（机械设计及理论专业论文）微波高温加热系统的改进及预加热体材料的研究.pdf

摘要 摘要 微波加热是透过微波渗透到拳于料内部并使其产生体积秀溢豹一种蕊热方法，具有温 度场分布均匀、升温迅速等特点。微波加热应用于陶瓷烧结时，同电加热、燃气加热及 燃油船热等常规烧结方法穰比，烧结时蚓大大缩短，能耗可降低5 0 7 0 ，同时陶瓷性 能有所提高。目前，国内微波高温烧结设备尚处于研究、开发阶段，在微波发生源使用 寿命、微波均匀场面积、谐振腔的设计以及测温系统等方面存在一定的问题，制约了微 波加热技术的发展和应用。 本文利用原实验室自制微波烧结试验设备进行r 各种试验，对其存在的问题进行了 分柝郡改进，莠设计制作了新的微波烧结装置。文中探讨了影响微波发生源使嗣寿命瓣 主要因素，包括磁控管阳极的损坏、能量输出天线的损坏、阴极的损坏；提出了微波谐 振黢的设诗原则，包括型菠的尺寸选择、褐合目开设的位甏、避免高频击穿和放电等； 开发了简单实用的能在微波场中测温的热电偶。 同时，本文还对微波混合加热中的预加热体( s i c ) 避行了研究，通过实验研究了 微波功率、s i c 的用量、s i c 的粒径、成型压力及成型温度等参数对其在微波场中升潞 特性的影响，为微波场中s i c 预加热体的使用提供了指南。 文中简介了使用改遴后的微波烧结设备进行的各稚加热、烧结实验，验 芷了r 艺和 设备的可靠性。 关键谰： 微波，烧结，烧结炉，混合加热 a b s 仃a c t a b s tt a c t m i c r o w a v ec a r ! p e n e t r a t ei n t om a t e r i a la n dc a u s e sv o l u m eh e a t i n g i ti sd l a r a c t e r i z e di n u n i f o r mh e a t i n g 1 0 wc o s t a n ds h o r tp r o c e s s i n gt i m e i nc o m p a r i s o nw i t l lc o n v e n t i o n a l p r o c e s s e s i nc e r a m i c s i n t e r i n g ，i t i s a d v a n t a g e o u s i n p r o d u c tu n i f o r m i t ya n dy i e l d ， i m p r o v e m e n to fm i c r o s t r u c t u r e a n dt h ea b i l i t yt os y n t h e s i z en e wm a t e r i a l s 。d o m e s t i c i n v e s t i g a t i o ni nt h i sf i e l di si nt h ep r e l i m i n a r ys t a g e ，s o m ep r o b l e m si n c l u d et h es e r v i c el i f eo f m i c r o w a v eg e n e r a t o r , t h er a t i o n a ld e s i g no fc a v i t ya n dt h eh i g hp r i c eo ft h ei n f r a r e d t h e r m o s c o p c ，p r e v e n t e dt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h e m i c r o w a v eh e a t i n g t e c h n o l o g y a i m i n ga tt h ep r o b l e m so f t h ee q m p m e n t ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n g t h es e r v i c eo ft h em i c r o w a v eg e n e r a t o ra n dt h er a t i o n a ld e s i g np r i n c i p l e so ft h ec a v i t y a t h e r m o c o u p l e ，w h i c hc o u l db eu s e di nm i c r o w a v ef i e l d ，w a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y i nt h i sp a p e r , t h em i c r o w a v ep o w e ra n dt h ep a r a m e t e r so fs i c ，i n c l u d e dt h em a s s ， p a r t i c l ed i a m e t e r s ，m o l d i n gp r 。s s u r ea n dm o l d i n gt e m p e r a t u r e ，a f f c c t i n gt h et e m p e r a t u r e r i s i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs i ci nm i c r o w a v ef i e l d ，a r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h ep a p e r h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n to nt h ea p p l i c a t i o no fs i ci nm i c r o w a v ef i e l d k e yw o r d s ：m i c r o w a v e ，s i n t e r i n g ，s i n t e r i n gf u r n a c e ，h y b r i dh e a t i n g l i 关于硕士学位论文使用授权的说明 论文题目：微边直渔加垫丕统数邀避区亟加热佳挝抖的研究 本学位论文作者完全了解大连轻工业学院有关保留、使用学位论文的规定，大连轻 工业学院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 是否保密( 磊) ，保密期至 年月日为止。 学生签名：垒 当 导师签名：避： 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 1 1前言 第一章绪论 八十年代中后期发展起来的陶瓷微波烧结技术是一项十分有发展潜力的新兴技术， 它的诞生与发展引起了传统烧结概念的突破，被材料界誉为“烧结技术的一场革命眦1 - 2 1 。 微波烧结技术是指利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热 量，材料的介质损耗使材料加热至烧结温度而实现转化、致密化的方法唧。它具有加热 时间短、烧结温度低、能源利用率和加热效率高、安全卫生无污染等优点，是解决现代 冶金、陶瓷烧结、无机非金属材料高温合成等行业大耗能、重污染的有效手段。另外， 微波加热具有可穿透性加热、整体性加热、可选择性加热以及无热惯性等常规加热无法 比拟的优点，对快速制备高质量的新材料和具备新性能的传统材料具有十分重要的意 义。 要成功地应用这项技术，必须从微波烧结设备入手。国外有少数厂家生产微波烧结 设备，但价格十分昂贵。国内少数几个科研院校进行了实验室规模的微波烧结设备的研 究，但设备尚不完善，也未实现工业化，个别厂家投入大量资金，虽完成了性能良好的 实验室微波烧结设备和大型专用生产设备，但因制造成本过高，发展缓慢。随着新型电 子材料及功能陶瓷材料研究及生产的需要，性能优越、价格低廉的微波高温加热设备在 高等院校和科研院所的需求也将会越来越多，同时省能、高效、便捷的大型工业用微波 高温加热设备对企业的生产需求也具有十分重要的意义。 混合加热技术是在低介电损耗陶瓷材料微波烧结中最常用的技术。对于预加热体材 料，最常使用的是s i c 。目前国内外关于s i c 成型工艺参数对升温特性影响的研究较少， 而其不同的成型工艺直接影响着s i c 在微波场中的升温速度，从而影响了被加热材料预 加热阶段的升温速度。所以掌握s i c 在微波场中的加热特性对更好的对低介电损耗的材 料进行微波加热显得格外重要。 第一章绪论 1 2 微波烧结技术的发展状况 材料的微波烧结开始于2 0 世纪6 0 年代中期，t m g a w r t 4 1 首先提出了陶瓷材料的微 波烧结。微波烧结技术的发展历程大致可分为三个阶段【3 l ：7 0 年代中期至8 0 年代早期 进入初步试验研究阶段，1 9 7 6 年b e r t e a u d 和b a d o t 首先报道了在实验室用微波烧结材料 取得成功，这个期日j 研究和试验工作主要局限在于一些容易吸收微波而烧结温度有较低 的陶瓷材料，如b a t i 0 3 、u 0 2 等。8 0 年代中期至9 0 年代中期进入研究发展阶段，美国、 加拿大、德国等各国投入了大量的财力、人力用于研究和发展微波烧结技术。在这个期 间，主要探索和研究了微波理论、微波烧结装置系统优化设计和材料烧结工艺、材料介 电参数测试、材料与微波交互作用机制以及电磁场和温度场计算机数值模拟等，烧结了 许多不同类型的材料。2 0 世纪9 0 年代晚期进入微波烧结产业化阶段，美国、加拿大、 德国等发达国家开始投入小批量生产。美国已经具有生产微波连续烧结设备的能力，主 要针对硬质合金。加拿大i n d e x a b l et o o l sl t d 公司研制的微波烧结设备用于本公 司生产氮化硅刀具。德国的主要研究方向集中在微波烧结硬质合金的产业化，德意志大 学的w i l l e r t p o r a d a 提出的微波烧结收缩机理模型已被大多数同行所认同。 1 9 8 8 年，武汉工业大学在我国率先开展了微波烧结技术的研究，并被列为国家“8 6 3 计划”。中国科学院沈阳金属所、上海硅酸盐所、清华大学等单位相继开展了该技术的 研究，推动了该技术在我国的发展1 5 1 。但以上研究单位的研究成果及整个研究工作基本 处于实验室阶段，制约我国微波烧结技术发展主要因素是微波烧结机理、材料介质特性 数据、微波烧结设备的制造、自动化控制。2 0 0 1 年，在中国成立了隆泰科技新材料有限 公司，该公司为微波烧结专业企业，致力于工业化微波烧结设备制造、微波烧结工艺技 术及新材料制备的研究开发和生产。在设备方面已经成功的开发小型微波高温烧结试验 设备和大型专用微波烧结生产设备，在新材料烧结方面已成功的开发出氮化硅、压电陶 瓷、压电陶瓷电阻、多层陶瓷电容器、电感器、锰锌铁氧体软磁、钕铁硼永磁和硬质合 金等材料的微波烧结工艺技术。 2 0 0 2 年开始，研究室自筹资金，通过1 年的不懈努力，完成了第一台微波高温加热 炉的研究和制造。其性能为：最高使用温度1 7 0 0 ，可以实现手动控制和自动保温控制， 成功的烧结了9 3 a 1 2 0 3 和s i c 预热体材料的初步升温特性研究，但设备还需要优化设计， 制造成本还有待于降低，预热体材料的性能还有待于深入的研究，微波烧结的应用还有 待于进一步的开发。 2 第一章绪论 1 3 课题的提出和研究内容 综上所述，微波加热是一种崭新的加热方式，在加热机理上有了根本的变革，它与 传统的电加热、燃气加热等加热方式相比具有许多优点：( 1 ) 被加热材料自身发热；( 2 ) 可穿透材料进行整体加热；( 3 ) 加热时间短、烧结温度低、烧结材料性能好，无热惯性； ( 4 ) 能源利用率和加热效率高、安全卫生无污染等优点。微波加热技术在国外已经实 现了工业化，我国近两年也开始了这方面的研究和应用。我们的研究尚处初级阶段，制 造的微波高温加热设备还存在许多问题和不足，这些问题有待于分析和解决，为此，提 出本课题。 本课题拟在总结前人技术、经验基础上，对实验室原自制设备的不完善之处作出仔 细分析和改进。完成以下内容，为以后微波加热技术的更深入研究提供参考。 1 微波高温加热设备现存问题的分析：通过理论学习、长期的使用经验及试验， 分析现有实验室原自制微波高温加热设备存在的不足； 2 对现有微波高温加热设备的结构，部件进行实验分析和合理的设计： 分析影响微波发生器使用寿命的几个主要因素； 找出炉腔结构合理设计的方法； 根据炉腔结构设计原则，开发一台新设备并进行实验比较。 3 开发能够应用在微波场中的热电偶测温系统； 3 通过试验，研究s i c 不同成型参数( 微波功率以及s i c 的用量、粒径、成型压 力、成型温度等) 对其在微波场中升温特性的影响。 4 进行微波加热技术在无机非金属材料上的应用实验，以证明自制设备和工艺的 可靠性。 3 第二章文献综述 2 1电磁场理论基础 第二章文献综述 2 1 1 什么是微波 微波是无线电磁波中波长最短的电磁波，它包括从l m 到0 1 m m 的波长范 围，其相应的频率范围为3 0 0 m h z 3 0 0 0 g h z 。通常将它划分为4 个分波段，如 表2 1 所示【6 j 。 表2 - 1 微波波段表 t a b l e2 1m i c r o w a v eb a n df o r m 按照国际有关组织的规定，用于工业、科研和医学应用的微波频率应当选 择9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、2 8g h z 等，以免干扰雷达或其它通讯设备，所以陶瓷微 波处理的微波频率也往往选择这些频段【酗。 2 1 2 微波传输的基本方程 2 1 2 1 迈克斯威尔( m a x w e l l ) 方程与边界条件 有关电场强度、磁场强度等方面由m a x w e l l 方程来描述。m a x w e l l 方程的微 分形式【7 1 ： 式中： r o t h = j + ( d d d t ) r o t e = - ( d b d t ) d i v d = p 舢= 0 e 一电场强度，v m d 一电位移，c m 4 ( 2 1 a ) ( 2 1 b ) ( 2 1 c ) ( 2 1 d ) 第二章文献综述 h 一磁场强度，a ，m b 一电场强度，w b m j 一磁感应强度，a m p 一自由电荷体密度，c m 3 电磁场的各矢量之间还应满足如下辅助方程： d = e e ( 2 - 2 a ) b = u h ( 2 2 b ) j = a e ( 2 - 2 c ) 式中c 、“，o 是表征媒质电磁性质的三个参量： e 一介电常数，f m p 一磁导率，h m o 一电导率，1 ( o ) 上述m a x w e l l 微波方程组，只是在连续媒质场中方能成立。在不同媒质的 分界面上，场量可能会发生不连续变化，其变化要由边界条件给出。边界条件 可以由m a x w e l l 积分方程直接导出【7 1 。 在微波技术中，常见的是图2 1 所示的两类边界条件： ( a ) 两种理想介质的界面； ( b ) 理想导体的表面 图2 - i 电磁场边界条件示意图 f i g 2 一ls k e t c ho f e l e c t r i cm a g n e t i c f i e l db o r d e rc o n d i t i o n 5 第二章文献综述 1 理想介质的分界面上的边界条件： 假定在分界面上既没有自由电荷，也没有传导电流，则其边界条件为： 见i = 见2 即 b 1 e l = 占2 e 2 ( 2 - 3 a ) = 哦2 即l 见l = u 2 乜2 ( 2 - 3 b ) 只l = q 2 ( 2 - 3 c ) e l = e 2 ( 2 - 3 d ) 上式表明：在界面两边的d 和b 的法向分量及e 和h 的切向分量都是连续 的。 2 理想导体表面的边界条件： 良导体( 如银和铜等) 的电导率。很大，作近似处理，可以设o 一一，这 是理想导体。在理想导体中e = 0 ，b = 0 ，自由电荷和电流都集中在表面无限薄的 一层内。令p 。为单位面积上的电荷，称为“面电荷密度”，令j 为垂直流过单 位长度的表面电流，称为“线电荷密度”。界面的法线取向，如图2 - 2 所示，则 理想导体表面的边界条件为： l = 成即n x d = 以 ( 2 - 4 a ) 风= 0 即n b = 0( 2 - 4 b ) e = _ ，即n h 气 ( 2 - 4 c ) e t = 0 即n e = 0( 2 - 4 d ) 式( 2 4 ) 说明，在理想导体表面上，电场e 总是垂直于表面，而磁场b 总是 平行于表面；d 矢量在数值上等于自由电荷密度p 。，并垂直予表面；在导体表 面上的线电流密度j ，其数值j 等于导体表面的磁场强度h ，其方向是矢量r l h 的方向，可按右手定则确定之。 2 1 2 2 波动方程 在真空中的波动方程为【8 】： v 2 e + k 2 e = 0 ( 2 - 5 a ) v 2 日+ k 2 日= 0 ( 2 - 5 b ) k 与电磁波的频率f ，自由空间波长 以及真空中的光速c 之间有如下关系： k = 2 n f c = 2 石2 ( 2 6 ) 6 第二章文献综述 2 2 微波加热技术基础 2 2 1 微波热效应机理 传统的加热方式( 如烧、烤、烘) ，物料的受热一般是通过热传导或热辐射 的方式由表及里进行的，被加热的物体可以是介质也可以是导体。微波加热的 对象是介质，介质存在极化现象，当微波通过介电材料时，介质的极化将发生 扰动，内电场在材料内部使自由电荷和束缚电荷产生位移，并且使复合电荷产 生旋转。对这些粒子运动的阻力如惯性力、弹性力和摩擦力等( 它们均与频率 有关) 产生了能量损耗及电场衰减，从而以热的形式表象出来而是介质的温度 升高，这种现象称为微波的热效应，也是物料进行微波加热的基本原理哺1 。 2 2 2 材料的介质特性 电介质就是通常所说的绝缘材料，如木材、橡胶、塑料、石油和空气等。电 介质物质的原子核对核外电子有很强的束缚力，因而理想的电介质不导电。但 当把一块点介质材料放入电场中时，它也要受到电场的作用，其分子或原子内 的正负电荷将在电磁力的作用下产生微小的弹性位移或偏转，形成可一个个小 电偶极子，这种现象称之为电介质的极化。 从电介质的微观点结构分析，电介质的极化主要有4 种形式哺1 ： 1 电子极化 在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极 化，建立或消除时间为1 0 。5 1 0 d 6 秒； 2 原子极化 在外电场作用下，原子( 或原子基团) 或离子发生相对位移形成的极化， 建立或消除时间为1 0 m l o 郴秒； 3 偶极子转向极化 当极性分子受外电场作用时，偶极子与电场发生作用而产生转矩，从整体 来看，偶极矩就不再为o ，而出现沿外加电场方向的宏观偶极矩，这种极化称为 偶极子转向极化； 4 界面极化( 空间电荷或m a x w e l l w a g n e r 极化) 这种极化是由两种不同介质形成的界面上产生的电荷引起的，因此称为界 7 第二章文献综述 面极化或夹层极化。 对微波频段内材料介质特性的了解在对材料进行微波加热时是十分必要 的，描述材料介质特性的参量是介质的复介电常数，1 9 j ，即： s 2 占一，占盯 ( 2 7 ) 式中，为介电常数，占品为包括电导效应在内的有效损耗因子，而 t g s 咿= 易称为损耗角正切，简称为损耗正切。占7 及略都是频率厂及温度t 的函数，a y o nh i p p i e 收集了大量无机材料及有机材料频率在1 0 0 1 0 ”h z 及 温度在一1 2 2 0 0 范围内的介电常数数据，并列成表格以供高频加热应用时查 阅1 1 0 。但目前无机材料在高温下的介电常数数掘积累仍很少，因为陶瓷材料的 微波烧结都是在远远高于2 0 0 1 2 的高温下进行，这就使处理工艺的制定、加热模 型的建立及有关机理探讨变得十分困难。再加上此项工作的设备要求高、难度 大及研究费用较高，国外只有少数几家研究机构从事该项研究1 1 0 1 。 下面我们来具体分析复介电常数( 或损耗因子) ，与温度和频率的关系： 1 复介电常数，与温度的关系l 】 材料的复介电常数占。时与温 度有关的，有些陶瓷材料的，随温 度的变化很小，而有部分陶瓷材料 的，随温度上升而增加。在这些材 料中，陶瓷材料的，随温度的变化 率d 匕d t 是正的，而且当温度超 过临界温度后，如d t 会迅速增 加，使得材料的温度失去控制，这 在微波加热中称为“热失控”。表 2 - 2 列出了某些材料具有正斜率的 例子。临界温度t 。指出了在这一 温度下很快增加，但在某些材 料中与t 的关系是比较平坦的， 因此给确定t c 带来了很大困难。 发生“热失控”现象的典型例子是 尼龙6 6 ，其特性如图2 3 所示。 a 警o 1 - 0 。i ，l 图2 - 3 尼龙6 6 的有效损耗因子与温度的关系曲线 f i g2 3 一tr e l a t i o ng u l t co fn y l o n6 6 8 第二章文献综述 当它吸收一部分微波后，其温度上升，温度上升使得略增大，它又反过来促使 温度的进一步上升，如此继续不断，最后导致材料的损坏，除非及时采取措施 如切断微波能的供应或将材料从加热区移去。“热失控”在陶瓷微波烧结及焊接 中亦是一种重要的现象，在后面的陶瓷微波加热中将作进一步的讨论。在设计 微波加热系统时，必须考虑由于正的如品刀引起的热失控现象，通常对于单位 体积的被加热物质，吸收的微波能正比于a t v 2 t ，散失的热量正比于易二厂e 2 ， 这里a ，为热扩散率，当易厂e 2 等于a ，v 2 t 时则物质处在一个平衡的温度上。 表2 - 2某些材料临界温度t c 的近似范围 t a b l e2 2s o m em a t e r i a l sa n dt h e i rt c 材料名称频率( g h z ) 密度( 1 0 6 堙m 3 ) t 。( ) 氧化铝 3 8 9 3 6 l3 6 68 0 0 氧化铝 3 9 4 3 7 l3 8 06 5 0 7 0 0 ( n d s l 0 f 2 ) 热压氮化硼 5 1 7 4 9 6 1 9 4 7 5 0 8 0 0 h p 0 0 8 6 热解氮化硼 9 2 1 9 0 41 2 31 7 0 0 云母块 2 4 54 5 0 尼龙 3 o1 4 0 一1 5 0 陶瓷 ( t c 3 0 2 h ) s 5 24 0 0 玻璃陶瓷 9 3 71 8 0 合成橡胶 ( 未硫化) 2 84 0 介质特性数据是重要的，它给出了损耗因子易的大小，它与其它参量如电 场强度及频率一起决定了一定体积材料所能吸收的微波功率。当物质吸收了一 定量微波功率，决定了温度上升的速率，损耗因子愈大，材料越容易吸收入 射的微波能，升温速率越高；当材料的损耗因子小于1 0 2 时，为了获得合适的 温度上升速率，就需要提供很高的电场强度。另一方面，当损耗因子大于5 时，可能会出现传透深度问题。这时由于材料对微波辐射的强烈吸收，入射能 量大部分被吸收在数毫米厚的表层里，而对其内部影响很小，这就造成了加热 9 第二章文献综述 不均匀的后果。所以损耗因子一般被限制在o 0 1 5 的范围内，但这些限制可以 根据实际情况而定。 2 3 微波与材料的相互作用 根据材料的损耗因子可以将材料分为三类：微波透明材料、微波反射材料和微 波吸收材料，如图2 - 4 所示13 1 。损耗因子小于0 0 1 时，微波在材料中的损耗接 m | l o 一lt y p c t r h s p r e n t ( l o wl o s s i n s u l a t o t ) o p o u e t c o n e u c t o t ) 呸巫习a g s o r e e r 厂v 憧圈 ：蠡( m l u e d ) ：- h o ( f i e i l e c l p f i l i | 怕t o l l i p m r l i i t ot o l i 图2 - 4 微波与材料的相互作用 f i g 2 4t h ei n t e r a c t i o no f m i c r o w a v ea n dm a t e r i a l s 近于零，因此微波能几乎完全透过该种材料，此材料为微波透明材料；第二类 是微波反射材料，微波入射到金属导体表面能完全被反射回去，因此金属材料 往往用于制造波导；微波吸收材料的损耗因子则介于上述两种材料之间，入射 的微波功率强度随着穿透深度的增加而减少。当材料的介电损耗大于5 时，则 材料为强吸收微波材料，微波在材料中的穿透深度仅为数毫米。为了提高微波 透明材料的介电损耗，从而完成微波处理，可在材料中加入微波强吸收材料。 工业上一个应用的成功范例就是将炭黑添加物如i s a f ，h a f ，f e f 加入异烯或 e p d m 橡胶中去提高微波能的预处理能力。 2 3 1 微波场中有耗介质吸收的能量 2 3 1 1 假设不存在极化弛豫，即没有极化损耗，介质损耗完全由漏电引起1 1 4 j ； 1 0 第二章文献综述 根据m a x w e l l 电磁理论，介质中总的电流密良b + 以，。为传导电流，以为位移 电流，在各向同性介质中，当电场不很强时，对于频率为。的电磁波 以= 口e ，厶= f m e e ( 2 - 8 a ) 于是j - ( 盯+ f 傩o f ) e = f 嬲。占+ e 占+ ：占一f ! l = e t - - f s 一( 2 8 c ) o ) e o 介质吸收能量密度p = r e ( j xe ) = r o e 。占。旧2 2 3 1 2 假设介质漏电电导率a = 0 ，介质损耗完全来自极化弛豫，介质吸收能量也用复 介电系； 数的虚部表示 p=嬲oiel2(2-9) 由德拜公式占 ) = 气+ 譬得 仁锵i r a1 +。f 。 ( 2 1 0 ) 式中f 为弛豫时间常数。 2 3 1 3 对实际介质，其损耗可看作由三部分组成：电导损耗、极化弛豫损耗和共振吸 收损耗； 对于固体介质，其中各种共振吸收频率大都大于1 0 1 2 t t z ，当电磁波频率远小于1 0 1 2 h z 时，共振吸收很难发生，可忽略不计，于是微波场中实际介质损耗可写为 p = 嬲o ( + 占：) 旧 = 嬲。岳+ 等1 1 e 1 2 巾+ 等笋阍2 涵 2 3 1 4 介质损耗功率随温度r 、频率的变化。 当温度不变时，( 2 - 1 1 ) 式第一项不随国改变 当珊，2 l 时，尸= 【盯+ ( t 一气) s 。f l e t 2 ( 2 - 1 2 a ) 当甜r 2 l 条件，由( 2 一i 2 a ) 式得 叫a 晰务+ 风e x p ( 鲁) 】i 司2 ( 2 _ 1 4 ) 当温度r 升高，r 指数减小，很快变成2 f 2 l ，f ：k ：生姿痧 r ：鹱小2 居 涵 1 + ( 1 + 挣 恬。 d p ( 2 - 1 7 b ) f ：昙忑名：要( 2 - 1 8 ) 弘i 岛胁万2 万 啡= 筹 涵1 9 ) 因为：l + 鱼 兰# 警 l ，所以l l 是罢 1 的充分条件，微波段 s 棚1 - 4 - 0 3 t ( 0 8 n8 a j 第二章文献综述 1 0 。q 。1 c m 。1 时，就已是高耗介质了。对于2 4 5 g h z 的微波，不考虑极化弛豫。电导 率为5 1 0 - 3 q 。c m 4 时，利用( 2 1 7 a ) 、( 2 1 7 b ) 式得r = 0 4 1 ，d 。= o 2 8 c m 当电导 率为5 1 0 2 q 。1 c m 1 时，置= 0 8 1 ，d 。= o 0 9 吼。当电导率为5 1 0 - 1 q - 1 c m - 1 时， r = o 9 4 ，d 。= 0 0 3 m 可见电导率 1 q 1c e 1 的材料几乎不能用微波加热。因 矿：- - + ( 8 n - - 6 , 丁0 ) f d 2 l 所以l 是占， l o 。q - 1 c m 一，因此这些 氧化物的大块体材料不易用微波加热到很高 的温度，但正因为其微波损耗很高，是氧化 物，如利用其作弥散添加剂加到其低耗的无 机材料中，则能促进这些材料的吸波升温。 由图2 7 可看到，s i c 在5 0 0 以上，电导率 9 9 z f o ：”y p ， 巾2 5 m mx m m 2 8 a n l n l l1 5 09 9 9 z r 0 2 - t # y 归， 啦5 m m x m m 2 4 5 a f + 1 n ： 11 9 5，6 9 9 z r o ，- t - s y ：o ， p e l l e t2 4 5 a i r9 7 j z t i d 2 ( p s z ) p c i i d2 4 5a i r 18 3 02 4 粥 z r o j + i o z o n p e l l e t2 ，4 5 耵9 9 6 z v 0 2 + 1 0 s 【w h , s k e r s ) p e l l e t 24 5a 打7 17 0 0 h e a t i n gl i m ef r o ml o o mt e m p e r a t u r et ot e m p e r a t u r em d t c a t e d ； m 1 c r o w a v h l d u d p i a s 眦s i n t e r i n 8 ； a l lp m p o n i o ma r eo nm a s s ) 3 其它问题 “热失控”和“热斑”是陶瓷微波烧结过程中常出现的现象。“热失控”是常规 第二章文献综述 加热技术中不可能出现的现象，其特征是在微波加热过程中，由于材料介质损 耗突增导致温度突增数十至数百度，结果多是导致材料开裂 3 1 3e 比较有效的消 除这一现象的方法还是混合式加热，把介质损耗突增的温度区置于间接加热区 内。也可以控制微波能量，使微波能量脉冲化，改变微波发生系统或使用器的 设计也可以避免“热失控”和“热斑”现象的出现。 2 4 4 微波烧结的陶瓷材料 1 9 7 6 年，a j b e r t e a u d 和j c b a d o t 首先报道了在实验室中用微波烧结成 功氧化铝的试验。但在八十年代中期以前，微波烧结陶瓷研究主要局限于一些 容易吸收微波而且烧结温度又较低的陶瓷材料，近年来已经用微波法直接烧结 成许多不同的精细陶瓷，陶瓷的微波等离子烧结也有报道。表2 - 4 盱2 3 列出了微 波烧结成的部分陶瓷材料。 2 5 微波加热设备 2 5 1 微波加热设备的主要部件 微波发生装置是微波加热设备中的最为重要的部件，作为微波烧结装置的 “心脏”，它的功率和频率参数将关系着整个微波加热装置的性能和成本。在微 波烧结装置中我们一般选择磁控管( m a g n e t r o n ) 、调速管( k l y s t r o n ) 或磁旋管 ( g y r o t r o n ) 作为微波发生器，较常使用的频率为：9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、6 g h z 、 2 8 g h z 、6 0 g h z 等。一般较低的频率如9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 可选择磁控管作为微 波发生器，6 g h z 选择调速管，而较高频率2 8 g h z 和6 0g h z 应选择磁旋管( 参 见表2 5 t3 3 1 ) 。 我们假设满功率为1 0 0 0 w 的磁控管在一个周期( 1 m i n ) 的输出功率为 1 0 0 0 w 。一般的微波炉是通过调节磁控管在一个周期内接通和关闭的时间来分 配微波的最大输出功率从而获得所需功率，这种方法我们称作是微波功率的“时 间分割”法。如果使用这种方法，为得到2 5 0 w 的微波功率，调节开关将把一 个周期内微波接通的时间控制在2 5 ( 见图2 - 1 6 a ) 。对于交功率输出微波系统 ( v p m s ) ，它可以提供连续可变的功率输出。同上面的例子，我们要选择2 5 0 w ， 那么在一个周期内微波炉将直接提供2 5 0 w 的功率。( 见图2 1 6 b ) 第二章 文献综述 表2 - 5 各种微波发生器的特点 t a b l e2 5m i c r o w a v et u b ec h a r a c t e r i s t i c s p o w e r f r e q u e n c y e f f i c i e n c y c o s t c o s ts p e c i a l ( k )( g a z )( )( $ k )( s w a t t )r e q m t s k a g n e t r o n “c o o k e r ”12 4 56 0 - 7 00 0 50 0 5 i n d u s t r i a l5 t 0 1 52 4 56 0 - 7 03 5 00 3 5w a r e l i n d u s t r i a l5 00 9 1 56 0 - 7 0 5 0 0 0 1 0 c o o l e d t a t e r k l y s t r o n c o o l e d e x a m p l e 5 0 03 6 0 s 3 5 0 0 0 0 7 0 e x a m p l e 2 5 066 0 s2 0 0 0 00 8 0 e x a m p l e 2 5 01 06 0 s3 7 5 0 0l5 0s s g y r o t r o n s e x a m p l e 2 0 02 83 0 s4 0 0 0 02 0 0 e x a m p l e 2 0 0 6 0 3 0 s 4 0 0 0 0 2 0 0 s c s c s p e e i a lr e q a j r e m e n t s ： s s o l e n o i df o rb e a mf o c u s s c - - s u p e rc o n d u c t i n gs o l e n o i d 2 5 2 微波加热谐振腔的场型设计 对于微波加热谐振腔的设计，一般要考虑到谐振腔具有较好的微波场均匀 性和较高的q 值。因为加热谐振腔内微波场的均匀性好坏将直接影响到被加热 物质加热均匀与否和微波能转化为热能效率的高低。 1 谐振腔的基本参量 在普通无线电技术中，具有集中参数的谐振回路的基本参数是l 、c 、r ( 或g ) ， 由此可以导出其余回路的参量：谐振频率f o 、固有品质因数q o 和特性阻抗。 然而，在一般情况下不把l 、c 引入谐振腔中，因为这两个参数没有确切的物理 意义。在微波波段，把谐振腔频率f 0 ( 或谐振波长 o ) 、固有品质因数q o 和特 性阻抗。作为谐振腔的基本参量。 ( 1 ) 谐振频率f 0 第二章文献综述 f o 就是谐振腔中该模式的场发生谐振时的频率，所谓谐振可由腔内场最强 或电场能量与磁场能量幅值相等来判断。f o 的计算方法主要有以下几种：场解 法，相位法，电纳法和集中参数法。 ( 2 ) 固有品质因数q o 谐振腔的固有品质因数q o 定义为： 腔体内储存的电磁场总能量 q o = 2 一个周期中腔体的损耗能量 谐振时间 = 2 万“昂丁o ) = 国o r ( 2 - 2 4 ) 式中，w o 为谐振时的腔内总储能，p o 为谐振时的腔内损耗功率( 平均值) ， t o 为谐振周期。根据上述定义，q o 是衡量腔内储能与能耗的一种质量指标，故 称为品质因数。 1 23 4 t 雌+ 图a 使用“时间分割法”分配微波功率 f i g ad i a g r a m m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f h o wt i m e - s l i e c dm i c r o w a v ep o w e ri sa p p - l i e d t o t h e i o a d t m 图b 微波功率连续变化输出 f i g bd i a g r a m m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f h o wm i c r o w a v ep o w e ri sa p p l i e dt ot h el o a d w i t l lv a r i a b l ep o w e rm i c r o w a v es y s t e m s 图2 - 1 6 微波能输出方式示意图 f i g 2 1 6d i a g r a m m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f h o wm i c r o w a v ep o w e r i sa p p l i e dt ot h el o a d ( 3 ) 特性阻抗。 在定义特性阻抗。以前，先引入两个辅助参量，定义谐振电阻为： r o = 矿2 ( 2 p o ) ( 2 2 5 ) r 。的倒数定义为谐振电导： 第二章文献综述 g o = i r o = 2 p o ( v 2 ) ( 2 - 2 6 ) 式中，只为谐振腔内损耗功率。 定义的腔口谐振电阻凡是腔口电子注穿过处的高频电场相对强度的度量， 心越高，腔口高频电场e 就越强，在其他条件相同时，腔与电子注换能的效率 就越高。因此为了提高微波管的效率，希望电场尽量集中于腔e l ，即风越高越 好。 通常不采用心作为腔的基本参量，这是因为不仅决定于腔口电压v ，而 且与腔内损耗功率p 。有关。腔内损耗功率与工艺条件有关，很难准确计算，另 一个基本参量q o 中已经考虑了腔内损耗的影响。所以希望能定义一个与损耗无 关的基本参量来表征腔口电场强度。为此定义腔的特性阻抗为： 彘= r o q o ( 2 - 2 7 ) 显然如此定义的彘与损耗无关，只决定于腔内的场分布，对于形状简单的 腔，只要解出了其中工作模式的场分布，就可以算出其特性阻抗。 必须强调指出：谐振腔的三个基本参量f 。，q 。和。都是对一定的振荡模式 而言的，不同的模式，其基本参量的数值一般是不同的。了解谐振腔的基本参 数就可以进一步探讨陶瓷烧结用的加热腔体。 2 ，加热谐振腔的选择 目前使用的微波加热腔主要存在谐振式和非谐振式两种，谐振式加热腔中 有单模谐振腔和多模谐振腔之分。多模谐振腔的特点是结构简单，适用于各种 加热负载，但由于腔内存在着多种谐振模式，导致了加热均匀性较差也较难精 确分析，完全靠实验设计。为改善多模腔的均匀性，人们常采用以下几种方式： ( 1 ) 设计一个腔体使其在某一个方向上的尺寸至少是微波波长的1 0 0 倍， 在腔体内形成相当于对微波进行漫反射的“绝对黑体”，以使微波充分叠加； ( 2 ) 提高频率，这样可使腔体中的电场强度的差小于( ) 4 。使用这两种改 进的一个比较成功的例子是美国橡树岭国家实验室的大型微波烧结装置口钔。他 们选用功率为2 0 0 k w 的调速管，把频率从原来的2 4 5 g h z 提高到2 8 g h z ，使微 波波长与体积为0 5 6 m 3 的腔体尺寸之比从原来的l ：3 提高到1 ：1 0 0 ，从而大大提 高了腔体内的均匀性，使电场的波动不会超过4 ； ( 3 ) 在烧结过程中不断移动试样，使试样各部分受到的平均电场强度均等。 ( 4 ) 依靠电动机驱动加热器的转动，依靠控制电动机的运转使加热器能够对 第二章文献综述 烧结试样精确的分析，全方位或某一处进行加热 钉； ( 5 ) 在微波入口添加模式搅拌器搅乱电场的分布 3 6 e 模式搅拌器虽然是一个简 单的机械结构，但它对改善加热均匀性起到重要作用。关于它的作用机理目前 人们很难作出精确的分析。单模谐振腔能在腔内的电场强度要比多模腔高，适 用于低损耗的材料或微波源功率不大的情况。 图2 - 1 7单模谐振腔示意图 f i g 2 1 7t h es k e t c ho fs i n g l e m o d eh e a t i n gf u r n a c e 图2 1 7 给出的是一种单模谐振腔示意图 。耦合孔的作用是使波导口与加热 腔形成匹配，使微波能尽可能多的被耦合进腔体中。短路活塞的作用非常大， 通过它的移动可以改变谐振腔的长度从而补偿由于材料的不同造成的谐振频率 的漂移。 2 5 3 温度测量 精确