微波輔助加熱技術(shù)的應(yīng)用及現(xiàn)狀_圖文

1、微波輔助加熱技術(shù)的應(yīng)用及現(xiàn)狀段碧林曾令可劉平安稅安澤王慧張海文(華南理工大學(xué)材料學(xué)院廣州510640摘要微波輔助加熱是一種比微波加熱更有優(yōu)勢、應(yīng)用更廣的新型加熱技術(shù),它解決了微波加熱帶來的一系列問題;筆者簡要介紹了微波輔助加熱的基本原理、特點(diǎn)以及目前的設(shè)備,分析了微波輔助加熱存在的不足及一些建議。關(guān)鍵詞微波輔助加熱陶瓷燒結(jié)溫度梯度吸波The Application and Status of Microw ave-assisted Firing T echnologyDuan Bilin,Z eng Lingke,Liu Pingan,Shui Anze,Wang Hui,Zhang Haiw

2、en(C ollege of Materials Science and Engineerang,S outh China University of T echnology,G uangzhou,510640Abstract:Microwave-assisted firing,which will be used m ore widely and even m ore preferable than only microwace firing technology,isa novel technology.It has s olved a series of troubles brought

3、 by microwave-only firing.The basic theories,technological characterstic andpresent equipments of microwave-assisted firing were simply introduced in this paper.And the shortcomings of microwave-assisted firing were analysed,too.Then s ome advices were put forward,too.K ey w ords:Microwave-assisted

4、firing;Ceramics sintering;T emperature gradient;Abs ord microwave energy前言所謂微波通常是指頻率在300MH z到300GH z的電磁波,即波長范圍從1m到1 1,介于無線電波和紅外線之間。人們最早利用微波,就是其在通訊領(lǐng)域的作用,而在非通訊領(lǐng)域中的應(yīng)用卻比較晚,微波加熱干燥起始于40年代,在60年代2得到迅速發(fā)展,微波加熱技術(shù)最初主要應(yīng)用于低溫,逐漸人們將微波加熱從低溫推廣到高溫領(lǐng)域,試圖利用微波能高溫加熱或燒結(jié)陶瓷材料,從而產(chǎn)生了微波燒結(jié)技術(shù)。最早利用微波燒結(jié)技術(shù)則是在60年代末,由W R T inga3等做的陶瓷材料

5、用微波燒結(jié)的探索和實(shí)驗(yàn)并取得了成功。到70年代中期,由法國的Berteaud和Badot4首先對微波燒結(jié)技術(shù)做了一系列相關(guān)的研究并取得了一定的成果和進(jìn)展,而首先報(bào)道微波輔助合成技術(shù)的是在1986年56。通過近十幾年的研究與發(fā)展,微波合成技術(shù)的利用已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展,特別在國外,已經(jīng)成功燒結(jié)和合成出各種有機(jī)材料、無機(jī)材料、金屬材料以及復(fù)合材料,如La0.88,MgAl等,并且一些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn),如英國的E AT echnology12公司制造了微波輔助燒結(jié)隧道窯,每天有15t產(chǎn)品的生產(chǎn)能力。在國內(nèi),開展這項(xiàng)工作的非常少,只有中國科學(xué)院上海陶瓷研究所的Y ing-JieZhu13等利用微波

6、輔助技術(shù)制備了棒狀和線狀的單晶納米碲。因此在我國利用微波輔助加熱技術(shù)具有非常大的研究潛力和應(yīng)用前景。1微波加熱原理及微波輔助加熱的特點(diǎn)1.1微波加熱原理微波加熱與傳統(tǒng)加熱方式不同,傳統(tǒng)加熱是從物質(zhì)外部開始加熱,通過物質(zhì)的熱輻射、熱對流和熱傳導(dǎo),把熱量傳到內(nèi)部;而微波加熱正好相反,它是從物質(zhì)內(nèi)部開始加熱,再由內(nèi)部傳到外部。微波與物質(zhì)相互作用,會產(chǎn)生反射、吸收和穿透現(xiàn)象,這取決于材料本身的幾個(gè)主要特性:介電常數(shù)、介電損耗因子、比熱、形狀和含水量的大小等。因此不是所有的物質(zhì)都能與微波能產(chǎn)生熱效應(yīng),一般物質(zhì)按其微波作用效果大致可以分為3類,如表1所示。這就是微波對物質(zhì)加熱的選擇性效應(yīng),理論上說,只有極

7、性分子(偶極子才能被微波極化而產(chǎn)生熱效應(yīng)。而對于吸波物質(zhì)來說,介質(zhì)吸收的微波功率Pa 與該處的電場強(qiáng)度E 和頻率f 有關(guān):Pa =20wtg E 2f (1其中常數(shù)0=8.8510-12A s V m ,為介質(zhì)的“介電常數(shù)”,它是表征介質(zhì)極化程度的參量,tg 為介質(zhì)的“損耗正切”,它是表征介質(zhì)損耗的參量。微波對介質(zhì)的穿透性(穿透深度用D 表示直接影響到微波加熱的均勻性,穿透深度D 可表示為:D =tg(2其中為微波波長,由(2表明,一般吸收性介質(zhì)的穿透深度大致和波長為同一數(shù)量級。以915MH z (=33 和2.45GH z (=12.2 的常用微波加熱頻率而言,通常吸收性介質(zhì)的D 值為幾十厘

8、米到幾厘米,故除特大物體外,一般可以做到表里一致均勻加熱。1.2微波輔助加熱的特點(diǎn)綜上所述,利用微波對介質(zhì)加熱特別是高溫?zé)Y(jié),與傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)相比有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢和特點(diǎn),文獻(xiàn)14、15詳細(xì)闡述了微波高溫加熱的各種優(yōu)點(diǎn),但單純利用微波加熱還存在一定的不足。由式(1和式(2可知,從理論上講,陶瓷材料的介電特性對微波加熱來說是相對有利的,但是實(shí)際上,單獨(dú)利用微波加熱坯體還很難達(dá)到1700以上的超高溫。微波加熱不像傳統(tǒng)窯爐那樣,介質(zhì)一旦吸收微波能,其內(nèi)部溫度將迅速上升,這樣就會比周圍的溫度高很多。因此,坯體的熱量將以熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流的方式向周圍釋放,這勢必使坯體與周圍環(huán)境產(chǎn)生溫度梯度以及坯體內(nèi)部

9、本身也將產(chǎn)生溫度梯度,隨著微波加熱的不斷進(jìn)行,從坯體表面散失的熱量也將更多,溫度梯度繼續(xù)加大,這對陶瓷燒結(jié)來說是極其不利的,并且對大多數(shù)陶瓷材料來說熱導(dǎo)性比較差,因此要避免這種情況發(fā)生,就必須采用新的方法和工藝,而微波輔助加熱技術(shù)是一種能滿足以上要求的新的加熱技術(shù)。國外的許多研究工作者在這一領(lǐng)域做了大量的工作,總結(jié)起來,主要有2種解決方法:用比較好的、本身具有吸收微波能力的絕熱材料包圍坯體加熱16;由于傳統(tǒng)加熱方式與微波加熱方式原理正好相反,因此利用傳統(tǒng)窯爐和微波綜合加熱燒結(jié)坯體,不僅可以很好的阻止熱量散失,而且不致于形成太大的溫度梯度17,防止坯體出現(xiàn)裂紋。還有一些研究者結(jié)合以上兩種方式,在

10、坯體周圍放置吸波材料,利用微波和傳統(tǒng)窯爐綜合加熱18。綜上所述,微波輔助加熱結(jié)合了傳統(tǒng)加熱和微波加熱的優(yōu)點(diǎn),并且補(bǔ)充了微波加熱的不足,其表現(xiàn)在:1微波輔助加熱是內(nèi)外同時(shí)加熱,既避免形成過高的溫度梯度,對產(chǎn)品加熱更均勻,又不易形成裂紋。2微波輔助加熱比單純的微波加熱更容易達(dá)到超高溫,可以在高溫制備一些常溫?zé)o法制備的精細(xì)材料。3由于微波輔助加熱更好的阻止熱量的散失,因此利用一般微波燒結(jié)或是傳統(tǒng)燒結(jié)需要高溫制備的物質(zhì),在微波輔助加熱條件下需要的溫度相對就要低很多,并且能更有效的節(jié)約能源。4微波輔助加熱應(yīng)用范圍更廣,對于一般的純微波加熱,只有極性分子才能吸波,而微波輔助加熱技術(shù)可以應(yīng)用于包括陶瓷、高分

11、子、金屬以及復(fù)合材料等幾乎所有材料的加熱。2微波輔助加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)和主要工藝參數(shù)2.1微波輔助加熱的設(shè)備結(jié)構(gòu) 1-脫水器2-氣體閥3-流量閥4-微波源5-控制板6-循環(huán)器7-短線調(diào)諧器8-能量傳感器9-光導(dǎo)纖維10-石英管反應(yīng)器11-水載12-四極質(zhì)譜儀圖12.45G H z微波輔助加熱結(jié)構(gòu)示意圖 圖2微波輔助氧化實(shí)驗(yàn)測量裝置微波加熱的效果在很大程度上決定于所用的加熱器的質(zhì)量,因此加熱器是微波輔助加熱裝置的主要部分,是關(guān)鍵設(shè)備。微波輔助加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)主要包括進(jìn)料口、加熱腔(微波加熱和傳統(tǒng)加熱結(jié)合,微波發(fā)生器、冷卻系統(tǒng)(水冷或者風(fēng)冷和空調(diào)冷卻,空調(diào)冷卻主要用于冷卻室、探測器、出料口、控制板,有的與微

12、機(jī)連接。由1.2所述的微波輔助加熱的兩種路線可知,第一種路線用一般的微波加熱設(shè)備就可以,只需改變工藝條件,在坯體周圍包圍一種吸波材料作為另一個(gè)加熱體。圖1為一個(gè)2.45GH z 的微波輔助加熱結(jié)構(gòu)示意圖。后一種路線是傳統(tǒng)加熱與微波加熱相結(jié)合,因此需要對原來的微波加熱設(shè)備特別是加熱腔進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或改裝,圖2為微波輔助氧化實(shí)驗(yàn)測量裝置。2.2微波輔助加熱的主要工藝參數(shù)微波輔助加熱最大的工藝特點(diǎn)就是利用其他吸波體吸波作為一個(gè)熱源對坯體加熱,特別是對不能或吸波能力不強(qiáng)的介質(zhì)也能均勻加熱。如圖3所示,樣粉放在盒子里,通過內(nèi)外陶瓷坩堝之間的吸波體吸波升溫,然后通過熱輻射和熱對流對樣粉加熱。因此吸波體一定要

13、對微波非常敏感,吸波能力好,由式(1即和tg 要大,如SiC 、M oSi 2、碳黑等。利用SiC 在常溫下強(qiáng)烈吸收微波的特性來加熱樣品,高溫階段則由試樣直接吸收微波加熱,并且利用熱失控現(xiàn)象和微波的非熱效應(yīng)來加快物質(zhì)的擴(kuò)散和降低燒結(jié)溫度,極大地提高了陶瓷的燒成速度,從而使材料的晶粒比常規(guī)燒結(jié)的細(xì)小均勻。有些研究工作者利用離子溶液19作為微波輔助加熱的吸波體,讓所有反應(yīng)都在溶液中進(jìn)行,這種方法得到的產(chǎn)品粒徑更小,分布更均勻。圖3微波輔助燒結(jié)結(jié)構(gòu)圖目前利用微波輔助加熱技術(shù)已經(jīng)制備合成了許多金屬、陶瓷、高分子和復(fù)合材料,Y ing Jiezhu13等利用微波輔助加熱技術(shù)合成了單晶納米碲。I.G an

14、esh202122等23等利用微波低溫合成技術(shù)制備了NaZr 2P 3O 12材料,電阻加熱爐需650才能合成,而微波輔助加熱只需450。Satoru 等24使用家用微波爐燒結(jié)部分穩(wěn)定ZrO 2(PSZ ,將PSZ 生坯夾在ZnO 2MnO 22Al 2O 3板之間。由于ZnO 2MnO 22Al 2O 3夾板吸收微波的能力很強(qiáng),因此低溫階段它首先吸收微波,提高生坯的溫度,同時(shí)該夾板起著隔熱保溫的作用。利用這種方法,燒結(jié)出均勻無缺陷的成品。常規(guī)加熱方法需在1300保溫4h ,而微波加熱僅需在1250保溫16min 。這無疑是微波輔助加熱技術(shù)的一大進(jìn)步,它不僅突破了以往單純依靠碳化硅作輔助熱源的

15、局限,還提高了微波加工的效率。3微波輔助加熱在陶瓷行業(yè)中的應(yīng)用由于微波輔助加熱具有內(nèi)外同時(shí)加熱的特點(diǎn),可使被加熱的陶瓷坯體內(nèi)外溫度均勻,決定了其比微波加熱和傳統(tǒng)加熱應(yīng)用更加廣泛。從上世紀(jì)80年代中期微波輔助加熱技術(shù)應(yīng)用以來,已經(jīng)在國外得到了長足的發(fā)展,并且制備了許多金屬和非金屬材料。由于微波輔助加熱技術(shù)容易達(dá)到超高溫,因此在高性能精細(xì)陶瓷材料合成中有更大優(yōu)勢。 圖4在不同溫度下的值R.Subasri 、T om Mathews7等用高純度La (NO 336H 2O ,Sr (NO 32,Mg (CH 3C OO 4H 2O 和金屬G a 作為原料,分別利用微波輔助燒結(jié)和傳統(tǒng)燒結(jié)在不同的溫度下

16、制得La 0.8Sr 0.2G a 0.83Mg 0.17O 2.815材料并作了一定的研究,發(fā)現(xiàn)利用微波輔助燒結(jié)溫度更低,顆粒分散更均勻,平均晶粒尺寸為4m ,而同樣條件下傳統(tǒng)方法制25等利用微波輔助技術(shù)氧化Y Ba 2Cu 3O 7-陶瓷材料,通過調(diào)節(jié)溫度控制值的變化,溫度與變化關(guān)系曲線如圖4所示,而且和傳統(tǒng)加熱相比較,微波輔助加熱更容易接近最佳超導(dǎo)特性(0.1的值。賓夕法尼亞州立大學(xué)的Balasubramaniam Vaidhyanathan26等利用微波輔助燒結(jié)技術(shù)在30min 內(nèi)1300合成了致密度達(dá)97%以上的NZP 材料,以NaH 2PO 3H 2O 作為吸波體,利用傳統(tǒng)的加熱方

17、式制得的試樣其致密度還不到85%。4微波輔助加熱技術(shù)的不足及建議微波輔助加熱技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有近20年的歷史,合成了各種材料,它所展現(xiàn)出的一般微波加熱和常規(guī)燒結(jié)具有無法比擬的優(yōu)點(diǎn),預(yù)示著將有廣闊的發(fā)展空間和前景。但是由于此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展時(shí)間并不長,目前許多技術(shù)、設(shè)備和工藝仍不完善,針對存在的不足和有待完善的地方,提出了一些相應(yīng)的建議。1目前微波加熱與普通窯爐混合加熱的許多物理機(jī)理仍不很清楚,并且國內(nèi)外都很少有此方面的報(bào)道,這是以后研究的一個(gè)基礎(chǔ)方向。2微波輔助燒結(jié)的加熱設(shè)備,特別是加熱腔的窯爐技術(shù)工藝需要進(jìn)一步完善,將微波加熱和傳統(tǒng)加熱技術(shù)相結(jié)合,使加熱效率最大化。3綜合發(fā)展微機(jī)的電磁場和熱量場的綜

18、合模擬技術(shù),通過進(jìn)一步開發(fā)結(jié)合燒結(jié)動力學(xué)和形成過程的軟件,實(shí)現(xiàn)在線控制和檢測的自動化。4從宏觀和微觀的不同角度,通過理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)字模擬,深入研究微波場中物料傳熱、傳質(zhì)機(jī)制,建立熱、質(zhì)遷移模型,實(shí)現(xiàn)微波加熱過程較精確的數(shù)學(xué)模擬及計(jì)算機(jī)模擬。5盡管利用微波輔助燒結(jié)技術(shù)已經(jīng)合成制備了各種材料,但是仍沒有實(shí)現(xiàn)批量工業(yè)化生產(chǎn),只有英國的E A T echnology 公司生產(chǎn)出微波輔助燒結(jié)隧道窯,每天有15t 的生產(chǎn)能力,但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)將是今后這一領(lǐng)域的研究工作者的研究重點(diǎn)。6國外在這方面的研究水平和發(fā)展明顯高于我國國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀,而此項(xiàng)新的加熱技術(shù)具有非常大的實(shí)用價(jià)值和潛在

19、的市場前景,因此我國研究工作者應(yīng)該充分重視和發(fā)展研究此項(xiàng)技術(shù)。參考文獻(xiàn)2上?？茖W(xué)技術(shù)情報(bào)研究所.國外微波干燥技術(shù)進(jìn)展, 19753W R T inga,W A G V oss.In microwave power engineering. New Y ork:Academic Press,19684Berteaud A J,Badot J C.High temperature microwave heating in refractory materials.J Microwave P ower,1976,11(4:314 5R G edye,F Smith,K Westaway,et al.

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