الدرس 9.5التشكيل الأوليالفصل 9 · المساحيق والخزف

التلبيد بالميكروويف

الموجات الدقيقة تسخّن القطعة من الداخل

يسخّن التلبيد بالميكروويف قطعة من مسحوق مكبوس بالموجات الدقيقة بدل جدران فرن ساخنة. تُمتَص الطاقة داخل المادة، فتسخن القطعة كلها دفعة واحدة، كما يسخّن ميكروويف المطبخ الحساء من الداخل. وهذا قد يختصر دورات التلبيد من ساعات كثيرة إلى أقل بكثير، ويُبقي بنية المادة أدق.

التلبيد بالميكروويف · مقطع في الفرن ونمط التسخينالفرن على اليسار مرسوم مفتوحًا؛ وتقارن اللوحة على اليمين بين مكان بدء الحرارة في فرن عادي وفي فرن ميكروويف. تطابق الأرقام المحاطة بدوائر الخطوات.

كيف تعمل

حمّل القطعة. توضع قطعة من مسحوق مكبوس (غالبًا سيراميك) داخل صندوق عازل يسمح بمرور الموجات الدقيقة ويحبس الحرارة. وغالبًا تقف بجانبها قضبان من كربيد السيليكون تسمى ماصّات (susceptors)، وهي مواد تمتص الموجات الدقيقة جيدًا.
ولّد الموجات الدقيقة. ينتج الماجنترون (الأنبوب نفسه الذي يشغّل فرن المطبخ) موجات دقيقة، عادةً بتردد 2.45 GHz وبعدة كيلوواطات. وتحملها قناة معدنية تسمى دليل الموجات إلى تجويف معدني مغلق، حيث ترتدّ.
سخّن من الداخل. تمتص جزيئات القطعة وشحناتها الموجات وتحوّلها إلى حرارة في كامل حجمها. وكثير من السيراميك بالكاد يمتص الموجات الدقيقة وهو بارد، فتسخّنه الماصّات أولًا حتى يبدأ بالامتصاص بنفسه (تسخين «هجين»).
لبّد وبرّد. عند درجة الحرارة (مثلًا نحو 1,200–1,500 °C لكثير من السيراميك) تلتحم الجسيمات وتنكمش القطعة وتتكاثف كما في أي تلبيد. ويراقب مقياس حرارة ضوئي (ترمومتر بلا تلامس) الحرارة وتُضبَط القدرة، ثم تبرد القطعة في الصندوق.

حقائق أساسية

المواد: أساسًا السيراميك (الألومينا، والزركونيا، والفريتات، ونيتريد السيليكون)؛ وكذلك قطع المساحيق المعدنية وبعض المواد المركّبة
القطع النموذجية: تيجان الزركونيا السنية، ومكونات السيراميك، وأطراف المعدن الصلب، وعينات البحث
حجم القطعة: في الغالب من صغيرة إلى متوسطة: من بضعة غرامات إلى قطع بطول بضع عشرات من السنتيمترات
الدقة: كسائر أنواع التلبيد: يجب التنبؤ بالانكماش؛ وغالبًا نحو ±0.5–1% من البعد بعد التلبيد
تشطيب السطح: كما بعد التلبيد، كالقطعة المكبوسة؛ وتُجلَّخ أو تُصقل عند الحاجة
حجم الدفعة المناسب: أعمال مخبرية، ودفعات صغيرة، وبضعة خطوط صناعية مستمرة
كلفة العدّة والآلة: لا عُدد تشكيل (القطعة مشكّلة مسبقًا)؛ وأفران من وحدات مخبرية صغيرة إلى أنظمة صناعية تكلّف مئات الآلاف من الدولارات
السرعة: غالبًا من دقائق إلى بضع ساعات للدورة، وعادةً أقصر بكثير من فرن تقليدي للقطعة نفسها

نقاط القوة والحدود

نقاط القوة

تسخين سريع من الداخل، فدورات أقصر
طاقة أقل مهدورة في تسخين جدران الفرن
حبيبات أدق، وغالبًا قطع أمتن
معدات مدمجة للمختبرات والعيادات الصغيرة

الحدود

مواد كثيرة تمتص بشكل ضعيف وهي باردة وتحتاج إلى ماصّات
البقع الساخنة و«الانفلات الحراري» (بقعة تسخن أسرع فأسرع) قد تشقق القطع
يصعب قياس الحرارة والتحكم بها بانتظام
المعادن تعكس الموجات الدقيقة، فمعالجة قطع المعدن الكبيرة أصعب

أين تُستخدم

طب الأسنانتلبيد سريع لتيجان وجسور الزركونيا في أفران بحجم العيادات
السيراميك المتقدمالألومينا ونيتريد السيليكون والسيراميك فائق الحرارة للحرارة الشديدة
الإلكترونياتالفريتات وغيرها من السيراميك الكهربائي
التصنيع الإضافيتلبيد القطع المعدنية والسيراميكية المطبوعة في أفران ميكروويف
البحث العلميتجارب سريعة لوصفات جديدة من السيراميك والمواد المركّبة

كيف تتعرف عليها

غالبًا لا تستطيع التمييز من القطعة نفسها: تبدو كأي قطعة سيراميك أو معدن ملبَّدة.
الفرن هو الذي يفضحها: صندوق معدني تغذّيه دليل موجات، بلا عناصر تسخين متوهجة في داخله.
قطع المختبرات والصنّاع غالبًا ما تكون داخل صندوق عزل ليفي أبيض أو بوتقة كربيد السيليكون.

قارنها بـ

تعدين المساحيق9.1يستخدم فرنًا تقليديًا يسخّن من الخارج إلى الداخل على مدى ساعات.التلبيد بالبلازما الشرارية9.4يسخّن بسرعة من الداخل أيضًا، لكن بتيار كهربائي عبر قالب ومع ضغط.المعالجة بالمحلول-الهلام (Sol-gel)9.6طريقة أخرى لصنع السيراميك الدقيق، تبدأ من سائل بدل مسحوق.

شاهدها

National Science Foundation News · لماذا تسرّع أفران الميكروويف صنع السيراميك، مع لقطات مخبرية

Hunan WISE Microwave Technology Co., Ltd · أجزاء فرن صناعي: الماجنترونات، ودلائل الموجات، والحجرة

The Virtual Foundry, Inc. · فكرة الماصّات، مع قطع معدنية مطبوعة ثلاثيًا في بوتقة

CERAMBOT · فرن ميكروويف صغير يشوي قطع سيراميك مطبوعة

شاهد صورًا حقيقية

ويكيبيديا: Sintering — مقالة عامة عن التلبيد فيها قسم عن التلبيد بالميكروويف؛ ولا مقالة مستقلة في ويكيبيديا الإنجليزية
البحث عن الصور في ويكيميديا كومنز

تذكّر

يسخّن التلبيد بالميكروويف القطعة نفسها، لا جدران الفرن.
التسخين من الداخل يعطي دورات أقصر وحبيبات أدق.
ضعف الامتصاص وهي باردة والبقع الساخنة هما التحدّيان الرئيسيان، ويُعالَجان بالماصّات والتحكم الدقيق.