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微波加热理论简介-微波高温技术发展
来源:湖南长仪微波科技有限公司作者:长仪微波网址:http://www.changemw.com
文章附图

一、微波加热原理

1、微波及性质:

1.1微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波,波长为1mm到1m。

1.2微波的基本性质:微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器,微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西,则会反射微波。

2、微波加热原理:

  介质材料由极性分子和非极性分子组成,在电磁场作用下,这些极性分子从原来的随机分布状态转向依照电场的极性排列取向。而在高频电磁场作用下,这些取向按交变电磁的频率不断变化,这一过程造成分子的运动和相互摩擦从而产生热量。此时交变电场的场能转化为介质内的热能,使介质温度不断升高。又由于微波比其它用于辐射加热的电磁波,如红外线远红外线等波长更长,因此具有更好的穿透性。微波透入介质时,由于介质损耗引起的介质温度的升高,使介质材料内部、外部几乎同时加热升温,形成体热源状态,大大缩短了常规加热中的热传导时间,且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时,物料内外加热均匀一致。

3、微波加热频率与选择性加热:

3.1微波加热频率:

 因为微波应用极为广泛,特别是通信领域,为了避免相互间的干扰,国际无线电管理委员会对频率的划分作了具体规定。分给工业、科学和医学用的频率有 433 兆赫、915兆赫、2450兆赫、5800兆赫、22125兆赫,与通信频率分开使用。目前国内用于工业加热的常用频率为915兆赫和2450兆赫。微波频率与功率的选择可根据被加热材料的形状、材质、含水率的不同而定。我司采用2450MHz的微波发生器。

3.2微波的选择性加热:

 物质吸收微波的能力,主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强,相反,介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异,微波加热就表现出选择性加热的特点。比如我们的保温材料采用氧化铝陶瓷纤维,就是一种不吸波或者叫微吸波物质,即达到保温效果又不消耗能量。具有穿透性。而我们的材料金属锰、硅锰铁合金、锰铁合金、钒铁合金、铬铁合金吸波性能都是较优异的。特别是金属锰吸波性能非常优异,升温速率可达100℃/min。

二、微波的非热效应

微波的非热效应是指除热效应以外的其他效应,如电效应、磁效应及化学效应等.

1、微波对分子的影响:

 在无微波场作用时,反应体系中分子的整体平均偶极矩为零;但在微波场存在的情况下,不管是极性分子还是非极性分子,它们的平均偶极矩都不等于零,即微波可引起分子的极化现象。

2、微波光量子对化学键存在影响:

 微波频率在300MHz-300GHz之间,能够激发分子的转动能级跃迁。微波光量子的能量(10-5ev,2.45GHz)太小,除了加热不可能破坏任何化学键(共价键能量约5ev,氢键0.04~0.44ev)。但研究发现,微波光量子可以激励振动模式。从而对化学键断裂作出贡献,影响化学反应的发生。

3、微波对化学反应存在影响:

 分子之间的化学反应须经过有效碰撞才能发生。有效碰撞的条件一是反应物分子有足够的能量,二是反应物分子有合适的取向。微波能可以转化为分子间势能,引起分子能量的提高。另一方面微波会改变分子的取向,微波场下偶极分子定向排列,促进反应分子相对于其共同质心的运动。微波对分子能量及分子取向的影响,大大提高了有效碰撞频率,从而加快反应速度。此外研究表明,微波还会影响化学反应体系的平衡状态。

4、微波改变指前因子、活化能等动力学参数:

列子:在无机材料合成上,碳化钡的合成,指前因子增加3.3倍。

  在聚合反应中:热聚合活化能24.3kcal/mol,热辅助催化聚合活化能13.4kcal/mol,而微波辅助催化聚合活化能5.7kcal/mol。

5、电磁场、微波场对材料的影响:

 存在于晶体中和边界的缺陷-带电空穴和离子在微波场下受迫振动和跃迁-加速缺陷的聚集和迁移-加速物质迁移过程-更高的合成速率和更低的合成温度或者快速烧结。

三、微波加热的特点(与传统加热相比较)

1、极高的加热效率,加热时间仅为传统方式的1/3~1/10;

2、无偏差的整体加热,中心温度相对较高是由于物料散热的原因;

3、大量节省能耗,提高生产效率;

4、快速而均匀的烧结或合成过程,得到更为细密的材料组织结构;

5、降低材料烧结或合成的气氛要求;

6、高度的可控制性,可实现高精度的气氛和温度控制

 传统加热与微波加热对比图片介绍:

 传统加热与微波加热的对比:

传统加热

微波加热

靠传递能量进行加热

靠能量的转换进行加热

需要外来热源

内部加热

加热与材料本身无关

与材料本身性能有关

大部分能量损失在环境中

大部分能量被用于材料本身的加热

四、微波高温技术的发展

 70年代初,提出微波烧结技术的概念;

 70到80年代,主要研究微波烧结结构陶瓷和部分功能陶瓷,开始出现微波焊接和微波处理的小规模应用;

 90年代,研究领域扩大到大部分的结构陶瓷和电子陶瓷以及类金属材料,复合体和部分粉末冶金材料;开始出现中等规模的微波高温设备并应用到结构材料的工业生产;

 90年代末到现在,开始出现高效率微波合成的先进粉体材料,微波改性作为一种全新的概念开始出现,微波烧结主要研究方向集中在微波烧结电子陶瓷及器件,小型工业化微波高温设备被应用到矿物冶炼;微波烧结某些材料的工业技术趋于成熟并大规模应用于工业生产;

 未来发展方向:微波合成和微波改性将占有更大的研究比例,可能被微波烧结的材料将大为增加,被烧结材料的尺寸也会增大,在耐火材料、日用陶瓷、粉末冶金、矿物冶金及功能材料领域出现大型微波高温工业设备及整套成熟工艺。


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