材料与微波的相互作用ppt课件.ppt
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- 材料 微波 相互作用 ppt 课件
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1、.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 China.1.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 m
2、atters),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 。. 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技术橡
3、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。. 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跨学科地
4、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制造乙烯
5、); 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).2.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 & engin
6、eering 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微波介质陶
7、瓷的烧结. 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 .C.纳米材料
8、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.E.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 plate mate
9、rials) (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).H.橡胶的硫化与脱硫橡胶的硫化与脱硫 curin
10、g & 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、无机粉体或颗粒材料的干燥各
11、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 making.3.材料的物电特性材料的物电特性Physical & electrical properties of
12、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;.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;高分子材料高分子材料分为:结晶
13、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。.3.2 电介质的分类电介质的分类Classification of electrical diele
14、ctric 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 。.2.极性电介质极性电介质:(polarity materials)
15、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. .3.3 介质损耗与温度的关系介质损耗与温度的关系Relation between dielectric loss &
16、 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。.a.介质损耗的温度特性介质损耗的温度特性Temperature characteristics of dielectric loss (a)负斜率负斜率 (b)正斜率正斜率 (c)
17、正斜率正斜率negative slope positive slope positive slope.b.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 66.c.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 water.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 permittivity of water and
18、temperature & frequency (UESTC).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).d.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
19、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”。.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 temperature.正斜率材料临界温度的近似值正斜率材料临界温度
20、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合成橡胶合成橡胶(未硫化未硫化) 2.8 40滑滑 石石 2.45 400450
21、.4.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 (physical chemical effect) d.电磁生物效应电磁生
22、物效应 (electromagnetic biologic effect).5.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,废气处废气处理理,材料合成材料合成,.5.1材料单位体积内吸收的微波功率材料单位体积内吸收
23、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。. 5.2.d.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
24、布变化分布变化Temperature distribution change water solid matter.e.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,里外里外的的温度梯度温度梯度接近接近为零。为零。.5.3 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
25、极化方向的要求的要求Requirements of polarization direction of electrical field of various materials shape.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
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