行少量试样和小体积试样的微波烧结，无法对批量试样和大体积试样进行烧结，使得陶瓷材料的制备效率较低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种耐高温且能提高批量试样和大体积试样加热效率的辅热装置。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种微波烧结用金属骨架sic陶瓷辅热装置，包括不锈钢承重箱，莫来石纤维箱，坩埚，氧化铝石棉和内埋金属骨架的sic承烧板；
7.设置在不锈钢承重箱内的莫来石纤维箱和坩埚之间填充氧化铝石棉，坩埚内放置sic承烧板，加热时、试样放置在sic承烧板上。
8.进一步的，莫来石纤维箱包括莫来石纤维箱盖板，莫来石纤维箱底座和莫来石纤维箱箱体；
9.莫来石纤维箱盖板中心位置设有圆柱形测温孔。
10.进一步的，所述坩埚为氮化硼陶瓷坩埚，坩埚包括坩埚箱体和坩埚盖板；
11.坩埚盖板上表面设有凸起，凸起内部和相应的坩埚盖板上设有圆柱形通孔，圆柱形通孔的轴线和圆柱形测温孔的内径相同且轴线重合，坩埚盖板与坩埚箱体侧壁相配的表面设有环形的阶梯槽，阶梯槽的宽度与坩埚箱体的侧壁厚度相同。
12.进一步的，圆柱形通孔的内径为30
±
5mm，圆柱形型通孔的高度为35
±
5mm。
13.进一步的，sic承烧板的尺寸为长208
±
20mm，宽130
±
15mm，高15-20mm；sic承烧板中的金属骨架采用的是多行多列的布置方式，由多行多列金属棒布置而成，每行或者每列的相邻的金属棒的间距为10-20mm，金属棒的长度为100-120mm。
14.进一步的，金属骨架的材料选用高电导率、高熔点金属，对电磁波具有反射作用，能改变电磁场分布，增强加热试样上电磁场强度，从而提高加热试样的加热效率。
15.进一步的，金属骨架的材料为铜、铁或铂。
16.进一步的，莫来石纤维箱盖板和莫来石纤维箱底座为矩形，莫来石纤维箱箱体为方形箱体；氮化硼陶瓷坩埚为矩形箱体。
17.进一步的，所述氮化硼陶瓷坩埚内部留有空间，方便不同形状和大小的金属骨架sic承烧板及加热试样的摆放。
18.进一步的，所述氧化铝石棉承受温度在1700℃以上，莫来石纤维箱盖板、莫来石纤维箱箱体和莫来石纤维箱底座承受温度在1700℃以上；氮化硼陶瓷坩埚的材质为六方氮化硼，在氮气氛围中承受温度达3000℃。
19.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
20.(1)本技术采用承烧板，一是由于部分加热试样材料在低温阶段时吸收微波能力较差，通过承烧板快速吸波升温的加热作用，使试样快速达到自体加热的温度，提高了加热试样的加热速率。二是相对于埋粉烧结而言，在高温阶段，不会出现屏蔽电场的现象，从而降低加热效率的问题，即采用承烧板助热有利于提高加热试样的加热效率；
21.(2)本技术在承烧板中添加高电导率、高熔点的金属骨架，将金属材料添加进sic承烧板中，一是可以防止金属材料置于空气中，在高温状态下，出现“打火”现象，可以避免危险的发生；二是由于金属材料的高导电率，因此对电磁波呈现反射作用，当布置于sic承烧板中，会改变sic承烧板和加热试样上的电磁场分布，增强sic承烧板和加热试样上的电磁场强度，从而进一步提高加热试样的加热效率，并会在一定程度上提高加热试样的温度均匀性；同时，因为需要进行高温加热，所以需要选择高熔点金属，如铜、铁、铂等；
22.(3)本技术的氮化硼陶瓷坩埚设计，采用长方体结构并且具有一定的空间，使得内部放置的金属骨架sic陶瓷承烧板和加热试样的形状大小不固定单一，并且可以进行批量试样和大体积试样的烧结，避免了氮化硼陶瓷坩埚需要进行频繁更换的问题；同时坩埚上
方圆柱形竖向通孔处上侧表面采用阶梯状，能有效地避免试样加热过程中的挥发物挥发到箱体内损坏辅热装置；
23.(4)本装置结构简单合理、金属骨架sic陶瓷承烧板制作方便，并且拆卸简便，内部部件容易更换，可以很好地提高生产效率。
附图说明
24.图1为本发明的烧结用金属骨架sic陶瓷辅热装置结构示意图。
25.图2为本发明的烧结用金属骨架sic陶瓷辅热装置三维示意图。
26.图3为本发明的金属骨架sic陶瓷承烧板三维示意图。
27.图4为只有sic承烧板时批量试样微波加热温度分布云图。
28.图5为只有sic承烧板时批量试样微波加热电场分布云图。
29.图6为金属骨架sic陶瓷承烧板时批量试样微波加热温度分布云图。
30.图7为金属骨架sic陶瓷承烧板时批量试样微波加热电场分布云图。
31.图8为只有sic承烧板时大体积试样微波加热温度分布云图。
32.图9为金属骨架sic陶瓷承烧板时大体积试样微波加热温度分布云图。
33.附图标记说明：
34.1-莫来石纤维箱盖板，2-测温孔，3-圆柱形通孔，4-氧化铝石棉，5-坩埚盖板，6-坩埚箱体，7-加热试样，8-sic承烧板，9-金属骨架，10-莫来石纤维箱箱体，11-莫来石纤维箱底座，12-不锈钢承重箱。
具体实施方式
35.本发明的核心是提供一种微波烧结用金属骨架sic陶瓷辅热装置，该辅热装置可以提高批量试样或大体积试样的加热效率。
36.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
37.如图1-3，一种微波烧结用金属骨架sic陶瓷辅热装置，包括莫来石纤维箱盖板1、测温孔2、圆柱形通孔3、氧化铝石棉4、坩埚盖板5、坩埚箱体6、加热试样7、sic承烧板8、金属骨架9、莫来石纤维箱箱体10、莫来石纤维箱底座11、不锈钢承重箱12。
38.所述装置中莫来石纤维箱盖板1、莫来石纤维箱底座11和莫来石纤维箱箱体10组成莫来石纤维箱，莫来石纤维箱外侧为不锈钢承重箱12，用来进行放置和固定作用。
39.所述氮化硼陶瓷坩埚位于莫来石纤维箱内部中心位置，氮化硼陶瓷坩埚和莫来石纤维箱之间填充有氧化铝石棉4，所述莫来石纤维箱盖板1中心位置设有圆形测温孔2。
40.所述氮化硼陶瓷坩埚包括坩埚箱体5和坩埚盖板6，所述坩埚箱体内部放置金属骨架sic陶瓷承烧板，加热试样7置于金属骨架sic陶瓷承烧板上。
41.所述坩埚盖板5中心设有圆柱形通孔3，所述圆柱形通孔3上部的内径与测温孔的内径相同且中轴线重合，圆柱型通孔3的上侧表面与莫来石纤维箱盖板1的下侧表面接触。
42.所述莫来石纤维箱盖板1和莫来石纤维箱底座11为矩形；所述莫来石纤维箱箱体10为方形箱体。
43.所述氧化铝石棉4承受温度在1700℃以上，莫来石纤维箱盖板1、莫来石纤维箱箱
体10和莫来石纤维箱底座11承受温度在1700℃以上。
44.所述氮化硼陶瓷坩埚为矩形箱体。所述坩埚盖板5上的圆柱形通孔上侧表面设有环形的阶梯槽，坩埚盖板5的盖沿下侧表面也设有环形的阶梯槽，阶梯槽的宽度与坩埚主体的壁厚相同。所述氮化硼陶瓷坩埚的材质为六方氮化硼，在氮气氛围中承受温度达3000℃。
45.所述圆柱型通孔3的尺寸为：圆柱型通孔3的内径为30
±
5mm，圆柱形型通孔3的高度为35
±
5mm。
46.所述氮化硼陶瓷坩埚内部留有一定的空间，方便不同形状和大小的金属骨架sic陶瓷承烧板及加热试样7的摆放。
47.所述金属骨架sic陶瓷承烧板，主体为sic承烧板8，内部添加金属骨架9，起辅助加热、保温和均化试样温度场的作用。
48.所述金属骨架9的材料选用高电导率、高熔点金属(比如铜、铁、铂等)，对电磁波具有反射作用，可以改变电磁场分布，增强加热试样上电磁场强度，从而提高加热试样的加热效率。sic承烧板8中的金属骨架9采用的是五行五列的布置方式，整体的间距为10-20mm，长度为100-120mm。
49.由于部分材料在低温时吸收微波能力较差，通过添加承烧板，承烧板通过其热传导作用，将温度传递给加热试样，使得加热试样能够快速达到自体发热的温度，提高了加热试样的加热效率。进一步的，由于金属材料对电磁波具有反射作用，将金属材料添加进sic承烧板中，组成金属骨架sic陶瓷承烧板，由于金属材料会对电磁波产生反射，因此会改变承烧板和加热试样上的电磁场分布，并增强承烧板和加热试样上的电磁场强度，从而在具有承烧板的基础上，进一步地提高加热试样的加热效率。
50.综上所述，本发明提供的金属骨架sic陶瓷承烧板能够提高sic承烧板和加热试样上的电磁场强度从而提高批量试样或大体积试样的加热效率。
51.以批量试样及大体积试样仿真云图来说明金属骨架sic陶瓷承烧板对试样加热效率的提高情况。图4所示为批量试样在只有sic承烧板时的微波加热温度云图。从图中可以看出位于承烧板中间部位的试样温度分布，大致温度范围在1750-1760℃之间，而位于承烧板左上角和右下角区域的试样温度相对较高，最高达到1801℃。批量试样整体的温度差为50℃，整体的平均温度为1763℃。
52.图5所示为批量试样在只有sic承烧板时的电场云图。从中可以看出，加热试样的电场强度分布和加热试样的温度分布具有高度的一致性，电场强度大的地方试样温度高，电场强度低的地方试样温度低，这是由于电场较大的区域试样介电损耗大，试样升温速率较快，电场较小的区域试样介电损耗小，试样升温速率较慢。因此，通过增强加热试样上的电场强度能够提高加热试样整体的升温速率，从而提高批量加热试样加热效率。但是可以发现，加热试样上电场强度大小差异性较大，但是加热试样的整体的温差并不大，这是由于承烧板通过热传导作用会将热量进行传递，从而降低了加热试样的温差。因此，对于批量加热试样，承烧板具有一定的均化温度场的作用。
53.图6所示为批量试样在金属骨架sic陶瓷承烧板时的微波加热温度云图，从图中可以看出，位于承烧板中间部位的试样温度相对与整体而言得到了一定的提升，位于左上角和右下角区域的试样温度相对较高，而左下角和右上角区域试样温度相对较低，批量试样试样整体温差达到60℃，整体的平均温度达到2126℃，相对于只有sic承烧板时加热效率提
高了20.5％。这主要是因为添加的金属材料对电磁场产生了反射，从而增强了加热试样上的电场强度，提高了批量加热试样的加热效率。
54.如图7所示，添加金属骨架sic陶瓷承烧板与只添加sic承烧板相比，电场强度的最大值和最小值都得到了一定的提升，尤其是最小值提升幅度较大。并且由于金属材料对电磁波的反射，影响了加热试样上的电场分布，从而改变了加热试样的温度场，使得中间部位的试样温度得到了一定幅度的提升。
55.同样地，如图8所示为大体积试样在只有sic承烧板时的微波加热温度云图，从图中可以看出试样整体的平均温度为1737℃。图9所示为大体积试样在金属骨架sic陶瓷承烧板时的微波加热温度云图，从图中可以看出，试样整体的平均温度为2656℃，相对于只有sic承烧板时加热效率提高了52％。由此可见，采用添加金属骨架sic陶瓷承烧板的辅热装置来进行微波烧结在一定程度上能够提高加热试样的加热效率。

技术特征：
1.一种微波烧结用金属骨架sic陶瓷辅热装置，其特征在于，包括不锈钢承重箱(12)，莫来石纤维箱，坩埚，氧化铝石棉(4)和内埋金属骨架(9)的sic承烧板(8)；设置在不锈钢承重箱(12)内的莫来石纤维箱和坩埚之间填充氧化铝石棉(4)，坩埚内放置sic承烧板(8)，加热时、试样放置在sic承烧板(8)上。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，莫来石纤维箱包括莫来石纤维箱盖板(1)，莫来石纤维箱底座(11)和莫来石纤维箱箱体(10)；莫来石纤维箱盖板中心位置设有圆柱形测温孔(2)。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述坩埚为氮化硼陶瓷坩埚，坩埚包括坩埚箱体(6)和坩埚盖板(5)；坩埚盖板(5)上表面设有凸起，凸起内部和相应的坩埚盖板上设有圆柱形通孔(3)，圆柱形通孔(3)的轴线和圆柱形测温孔(2)的内径相同且轴线重合，坩埚盖板(5)与坩埚箱体侧壁相配的表面设有环形的阶梯槽，阶梯槽的宽度与坩埚箱体的侧壁厚度相同。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，圆柱形通孔的内径为30
±
5mm，圆柱形型通孔的高度为35
±
5mm。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，sic承烧板(8)的尺寸为长208
±
20mm，宽130
±
15mm，高15-20mm；sic承烧板(8)中的金属骨架(9)采用的是多行多列的布置方式，由多行多列金属棒布置而成，每行或者每列的相邻的金属棒的间距为10-20mm，金属棒的长度为100-120mm。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，金属骨架(9)的材料选用高电导率、高熔点金属，对电磁波具有反射作用，能改变电磁场分布，增强加热试样上电磁场强度，从而提高加热试样的加热效率。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，金属骨架(9)的材料为铜、铁或铂。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，莫来石纤维箱盖板(1)和莫来石纤维箱底座(11)为矩形，莫来石纤维箱箱体(10)为方形箱体；氮化硼陶瓷坩埚为矩形箱体。9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述氮化硼陶瓷坩埚内部留有空间，方便不同形状和大小的金属骨架sic承烧板(8)及加热试样(7)的摆放。10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述氧化铝石棉(4)承受温度在1700℃以上，莫来石纤维箱盖板(1)、莫来石纤维箱箱体(10)和莫来石纤维箱底座(11)承受温度在1700℃以上；氮化硼陶瓷坩埚的材质为六方氮化硼，在氮气氛围中承受温度达3000℃。

技术总结
本发明属于高温微波加热领域，具体涉及一种微波烧结用金属骨架SiC陶瓷辅热装置。包括不锈钢承重箱，莫来石纤维箱，坩埚，氧化铝石棉和内埋金属骨架的SiC承烧板；设置在不锈钢承重箱内的莫来石纤维箱和坩埚之间填充氧化铝石棉，坩埚内放置SiC承烧板，加热时、试样放置在SiC承烧板上。本装置的金属骨架SiC陶瓷承烧板与加热试样直接接触，在整个加热过程中起着关键性作用，不仅可以对加热试样进行辅助加热，同时还能对加热试样进行保温，从而减少加热试样的热量散失，并且能够均化试样温度，最终提高加热试样的加热效率。该辅热装置结构简单合理、金属骨架SiC陶瓷承烧板制作方便，可以很好地提高生产效率。很好地提高生产效率。很好地提高生产效率。


技术研发人员：程寓 姜志嵩
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2022.07.08
技术公布日：2022/11/1