微波烧结：基础与建模外文翻译资料

 2022-07-30 20:36:05

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微波烧结：基础与建模

  1. 介绍

在过去的几十年间，微波加热在材料的加工中起到的作用逐渐变大。某些工业微波加热已经成为一项不可缺少的技术，比如在食品加工、有机化学、木材加工等产业以及依靠微波在低温下水中吸收有机物质等方面。同时微波加热在高温领域也在积极的发展，是一项很有前景的技术。使用微博进行温度处理已经在陶瓷的烧结与结合方面，加尼奇合成，开发复合粉末材料，冶金工业，工业放射性材料的治理，只如半导体退火等高科技领域体现了自己独特的优势。大多数微波加热的应用也能在日常生活中实现，很简单，我们所使用的微波炉就是将电磁能转化为热能。新的微波加热形式已经开始替代传统的加热形式，在某些时候微波加热相对于传统加热形式会在经济上能源上耗费更少。相信在不久的将来微波技术会完美的取代常规加热。但同时，微波加热也存在着很大的缺点，比如高成本的安装费用和运营成本。常规的微波技术会被最新的微波技术所取代，所以还需要不断的更新自己的微波加热技术才能使自己的产品变得具有竞争力。因此，微波加热的发展依赖于常规技术的发展。

微波加热的一个重要的优点就是是材料中所有物质同时加热。而通过常规的辐射或者对流进行加热则需要完全依靠热量生产。另外，微波产生的能量可以完全用于产品的加热，因此想拥有更快的加热速率，微波加热是不可少的。在很多情况下，更快的加热速率是不可缺少的。随着能量的节约与工艺时间的减少，微波加热还能显著的提高产品的质量，从而使最终产品得到更加精细更少缺陷的微观材料的功能特性，如果你需要更高的加热密度还需要其他的辅助技术，比如火花等离子体烧结。然而在现在高分辨率的时代。在观察的时候能看到传统加热所不能看到的热沉积图案。这就是所谓的微波效应，包括正在扩散的活化能，加热时进行扩散的各向异性的微波场，变化的固态场强温度等等。显然，这些能体现微波加热的根本性质，与此相关的微波场能量转换成其他形式热平衡运动。第一次在研究中使用微波加热可以追溯到20世纪60年代。微波烧结领域开创性实验工作是由延戈、林恩、约翰逊等人完成的。到了20世纪80年代末，微波烧结在陶瓷领域也验证了其可能性。至今微波烧结的这些特性对生产生活起了很大的作用：

  1. 过程温度显著降低（50-100℃）特别是在烧结的中间阶段与致密化动力学曲线的变化在具有较高微波的材料中有很高的吸收率。
  2. 降低高温持续时间，在烧结过程的结束阶段，降低高温持续时间可以是烧结中间体体积膨胀每这样有助于致密化。

微波烧结陶瓷的成果与问题已经被归结成一个综合性的研究。对材料进行增强处理所产生的高温结构陶瓷，其目的是获得致密的材料使其最终的粒度尽可能的接近初始粒度。这一领域的重要成果是由贝克夫、林肯、宾纳等人获得的。在随后的研究中。最先提出两阶段烧结方法的是陈氏和王氏烧结法，用来烧结纳米结构陶瓷材料，可以与已经完善的微波加热技术混合加热。微波加热在金属陶瓷复合材料所烧结的功能梯度材料已被证明。由上可知微波加热的前景一片大好。微波加热在流程建模和数值模拟方面有很好的表现，而材料科学建模的价值则取决于所得到的数值的稳定性。高精度的数据是不可或缺的。所以大多数加热过程所要求的计算精度约为1%。

微波烧结是一个跨学科的课题，它集合了很多物理学和材料学领域的知识：1.材料中的电磁场处理；2.温度；3反映材料过程的变量如应力、质量、孔隙率、晶粒尺寸等。

上面列出的性质是相互关联的，而且通常是需要扩展模型空间，远远超出粉末物体烧结。一般来说，物体内部的电磁场取决于:1.材料的有效介电性和磁性性质，取决于温度和孔隙度等结构变量;2.所进行处理的应用程序的尺寸和属性;3.微波源、传输线、应用器等的匹配条件。

同样地，加热物体内部温度的分布是由:1.材料内电磁场的分布;2.有效的吸收特性、热容和热导率的材料(取决于温度和孔隙度);3.热转移的条件可能包括热绝缘的性质，材料的发射率，对流等。

最后,烧结对象的属性,如整体致密化和形状,可以通过以下相关的影响因素:1.材料内部的温度分布及其在烧结过程中的演变;2.物体上的应力张量分量;3.孔隙度和平均粒度的空间分布;4.摘要考虑了电磁场对烧结过程的直接非热效应，并对其结构进行了研究。

这决定了这篇评论文章的结构组织。(2)节中我们考虑电动协会高温微波处理过程中出现的各种问题的材料。我们讨论了用于计算烧结材料的有效电/磁特性的模型。摘要介绍了用于在烧结材料和整个微波应用中获得电磁场分布的主要方法。后者的问题是基于微波腔谐振器的励磁,传输线的场结构和匹配,是标准的微波工程问题,因此他们只是进行了简要综述。

(3)节中我们探讨了热效应与电效应解决方案。这包括温度分布的计算和它们的演化。存在一个引起研究人员兴趣的特殊案例是在微波加热过程中热的不稳定的发展。同时,分析微波处理系统的动态反馈回路控制被认为是短暂的。在本小节的末尾所谓的多重物理量的微波烧结模型进行了讨论,包括相关的电、热、机械动力学的仿真和结果在微波加热烧结收缩。

最后,在部分(IV)我们研究了非热能的微波电磁对烧结的影响,以及实验观测和理论建模。

二．微波烧结电磁学的模拟

微波处理的材料利用电磁波的波长范围为毫米至厘米。显示的微波加热过程的电动力学描述通常包括对材料中微波电磁场分布的分析，以及电磁能量的吸收。

电磁波在吸收材料上的发生:也许最简单的与微波处理有关的电动力学问题是在一块材料上的平面使电磁波的正常入射。通过电磁波的穿过时间来测量真空板材料的厚度。由于前后表面的反射,会有波漫游在区域1和2的两个方向,在该区域3只波前往正确的将射出。根据以下关系，分别介绍了电磁场和磁场的复振幅：

然后电场可以写成以下形式:

、

E0是入射波的电场振幅,x是频率,k0frac14;x = c真空波

图2.平面电磁波在一大块材料上的正常入射。

c是光速,kfrac14;k0是波数的材料,e是相对介电常数，mu;是材料的相对磁导率。磁场的表达式分别是：

在方程式。(2)和(3),A,B,R和T未知系数。它们应该满足边界条件,需要连续性的电场和磁场分量的提前量和衔接前后表面,z = 0和z =a。实施四个边界条件和解决四个代数方程,我们得到：

平面波的能量通量密度等于平均坡印亭矢量：

超线表示在场周期内的平均值，而星号表示复杂的共轭。在入射波能量通量密度E0H0 = 2,在反射的波板,和波的传播通过板。如果e和l是实数，对应于没有损失的材料，那么波数k也是实数并且可以很容易地检查它。

在平板上的组件是由上式决定的。(2)和(3)地区2方程式的系数A和B。(5)。显然,吸收功率密度等于能量通量密度的区别在入射波和总能量通量密度被反射和传输波:

最简单的方法来模拟具有不同空间属性的材料是将它分割成层的固定值(复杂)的介电常数和磁导率归因于每一层(图3)。然后平面电磁波的入射到这样一个分层结构

通过在各层之间的边界条件下的边界条件和求解场振幅的线性代数方程组的解来计算。然后计算每一层吸收的能量。这被称为阻抗method40和广泛应用于微波加热的简单模型,最多再加上热传导方程的解决方案(2)节下面讨论在这样的模拟,在平面波入射磁场强度对材料的外表面被认为是已知的。在材料被一束波时,对于简单的数量级估计可以用方程式。(4)和(6)与电振幅平面波的权力,P,微波的来源:

图片3．阻抗法的说明

虽然腔的固有模式的场结构规律的形状(矩形、圆柱形或球形)可以计算分析,准确的电动解决方案实际应用者的激励载荷得到使用的数值方法解决微分或积分形式的麦克斯韦方程。这些方法中最受欢迎的时域有限差分(FDTD),有限元方法(FEM),传输线矩阵(TLM),矩量法等数值方法的深入描述超出了本研究的范围,数值方法已开发和提炼为许多微波加热应用程序Metaxaset al。从一个电力学的观点,模拟电磁场的配置用于高温微波处理,特别是烧结,与低温应用程序有很多共同之处。一个重要的区别在于材料的介电性能，因此详细的讨论在下面。

在许多期刊论文和会议论文的摘要中，对微波烧结系统中电磁场分布的模拟进行了描述。FDTD方法用于模拟在单模模式下运行的腔体。这种方法也适用于应用者和较大的空腔,包括那些在多模操作制度。61年来减少计算时间更大的空腔,2D数值模拟可以用来代替完整的3D模型。大多数模拟都能处理在腔内的粉末工件的情况，这通常对场分布有很大的影响。在FDTD模拟多模腔的伊斯坎德尔的相对强度等人几腔振荡模式选择按照实验测量场分布在一个空腔。然后陶瓷工件的影响,保温装置,高吸收感受器被调查。FDTD方法也被用于天线阵列的发展，以从几个磁控管源的辐射中为一个大空腔提供能量。

对915mhz的单模腔体进行了有限元模拟，并对其施加压力，以确保金属粉末样品的更好烧结。它已经证明了空腔中的电磁场结构是影响金属粉末样品和陶瓷的元素,因此仿真有助于调整最佳的微波加热腔的位置。在参考文献中，详细描述了一个包含多个氧化铝样品的相对大的微波腔的详细的TLM模拟。实验表明，在样品中吸收的微波功率很大程度上取决于它们在应用程序中的位置。TLM研究微波混合加热,阐明影响基座材料沉积,可用于综述了微波处理系统的电磁建模电磁计算的商业代码的使用可以在参考文献中找到。更多结合电磁模拟与热解决方案，参考以下资料。

多模系统的特征尺寸比波长大得多(这是特别适用于毫米波系统)有限差分或元素模拟仍然需要禁止大量的计算机资源。这样的系统模型,近似射线跟踪或几何光学方法建议。进入多面模拟器被视为一束射线,每个携带一定的权力。在涂布计算射线的传播现实器配置考虑器壁的反射系数。然后计算到达陶瓷工件的总射线数，计算出这些射线所产生的总功率。该方法的一个缺点是，它不能解释电磁波到达工件的阶段，因此不能描述它们之间的相互干扰。然而,比较确切现象表明,文中的计算可以提供足够的结果在预测整体多模涂抹器内电磁场分布的均匀性。

对于烧结的模拟，需要在整个过程温度范围内的介电性能数据。在分析模型中可以获得介电性能的依赖性，特别是微波吸收，在温度和频率上。然而，微波电磁场与材料之间相互作用的模型仅能提供材料的介电性质的定性信息。更实际的是介电性能测量的结果。这些使用成熟的技术进行基于反射/透射测量腔微扰,而e数据可用于许多材料的实际利益,高温介电性能的陶瓷材料在微波频率仍未充分记录在文献中。电介质性能，特别是损耗因素，对材料中的杂质含量也有很高的敏感性。此外，在烧结过程中，它们随材料的孔隙度发生变化。在微波处理实践中大多数材料实际上是混合物的两个或两个以上的阶段。例如,粉末压块包含固体(粉末粒子)和气态阶段(孔)。正在进行的化学或相转换的复合材料和系统可能包含三个或多个阶段。

多模系统的特征尺寸比波长大得多(这是特别适用于毫米波系统)有限差分或有限元模拟仍然需要大量的计算机资源。这样的系统模型,近似可以认为是射线和几何光学的模型。波梁进入多模器被视为一束射线,每个携带一定的能量。在计算射线的传播现实器配置考虑器壁的反射系数。然后射线到达所照射物质的总数进行统计,这个计算射线带来的总功率的方法存在一个缺点,它无法解释阶段的电磁波到达工件时间,因此无法描述其相互干扰所产生的影响。然而,可以比较确切形式说明,文中的计算可以提供足够的数据来预测整体多模涂抹器内电磁场分布的均匀性。

三.传热方面和烧结模拟

对于许多一般的材料来说，微波加热能够比传统方法获得更高的加热速率。这主要是由于微波所产生的热能主要是在加热的材料中直接沉积的。因此，微波加热过程并不仅仅依靠热传导来传输热量。

对于一些简单的微波加热的情况，仅仅根据热传导方程就可以对其进行建模，而微波功率的分布是均匀的或规定的(如:从材料表面,指数衰减很大部分,这可能与高温损失的材料有关)。微波加热过程模型的例子基于热传导方程的数值解与温度反常系数方法基于有限元素,可以找到有限的差异等。然而，在大多数情况下，电磁场的分布受温度和时间的变化影响很大，因此需要进行自洽的电磁 热模拟。

有条理的微波加热建模:微波加热的模型将包含一个电磁部分确定电场和磁场(如适用),E和H,并获取温度、热部分t温度,进而决定了耦合模型中所有材料参数的值。在某些情况下可以简化假设,特别是对温度的依赖关系的形式参数,这样只需要使用一个模型便可以分析可以解决的。否则,这样一个模型的简单的数值实现将包括一些材料分为许多薄层然后设定恒定的参数值。在每个迭代中,电场和磁场的分布振幅通过上述阻抗方法,然后在每一层的温度是由解决。在下一次迭代开始之前，每个层的材料参数都根据该层的温度值分配新的值。

电磁和热模型的结合是大量微波处理模拟的基础。这里，我们只会提到其中一些与微波烧结和/或相关的高温工艺有关。电磁方案的圆柱形谐振腔部分充满介质,紧随其后的是有限差分解决热的问题已经被用来模拟温度动力学在微波加热的氧化铝。一个简单的电磁模型基于平面波在每个材料的吸收器中已被证实能提供良好的协议与实验。材料用于这项工作提高低损耗微波加热的材料提供了有效的微波吸收一些中间温度,然后氧化燃烧。微波烧结过程中的能量平衡分析了。多层电磁/热模型。FDTD电磁/热模型已经应用的简化假设,模拟微波加热的金属粉末。详细的有限元模拟陶瓷的微波加热与温度有关的属性描述可以参考商业软件COMSOL。

摘要对微波加热的耦合电磁和热问题进行了分析，得出了各种各样的动态加热系统和效果，引起了研究人员的广泛兴趣。最广泛讨论的影响是热不稳定性。在最简单的考虑中，它是由微波特定的不均匀温度分布和微波吸收对温度的上升的依赖而产生的。由于沉积的功率密度与吸收率成正比，在温度较高的地区局部温度较高，从而导致这些地区温度的升高。显然，这导致了温度的不稳定，除非热传导足够强，

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