冉劍鋒， 呂鵬， 姚家舒， 李亞麗， 張良靜， 尹少華， 張利波

昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，云南 昆明 650093

引言

稀土作為一種重要的戰(zhàn)略資源，是高新產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)以及國防產(chǎn)業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域在全球市場競爭中的關(guān)鍵因素，也是傳統(tǒng)制造業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要因素[1-3]。我國稀土的應(yīng)用行業(yè)主要分為兩大類：一是將其應(yīng)用于玻璃陶瓷、石化設(shè)備和冶金機(jī)械等傳統(tǒng)行業(yè)；二是將其應(yīng)用于稀土永磁材料、稀土催化材料、稀土超導(dǎo)材料、稀土貯氫材料和稀土發(fā)光材料等高新技術(shù)行業(yè)[4-6]。傳統(tǒng)加熱過程需要長時間高溫煅燒將會導(dǎo)致材料燒結(jié)，進(jìn)而使得產(chǎn)品純度和粒度分布難以滿足高端行業(yè)的需求。微波加熱不需要從外到內(nèi)進(jìn)行高溫?zé)醾鲗?dǎo)過程，而是通過瞬時能量傳遞，微波能直接被原子和分子吸收，同時物料因不同的吸波性能而實現(xiàn)了選擇性加熱，這使得微波在物料加熱上表現(xiàn)出降低反應(yīng)活化能、加快升溫速率以及提升加熱效率等優(yōu)點[7,8]?？梢?，利用微波能的這些優(yōu)點，有可能開發(fā)出在常規(guī)條件下無法實現(xiàn)的新技術(shù)和新工藝，制備出純度高、顆粒小和分布均一的產(chǎn)品，實現(xiàn)高效、節(jié)能和環(huán)境友好的目標(biāo)。本文針對微波加熱技術(shù)在稀土冶金和新材料合成領(lǐng)域的發(fā)展及特點進(jìn)行系統(tǒng)的介紹。

1 微波加熱的原理與特點

1.1 微波加熱的原理

微波是指一類電磁波，其波長在0.01～1 m區(qū)間內(nèi)，其頻率在300～300 MHz區(qū)間內(nèi)[9-11]。微波作用于物質(zhì)之時，將出現(xiàn)穿透、吸收和反射等現(xiàn)象，微波場作用于極性電介質(zhì)和非極性電介質(zhì)時，將使得現(xiàn)有偶極子重新排列或形成新的偶極子，偶極子在高頻電磁場中的高速擺動使分子重新排列，此過程需要擺脫分子間作用力和分子原有熱運動的羈絆，進(jìn)而實現(xiàn)分子水平“攪拌”，微波能被介質(zhì)物料所吸收并最終轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苄问絒9]?？傮w來說，微波加熱機(jī)制來源于各種各樣的耗能運動，其主要形式可以分為以下三類[12-14]：

(1)磁介質(zhì)型損耗：磁性材料存在的磁各向異性是此類損耗產(chǎn)生的根源，損耗類型具體可劃分為阻尼損耗、旋磁渦流和磁滯損耗等，在此類材料中，羰基鐵粉、多晶鐵纖維、鐵氧體為典型代表。

(2)電介質(zhì)型損耗：此類損耗與電極矩有關(guān)，介質(zhì)物料的反復(fù)極化作用使電磁能轉(zhuǎn)變成熱能而散去，這種極化的主要類型有細(xì)微粒子產(chǎn)生的位移極化、轉(zhuǎn)向極化以及空間電荷發(fā)生的極化等，例如鈦酸鋇。

(3)電阻型損耗：材料電導(dǎo)率是此類損耗的主導(dǎo)因子，從微波能到熱能的轉(zhuǎn)化效率與材料電導(dǎo)率呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢，例如石墨、碳化硅。

1.2 微波加熱的特點

作為一種全新的加熱工藝，微波加熱與傳統(tǒng)加熱作用途徑以及作用效果截然不同，他們的加熱原理如圖1所示[15-17]。傳統(tǒng)加熱方式是指由外加熱源通過由外到內(nèi)的熱傳遞，對產(chǎn)品進(jìn)行加熱。這種加熱方式缺點不少，其中熱傳遞過程中能量利用率較低、加熱緩慢、加熱過程的不均勻性等問題尤為突出。與之相對比而言，微波加熱就在這些方面表現(xiàn)相當(dāng)優(yōu)秀，主要優(yōu)點可簡要概括為：

圖1 (a) 傳統(tǒng)加熱方式；(b) 微波加熱方式

1.2.1 即時性

物料被微波加熱時，一旦出現(xiàn)微波輻射，物料即刻開始迅速升溫，微波能停止發(fā)射，物料升溫過程即刻停止。物料瞬間獲得或丟失能量源將大大節(jié)省常規(guī)加熱中熱傳導(dǎo)過程所消磨的時間，因而微波加熱顯示出“即時性”的特點。

1.2.2 整體性

微波加熱的整體性表現(xiàn)為物料在受熱過程中，物體內(nèi)外同時被加熱，整個加熱過程不但溫度梯度小，而且升溫迅速。因而，極大地避免了傳統(tǒng)加熱方式所導(dǎo)致中心區(qū)域溫度偏低的現(xiàn)象，使得微波加熱更適合應(yīng)用于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化過程中。

1.2.3 節(jié)能性

常規(guī)加熱中存在較大比例的熱損失，主要分為熱傳導(dǎo)過程中的熱損失、輻射熱損失和排煙熱損失等類型。相反的，微波加熱過程完全可以避免此類損耗，此加熱過程不需要進(jìn)行高溫?zé)醾鲗?dǎo)，同時設(shè)備殼體可以反射微波，因而微波加熱表現(xiàn)出能量利用率高的特性。傳統(tǒng)電爐加熱與微波加熱相比，能量浪費率高達(dá)30%～50%。

2 微波加熱技術(shù)在稀土冶金的應(yīng)用

目前，微波加熱在稀土冶金領(lǐng)域中涉及多個研究方向，主流有微波輔助磨選礦、微波輔助浸出、微波輔助沉淀、微波輔助干燥和微波輔助焙燒等。

2.1 微波輔助磨選礦技術(shù)

當(dāng)前，傳統(tǒng)磨礦工作主要面臨待處理礦物成分及結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、對稀土礦物的粒度分布及存在狀態(tài)等難以進(jìn)行定量分析的巨大挑戰(zhàn)。尋找一種全新的磨礦工藝，提高磨礦產(chǎn)品質(zhì)量，降低磨礦過程耗能是目前該領(lǐng)域研究的焦點。穿透能力強(qiáng)、對介質(zhì)物料的選擇性加熱以及快速加熱是微波加熱區(qū)別于其他加熱方式的顯著特征，當(dāng)微波作用于礦石時，礦石中各類組分吸波能力存在差異將導(dǎo)致溫度差的出現(xiàn)，礦石中開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，這使得有用礦物的反應(yīng)界面擴(kuò)大化。上述過程加速了礦石的單體解離，明顯提高粉碎速率并降低粉碎能耗，因而是一種優(yōu)良的替代工藝。

Zhong等[18]采用微波加熱技術(shù)對稀土礦石進(jìn)行處理，主要研究了兩種作用機(jī)理：一是稀土礦石中有用礦物的解離度與微波作用之間的關(guān)系，二是微波對于礦石預(yù)處理的磨礦能耗的影響，重點討論了微波對于磨礦過程的作用機(jī)理，微波作用效果受到哪些因素的干擾，發(fā)現(xiàn)對稀土礦石樣品運用微波加熱技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，稀土礦磨礦效率和耗能均得到大幅度優(yōu)化。Huang等[19]研究了利用微波輔助手段促使混合稀土精礦分解，發(fā)現(xiàn)原本顆粒表面無孔的混合稀土精礦，在微波輻射加熱后精礦顆粒呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，比表面積從6.94 m2/g增長到11.04 m2/g，進(jìn)而提高了回收率。許延輝等[20]研究了微波場中混合稀土精礦的升溫特性，結(jié)果表明稀土精礦在微波場中的升溫過程分為兩個階段：初期慢速升溫(室溫～380 ℃)和后期快速升溫(380～1 000 ℃)，升溫速率有一個溫度突變點，說明微波加熱分解混合稀土精礦伴隨著物質(zhì)的轉(zhuǎn)變過程，進(jìn)而影響其吸波性能。

可見，微波加熱技術(shù)在礦石預(yù)處理領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿薮?，值得我們進(jìn)一步深入挖掘。

2.2 微波輔助浸出技術(shù)

礦石浸出過程中運用常規(guī)方法處理時，浸出殘渣可能會包裹在未反應(yīng)礦物的表面，干擾礦物浸出過程，造成處理時間延長，進(jìn)而導(dǎo)致處理過程能耗增加。所以，優(yōu)化浸出工藝是降低礦石浸出能耗的有效方式。多人研究表明，微波加熱強(qiáng)化浸出過程使反應(yīng)速率大大提高。

李解等[21]針對兩大問題：一是稀土精礦高溫酸浸焙燒過程中釷元素的回收成本過高，二是低溫酸浸焙燒過程處理效率明顯偏低，設(shè)計出一種微波輔助低溫酸浸的新技術(shù)，進(jìn)而深入研究了這種新型工藝的浸出機(jī)理，結(jié)果表明：礦石焙燒效果與微波功率和酸礦比息息相關(guān)，這兩者也是制約微波輔助低溫酸浸效率的主體因素。微波輔助焙燒不但確保了較高的浸出效率，優(yōu)化了釷元素的回收過程，而且將焙燒時間縮短了14/15，從而顯著提高了礦石浸出率。Shukla等[22]研究了從大量廢棄管狀燈提取稀土元素，發(fā)現(xiàn)采用微波輔助NaOH浸出稀土渣后能明顯提高稀土回收率。Huang等[23]研究了微波加熱對混合稀土精礦中氟和稀土元素浸出行為的影響，發(fā)現(xiàn)在微波場作用下氟和稀土元素回收率明顯高于常規(guī)處理結(jié)果。Lie等[24]對比分析了常規(guī)方法和微波功率對廢棄陰極射線管熒光粉回收稀土(Y和Eu)的影響，發(fā)現(xiàn)微波輔助浸出能明顯縮短反應(yīng)時間，是一種可發(fā)展的浸出技術(shù)。

可見，微波加熱在礦物浸出中具有許多優(yōu)勢，比如能明顯提高浸出率和縮短反應(yīng)時間，但目前大部分研究還處于實驗室研究階段，后期應(yīng)深入探索微波作用機(jī)理，加速微波設(shè)備擴(kuò)大化的進(jìn)程，促進(jìn)其工業(yè)化應(yīng)用。

2.3 微波輔助干燥技術(shù)

微波輔助干燥不但吸收了傳統(tǒng)干燥技術(shù)的優(yōu)點，而且還具有獨特優(yōu)勢。其原理是基于水是強(qiáng)吸波物質(zhì)，它的介電常數(shù)室溫下可達(dá)78.36 F/m，對于微波的吸收效率相對其它物質(zhì)更加優(yōu)越[25]。本團(tuán)隊目前主要圍繞碳酸稀土或草酸稀土前驅(qū)體的干燥過程開展研究，每次試驗均取100 g混合碳酸稀土樣品，以物料脫水率為響應(yīng)值，試驗變量主要有物料平鋪厚度、微波功率與作用時間等，在微波干燥碳酸稀土工藝中采用響應(yīng)曲面法探索最佳試驗條件，結(jié)果顯示，當(dāng)理論脫水率設(shè)定為98.88%時，試驗因素的最優(yōu)組合是微波功率0.8 kW，干燥時間0.2 h，物料平鋪厚度0.02 m，與常規(guī)干燥碳酸稀土相比較，微波干燥制得產(chǎn)品粒度更細(xì)，且粒度分布更加均勻[26]。梨峰等[27]研究了微波干燥對YAG納米粉體疏散性和晶粒尺度的影響，通過共沉淀法合成了前驅(qū)體，然后焙燒制得YAG超細(xì)納米粉，發(fā)現(xiàn)前驅(qū)體經(jīng)微波干燥后，納米粉粒子團(tuán)聚現(xiàn)象明顯得到改善。

可見，微波干燥技術(shù)將在完善自身工藝和改進(jìn)設(shè)備的同時，也要著重研究干燥機(jī)理等方面。

2.4 微波輔助焙燒技術(shù)

傳統(tǒng)電加熱升溫速率慢導(dǎo)致焙燒后有用礦物殘留率增高，微波輔助焙燒工藝是一種優(yōu)良的替代工藝。微波作用于礦物分子和原子，使其產(chǎn)生高頻振動，這就優(yōu)化了反應(yīng)的熱力學(xué)與動力學(xué)條件，在較低反應(yīng)溫度下順利實現(xiàn)較高的反應(yīng)速率。

李解等[28]針對稀土精礦低溫酸浸浸出效率不高的問題，提出將微波作用于稀土礦酸浸的過程之中，研究了礦石酸礦比、微波功率和作用時間與稀土礦中有用元素的浸出率之間的關(guān)系，新型工藝不但使稀土和釷元素的殘留率降到5%以下，而且將反應(yīng)時間較常規(guī)工藝壓縮了7/8，探索出了一條適合稀土和釷元素高效回收再利用的新路子。王少炳[29]采用微波輔助濃硫酸低溫焙燒稀土精礦的新工藝，利用微波加熱改善酸浸過程中的液-固傳質(zhì)速率，提升稀土礦中有用元素的浸取效率，研究結(jié)果對提升包頭稀土資源的回收再利用提供了一種行之有效的方法。

可見，微波輔助焙燒方法是一種效率高、環(huán)保節(jié)能的創(chuàng)新型冶金技術(shù)，經(jīng)濟(jì)價值和社會效益顯著。

2.5 微波加熱制備稀土氧化物

稀土氧化物制備過程是將草酸稀土或碳酸稀土裝入高溫設(shè)備中，在一定溫度下灼燒一段時間后轉(zhuǎn)變?yōu)橄⊥裂趸?，灼燒過程排出大量廢氣，其主要成分CO2和水蒸氣，待物料冷卻至室溫后，經(jīng)篩選和混料操作，得到粒度等性能均符合要求的產(chǎn)品。但普通灼燒方式存在以下不足之處：(1)灼燒時間較長，成本高。按照灼燒工藝，草酸稀土或碳酸稀土從常溫開始灼燒，到高溫灼燒4 h結(jié)束，持續(xù)24 h，生產(chǎn)成本尤其電耗成本高；(2)產(chǎn)品粒度不均勻，且有過燒現(xiàn)象。由于草酸稀土或碳酸稀土每次灼燒過程受熱不均，水汽散熱不充分，容易導(dǎo)致粉體結(jié)塊，灼燒不均，甚至有過燒現(xiàn)象發(fā)生。因此，開發(fā)新型的稀土氧化物加工方式，有助于解決能耗成本高和產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊的問題。

本團(tuán)隊[30]探索了草酸釔前驅(qū)體在微波場中的升溫行為，并分析了制備氧化釔的可行性，結(jié)果表明草酸釔具有良好的吸波特性。微波加熱60 min內(nèi)物料溫度達(dá)到950 ℃，實現(xiàn)了常規(guī)爐窯難以達(dá)到的效果，具有潛在節(jié)能優(yōu)勢。特別是溫度高于300 ℃時，升溫速率甚至高于60 ℃/min，快速的升溫速率對高比表面積粉體制備具有強(qiáng)化作用，表明微波煅燒草酸釔制備氧化釔具有可行性。另外，本團(tuán)隊[31]還研究分析了碳酸鑭前驅(qū)體在微波場中的升溫行為，表明碳酸鑭也具有良好的吸波特性。在微波功率1 kW、微波加熱35 min后物料溫度達(dá)到950 ℃，具有降低能耗的優(yōu)勢。尤其是溫度高于500 ℃時，升溫速率高達(dá)100 ℃/min，且制備的氧化鑭并未存在燒結(jié)等現(xiàn)象，表明微波煅燒碳酸鑭制備氧化鑭具有可行性。

可見，微波加熱煅燒能夠得到顆粒度均勻、粒徑小的稀土氧化物粉體，開發(fā)了新型的稀土氧化物加工方式，有助于解決傳統(tǒng)燒結(jié)法能耗成本高和產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊的問題。

2.6 微波集成外場強(qiáng)化技術(shù)

2.6.1 微波集成超聲波技術(shù)

二十世紀(jì)八十年代末，國外技術(shù)蓬勃發(fā)展，微波集成超聲波理論首先被法國和意大利科學(xué)家提出，他們發(fā)現(xiàn)超聲波和微波兩種技術(shù)在作用機(jī)理上可以互補，前者的空化作用可以在短時間內(nèi)快速釋放大量能量，后者則具有對固體顆粒選擇性和非直接性加熱的特點。

歐陽成等[32]研究了微波-超聲波協(xié)同作用制備亞微米級氧化鈰納米粉，結(jié)果表明，微波加熱模式、微波與超聲波共同作用模式均會得到形貌、粒徑和粒度分布更好的超細(xì)氧化鈰，產(chǎn)品D50約為0.2 μm左右。曾青云等[33]通過液相沉淀法，運用微波聯(lián)合超聲波外場，選擇碳酸氫銨為沉淀劑，氯化鑭溶液為料液，反應(yīng)過程中料液濃度設(shè)定為0.1 mol/L，料液與沉淀劑的摩爾比設(shè)定為13.5，反應(yīng)溫度設(shè)定為50 ℃，加料方式設(shè)定為并流加料，超聲波功率和模式分別設(shè)定為0.5 kW和11，最終制備出表面光滑、綜合性能優(yōu)良的氧化鑭棒狀前驅(qū)體，測得其中僅含0.005 2%的氯根。

微波與超聲波的協(xié)同使用可以優(yōu)化產(chǎn)品性能、節(jié)約加工能耗和減小環(huán)保壓力，但是當(dāng)前此技術(shù)還存在大量問題尚待解決，例如兩者聯(lián)合效果最大化問題、所需設(shè)備的研發(fā)問題、自動化控制軟件的開發(fā)問題等等，因而目前該項技術(shù)尚處于實驗室階段。但是，值得肯定的是這種節(jié)能高效的綠色工業(yè)技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展之中。

2.6.2 微波集成超重力技術(shù)

超重力技術(shù)具有強(qiáng)化微觀混合和傳遞過程的特點，能夠有效提高宏觀反應(yīng)速率，制備粒徑均勻、細(xì)小的納米材料。本團(tuán)隊[34]提出了微波集成超重力技術(shù)強(qiáng)化脫除稀土廢水中的氨的新思路，微波快速加熱廢水，超重力方法可以使溶液達(dá)到分子程度的混合，解決常規(guī)吹脫過程效率低等問題，兩者集成技術(shù)能有效增強(qiáng)氨的脫除。這項研究不但深入探索了微波的溶液加熱機(jī)理，而且使得濕法冶金領(lǐng)域的科研工作者對超重力技術(shù)有了新的認(rèn)知，對于推動科研創(chuàng)新、促進(jìn)稀土常規(guī)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級影響深遠(yuǎn)。在當(dāng)前稀土冶金的研究中，對于兩者單獨作用的探索較多，但是微波集成超重力技術(shù)的研究目前仍不全面，還有待于廣大科研工作者深入挖掘。

3 微波輔助合成稀土新材料

稀土新材料的現(xiàn)有種類不勝枚舉，其主要類型是稀土磁致冷材料、稀土發(fā)光材料、稀土磁致伸縮材料、巨磁阻材料、稀土催化材料、稀土陶瓷材料、稀土超導(dǎo)材料、稀土貯氫材料和稀土永磁材料等[35-37]。目前稀土新材料制備工藝已經(jīng)逐漸成熟，但是合成時間過長、合成效率較低等問題仍然存在，如何解決此類問題將是我們下一步研究的重點。經(jīng)多年研究發(fā)現(xiàn)，微波的獨特性質(zhì)將在改善常規(guī)合成缺陷方面發(fā)揮重要作用，因而微波合成稀土新材料技術(shù)被廣泛應(yīng)用。

3.1 微波合成稀土發(fā)光材料

對于稀土發(fā)光材料的合成，目前主流方法是溶膠—凝膠法、燃燒法、高溫固相反應(yīng)法、水熱合成法、共沉淀法、微波輻射法以及微乳液法等。其中，當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的就是高溫固相法，但是鑒于該方法存在的問題，研發(fā)一種反應(yīng)溫度低、反應(yīng)時間短、節(jié)約能耗的新型工藝已然迫在眉睫[38]。

Bi[39]等采用超聲-微波輔助合成了發(fā)光材料Y2O3:Eu3+納米磷光體，對比其他合成方法，該方法制備的Y2O3:Eu3+具有更長的光致發(fā)光壽命(1.476～1.570 ms)和更高的量子效率QE值(64.83%～80.88%)，可見，超聲-微波輔助合成法是制備具有優(yōu)異光學(xué)性能Y2O3:Eu3+的理想方法。Chandekar[40]等利用微波加熱合成了Dy摻雜PbI2(Dy@PbI2)NSs納米型稀土發(fā)光材料，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品具有均勻的六角形納米片形態(tài)，微晶尺寸為46～53 nm，能隙為3.14～3.19 eV，是一種優(yōu)秀的光電設(shè)備材料。李嫻等[41]通過微波固相法，在0.7 kW微波燒結(jié)35 min后制備了Eu2(WO4)3和AEuW2O8(A=Li+，Na+)紅色熒光粉體，發(fā)現(xiàn)微波輔助合成稀土摻雜熒光粉發(fā)光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。韓英[42]通過微波輻射法1 h內(nèi)合成了純相CaMoO4Sm3+橙紅色熒光粉，發(fā)現(xiàn)微波作用時間對樣品的熒光強(qiáng)度有顯著的影響，在0.5 h≤t≤1 h時，微波作用提高了熒光物質(zhì)發(fā)光強(qiáng)度，隨微波作用時間的延長而迅速提高，但是進(jìn)一步延長時間，這種促進(jìn)效應(yīng)卻反而被抑制，這可能是過高的反應(yīng)溫度抑制了能量的轉(zhuǎn)移速率。

可見，微波技術(shù)作為一門新興的材料合成輔助技術(shù)，在稀土發(fā)光材料合成領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，但目前同樣還需要對微波作用深入研究。相信在不久的將來，微波技術(shù)會迎來蓬勃發(fā)展的新時代，在生產(chǎn)和科研領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，獲得更大的經(jīng)濟(jì)利潤和社會效益。

3.2 微波合成稀土催化材料

對于稀土催化劑超細(xì)粉的制備，目前主流方法是溶膠-凝膠法、機(jī)械混合法、微乳液法和共沉淀法等，這些制備方法各有千秋，優(yōu)勢和劣勢均較為突出。多項研究表明，制備方法對金屬復(fù)合材料的綜合性能有著巨大影響。微波技術(shù)獨有的加熱特性，使得材料合成時間明顯縮短，產(chǎn)品一致性顯著提高，在該領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

周先波等[43]通過微波加熱合成了ZnO/Ce復(fù)合型納米光催化劑，研究結(jié)果表明，采用無水乙醇作為溶劑，經(jīng)過功率為0.65 kW的微波輻射0.2 h后，在馬弗爐中以550 ℃煅燒5 h，制備出的復(fù)合型納米光催化劑具有優(yōu)秀的納米性能以及光降解效果。陳洪亮[44]采用微波液相法合成出鈰鋯固溶體納米材料，并研究了其負(fù)載銅催化劑的氧化還原性質(zhì)和催化性能，同時制備了鈣鈦礦復(fù)合氧化物L(fēng)aFeO3，并分析了制備方法對其結(jié)構(gòu)以及性能的影響，以期獲得性能優(yōu)越的污染氣體凈化新材料。AlKetbi等[45]采用常規(guī)微波場和強(qiáng)微波場制備出 (Ce-La-xCu)O2催化材料，并研究不同Cu含量下其材料對CO氧化作用的影響，發(fā)現(xiàn)其催化性能相對常規(guī)方法分別提高16%和32%，這主要是因為不同強(qiáng)度微波場影響Cu在(Ce-La)O2的摻雜程度。Cheng等[46]采用氧化鈰和二氧化鈦為原料，通過微波輔助共沉淀法制備出一種復(fù)合氧化物型催化劑，該材料的表征結(jié)果表明，微波使其低溫下的反應(yīng)活性增強(qiáng)，操作溫度窗口擴(kuò)寬，主要是因為微波能夠提高其催化劑的結(jié)晶速率和加大其表面積。楊建利等[47]研究了一種超微分子篩合成新工藝，該工藝將微波作用于檸檬酸，明顯改善了常規(guī)水熱合成法的諸多缺陷，例如晶化時間太長，制備的分子篩粒徑偏大與分布不均勻等問題。

目前應(yīng)用傳統(tǒng)方法制備稀土催化材料已經(jīng)被市場廣泛接受，大量應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)之中，但是應(yīng)用微波合成稀土催化材料新技術(shù)則因種種因素而受困于實驗室或半工業(yè)階段，如何將該技術(shù)書寫在祖國大地上，今后應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)工作。

3.3 微波燒結(jié)制備稀土陶瓷材料

微波燒結(jié)是提高陶瓷材料密度的有效方法，其加熱方式與常規(guī)加熱方式存在明顯差異，它將使材料整體升溫，在分子或原子水平上實現(xiàn)燒結(jié)過程，因而對于材料致密化效果明顯[48]。

丁明桐[49]等研究出一種新型Y-ZrO2增韌陶瓷制備工藝，該工藝采用在高純度氧化鋯納米級粉體中添加少量氧化釔作為添加劑的方式，對于材料韌性等力學(xué)性能提升非常明顯，發(fā)現(xiàn)添加劑的最佳摩爾量為2%～3%。Tang[50]等首次采用微波退火技術(shù)合成透明度高的UY2Zr2O7陶瓷，產(chǎn)品呈現(xiàn)較好的粒度分布和組織，且在2 500 nm處透明度高達(dá)80%。Ahmad[51]等對比分析了Y2O3-Al2O3-SiO2和Nd2O3-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷的結(jié)晶度，發(fā)現(xiàn)Y2O3-Al2O3-SiO2陶瓷經(jīng)過30 GHz高頻微波加熱后，能在較短時間內(nèi)(15 min或30 min)達(dá)到完全結(jié)晶(不需要經(jīng)過保溫時間，1 200 ℃)，成核過程和晶體生長更是有序的，而常規(guī)處理(1 200 ℃)則需要50 h；盡管Nd2O3-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷經(jīng)過微波處理后的結(jié)晶度相對較低，但其半結(jié)晶的時間則短于常規(guī)處理，研究結(jié)果表明微波加熱能夠增強(qiáng)結(jié)晶動力學(xué)過程。

陶瓷制備領(lǐng)域當(dāng)前現(xiàn)狀為只有在傳統(tǒng)工藝難以使用時才會考慮微波燒結(jié)技術(shù)，其大規(guī)模替代傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)的進(jìn)程仍然非常緩慢，主要還是因為此技術(shù)目前尚存在諸多困難，這將是下一輪的技術(shù)攻關(guān)重點。

3.4 微波合成稀土永磁材料

稀土永磁材料在當(dāng)前人們的生活中應(yīng)用廣泛，它從民用領(lǐng)域到軍用領(lǐng)域等均扮演著不可或缺的重要角色[52]。NdFeB磁性材料在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)和高科技發(fā)展中具有舉足輕重的地位，微波具有的獨特性質(zhì)，使得它在燒結(jié)NdFeB制備過程中越來越受到重視，市場對于該項技術(shù)的工業(yè)化需求極為迫切。

葛海[53]采用粉末冶金方法，引入N2作為保護(hù)氣，在微波燒結(jié)腔中利用頻率為2.45 GHz的微波對經(jīng)過預(yù)處理的NdFeB粉末坯體進(jìn)行微波磁場燒結(jié)，研究各因素對升溫速率和燒結(jié)溫度的影響，發(fā)現(xiàn)微波磁場燒結(jié)較常規(guī)燒結(jié)工藝制備的產(chǎn)品致密性更好，微波磁場燒結(jié)的主要優(yōu)勢為燒結(jié)時間明顯縮短、燒結(jié)溫度顯著降低、磁體內(nèi)外同時受熱等，因而使得磁體晶粒形貌發(fā)育更為完整，優(yōu)化晶粒平均粒徑與粒度分布區(qū)域。李麗婭[54]等發(fā)明了一種利用微波對釤鈷基稀土永磁材料進(jìn)行時效的新工藝，一方面利用微波的高頻電磁場得到高的飽和磁化強(qiáng)化和力學(xué)性能；另一方面微波能轉(zhuǎn)變成原子擴(kuò)散的能量，作用區(qū)域的精細(xì)化使材料的微觀結(jié)構(gòu)更為合理。

總之，微波磁場燒結(jié)相比常規(guī)燒結(jié)具有明顯優(yōu)勢，這必將在不久的將來引發(fā)新一輪的產(chǎn)業(yè)變革。

3.5 微波合成傳統(tǒng)磁致伸縮材料

磁致伸縮現(xiàn)象就是某些材料經(jīng)磁化之后，其長寬等物理性質(zhì)會發(fā)生一定程度的改變，相應(yīng)的這類材料就被稱之為磁致伸縮材料，目前對于微波輔助合成稀土摻雜鐵氧體類材料的研究較多[55]。Bhongale等[56]在草酸共沉淀過程中引入微波燒結(jié)技術(shù)，研究了Nd3+摻雜改性對Mg-Cd鐵氧體的結(jié)構(gòu)和磁性的影響，發(fā)現(xiàn)Mg0.6Cd0.4Nd0.03Fe1.97O4具有較好的磁性，并采用微波燒結(jié)技術(shù)快速合成出了尖晶石鐵氧體。

目前，國內(nèi)外有關(guān)利用微波合成稀土新材料的研究較少，特別在稀土儲氫材料、超導(dǎo)材料等方面的研究基本沒有。

4 總結(jié)與展望

微波加熱作為新興加熱方式，在稀土冶金和新材料合成方面，是一種替代傳統(tǒng)加熱的潛在的有效方法，但是目前仍存在許多技術(shù)難題，其中突出的就是高成本和不完善的數(shù)控技術(shù)。目前微波加熱技術(shù)在稀土冶金和新材料合成方面僅處于實驗室或半工業(yè)階段，尚未實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，主要歸結(jié)為兩點：(1)微波與稀土物料作用的基礎(chǔ)理論研究尚淺，缺乏大量的檢測數(shù)據(jù)來深入解析微波與稀土物料的作用機(jī)理，機(jī)理研究是實踐的首要前提；(2)材料介電常數(shù)等系數(shù)隨溫度而不斷變化，使得測量十分困難，自動化控制的數(shù)據(jù)庫難以建立，導(dǎo)致大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計制造仍存在不小的挑戰(zhàn)。隨著科研的不斷深入，在稀土冶金與新材料合成領(lǐng)域應(yīng)用這項新型技術(shù)的門檻將會明顯降低。