Bài 9.5Tạo hình ban đầuChương 9 · Bột và gốm

Thiêu kết vi sóng

Vi sóng làm nóng chi tiết từ bên trong

Thiêu kết vi sóng làm nóng chi tiết bột ép bằng vi sóng thay vì thành lò nóng. Năng lượng được hấp thụ bên trong vật liệu, nên cả chi tiết ấm lên cùng lúc, như lò vi sóng nhà bếp hâm nóng súp từ bên trong. Điều đó có thể rút chu kỳ thiêu kết từ nhiều giờ xuống ngắn hơn nhiều, và giữ cấu trúc vật liệu mịn hơn.

Thiêu kết vi sóng · mặt cắt lò và hoa văn gia nhiệtLò bên trái được vẽ cắt mở; hình bên phải so sánh nơi nhiệt bắt đầu trong lò thường và trong lò vi sóng. Các số trong vòng tròn khớp với các bước.

Cách hoạt động

Nạp chi tiết. Một chi tiết bột ép (thường là gốm) được đặt trong hộp cách nhiệt cho vi sóng đi qua nhưng giữ nhiệt. Các thanh silic cacbua, gọi là chất cảm thụ (vật liệu hấp thụ vi sóng tốt), thường đứng cạnh nó.
Tạo vi sóng. Magnetron (ống cũng cấp điện cho lò nhà bếp) tạo vi sóng, thường ở 2,45 GHz và vài kilô oát. Một kênh kim loại gọi là ống dẫn sóng dẫn chúng vào buồng kim loại kín, nơi chúng phản xạ qua lại.
Nung nóng từ bên trong. Phân tử và điện tích của chi tiết hấp thụ sóng và biến chúng thành nhiệt trong toàn bộ thể tích. Nhiều loại gốm hầu như không hấp thụ vi sóng khi nguội, nên chất cảm thụ nung chúng trước cho đến khi chúng tự bắt đầu hấp thụ (gia nhiệt “lai”).
Thiêu kết và làm nguội. Ở nhiệt độ (ví dụ khoảng 1.200–1.500 °C với nhiều loại gốm), các hạt liên kết và chi tiết co lại và đặc lại như mọi sự thiêu kết. Một nhiệt kế quang (nhiệt kế không tiếp xúc) theo dõi nhiệt độ và công suất được điều chỉnh, rồi chi tiết nguội trong hộp.

Thông số chính

Vật liệu: Chủ yếu là gốm (alumina, zirconia, ferrit, silic nitrit); cũng có chi tiết luyện kim bột và một số composite
Chi tiết thường gặp: Mão răng zirconia nha khoa, linh kiện gốm, mũi hợp kim cứng, mẫu nghiên cứu
Kích thước chi tiết: Chủ yếu nhỏ đến vừa: từ vài gam đến chi tiết dài vài chục centimet
Độ chính xác: Như thiêu kết khác: phải dự đoán độ co; thường khoảng ±0,5–1% kích thước khi mới thiêu kết
Bề mặt hoàn thiện: Khi mới thiêu kết, giống chi tiết ép; được mài hoặc đánh bóng khi cần
Số lượng phù hợp: Công việc phòng thí nghiệm, lô nhỏ, và một vài dây chuyền công nghiệp liên tục
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Không cần khuôn tạo hình (chi tiết được tạo hình trước); lò từ máy phòng thí nghiệm nhỏ đến hệ thống công nghiệp tốn hàng trăm nghìn đô la
Tốc độ: Thường vài phút đến vài giờ mỗi chu kỳ, thường ngắn hơn nhiều so với lò thông thường cho cùng chi tiết

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Gia nhiệt nhanh từ bên trong, nên chu kỳ ngắn hơn
Ít năng lượng bị lãng phí để làm nóng thành lò
Hạt mịn hơn, thường cho chi tiết bền hơn
Thiết bị gọn cho phòng thí nghiệm nhỏ và phòng khám

Hạn chế

Nhiều vật liệu hấp thụ kém khi nguội và cần chất cảm thụ
Điểm nóng và “thoát nhiệt” (điểm quá nhiệt ngày càng nhanh) có thể làm nứt chi tiết
Nhiệt độ khó đo và kiểm soát đều
Kim loại phản xạ vi sóng, nên chi tiết kim loại khối khó xử lý hơn

Ứng dụng

Nha khoaThiêu kết nhanh mão và cầu răng zirconia trong lò cỡ phòng khám
Gốm tiên tiếnAlumina, silic nitrit và gốm chịu nhiệt siêu cao cho nhiệt độ cực đoan
Điện tửFerrit và gốm điện khác
Sản xuất bồi đắpThiêu kết chi tiết kim loại và gốm in trong lò vi sóng
Nghiên cứuThử nhanh công thức gốm và composite mới

Cách nhận biết

Bạn thường không phân biệt được qua chi tiết: nó trông như mọi chi tiết gốm hay kim loại thiêu kết khác.
Cái lò để lộ ra: một hộp kim loại cấp bằng ống dẫn sóng, không có thanh gia nhiệt phát sáng bên trong.
Chi tiết phòng thí nghiệm và của người tự làm thường nằm trong hộp cách nhiệt sợi trắng hoặc nồi silic cacbua.

So sánh với

Luyện kim bột9.1dùng lò thông thường nung từ ngoài vào trong, qua nhiều giờ.Thiêu kết plasma tia lửa9.4cũng nung nhanh từ bên trong, nhưng bằng dòng điện qua khuôn và có áp lực.Gia công sol-gel9.6một cách khác để làm gốm mịn, bắt đầu từ chất lỏng thay vì bột.

Xem video

National Science Foundation News · Vì sao lò vi sóng đẩy nhanh việc làm gốm, kèm cảnh quay phòng thí nghiệm

Hunan WISE Microwave Technology Co., Ltd · Các bộ phận của lò công nghiệp: magnetron, ống dẫn sóng, buồng

The Virtual Foundry, Inc. · Ý tưởng chất cảm thụ, với chi tiết kim loại in 3D trong nồi

CERAMBOT · Một lò vi sóng nhỏ nung chi tiết gốm in

Xem ảnh thật

Wikipedia: Thiêu kết — bài thiêu kết tổng quát có phần về thiêu kết vi sóng; Wikipedia tiếng Anh không có bài riêng
Tìm ảnh trên Wikimedia Commons

Ghi nhớ

Thiêu kết vi sóng làm nóng chính chi tiết, không phải thành lò.
Nung từ bên trong cho chu kỳ ngắn hơn và hạt mịn hơn.
Hấp thụ kém khi nguội và điểm nóng là thách thức chính, được giải quyết bằng chất cảm thụ và kiểm soát cẩn thận.