材料与微波的相互作用(o)

1、a1微波在材料科学与工程中微波在材料科学与工程中的应用的应用Microwave Power Applications in Science & Engineering of Materials 张兆镗张兆镗 Prof. Zhang Zhao tang 电子科技大学电子科技大学 University of Electronic Science & Technology of Chinaa21.概述概述Introduction 二次大战后不久二次大战后不久,美国美国的的Spence首先发现了首先发现了微波与物质的相互作用微波与物质的相互作用(interaction of microwave and

2、 matters),于是他就发明了于是他就发明了世界上第一台世界上第一台微波炉微波炉,他用微波爆玉米花他用微波爆玉米花,观观看鸡蛋爆炸等实验看鸡蛋爆炸等实验,因为他是搞雷达的因为他是搞雷达的,因此因此取名为取名为“雷雷达达炉炉 ”radar oven,后改名后改名为为“烹饪炉烹饪炉”cooking oven,最后才改最后才改名为今天名为今天 的的“微波炉微波炉”microwave oven 。a3 上世纪七十年代上世纪七十年代,民用领域內民用领域內,微波功率微波功率主要主要应用于应用于食品食品(food)与与橡胶橡胶(rubber)两个行两个行业。不久后业。不久后,微波功率微波功率在在橡胶硫化

3、技术橡胶硫化技术,光纤光纤棒预制技术棒预制技术,微波等离子体刻蚀、掩膜及气相微波等离子体刻蚀、掩膜及气相沉积技术沉积技术,陶瓷烧结技术陶瓷烧结技术等方面取得了突破等方面取得了突破,发展成相应的产业发展成相应的产业,令材料学界刮目相看。令材料学界刮目相看。 今天今天,微波微波在在新材料制备与制造新材料制备与制造,材料改性材料改性,材料合成材料合成,材料处理等材料处理等领域领域,扮演着极为重要扮演着极为重要和不可缺失的角色和不可缺失的角色,成为材料制备中一种先进成为材料制备中一种先进的加工手段。的加工手段。a4 近十年来近十年来,微波功率不仅在微波功率不仅在固态固态与与液态液态物料领域跨学物料领域

4、跨学科地被广泛推广应用科地被广泛推广应用,而且逐渐扩大至而且逐渐扩大至气态气态 和和等离子态等离子态领域中的应用领域中的应用,可以明显地看到下面一些诱人的潜在应可以明显地看到下面一些诱人的潜在应用市场用市场,具有很大的经济与社会效益，例如具有很大的经济与社会效益，例如:1.固体垃圾固体垃圾(包括医疗垃圾包括医疗垃圾,放射性垃圾放射性垃圾)的微波焚烧或处的微波焚烧或处理理; solid waste microwave disposal2.废棄轮胎的微波处理与加工废棄轮胎的微波处理与加工; waste tyre disposal3.微波化工工程的探索微波化工工程的探索(例如天然气制造乙烯例如天然气

5、制造乙烯); microwave chemical engineering4.废气微波治污废气微波治污(如有毒气体的消解如有毒气体的消解); polluted air microwave prevention and decomposition5.微波等离子体及火炬微波等离子体及火炬(MPT)的应用的应用(微电子及固体器件微电子及固体器件及其它领域及其它领域) 。Microwave Plasma Torch (MPT)a52.微波功率在材料科学与工程中的应用领域微波功率在材料科学与工程中的应用领域Microwave power applications fields in science &

6、engineering of materialsA.陶瓷类材料陶瓷类材料(ceramic materials) (1)电子陶瓷的干燥及粉体合成与烧结电子陶瓷的干燥及粉体合成与烧结 (2)电瓷、日用陶瓷、建筑陶瓷的干燥与烧成电瓷、日用陶瓷、建筑陶瓷的干燥与烧成 (3)结构陶瓷、蜂窝陶瓷的干燥与烧成结构陶瓷、蜂窝陶瓷的干燥与烧成 (4)保温耐火材料的干燥与烧成保温耐火材料的干燥与烧成 (5)氧化锆陶瓷的烧制氧化锆陶瓷的烧制 (6)陶瓷卫生洁具的干燥与烧成陶瓷卫生洁具的干燥与烧成 (7)陶瓷工艺品的烧制陶瓷工艺品的烧制 (8)工程陶瓷制品的预烘与烧结工程陶瓷制品的预烘与烧结 (9)微波介质陶瓷的烧结

7、微波介质陶瓷的烧结a6 B.冶金类材料冶金类材料(metallurgic materials )(1)粉末冶金和硬质合金材料的烧结粉末冶金和硬质合金材料的烧结(2)粉体或颗粒材料的锻烧或合成粉体或颗粒材料的锻烧或合成(3)氮化铁合金材料氮化铁合金材料(氮化钒氮化钒,氮化锰氮化锰,氮化硅氮化硅,氮氮化铬化铬)的制备与生产的制备与生产(4)碳酸锰焙烧碳酸锰焙烧(5)各种金属碳化物氮化物氧化物的焙烧与合各种金属碳化物氮化物氧化物的焙烧与合成成(6)金属熔融及热处理金属熔融及热处理(7)金属氧化矿的碳热还原金属氧化矿的碳热还原(8)金属硫化矿的脱琉金属硫化矿的脱琉(9)特种合金的制备特种合金的制备 a

8、7C.纳米材料的制备纳米材料的制备(nanometer materials) (1)纳米硅粉熔融提纯纳米硅粉熔融提纯 (2)纳米钨粉碳化加工纳米钨粉碳化加工 (3)炭纳米管的制备炭纳米管的制备D.磁性类材料磁性类材料(magnetic materials) (1)磁性材料粉体预烧和器件烧结磁性材料粉体预烧和器件烧结 (2)硬磁、旋磁等铁氧体材料的烧结硬磁、旋磁等铁氧体材料的烧结 (3)钕铁硼稀土永磁材料的烧结钕铁硼稀土永磁材料的烧结 (4)Ni-Zn材料的烧结材料的烧结a8E.锂电池正极材料的干燥与高温合成锂电池正极材料的干燥与高温合成 (lithium battery positive pl

9、ate materials) (钴酸锂、锰酸锂、三元素、磷酸铁锂的干燥与合成钴酸锂、锰酸锂、三元素、磷酸铁锂的干燥与合成) F.人造金刚石生产工艺人造金刚石生产工艺(artificial diamond) (1)叶蜡石模具的干燥叶蜡石模具的干燥 (2)石墨加触媒颗粒料的焙烧还原石墨加触媒颗粒料的焙烧还原 (3)人造金刚石的氧化焙烧人造金刚石的氧化焙烧 (4)人造金刚石成品的干燥人造金刚石成品的干燥 G.稀土荧光粉的高温合成稀土荧光粉的高温合成(RE phosphor powder) (LED、灯用三基色长余辉等稀土材料的制备、灯用三基色长余辉等稀土材料的制备)a9H.橡胶的硫化与脱硫橡胶的硫化

10、与脱硫 curing & desulphurization I.高分子材料的固化高分子材料的固化 solidification of high molecule materialsJ.发泡材料的膨化或热处理发泡材料的膨化或热处理 swelling of foaming materialsK.分子筛催化材料的干燥与焙烧分子筛催化材料的干燥与焙烧 roasting of catalytic materials L.玻璃纤维的干燥玻璃纤维的干燥 drying of glass fiberM.尼龙绳索的定形尼龙绳索的定形 formalization of nelon ropeN.各种化工材料、无机粉体

11、或颗粒材料的干燥各种化工材料、无机粉体或颗粒材料的干燥O.中西药材的干燥中西药材的干燥 drying of medicineP.模具材料、建筑材料、玻璃制品、铸造型芯的干燥与模具材料、建筑材料、玻璃制品、铸造型芯的干燥与固化固化 drying & solidification of mould materialsQ.活性炭及炭黑的制备活性炭及炭黑的制备 active carbon makingR.微波隐身吸波材料的制备微波隐身吸波材料的制备 microwave absorb materials makinga103.材料的物电特性材料的物电特性Physical & electrical pro

12、perties of materials 3.1材料的分类材料的分类 Classification of materials按按形态形态分分: 固体固体,液体液体,气体气体,等离子体等离子体;按按导电率导电率分分: 导体导体,绝缘体绝缘体(电介质电介质),半导体半导体;按按结晶结晶分分: 晶体晶体(单晶单晶,多晶多晶),非晶体非晶体;按按极化率极化率分分: 极性材料极性材料,非极性材料非极性材料;按按分子量分子量分分: 低分子物质低分子物质,高分子物质高分子物质;按按分子结构分子结构分分: 链状结构链状结构,网状结构网状结构;a11低分子材料低分子材料分为：晶体与非晶体分为：晶体与非晶体;高分

13、子材料高分子材料分为：结晶结构与无定形结构分为：结晶结构与无定形结构; 也可分为天然与人工合成两类也可分为天然与人工合成两类;前者如纤维素前者如纤维素, 天然天然 橡胶橡胶,纸张纸张等等,后者如塑料后者如塑料,合成纤维合成纤维,人人 造涂料造涂料等。等。链状高分子物质链状高分子物质特点特点: 具有可溶性具有可溶性,易于加工易于加工,可可 反复使用反复使用,具有热塑性具有热塑性;网状结构物质网状结构物质特点特点: 具有不溶或不熔性具有不溶或不熔性,有较大有较大 強度和硬度強度和硬度,具有耐热性具有耐热性,耐溶性。耐溶性。a123.2 电介质的分类电介质的分类Classification of e

14、lectrical dielectric 1.非极性电介质非极性电介质:(non-polar materials) 如如氩氩,碳碳,CF4,甲烷甲烷(CH4),四氯化碳四氯化碳(CCl4), 丙烯丙烯(C8H8),聚乙烯聚乙烯,聚四氟乙烯聚四氟乙烯,聚苯乙烯聚苯乙烯,石蜡石蜡,地蜡地蜡,矿物油矿物油,聚异丁烯聚异丁烯,未硫化的橡胶未硫化的橡胶. 所有碳氢化合物所有碳氢化合物都都是非极性或弱极性是非极性或弱极性物质物质,如如其中的氢原子为卤族元素或其中的氢原子为卤族元素或OH,NH2,NO2基团基团所取代时所取代时,就变成就变成极性极性化合物了化合物了 。a132.极性电介质极性电介质:(pol

15、arity materials) 与非极性电介质相反与非极性电介质相反,当无外电场时当无外电场时,分子的正分子的正 负电荷重心不重合负电荷重心不重合,即分子具有即分子具有偶电矩偶电矩,由这些由这些 分子组成的电介质称为分子组成的电介质称为“极性电介质极性电介质”。 分子结构不对称的为分子结构不对称的为极性材料极性材料,如如水水,甲醇甲醇,乙醇乙醇,尿素尿素,丙酮丙酮,蛋白质蛋白质,血红蛋白血红蛋白,多乙酸乙烯酯多乙酸乙烯酯(C2H6O2),丙种血清拟球蛋白丙种血清拟球蛋白,聚氯乙烯聚氯乙烯,酚醛树酚醛树脂脂. a143.3 介质损耗与温度的关系介质损耗与温度的关系Relation betwee

16、n dielectric loss & temperature 在低湿度时在低湿度时,由于物理上的束缚效应减弱以及偶由于物理上的束缚效应减弱以及偶极子易于重新取向极子易于重新取向,使得损耗因子随温度上升而使得损耗因子随温度上升而增加增加 。当湿度超过。当湿度超过25%时时,损耗因子随温度的上损耗因子随温度的上升反而减小了。许多含水食品如升反而减小了。许多含水食品如牛肉牛肉,猪肉猪肉,土豆土豆泥泥,胡萝卜胡萝卜,鱈魚鱈魚,猪肝猪肝等都是如此。等都是如此。a15a.介质损耗的温度特性介质损耗的温度特性Temperature characteristics of dielectric loss (a

17、)负斜率负斜率 (b)正斜率正斜率 (c)正斜率正斜率negative slope positive slope positive slopea16b.尼龙尼龙66的介质损耗的正斜率特性的介质损耗的正斜率特性positive slope characteristic of dielectric loss of nelon 66a17c.水的介质损耗的负斜率特性水的介质损耗的负斜率特性经验公式经验公式: 320/Tpermittivity & dielectric loss of watera18水的介电常数实部与温度及频率的关系水的介电常数实部与温度及频率的关系Relation between

18、 permittivity of water and temperature & frequency (UESTC)a19水的介电常数虚部与温度及频率的关系水的介电常数虚部与温度及频率的关系Relation between dielectric loss of water and temperature & frequency (UESTC)a20d.热平衡与热失控热平衡与热失控heat balance & thermo runaway介质损耗的介质损耗的正斜率正斜率d”/dT 特性会引起材料在特性会引起材料在加热过程中的加热过程中的“热失控热失控”现象现象,通常通常,在单位体积在单位体积內的

19、监温度上升速率比例于內的监温度上升速率比例于”f E2,而同一体而同一体积内的热逸散则比例于积内的热逸散则比例于 2T, 这里这里为热扩为热扩散率散率;当当”f E2等于热逸散率时等于热逸散率时,就建立起一个就建立起一个平衡平衡的温度的温度,否则可能导致否则可能导致热失控热失控现象现象,最终导最终导致物料内产生致物料内产生“热斑热斑”,或损坏或烧毀。或损坏或烧毀。 介质损耗系数介质损耗系数” 随温度急剧变化并上升的随温度急剧变化并上升的温度称为温度称为“临界温度临界温度”。a21损耗因子与温度的关系损耗因子与温度的关系Relation between dielectric loss and t

20、emperaturea22正斜率材料临界温度的近似值正斜率材料临界温度的近似值Critical temperature of positive slope materials 材材 料料 名名 称称 频率频率 f(GHz) Tc (C)氧氧 化化 铝铝 3.613.89 800氧化铝氧化铝(NDS10F2) 3.713.94 650700热热 压压 氮氮 化化 硼硼 4.965.17 750800热热 解解 氮氮 化化 硼硼 9.049.21 1700云云 母母 块块 2.45 450尼尼 龙龙 3.0 140150陶陶 瓷瓷 8.52 400玻玻 璃璃 陶陶 瓷瓷 9.37 180合成橡胶合

21、成橡胶(未硫化未硫化) 2.8 40滑滑 石石 2.45 400450a234.微波功率对材料的作用微波功率对材料的作用Microwave power action on materials 微波对材料微波对材料(包括无机材料、有机材料、高分包括无机材料、有机材料、高分子材料、功能材料、磁性材料、压电材料、生子材料、功能材料、磁性材料、压电材料、生物材料物材料.)的作用存在以下各种效应的作用存在以下各种效应(单一效应单一效应或复合效应或复合效应): a.热效应热效应 (thermal effect) b.电场效应电场效应 (electric field effect) c.物化效应物化效应 (

22、physical chemical effect) d.电磁生物效应电磁生物效应 (electromagnetic biologic effect)a245.微波加热原理微波加热原理Principle of microwave heating 微波微波加热方式的温度适应范围分为加热方式的温度适应范围分为:50100C: 加热加热,脱水脱水,真空干燥真空干燥,煮白煮白,灭灭菌菌, 散包散包,整形整形,解冻解冻,100200C: 膨化膨化,发泡发泡,焙烧焙烧,脱硫脱硫, .200400C: 硫化硫化,微波热风微波热风,微波熬油微波熬油, 400C: 高温烧结高温烧结,粉末冶金粉末冶金,废气处废气处

23、理理,材料合成材料合成,a255.1材料单位体积内吸收的微波功率材料单位体积内吸收的微波功率Microwave power loss in unit volume of materials 微波在非金属材料单位体积内的功率耗散微波在非金属材料单位体积内的功率耗散为为: p = o” E2rms = 2fo” E2rms - ( W/m3)式中式中: f-微波频率微波频率; o真空电容率真空电容率; ” -介质损耗介质损耗; E2rms-电场有效值电场有效值.在输入微波功率已定时在输入微波功率已定时,材料吸收功率与材料吸收功率与工工作频率作频率f及微波损耗及微波损耗”的乘积成正比。的乘积成正比。

24、a26 5.2a27a28a29d.水与固态物加热过程中的温升及温度水与固态物加热过程中的温升及温度分布变化分布变化Temperature distribution change water solid mattera30e.微波加热工艺技术的选择微波加热工艺技术的选择Selection of microwave heating technology根据被加热材料的介质损耗根据被加热材料的介质损耗,导热率导热率,材料的体积、形状等物电特性材料的体积、形状等物电特性,适当适当选择微波加热功率和加热时间选择微波加热功率和加热时间,可使可使材料在加热过程中材料在加热过程中,均匀地加热均匀地加热,里外

25、里外的的温度梯度温度梯度接近接近为零。为零。a315.3 不同材料形状对微波电场极化方向不同材料形状对微波电场极化方向的要求的要求Requirements of polarization direction of electrical field of various materials shapea32电场的线极化与圆极化电场的线极化与圆极化Linear polarization & circular polarization1.对具有纤维或纹理方向的板料或片状料对具有纤维或纹理方向的板料或片状料,如如纸张、木板、纺织品等应使电场方向与板纸张、木板、纺织品等应使电场方向与板片平行片平行,如上

26、图如上图(b),而不是相垂直如图而不是相垂直如图(a);2.对块状物对块状物,应使电场与较厚方向平行应使电场与较厚方向平行;如图如图(c)及及(d);3.对球状物对球状物,无特殊要求无特殊要求;4.对杆料或丝状物料对杆料或丝状物料,最好采用圆极化场最好采用圆极化场,即极即极化方向是不断快速旋转的化方向是不断快速旋转的,而线极化场的方而线极化场的方向是恆定不变的。向是恆定不变的。最近我们申报的圆极化最近我们申报的圆极化加热系统发明专利获得了批准加热系统发明专利获得了批准 。a336.微波处理方法及应用微波处理方法及应用Microwave processing method & applicati

27、ons 6.1微波处理方案的选择依据微波处理方案的选择依据 Selection principles of microwave heating methods a.物料的性质物料的性质:导体导体,介质或半导体介质或半导体? property? b.物料的形态物料的形态:固态固态,液态或气态液态或气态? shape? b.物料的介质损耗物料的介质损耗:低损耗低损耗,中损耗或高损耗中损耗或高损耗? loss? c.物料的形狀物料的形狀,体积体积,长度等几何参数长度等几何参数? form? volume? d.物料中的含水量物料中的含水量:高高,中中,低低? moisture content? e.

28、材料的比热材料的比热;是否热敏材料是否热敏材料? specific heat? f. 需要达到的最终温度需要达到的最终温度? finally temperature? g.处理的目的处理的目的:脱水脱水,干燥干燥,焙烧焙烧,膨化膨化,定形定形,固化固化, 烧结烧结,冶炼冶炼,合成合成,熔融熔融,? processing object ?a346.2其它因素的考虑其它因素的考虑Consideration of other factorsa.单件间隔加热还是连续作业加工单件间隔加热还是连续作业加工?Single processing or continuous processing ?b.常温常压

29、加热常温常压加热,还是高温常压还是高温常压?还是高温高压还是高温高压?General pressure & temperature or high pressure & temperature/c.常压还是真空干燥常压还是真空干燥?还是冷冻干燥还是冷冻干燥?Vaccum drying or freezed drying?d.加热过程中是否有有害或有毒气体排出加热过程中是否有有害或有毒气体排出?Whether exhaust harmful gas or toxic gas?e.加热时会否发生爆炸加热时会否发生爆炸?Whether explosion or not?f.工件或物料的进出口尺寸限制

30、工件或物料的进出口尺寸限制?Import & export dimensions limitation?g.炉体的保洁与维护。炉体的保洁与维护。Clear & service.a356.3 微波加热与处理技术微波加热与处理技术Microwave heating & processing technologya.常温常压时的微波加热、脱水、干燥技术常温常压时的微波加热、脱水、干燥技术 特点特点:1.微波输出功率几微波输出功率几kW至几百至几百kW,甚至更大甚至更大; 2.工作频率工作频率: f = 2450MHz或或f=915MHz; 3.采用箱式炉或隧道炉采用箱式炉或隧道炉; 4.有强大的抽风

31、设备有强大的抽风设备; 5.采用直接耦合或裂缝天线馈能采用直接耦合或裂缝天线馈能; 6.传送帶带速连续可调传送帶带速连续可调; 7.一般无测温装置一般无测温装置; 8.产量几十至几百公斤每小时产量几十至几百公斤每小时; 9.售价低廉售价低廉;适合于常规的脱水干燥适合于常规的脱水干燥,可用作化学材料可用作化学材料,各种粉料或颗粒料各种粉料或颗粒料,烟叶烟叶烟丝烟丝,玻璃纤维玻璃纤维,茶叶茶叶,中药材及中药丸中药材及中药丸,消毒杀菌等领域。消毒杀菌等领域。 a36915MHz 20kW 微波干燥设备微波干燥设备(四川宏普公司四川宏普公司)915MHz microwave heating equip

32、menta37b. 烘房低温干燥技术烘房低温干燥技术Low temperature drying technology in room特点特点: 1.间歇式作业间歇式作业; 2.适用于大体积大尺寸物料适用于大体积大尺寸物料; 3.烘房內确保物料干燥均匀烘房內确保物料干燥均匀; 4.低温脱水与干燥低温脱水与干燥,使物料不开裂使物料不开裂,不变形不变形; 5.无污染无污染; 6.泄漏符合国标。泄漏符合国标。适用于适用于: 各种化工原料各种化工原料,模具材料模具材料,食品食品,药材药材,阿胶阿胶, 农副产品农副产品,水产品水产品,木材木材,建材建材,.a38微波低温干燥烘房微波低温干燥烘房(长沙隆泰

33、公司长沙隆泰公司)Microwave low temperature drying rooma39c.微波真空处理技术微波真空处理技术 Microwave vacuum processing technology 在压力为在压力为(1.3326.66)kPa范围内范围内,采用微波真空处采用微波真空处理来干燥理来干燥热敏材料如药品热敏材料如药品,蔬菜和化学制品蔬菜和化学制品是非常是非常有效的有效的,干燥必须在低于干燥必须在低于100C时进行时进行,防止材料的防止材料的损坏。由下图可知损坏。由下图可知,区内的空气击穿场强大大高区内的空气击穿场强大大高于最低击穿场強于最低击穿场強,加热器内的临界电场

34、限制了一定加热器内的临界电场限制了一定压力压力,温度温度,介质材料性质时的耗散功率密度。真空介质材料性质时的耗散功率密度。真空处理时的最大障碍是由于管壁和负载的形状造成电处理时的最大障碍是由于管壁和负载的形状造成电场集中处存在的场集中处存在的局部放电局部放电,它会引起局部过热它会引起局部过热,造成造成微波功率的浪费。微波功率的浪费。 a40不同频率时击穿场強与气压的关系不同频率时击穿场強与气压的关系Relation between breakdown electric field & pressure a41冰和水的饱和蒸汽压与温度的关系冰和水的饱和蒸汽压与温度的关系Relation betw

35、een saturation steam pressure and temperaturea42 c1.真空低温干燥技术真空低温干燥技术Vacuum low temperature drying technology特点特点: 1.在真空环境下加热与干燥在真空环境下加热与干燥; 2.真空度真空度3kpa; 3.可对干燥箱内进行测温和控温可对干燥箱内进行测温和控温; 4.箱内可测湿箱内可测湿; 5.低沸点低温或超低温干燥；低沸点低温或超低温干燥； 6.微波泄漏符合国标。微波泄漏符合国标。适用于适用于: 各种热敏材料各种热敏材料.食品食品,蔬菜蔬菜(生姜生姜,大蒜大蒜,蘑蘑菇菇,.),药品药品,易

36、氧化物料易氧化物料,高水分強粘稠性物料高水分強粘稠性物料,a43微波真空干燥机微波真空干燥机 Vacuum low temperature drying equipment(长沙隆泰公司长沙隆泰公司)a44C2. 微波冷冻干燥技术微波冷冻干燥技术Microwave freezed drying technology在在冷冻干燥区冷冻干燥区内内(13133)Pa,水分从冷冻材料水分从冷冻材料中不经过液相直接变成蒸汽而中不经过液相直接变成蒸汽而升华升华,普通的冷冻普通的冷冻干燥是一个很慢的过程干燥是一个很慢的过程,如在后期采用如在后期采用微波干燥微波干燥,可大大加速其过程可大大加速其过程,因为微波

37、有效地作为一个体因为微波有效地作为一个体积热源通过干燥层积热源通过干燥层,加速其能量吸收而使冰层减加速其能量吸收而使冰层减薄。薄。 主要问题是空气或冷冻材料附近滞留在大气中主要问题是空气或冷冻材料附近滞留在大气中的水蒸汽的的水蒸汽的微波击穿微波击穿。a45微波冷冻干燥低温冷阱微波冷冻干燥低温冷阱(四川宏普公司四川宏普公司)Freezed drying equipmenta46冷冻微波干燥机及微波源冷冻微波干燥机及微波源Microwave power supplya47a48 d. 微波高温干燥与烧结技术微波高温干燥与烧结技术 Microwave high temperature drying

38、& sintering technology 特点特点: 1.常温常压下加热常温常压下加热; 2.实现快速与超快速升温实现快速与超快速升温; 3.间歇式作业间歇式作业; 4.可直接测量样品温度可直接测量样品温度; 5.特制专用坩埚特制专用坩埚,对物料无污染对物料无污染; 6.多重防泄漏装置多重防泄漏装置,安全可靠。安全可靠。适用于适用于:空气气氛下各类固体材料的锻烧空气气氛下各类固体材料的锻烧,焙烧焙烧, 烧结烧结,高温合成高温合成,灰化灰化,熔融及热处理等。熔融及热处理等。a49微波高温马弗炉微波高温马弗炉/灰化炉灰化炉Microwave high temperature drying eq

39、uipment (长沙隆泰公司长沙隆泰公司)a50e. 微波高温气氛烧结技术微波高温气氛烧结技术Microwave high temperature sintering technology特点特点: 1.适用多种气氛适用多种气氛(空气空气,氧气氧气,氮气氮气,惰性气体惰性气体, 还原性气体还原性气体); 2.最高可达最高可达1600C; 3.微波功率连续可调微波功率连续可调; 4.设置二路气体通道设置二路气体通道,气压精确可控气压精确可控; 5.直接对样品测温直接对样品测温; 6.专用坩埚和耐火材料专用坩埚和耐火材料; 7.多重防泄漏装置多重防泄漏装置,安全可靠。安全可靠。适用于适用于: 各

40、类固体材料高高温合成各类固体材料高高温合成,锻烧锻烧,焙烧焙烧,烧烧 结结,灰化灰化,焚化焚化,.a51微波高温气氛炉微波高温气氛炉 Microwave high temperature sintering equipment (长沙隆泰公司长沙隆泰公司)a52陶瓷微波烧结技术陶瓷微波烧结技术Microwave sintering of ceramics 本世纪初以来，本世纪初以来，微波烧结陶瓷微波烧结陶瓷材料的研究更趋于材料的研究更趋于成熟，许多研究者都针对纳米结构陶瓷的微波烧成熟，许多研究者都针对纳米结构陶瓷的微波烧结以获得更为出色的性能。如美国宾州大学利用结以获得更为出色的性能。如美国宾

41、州大学利用微波单模腔烧结了纳米晶的氧化镁、氧化铝、氮微波单模腔烧结了纳米晶的氧化镁、氧化铝、氮化铝、和氮氧化铝透明陶瓷，还曾有人对多晶透化铝、和氮氧化铝透明陶瓷，还曾有人对多晶透明氧化铝陶瓷进行明氧化铝陶瓷进行1880C微波高温处理后得到微波高温处理后得到单晶的宝石级氧化铝，其透光性提高了单晶的宝石级氧化铝，其透光性提高了20%。俄。俄罗斯的科学家用毫米波加热烧结了接近理论密度罗斯的科学家用毫米波加热烧结了接近理论密度的氧化铝纳米陶瓷，晶粒尺寸大小为的氧化铝纳米陶瓷，晶粒尺寸大小为(8590)nm 。a53f. 微波橡胶硫化技术微波橡胶硫化技术Microwave rubber vulcaniz

42、ed technology 这是一种新技术这是一种新技术,先将橡胶通过一个模子先将橡胶通过一个模子,挤压挤压成形成形,同时将其温度尽快地提高到同时将其温度尽快地提高到200 C,并进并进行硫化行硫化,然后在这个温度上维持足够长的时间然后在这个温度上维持足够长的时间,保保证产生证产生硫化或聚合硫化或聚合所需的化学反应。所需的化学反应。 由于微波的体积加热特性由于微波的体积加热特性,有可能在很短时间有可能在很短时间内提供橡胶件整个断面所需的温升。然后内提供橡胶件整个断面所需的温升。然后,还需还需要提供一种常规加热的保温通道要提供一种常规加热的保温通道,其目的是防止其目的是防止橡胶在发生反应之前冷却

43、。橡胶在发生反应之前冷却。a54微波橡胶硫化设备微波橡胶硫化设备 Microwave rubber vulcanized (南京三乐公司南京三乐公司)a55g.微波炉制备高温超导材料微波炉制备高温超导材料Manufacture of high temperature superconductivity materials in microwave oven 当将当将CuOZnOV2O3等放入一个等放入一个微波炉微波炉中中时，其结果是出乎人们意料的时，其结果是出乎人们意料的!它们在一分钟内它们在一分钟内熔化了，其中熔化了，其中V2O3达到了达到了700，ZnO达到了达到了800，PbO被加速加热

44、到被加速加热到200。其性质衰变。其性质衰变成另一种红色氧化物成另一种红色氧化物Pb3O4，而后者并不吸收微，而后者并不吸收微波。用普通方法将波。用普通方法将CuO，Fe3O4混合物制备混合物制备CuFe2O4需要在炉中加热一整天需要在炉中加热一整天!而用而用微波炉微波炉则则只需化半小时左右即可。而另一种化合物只需化半小时左右即可。而另一种化合物KVO3用同一方法只化了用同一方法只化了7min，可见节能效果的明显。，可见节能效果的明显。a56 1988年，年，英国牛津大学英国牛津大学物理学家通过实验发物理学家通过实验发现，有几种无机氧化物包括现，有几种无机氧化物包括CuO对对2450MHz的的

45、微波辐射有強烈的吸收。他们将微波辐射有強烈的吸收。他们将(15)g的氧化铜的氧化铜样品放在普通的样品放在普通的微波炉微波炉中，仅中，仅1 min时间，温升时间，温升就超过就超过550，进而他们將，进而他们將La2O3(12.28g)，CuO(3g)用可变功率用可变功率(130500)W的的微波炉微波炉加热加热不到不到40min就合成了通常方法需耗时就合成了通常方法需耗时(1224) h才能得到的才能得到的 La2CuO4超导材料超导材料。后来他们又使。后来他们又使用用CuO，YO3，Ba(NO3)2在改装的微波炉中约在改装的微波炉中约1 h就成功地合成了就成功地合成了Yba2Cu3O7-x高温

46、超导材料高温超导材料。他们的试验证明，他们的试验证明，微波加热微波加热也许为制备新一类也许为制备新一类高高温超导材料温超导材料提供了更方便更迅速的途径和方法。提供了更方便更迅速的途径和方法。a57 h. 微波制备碳纳米管技术微波制备碳纳米管技术 Carbon nm tube microwave manufacture technology 美国宾州大学采用美国宾州大学采用TE103单模腔单模腔(2450MHz)在在Si衬底上用衬底上用Fe作触媒于作触媒于C2H2气氛中气氛中,700C在在H场中制成了多场中制成了多层层碳纳米管碳纳米管。 可制作纳米电子元件可制作纳米电子元件;纳米电机纳米电机 (

47、NEMS);a58多层纳米碳管的显微照片多层纳米碳管的显微照片D. K. Agrawala59i.等离子体制备纳米粉末技术等离子体制备纳米粉末技术Plasma manufacture technology of nm powder 其基本原理是：利用其基本原理是：利用等离子体等离子体的的高温与急骤冷高温与急骤冷却却技术相结合的方法，使原料在高温区域内迅速技术相结合的方法，使原料在高温区域内迅速发生发生热解和气化热解和气化反应，形成混合性气相物质，并反应，形成混合性气相物质，并在在急冷环境急冷环境中中凝聚凝聚产生产生晶核晶核，进而长大形成一定，进而长大形成一定粒径的粒径的纳米粉末。纳米粉末。根据

48、原料的不同，可采用根据原料的不同，可采用等离等离子体物理蒸发法、反应性等离子体蒸发法、等离子体物理蒸发法、反应性等离子体蒸发法、等离子体气相沉积法子体气相沉积法等三种。等三种。 等离子体等离子体可制备纳米粉末可制备纳米粉末氮化铝、多晶硅粉、氮化铝、多晶硅粉、硼粉等。硼粉等。a60J. 微波制备光纤棒技术微波制备光纤棒技术 Microwave manufacture technology of optical fiber rod 微波等离子体化学气相沉积法微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD法法)其沉其沉积温度较低积温度较低(约约1 000)，沉积效率可接近，沉积效率可接近100%，光纤特性优

49、良，因此性能价格比非常突出。荷光纤特性优良，因此性能价格比非常突出。荷兰菲利浦公司是世界上生产光纤利用兰菲利浦公司是世界上生产光纤利用MPCVD法法的最大厂商，日本瑞典等国也采用了的最大厂商，日本瑞典等国也采用了MPCVD法。我国早在法。我国早在80年代在武汉邮电科学研究院就年代在武汉邮电科学研究院就开展了开展了MPCVD法拉制光纤的研究和实验工作，法拉制光纤的研究和实验工作，取得了成功，目前已完成几代的微波法拉制光取得了成功，目前已完成几代的微波法拉制光纤的设备研发工作，取得了优异的成绩。纤的设备研发工作，取得了优异的成绩。a61k.微波等离子体化学气相沉积微波等离子体化学气相沉积,刻蚀刻蚀

50、,掩膜掩膜技术技术(MPCVD) 微波等离子体微波等离子体CVD法法可以在较低温度可以在较低温度(365)较低气压较低气压(800Pa)条件下，使金刚石薄膜沉积在硅片石英玻璃片条件下，使金刚石薄膜沉积在硅片石英玻璃片等基片上。该薄膜光滑透明，具有极佳的机械和电气性等基片上。该薄膜光滑透明，具有极佳的机械和电气性能。前能。前苏联日本美国苏联日本美国等都早已沉积出实用的大面积等都早已沉积出实用的大面积和厚度达和厚度达1mm多的金刚石膜，取得了突破性的进展。对多的金刚石膜，取得了突破性的进展。对已沉积出来的薄膜进行多种手段的检测，对其结构进行已沉积出来的薄膜进行多种手段的检测，对其结构进行分析，证明

51、质量较高，与天然金刚石数据非常接近。分析，证明质量较高，与天然金刚石数据非常接近。 下一步的工作是增大沉积面积，进步提高沉积厚度，下一步的工作是增大沉积面积，进步提高沉积厚度，为半导体集成电路，光学元器件，微波电子管零件及航为半导体集成电路，光学元器件，微波电子管零件及航空航天材料提供实用原料。我国近年来也取得了很大进空航天材料提供实用原料。我国近年来也取得了很大进展。展。a62l.等离子体辅助加工技术等离子体辅助加工技术Auxiliary processing technology of plasma 等离子体辅助加工等离子体辅助加工被用来制造特种优良性能的新被用来制造特种优良性能的新材料、

52、研制新的化学物质和化学过程，加工、改材料、研制新的化学物质和化学过程，加工、改造和精制材料及其表面，具有极其广泛的工业应造和精制材料及其表面，具有极其广泛的工业应用用-从从薄膜沉积、等离子体聚合、微电路制造到薄膜沉积、等离子体聚合、微电路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷涂、焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷涂、等离子体冶金、等离子体化工、微波源。等离子体冶金、等离子体化工、微波源。 等离子体辅助加工等离子体辅助加工已开辟的和潜在的应用领域已开辟的和潜在的应用领域包括：包括：a63 半导体集成电路及其它微电子设备的制造半导体集成电路及其它微电子设备的制造工具、模具及工程金属的

53、硬化工具、模具及工程金属的硬化 药品的生物相溶性包装材料的制备药品的生物相溶性包装材料的制备表面防蚀及其它薄层的沉积表面防蚀及其它薄层的沉积特殊陶瓷（包括超导材料）特殊陶瓷（包括超导材料）新的化学物质及材料的制造新的化学物质及材料的制造金属的提炼金属的提炼聚合物薄膜的印刷和制备聚合物薄膜的印刷和制备有害废物的处理有害废物的处理焊接焊接磁记录材料和光学波导材料磁记录材料和光学波导材料精细加工精细加工照明及显示照明及显示电子电路及等离子体二极管开关电子电路及等离子体二极管开关等离子体化工等离子体化工(氢等离子体裂解煤制乙炔、等离子氢等离子体裂解煤制乙炔、等离子体煤气化、等离子体裂解重烃、等离子体制

54、炭黑、体煤气化、等离子体裂解重烃、等离子体制炭黑、等离子体制电石等等离子体制电石等)a64等离子体增强等离子体增强化学气相沉积化学气相沉积制备的用于制备的用于太阳能电池的太阳能电池的非晶硅薄膜非晶硅薄膜 Amorphous Si film of sun energy cell a65由等离子体由等离子体刻蚀刻蚀制备的超大规模制备的超大规模 集成电路局部集成电路局部Etching of large scale integrated circuit by plasmaa66m.微波等离子体炬的应用微波等离子体炬的应用(Korea)Applications of microwave plasma t

55、orch炭粉合成装置炭粉合成装置carbon powder synthesizeda67 放电用放电用石英管石英管外径外径20mm,管壁厚管壁厚1.5mm,长长1200mm,放电管置于另一内径为放电管置于另一内径为50mm长长500mm的石英管中的石英管中,此石英管又置于一长为此石英管又置于一长为500mm的炉内的炉内,炉温为炉温为900C,放电管有四个放电管有四个切向小孔切向小孔,使注入气流成使注入气流成涡流状涡流状,保护放电管壁保护放电管壁.微波功率为微波功率为1kW,利用三销钉调配器可使反射利用三销钉调配器可使反射功率在功率在10%以下以下. MPT可产生电子浓度为可产生电子浓度为101

56、3/c.c, 和和6000k的高的高温温.该装置用于制备该装置用于制备炭粉炭粉,在不同在不同N2及及Ar比例时比例时,由由CH4制备的制备的炭粉炭粉的的X光衍射和扫描电镜照片光衍射和扫描电镜照片如下图如下图所示所示:a68Ar:15 L/min; N2:0 L/min;CH4: 0.2L/minX光衍射照片光衍射照片FETEMa69N2 :8 L/min;Ar:8 L/min;50%(N2/N2+Ar)透平结构透平结构(扫描电镜像扫描电镜像)turbostratic structurea70指纹结构指纹结构onionlike structurea71n. 微波消解技术微波消解技术Microwa

57、ve decomposition technology 美国一公司曾对燃煤烟气中中美国一公司曾对燃煤烟气中中SO2和和NO2的的微波消解微波消解进行了研究，利用活性炭作为进行了研究，利用活性炭作为还原剂制成炭床，再将还原剂制成炭床，再将SO2、NO2通过炭通过炭床吸附到饱和后进行床吸附到饱和后进行微波加热微波加热，将吸附物，将吸附物还原成单质硫和氮气，而炭则转化为二氧还原成单质硫和氮气，而炭则转化为二氧化碳，化碳，NO2的去除率可达的去除率可达98%，而且还发，而且还发现炭床循环使用多次后，它对硫及硝的吸现炭床循环使用多次后，它对硫及硝的吸附能力和吸附速率还有明显提高。附能力和吸附速率还有明显

58、提高。a72光气消解装置光气消解装置(Korea)Decomposition system of phosgenea73 石英管外径石英管外径28mm,管內设有管內设有15kV的的ac点火装置点火装置,石英管内壁上有四个切向小孔石英管内壁上有四个切向小孔,藉以产生藉以产生涡流涡流,使火炬在中心部分使火炬在中心部分保持稳保持稳定定,而使其而使其离开管壁。离开管壁。 在在NH3和空气协同的作用下和空气协同的作用下,COCl2产产生生离解离解的化学反应如下的化学反应如下,最后分解成最后分解成氯气氯气(Cl2)和和HCl被除去。被除去。a74o.微波消解微波消解PFCSMicrowave decomp

59、osition of PFCS 在在半导体工业的刻蚀半导体工业的刻蚀,印染行业印染行业,冶金工业冶金工业,材料改性材料改性等等含氟含氟工艺过程中工艺过程中,都会产生和排出都会产生和排出PFCS气体气体(CF4,C2F6,C3F8,C4F8,CHF3,SF6),这些气体对红外这些气体对红外线有较强的吸收线有较强的吸收,在大气中停留时间较长在大气中停留时间较长,是一种与是一种与CO2一样的温室效应气体一样的温室效应气体,是使地球变暖的重要因是使地球变暖的重要因素。在目前的素。在目前的油气燃烧法油气燃烧法,摧化剂结合放电法摧化剂结合放电法,介质介质阻挡放电法阻挡放电法等除去等除去PFCS过程中过程中

60、,能耗大能耗大,去除率低去除率低,而采用而采用微波等离子体法微波等离子体法的的去除率去除率可达可达99%以上以上,加加入入H2O,O2添加剂后添加剂后,可使去除率进一步提高可使去除率进一步提高,是一是一种种高效节能高效节能,无二次污染无二次污染,低成本低成本的先进技术手段。的先进技术手段。a75p. 微波处理放射性垃圾技术微波处理放射性垃圾技术Microwave processing of radioactive waste 牛津大学牛津大学附近的附近的哈威尔实验室哈威尔实验室研究成功一种利研究成功一种利用用微波微波处理放射性垃圾的新方法。此法由于熱处理放射性垃圾的新方法。此法由于熱源远离被处