微波加熱用透波材料的研究進展

白永珍，尚小標(biāo)，2，3，劉美紅，魏聰，張富程，肖利平，李廣超，陳君若

（1 昆明理工大學(xué)機電工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2 非常規(guī)冶金教育部重點實驗室，云南 昆明 650093；3 微波能工程應(yīng)用及裝備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，云南 昆明 650093；4 昆明理工大學(xué)城市學(xué)院，云南 昆明 650051）

微波加熱是一種通過介質(zhì)與微波間的相互作用使微波能轉(zhuǎn)化成熱能的加熱方法，具有體積加熱、選擇性加熱以及非接觸性加熱等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于冶金工程、陶瓷燒結(jié)、化學(xué)工程和食品加工等眾多領(lǐng)域。透波材料是微波加熱設(shè)備的重要組成部分，隨著微波加熱技術(shù)的不斷發(fā)展，微波加熱設(shè)備中透波材料的選擇也越來越引起人們的廣泛關(guān)注。

微波加熱裝置通常由磁控管、波導(dǎo)、諧振腔、爐襯（保溫層、耐火層）、容器（如坩堝）等部件構(gòu)成，如圖1所示。由圖1可以看出，磁控管產(chǎn)生的微波沿波導(dǎo)傳遞至諧振腔，然后依次穿過保溫層、耐火層，最后作用于容器內(nèi)的物料，使得物料被加熱。由微波傳輸?shù)穆窂娇芍?，微波首先需穿透爐襯和容器透波材料才能與物料作用，因此爐襯和容器用透波材料的透波性能對微波加熱模式和效率均具有重要影響。這些材料不僅要具有傳統(tǒng)耐火保溫材料的基本理化性質(zhì)，還應(yīng)具備優(yōu)異的微波傳輸性能，從而使微波能夠盡可能多地傳輸至加熱設(shè)備內(nèi)部，進而保證微波加熱安全高效地進行。

圖1 微波加熱裝置示意圖

微波加熱用透波材料主要可分為兩類：一類為有機材料，如聚四氟乙烯、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等，此類材料在高溫下易分解，耐熱性差；另一類為無機材料，主要包括氮化物、氧化物、硅酸鹽和磷酸鹽等，此類材料一般具備優(yōu)良的力學(xué)和介電性能，通常作為微波中、高溫加熱用透波材料的首選。目前透波材料的應(yīng)用主要集中于國防軍事以及航空航天領(lǐng)域，而有關(guān)微波加熱用透波材料的應(yīng)用研究相對較少。因此，本文在介紹微波加熱用透波材料的性能要求和透波機理的基礎(chǔ)上，按有機材料和無機材料分類，重點綜述了近期關(guān)于高溫和中低溫微波加熱用容器和保溫材料的最新研究現(xiàn)狀，并對其未來發(fā)展趨勢進行分析了和展望。

1 透波性能要求

為保證微波加熱設(shè)備的高效性，透波材料不僅要具有耐火度高、高抗熱震性和穩(wěn)定性好等性能，還需具備較低的反射系數(shù)和能量損耗。因此，在微波加熱過程中，容器和保溫用透波材料常選用低介電、低損耗材料，以此來達到高效傳輸微波能的目的。

材料的相對介電常數(shù)是描述材料電磁特性和決定材料透波效果以及能否透波的重要物理量，且一般具有一定的溫度和頻率依賴性，表1列出了幾種常見透波材料的介電參數(shù)。相對介電常數(shù)通?？蓪憺槭?1)的形式。

表1 幾種常見材料的介電特性

微波的穿透深度是用來表征電磁波穿透介質(zhì)能力的參數(shù)，能量在介質(zhì)中的損耗越小，其透波效果越好，穿透深度越大。微波加熱用透波材料通常為非磁性或弱磁性材料，通常用式(2)進行計算。

式中，表示電磁功率衰減到1/e 的距離（e為自然常數(shù)），即能量衰減到原入射波的36.8%時所對應(yīng)的厚度；表示真空中的電磁波波長。

2 透波機理

根據(jù)微波在材料中的傳播特性，材料可分為三種類型：透明體、反射體、吸收體。如圖2所示。

圖2 微波在材料中的傳播類型

透明體一般是指微波在其中可完全被透射，損耗衰減非常小，幾乎不會產(chǎn)生熱效應(yīng)的一類材料。反射體一般是指微波在材料中既不能被穿透也不能被吸收，微波在該材料表面完全被反射的一類材料。吸收體一般是指微波能進入材料后，可轉(zhuǎn)化成熱能或者其他形式能量的一種特殊材料。

微波傳輸特性與光波相似，當(dāng)電磁波作用于材料時，在界面處會出現(xiàn)反射、透射和吸收現(xiàn)象。一部分微波能被反射（該部分可用功率反射系數(shù)表征），一部分微波能透過材料的表面進入內(nèi)部（該部分可用能量損耗表征），未被吸收的微波則透射出去（該部分可用功率透過系數(shù)表征），如圖3所示。

圖3 微波在介質(zhì)中的傳輸路徑

根據(jù)能量守恒原理，功率透過系數(shù)（或透波率）、功率反射系數(shù)和能量損耗三者之間的關(guān)系可由式(3)來表示。

其中，影響功率透過系數(shù)、功率反射系數(shù)和能量損耗的主要因素有材料的電磁特性參數(shù)、電磁波的頻率、極化方式、入射角度和介質(zhì)的厚度等。

3 透波性能的研究方法

材料透波性能的研究方法主要有兩種：實驗測量法和理論計算法。實驗測量法可直接獲得材料的透波性能或相對介電常數(shù)（根據(jù)材料的相對介電常數(shù)可進一步判斷其透波性能），但是每種材料在任一狀態(tài)下的透波性能都必須通過測量才可以得到，工作量大，而且成本高。理論計算可以根據(jù)電磁波傳輸理論計算已知介電特性材料（或測量一次相對介電常數(shù)）在不同情形下的透波性能，方便快捷，工作量小。

實驗測量方法有波導(dǎo)法、同軸線法、諧振腔法及自由空間法等。波導(dǎo)法用于測量低耗材料和高耗材料；同軸線法用于開放式情況非損壞測試，包含液體測試，但是測試誤差較大；諧振腔法適用于低耗材料的測試；自由空間法常被用于測量高溫材料。

波導(dǎo)材料測試法如圖4 所示。其測試原理為：首先將被測樣品放入矩形波導(dǎo)中，然后通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量待測樣品的反射參數(shù)和透射參數(shù)，最后通過參數(shù)計算得出其相對介電常數(shù)。該測量方法的優(yōu)點是測量設(shè)備比較簡單且測量值比較準(zhǔn)確。然而，該方法存在厚度諧振、多值以及不易測量較薄材料等缺點。

圖4 波導(dǎo)法材料測試系統(tǒng)示意圖

同軸線材料測試法如圖5 所示。其測試原理為：根據(jù)插入待測樣品中開放式同軸探頭末端反射回信號的相位和振幅來計算樣品的介電特性。測量時同軸探頭和樣品間要緊密貼合，無空氣間隙。該測量方法的優(yōu)點是測量溫度范圍較廣，但并不適合較薄樣品介電常數(shù)的測量，測量誤差較大。

圖5 同軸線法材料測試系統(tǒng)示意圖

諧振腔材料測試法如圖6 所示。其測試原理為：將待測樣品放在諧振腔中（諧振腔形狀可為矩形、圓柱形等），腔體內(nèi)樣品的細(xì)微變化都會引起諧振腔內(nèi)品質(zhì)因數(shù)和諧振頻率的改變，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來對上述參數(shù)進行測量，通過前后測量數(shù)據(jù)比對來計算待測樣品的介電特性。由于微波在待測樣品的表面會多次反射，因此該方法的測量結(jié)果更為精確，對低損耗材料的介電測量也常選用此方法。

圖6 諧振腔法材料測試系統(tǒng)示意圖

自由空間材料測試法如圖7所示。其測試原理為：首先由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自帶的微波掃頻源產(chǎn)生一個電磁波信號，然后將信號傳輸?shù)絽?shù)選擇器端口1，最后經(jīng)同軸傳輸線饋入加脊TEM喇叭天線并向空間輻射出去。其中發(fā)射天線、接收天線分別放置在待測樣品的兩側(cè)，待測樣品置于兩天線的焦距處。反射信號被天線接收后進入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，利用耦合信號與參考信號的比值獲得發(fā)射系數(shù)，同理，透射信號經(jīng)接收天線接收后進入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口2，通過與參考信號的比值得到透射系數(shù)。

圖7 自由空間法材料測試系統(tǒng)示意圖

理論計算常用的方法有：法布里?珀羅腔法和微波網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)矩陣法等。本文主要以微波網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)矩陣?yán)碚撚嬎隳Ｐ偷墓竭M行說明。根據(jù)傳輸線理論，計算平板介質(zhì)的透波性能時，可將平板介質(zhì)兩邊的空間看作空間傳輸線，將平板介質(zhì)看作特性阻抗的空間傳輸線，由四端口網(wǎng)絡(luò)理論可知，平板介質(zhì)兩邊的場可通過一個傳輸矩陣[]連接，根據(jù)式(4)～式(11)，通過級聯(lián)矩陣的方法可計算出平板介質(zhì)的功率透過系數(shù)（PTC）和反射系數(shù)（PRC）。

式中，[]為傳輸矩陣；為虛部單元；為傳輸常數(shù)；為自由空間的波數(shù)（= 2π/）；為材料厚度；為自由空間波長（=/）；為光速；為頻率；為自由空間的介電常數(shù)；θ為電磁波入射角度；為自由空間波阻抗；和分別為平板介質(zhì)在TM極化、TE極化下的等效特性阻抗；Z為可分解為兩種極化方式的中間變量。

Peng等通過腔體擾動技術(shù)測量了SiO的相對復(fù)介電常數(shù)，研究表明，在915MHz和2450MHz頻率下，二氧化硅的相對介電常數(shù)和損耗因子在500℃以下幾乎不變。從500℃到1000℃，相對介電常數(shù)隨溫度增幅僅為2%。相反，相對介電損耗因子表現(xiàn)出強烈的溫度依賴性，并且分別在915MHz和2450MHz 處增加大約7倍和5倍。Behrend 等通過實驗主要測量了剛玉和氮化硼的介電性能，指出了微波加熱用耐火材料最重要的特性是透波性能、高抗熱震性以及化學(xué)和機械穩(wěn)定性，并比較了剛玉、氮化硼等廣泛使用的透波耐火材料在微波熔煉應(yīng)用中的適用性。結(jié)果顯示，在超過800℃時，剛玉的損耗因子和能量吸收急劇增加，而熱壓氮化硼在高于1000℃的溫度下開始降解，在大約1600℃的溫度下透波性能明顯減弱。尚小標(biāo)等根據(jù)電磁波傳輸理論，分別計算了莫來石陶瓷、氧化鋁陶瓷、熔融石英陶瓷等耐火材料的透波性能。研究表明：微波加熱用耐火材料的透波性能跟厚度有關(guān)，當(dāng)材料介質(zhì)厚度取半波長的整數(shù)倍時，可取得較好的透波效果。另外，還分析計算了氧化鋯纖維板、硅酸鋁纖維板和多晶莫來石纖維板在均勻溫度下的透波性能，并分別給出了這三種材料對應(yīng)最佳透波性能的匹配厚度。

4 容器用透波材料

目前，容器用透波材料主要是陶瓷基材料，本文主要從高溫透波材料和中、低溫透波材料兩方面對容器用透波材料的研究進行綜述。

4.1 高溫透波材料體系

高溫透波材料一般具有高抗熱震性、抗氧化性、穩(wěn)定性好、力學(xué)性能好等優(yōu)異性能。高溫透波材料可分為陶瓷基復(fù)合材料和聚合物基復(fù)合材料，其中陶瓷基復(fù)合材料包含氧化物體系、氮化物體系；聚合物基復(fù)合材料包含硅酸鹽體系、磷酸鹽體系。陶瓷基復(fù)合材料主要的結(jié)合鍵是離子鍵和共價鍵。原子以離子鍵和共價鍵結(jié)合時，外層電子處于穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，不能自由運動，故陶瓷基復(fù)合材料的熔點很高，抗氧化性好、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高。聚合物基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)隨增強體類型不同而不同，由無定形態(tài)的相態(tài)結(jié)構(gòu)組成。在高溫下強度和模量基本不變，故具有良好的力學(xué)性能。

4.1.1 氧化物體系

微波加熱用透波材料常用的氧化物主要有熔融石英、微晶玻璃、氧化鋁基陶瓷等。其中，熔融石英因其原子三維結(jié)構(gòu)交叉鏈接、長程無序，故具有穩(wěn)定的化學(xué)性、高抗熱震性和優(yōu)異的介電性能；氧化鋁基陶瓷在高溫下幾乎完全轉(zhuǎn)化成α?AlO，且在高溫下可電離出離子晶體，由于其離子鍵鍵能很大，故具有介電損耗低、機械強度高和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，尤其是剛玉在高溫下穩(wěn)定，且具有化學(xué)惰性和非常好的微波透過性能。吳文軍等通過在溶膠?凝膠過程中加入納米AlO顆粒制備AlO摻雜的SiO納米透波/隔熱材料，研究了AlO摻雜對材料高溫?zé)岱€(wěn)定性、介電性能及隔熱性能的影響。結(jié)果表明，AlO的摻雜阻礙了SiO顆粒之間的燒結(jié)，提高了材料的使用溫度；張雄等研究了石英纖維透波復(fù)合材料，論述了透波材料的性能要求，分析和比較了各類石英纖維透波復(fù)合材料的優(yōu)缺點、成型方法及研究現(xiàn)狀。其中，樹脂基石英纖維透波復(fù)合材料中，氰酸酯、聚酰亞胺和聚四氟乙烯樹脂基體具有發(fā)展?jié)摿Γ惶沾苫⒗w維透波復(fù)合材料中，二氧化硅和磷酸鹽基體性能較優(yōu)。尚小標(biāo)等研究了二氧化硅陶瓷在微波場中的透波性能，根據(jù)傳輸線理論計算了0～0.1m 厚度范圍內(nèi)的二氧化硅陶瓷在不同溫度、頻率下的功率透過系數(shù)，給出了二氧化硅陶瓷在不同溫度下透波率大于90%的厚度區(qū)間。計算結(jié)果表明，2.45GHz 頻率下，厚度為0.0375m、0.075m時，二氧化硅陶瓷展現(xiàn)出良好的透波性。

綜上所述，目前氧化物透波材料在微波加熱中應(yīng)用比較廣泛，具有高抗熱震性和良好的透波性能，有效提高了微波加熱效率，促進了微波材料的發(fā)展。常用的氧化物透波材料有二氧化硅和氧化鋁。二氧化硅通常被認(rèn)為是微波透明材料，因為它在室溫下吸收能力差，透波性能較好；氧化鋁陶瓷是目前工業(yè)上使用最多、應(yīng)用最為成熟的耐火材料之一。氧化鋁陶瓷資源豐富，價格低廉，機械強度高，且具有良好的絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于航天器天線罩、天線窗和微波加熱領(lǐng)域。但是當(dāng)溫度高于800℃后，二氧化硅和氧化鋁材料的介電參數(shù)會逐漸增大，吸波能力增強，透波性能變差。

4.1.2 氮化物體系

氮化物陶瓷是20 世紀(jì)60 年代開發(fā)的，最早使用氮化物材料的是美國TMD 公司。氮化物因其具有較高的原子結(jié)合度且都以共價鍵結(jié)合，故具有較好的熱穩(wěn)定性、抗熱震性。氮化物陶瓷分為氮化硼、氮化硅、氮氧化硅及新型的Si?B?O?N 系等材料，氮化硼和氮化硅并不是微波應(yīng)用中常見的材料，但是兩者對微波都表現(xiàn)出很好的透波性能、抗熱震性和化學(xué)穩(wěn)定性。常見的氮化硼（BN）陶瓷材料主要分為六方氮化硼、立方氮化硼，而常用作高溫透波材料的主要是六方氮化硼，其晶體結(jié)構(gòu)為層狀，且每一層都由硼原子、氮原子相間排列成的六角環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)組成。通過對氮化硼的研究發(fā)現(xiàn)，溫度在2000℃以上時氮化硼已基本不具備透波性能。Han 等研究了氮化硅?硼?硅陶瓷的抗熱震性和斷裂韌性，通過在氮化硅中加入氮化硼來提高陶瓷基體的抗熱震性和斷裂韌性，進而研究其透波性能。劉坤等指出六方氮化硼（h?BN）具有耐高溫、耐燒蝕、低介電常數(shù)和低介電損耗等優(yōu)良綜合性能，是理想的高溫透波材料，并采用先驅(qū)體裂解法，以環(huán)硼氮烷為先驅(qū)體，以模壓氮化硼粉坯體為成型骨架，制備了氮化硼復(fù)合材料。鄒春榮等研究了新型高溫耐火材料的透波性能，總結(jié)了近幾年來常見的氮化物陶瓷纖維的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對氮化物陶瓷纖維未來的發(fā)展趨勢作出了展望。李光亞等研究了纖維增強SiBN 陶瓷基復(fù)合材料，采用PIP工藝分別制備了氧化鋁、莫來石、石英、氮化硅纖維增強SiBN 陶瓷基復(fù)合材料，并對其介電性能和力學(xué)性能進行了測試與評價。結(jié)果發(fā)現(xiàn)莫來石纖維增強SiBN 陶瓷基復(fù)合材料相比其他材料具有最佳的綜合性能。范冰冰等發(fā)明了一種微波窯用SiNO透波隔熱一體化內(nèi)襯材料。該材料介電常數(shù)為3.4～5.3，介電損耗小于2.5× 10，在防熱隔熱、承載、抗沖擊和透波等方面性能優(yōu)異。徐恩霞等研究了剛玉?氮氧化硅復(fù)合耐火材料在微波加熱中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該材料具有電磁波吸收率低、透波性能優(yōu)異、抗熱震性好等優(yōu)良性能。

綜上所述，微波加熱用氮化物透波材料具有抗熱震性、耐高溫性和良好的透波性能。在微波加熱中主要用于容器材料和耐火材料的選取，但是由于氮化硼和氮化硅材料價格比較昂貴，在微波加熱實際應(yīng)用中比較少見，可以考慮用熱壓氮化物或者其復(fù)合材料代替。

4.1.3 硅酸鹽體系

目前可作為高性能硅酸鹽基復(fù)合材料的有莫來石、堇青石?莫來石、云母片等。在硅酸鹽基復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)中，最基本的結(jié)構(gòu)單元是Si?O 絡(luò)陰離子，由于結(jié)構(gòu)中的原子堆積密度較大，因而具有耐高溫、硬度大、熔點高等特點。莫來石具有高抗熱震性、穩(wěn)定性強、經(jīng)濟實惠等特性，目前在微波加熱中應(yīng)用比較廣泛，可作為微波加熱耐火材料。張桂敏采用溶膠?凝膠（sol?gel）法在低溫下制備了合成莫來石，得到高純且均勻的第一類莫來石前體，并采用放電等離子體燒結(jié)（SPS）法制備了高密度、高紅外透波率的莫來石陶瓷。劉永鶴等指出微波加熱用耐火材料的性能要求，此類材料應(yīng)具有良好的抗熱震性和抵抗熱沖擊能力、高的微波透過性，并采用常壓燒結(jié)法在不同溫度下合成了不同配比的堇青石?莫來石和剛玉?莫來石質(zhì)耐火材料。尚小標(biāo)等研究了莫來石耐火材料在微波加熱過程中的透波性能，分析了耐火層厚度、溫度和頻率對莫來石耐火層透波性能的影響。同時，從微波傳輸特性的角度出發(fā)，指出了厚度對莫來石耐火層的透波性能是有影響的。研究結(jié)果表明，莫來石耐火材料在915MHz頻率下具有很好的透波性能。李光亞等研究了剛玉?莫來石多孔透波材料，采用凝膠注模技術(shù)與發(fā)泡工藝相結(jié)合的方法，制備了不同相含量的剛玉?莫來石多孔復(fù)相陶瓷材料。研究結(jié)果表明，當(dāng)莫來石與氧化鋁的物相含量為1∶1 時，抗彎強度達最大值64.45MPa，得到的多孔陶瓷材料孔結(jié)構(gòu)均勻、力學(xué)性能良好、熱性能與電性能優(yōu)越，有望成為綜合性能優(yōu)于石英陶瓷的新型透波材料。董萌蕾研究了莫來石、氮化硅及其復(fù)合材料的透波性能，并以電熔剛玉、電熔莫來石及Si 粉為原料，在氮氣氣氛下1420℃保溫24h 燒制，分別制備了剛玉氮化硅復(fù)合材料和莫來石氮化硅復(fù)合材料，并對其性能進行了研究。

在微波加熱中，常見的硅酸鹽透波材料有莫來石和剛玉?莫來石等耐火材料。莫來石和剛玉?莫來石耐火材料屬于優(yōu)質(zhì)的耐火材料，目前在微波加熱中應(yīng)用比較廣泛。因其具有膨脹均勻、高抗熱震性、化學(xué)穩(wěn)定性好、硬度大、抗化學(xué)腐蝕性好等特點，多被用于微波窯爐的耐火爐襯。

4.1.4 磷酸鹽體系

磷酸鹽基復(fù)合材料的研究在俄羅斯有比較成熟的工藝。磷酸鹽離子是一個多原子的離子，包含一個磷原子，并由四個氧原子所包圍，形成一個正四面體結(jié)構(gòu)，具有良好的膠凝性能，故在耐火材料中常用作結(jié)合劑。目前研究的高性能透波材料主要有磷酸鉻、磷酸鋁、磷酸鋁鉻等。這類材料在經(jīng)復(fù)合固化后，在1200℃以下，磷酸鉻基復(fù)合材料具有良好的物理和力學(xué)性能；在1200～1500℃范圍內(nèi)，磷酸鉻鋁基復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗熱沖擊性；在1500～1800℃范圍內(nèi)，磷酸鋁具有良好的機械穩(wěn)定性。曹海琳等主要以氧化物和磷酸為原料，制備了磷酸鉻鋁，并研究了此類材料的高溫透波性能。結(jié)果表明，此材料體系具有優(yōu)異的耐高溫性能。并且對其復(fù)合材料層剪強度進行研究，發(fā)現(xiàn)對增強體材料表面進行涂層有利于復(fù)合材料性能的改善。劉文娟研究了晶須增強磷酸鋁的透波性能，主要探究SiO的加入是否影響其透波性能。結(jié)果表明，在1050℃添加SiO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%左右時，該類材料的介電性能幾乎沒有改變，但是其抗彎強度、硬度明顯增強。陳寧研究了原位生長莫來石增強磷酸鉻鋁高溫透波材料，結(jié)合莫來石和磷酸鉻鋁的優(yōu)點，提出了一種新型的磷酸鉻鋁復(fù)合材料體系。原位生長莫來石顆粒、晶須增強磷酸鉻鋁復(fù)相陶瓷體系，并對其高溫介電性能進行初步理論預(yù)測，以期為高溫透波材料的發(fā)展提供更多的參考。耿浩然等研究了硼酸鹽系晶須增強磷酸鋁陶瓷材料的透波性能，該材料由磷酸鋁粉、硼酸鋁晶須和硼酸鎂晶須組成，發(fā)現(xiàn)該材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能、介電性能和良好的成型性，能夠滿足透波應(yīng)用要求。王河等研究了SiO對硼酸鋁晶須增強磷酸鋁基透波材料的影響，采用無壓燒結(jié)法制備了含二氧化硅添加劑的硼酸鋁晶須增強磷酸鋁復(fù)合材料。結(jié)果表明，在1050℃燒結(jié)1h 后，添加5%SiO的復(fù)合材料具有良好的透波性能。王峰等對高硅氧增強磷酸鋁系復(fù)合材料的力學(xué)性能進行了研究，研究表明，當(dāng)磷與鋁的物質(zhì)的量之比為1∶1 時，該復(fù)合材料的力學(xué)性能達到最佳；當(dāng)鋁的物質(zhì)的量大于磷，且使用頻率可達到3MHz以上時，該復(fù)合材料體系具有較好的介電性能。

綜上所述，在微波加熱中目前常用的高性能透波材料主要是磷酸鹽基復(fù)合材料，它具有耐高溫性、高抗熱震性、可摻性及可塑性好等優(yōu)點，而且成型工藝簡便，被廣泛應(yīng)用在微波燒蝕、冶金領(lǐng)域。

4.2 中、低溫透波材料體系

中、低溫透波材料在中低溫環(huán)境下具有較低的介電常數(shù)和介電損耗，可按不同的需求應(yīng)用到中低溫微波加熱過程中。本節(jié)主要對聚四氟乙烯、甲基硅樹脂、玻纖增強樹脂、環(huán)氧樹脂等中、低溫透波材料的研究現(xiàn)狀進行綜述。其中在聚四氟乙烯分子中，C—H鍵鍵能較C—F鍵鍵能低，同時氟原子具有極高的化學(xué)惰性，使聚四氟乙烯具有耐化學(xué)腐蝕性、良好的機械韌性等性能。其他中、低溫樹脂基在一定條件下會固化交聯(lián)生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此這類樹脂基材料具有良好的耐燒蝕性能。李瑞波研究了玻纖布增強聚四氟乙烯透波材料的力學(xué)性能，以聚四氟乙烯為基體樹脂，高硅玻璃纖維布為增強材料，制得介電性能和拉伸性能優(yōu)良的高硅玻璃纖維布增強聚四氟乙烯透波材料。宋麥麗等研究了低碳?xì)堄嗉谆杌鶑?fù)合材料的介電性能和力學(xué)性能，結(jié)果顯示：甲基硅樹脂透波材料比傳統(tǒng)的樹脂透波材料耐熱性強、強度高、抗熱震性好、透波性能好，是一種比較理想的耐高溫復(fù)合材料。陳立瑤對玻纖增強樹脂基透波復(fù)合材料的制備及性能進行了研究，以三種不同玻璃纖維平紋布作為增強材料，聚四氟乙烯分散液為樹脂基體，制備了能滿足一定性能要求的透波材料。胡艷志對改性的環(huán)氧樹脂材料的透波性能進行了研究，制備了低黏度、介電性能優(yōu)良的樹脂基體，并以介電性能優(yōu)良的石英纖維為增強材料制備了透波復(fù)合材料，同時對其抗熱震性、化學(xué)穩(wěn)定性、透波性能進行了研究，并比較了不同樹脂體系在不同配比下的透波性能。

綜上所述，微波加熱常用中、低溫透波材料有聚四氟乙烯、樹脂基復(fù)合材料等，其中聚四氟乙烯因其具有較低的介電常數(shù)、介電損耗和較好的化學(xué)穩(wěn)定性等，常被用作支撐架、傳送帶和絕緣保護層等部件的主要選材，是應(yīng)用范圍最廣的透波材料之一。而增強樹脂基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較廣，但是在微波加熱領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少。

5 保溫用透波材料

微波加熱保溫用透波材料主要在支撐體、保溫層和爐襯方面應(yīng)用較多，保溫用透波材料主要為多種纖維制品，如纖維棉、纖維毯和纖維板。其中陶瓷纖維制品因品種多，保溫透波性能和耐高溫性能良好，在微波加熱領(lǐng)域中使用范圍最為廣泛。它主要分為結(jié)晶態(tài)纖維和非結(jié)晶態(tài)纖維。結(jié)晶態(tài)纖維的內(nèi)部原子結(jié)合以離子鍵為主，存在部分共價鍵，因此具有耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能；非結(jié)晶態(tài)纖維內(nèi)部主要由高鍵能的共價鍵結(jié)合，因此具有抗氧化、耐磨等優(yōu)異性能。Bhattacharya 等指出隔熱材料對微波加熱具有重要的作用，并同時指出最常用的絕熱材料有氧化鋁、莫來石、石英基絕熱材料，如多孔氧化鋁毯、纖維棉、絕熱纖維板等，這些材料在各個溫度區(qū)間內(nèi)均具有出色的微波透波性和強的耐熱/耐磨性；還指出微波的穿透深度跟溫度有關(guān)，而且溫度的變化會影響隔熱體的設(shè)計。尚小標(biāo)等根據(jù)電磁波傳輸線理論研究了多晶莫來石纖維板的透波性能，測量了多晶莫來石纖維板（PMF）在25～1000℃溫度范圍內(nèi)的復(fù)介電常數(shù)，分析了溫度對其介電常數(shù)和介電損耗的影響。結(jié)果表明，PMF 的介電常數(shù)隨溫度的升高變化不大，約為1.6；介電損耗在25～200℃范圍內(nèi)變化不大，但當(dāng)溫度高于200℃時，隨著溫度的升高，其變化近似呈指數(shù)增長，整體透波性能隨材料厚度的增加而降低。范景蓮等指出微波窯爐用保溫材料應(yīng)選用隔熱性好、不吸收或很少吸收微波能量，且在高溫狀態(tài)下和容器內(nèi)被加熱的材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料。常用的保溫材料主要是陶瓷纖維，其中使用最多的有AlO、SiO和莫來石纖維板等，它們具有熱穩(wěn)定性較好、耐腐蝕性強和機械性能較好等優(yōu)點。殷增斌等發(fā)明了一種微波燒結(jié)用保溫裝置，該保溫裝置包括陶瓷纖維毯、莫來石纖維箱及其蓋板、硅酸鋁陶瓷纖維板、多晶莫來石纖維板、剛玉莫來石套筒及其蓋板、多晶莫來石高溫纖維棉和玻璃纖維高溫帶。該裝置最高承受溫度可達到2000℃，在1700℃以下可多次重復(fù)使用。盛新太采用高純度鋁箔，并結(jié)合陶瓷纖維毯，研制開發(fā)了一種陶瓷纖維覆鋁箔針刺毯。這種復(fù)合型陶瓷纖維毯具有極強的熱阻作用、致密性高，而且抗熱震性優(yōu)良、熱導(dǎo)率小，化學(xué)性能穩(wěn)定。由莫來石晶體組成的多晶莫來石纖維，透波性能優(yōu)良，同時擁有晶體和纖維材料的優(yōu)點，是良好的保溫絕熱材料。李呈順等通過溶膠?凝膠法制備出多晶莫來石纖維，測試了Al的聚集狀態(tài)，以TG?DTA（熱重?差熱分析）等表征了該多晶莫來石的物相組成、纖維形貌和熱分解性等特點，是良好的保溫材料。尚小標(biāo)等以硅酸鋁纖維板（ASF）為研究對象，在25～1000℃溫度范圍內(nèi)，分別對915MHz和2450MHz頻率下材料的復(fù)介電常數(shù)進行了研究。基于傳輸線理論，計算分析了該材料在整個微波加熱過程中的透波特性。結(jié)果表明，當(dāng)溫度超過700℃時，兩種頻率下的介電常數(shù)和損耗因子均顯著增加，材料的透波性能隨溫度的升高而降低，并隨材料厚度的增加呈波動趨勢。

綜上所述，微波加熱用保溫材料有硅酸鋁纖維板、多晶莫來石纖維板、氧化鋁纖維板等。其中，硅酸鋁纖維板具有重量輕、熱導(dǎo)率低、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，經(jīng)常被用作中低溫工業(yè)微波窯爐的爐襯、高溫高壓蒸汽管道的絕熱材料、耐火建筑的防火材料等。多晶莫來石纖維板因其具有較好的高溫穩(wěn)定性、抗熱震、抗侵蝕、低熱容等優(yōu)點而被廣泛用于中高溫微波窯爐的絕熱內(nèi)襯。雖然很多研究者對微波窯爐保溫層使用的透波材料進行了大量研究，但是以上的研究大都是以傳統(tǒng)磚襯為主的保溫層，主要以單層保溫材料來研究，對多層復(fù)合保溫層透波材料的研究較少。

6 目前存在的主要問題

由于微波加熱原理的特殊性，微波加熱用隔熱爐襯應(yīng)采用具有良好透波性能的功能耐火材料。微波窯爐爐襯材料除需要滿足熱抗震性和穩(wěn)定性等傳統(tǒng)性能要求外，微波窯爐爐襯的設(shè)計還應(yīng)同時兼顧保溫性、透波性和經(jīng)濟性三個方面，應(yīng)根據(jù)多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題進行綜合設(shè)計。目前，實際應(yīng)用中還存在很多直接采用傳統(tǒng)非微波窯爐專用隔熱爐襯的情況，由于材料介電性能的溫變特性，傳統(tǒng)爐襯可能會吸收大量的微波而快速升溫，進而導(dǎo)致熱失控。

另外，目前針對微波加熱設(shè)備相關(guān)結(jié)構(gòu)（爐襯、容器）透波性能的研究較少，而且相關(guān)研究沒有定量化研究材料的透波性能和機理，但大都定性地指出了微波加熱用耐火隔熱結(jié)構(gòu)透波性能的重要性和常用耐火材料的適用性。根據(jù)電磁波理論可知，介質(zhì)的透波性能受材料物性、尺寸結(jié)構(gòu)、電磁波類型和所處環(huán)境溫度等因素交互耦合影響。目前，已報道的研究大都是從低介電損耗材料的角度優(yōu)化隔熱爐襯的透波性能，且已發(fā)現(xiàn)了透波性能的溫度敏感性問題，但很少有綜合材料學(xué)、電磁學(xué)、傳熱學(xué)和電介質(zhì)物理等學(xué)科交叉融合研究透波性能的報道。

7 結(jié)語與展望

隨著微波加熱技術(shù)的不斷推廣，對容器和保溫用透波材料的性能要求也在不斷提高，微波加熱用透波材料的發(fā)展限制了微波反應(yīng)器的應(yīng)用范圍。目前對微波加熱用透波材料的研究已獲得顯著成果，但是還存在一些方面需要拓展研究：①測量獲取更多透波材料的寬溫域電磁特性數(shù)據(jù)，掌握其溫變特性；②開展考慮溫度梯度的透波性能研究，掌握溫度梯度對透波性能的影響規(guī)律。

在材料研究方面，微波加熱用容器和保溫透波材料以后的發(fā)展方向可能有以下幾個方面。

（1）探究昂貴材料的替代品。如氮化硼、氮化硅原材料比較昂貴，可以考慮嘗試用熱壓氮化硼或氮化硅代替。

（2）探索新的透波材料制備技術(shù)。目前主要的制備技術(shù)有固相燒結(jié)法、有機先驅(qū)體裂解法等，可嘗試探索新的制備技術(shù)提高材料的透波性能。

（3）研究開發(fā)新型的容器和保溫材料。隨著對透波材料性能的要求越來越高，納米復(fù)合材料和智能材料有可能成為未來研究的熱點。