МИКРОВОЛНОВАЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ – ЧАСТЬ 1

November 22, 2014 by admin Комментировать »

Ю. В. Быков, К. И. Рыбаков, В. Е. Семенов Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород

Процессы, основанные на микроволновом нагреве, находят много промышленных приложений. Основные преимущества использования микроволновой энергии в термически активируемых процессах основаны на особенностях поглощения микроволновой энергии. В отличие от всех других широко используемых методов микроволновый нагрев материалов является объемным. Микроволновая энергия преобразуется в тепло внутри вещества, что, как правило, приводит к значительной экономии энергии и сокращению времени процессов. Данный фактор играет решающую роль в большинстве приложений, воспринятых промышленностью к настоящему времени. Широкая доступность микроволновых источников, работающих на частотах менее или равных 2,45 ГГц, и хорошие поглощательные свойства, многих материалов привели к созданию промышленных установок для различных приложений общей мощностью в сотни мегаватт [1]. В то время как большинство промышленных приложений микроволн в настоящее время сосредоточены в области сравнительно низкотемпературной обработки (продуктов питания, древесины, резины, полимеров и т. д.), растет интерес исследователей к высокотемпературной микроволновой обработке, в первую очередь твердых неорганических материалов на основе активации процессов массопереноса диффузионной природы.

1.                      Физические основы микроволновой высокотемпературной обработки

Микроволновый нагрев основан на способности материала к поглощению электромагнитной энергии. Мерой отклика материала на внешнее электрическое поле является комплексная диэлектрическая проницаемость: ε = в’ + /в". Мнимая часть диэлектрической проницаемости связана с эффективной (учитывающей как токи проводимости, так и токи смещения) электрической проводимостью материала: σ = ωε0ε", где ε0 – электрическая постоянная, ω – частота. Микроволновая мощность, поглощаемая в единице объема материала, есть

w = aE , где Е – напряженность электрического поля в материале. Диссипация микроволновой энергии обычно характеризуется так называемым фактором потерь, tg δ = ε"/ε’.

В микроволновом диапазоне частот поглощательные свойства неметаллических материалов весьма разнообразны. Фактор потерь, tg δ, при комнатной температуре составляет от 10~4 … 1СГ3 (например, в чистых оксиде алюминия и нитриде кремния) до 1 и более (в карбидах, боридах, некоторых оксидах и интерметаллических соединениях). Соответственно, глубина проникновения излучения составляет от метров до долей миллиметра. Проблемы, встречающиеся при микроволновом нагреве материалов с малыми и большими потерями, весьма различаются, как и методы их решения.

При комнатной температуре диэлектрические потери в слабопоглощающих материалах обусловлены смещениями связанных носителей заряда в таких процессах, как колебания решетки и переориентация диполей. К таким материалам относятся некоторые чистые оксиды (А1203, BeO, Si02) и нитриды (BN, Si3N4, A1N). Низкое микроволновое поглощение делает, как правило, неэффективным нагрев этих материалов излучением дециметрового диапазона длин волн (< 2,45 ГГц). Однако даже на столь низких частотах нагрев этих материалов становится возможным, если обрабатываемый образец поместить в резонатор, который концентрирует микроволновое поле внутри образца. Другой подход состоит в использовании так называемых гибридных схем нагрева. По существу, они предусматривают введение в систему дополнительных источников тепла. В частности, роль таких источников могут выполнять объекты, хорошо поглощающие микроволны, от которых тепло передается к обрабатываемому слабопоглощающему материалу.

При повышенных температурах микроволновое поглощение в большинстве материалов резко возрастает, главным образом за счет включения иного механизма поглощения. Это характерно для твердых веществ как с ионным (А1203, Zr02), так и с ковалентным (Si3N4, A1N) типом связи. Резкое увеличение диэлектрических потерь начинается при температурах порядка 0,4-0,5 Тт (где Тт – температура плавления материала). В этом диапазоне температур в ионных кристаллах начинается разрыв связей между ионами, а в материалах с ковалентным типом связи электроны начинают заселять зоны проводимости.

Резкий рост микроволнового поглощения с температурой может вызвать тепловую неустойчивость, известную как ’’убегание” температуры {temperature runaway). Проблема убегания температуры широко обсуждается в литературе о микроволновой обработке материалов (см., например, [2]). Она характерна не только для высокотемпературных процессов. Природа этой неустойчивости заключается в следующем. Локальное увеличение температуры сопровождается усилением поглощения микроволновой энергии, что, в свою очередь, ведет к локальному ускорению нагрева и дальнейшему росту температуры. Данная неустойчивость развивается при условии превышения микроволновой мощностью некоторого порогового значения, что соответствует S’-образной кривой динамической зависимости температуры от мощности [3].

Нагрев слабопоглощающих материалов облегчается при использовании более высокочастотного микроволнового излучения, т. е. в диапазоне миллиметровых длин волн. Это связано с увеличением диэлектрических потерь этих материалов с ростом частоты. Например, в экспериментах по спеканию керамики из чистого оксида алюминия – одного из наименее поглощающих материалов – было показано, что за счет непосредственного поглощения в материале излучения миллиметрового диапазона легко достигаются скорости нагрева порядка нескольких десятков градусов в минуту [4, 5, 6]. Имеются также данные о том, что во многих материалах температурная зависимость диэлектрического поглощения в миллиметровом диапазоне становится менее резкой [7]. Благодаря этому проблема ’’убегания” температуры с увеличением частоты излучения, используемого для нагрева, становится менее острой. В случае подтверждения общего характера этого феномена он может стать важным аргументом в пользу применения излучения миллиметрового диапазона для высокотемпературной обработки материалов.

В случае сильнопоглощающих материалов (tg δ> 10_1) эффективная проводимость, как правило, оказывается настолько большой, что сильное отражение излучения от поверхности затрудняет микроволновый нагрев. Обычно доля поглощенной мощности в таких материалах не превышает нескольких процентов на частоте порядка 1 ГГц и возрастает с частотой пропорционально корню квадратному из нее. Эффективный микроволновый нагрев таких материалов становится возможным, только если на поверхность образца нанесено поглощающее покрытие и/или образец помещен в высокодобротный резонатор.

В практике микроволновой обработки большинство материалов являются неоднородными. Например, керамические материалы на всех стадиях спекания остаются двухкомпонентной смесью твердого вещества, составляющего зерна, и пустоты, заполняющей межзенное пространство. Если масштаб неоднородности много меньше длины электромагнитной волны в материале, можно пользоваться усредненным описанием взаимодействия электро магнитного поля с веществом. В рамках такого описания вещество рассматривается как однородное, характеризующееся эффективной диэлектрической проницаемостью. Эффективные свойства неоднородных материалов зависят от свойств компонентов, их относительной концентрации, размера и формы частиц, из которых состоит материал, и др. Детальный обзор методов моделирования диэлектрических свойств неоднородных материалов путем введения эффективных величин можно найти, например, в работе [8].

Отличительным признаком микроволнового нагрева является его объемный характер. Выделение тепла происходит непосредственно внутри образца, и скорость нагрева ограничивается только мощностью микроволнового источника. С другой стороны, передача тепла окружающей среде осуществляется через поверхность образца. Поэтому температура внутри образца всегда выше, чем на его поверхности (включая случай поддержания постоянной температуры). Такое распределение температуры, характерное для микроволнового нагрева, называют инверсным. При традиционном нагреве тепло проникает в образец через его поверхность и распространяется внутрь благодаря процессам переноса тепла, в основном теплопроводности. Температура внутри образца таким образом ниже, чем на поверхности. Процесс переноса тепла занимает определенное время (тем большее, чем больше размеры образца), что ограничивает скорость нагрева.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты