一种提高微波加热温度均匀性的方法与流程

1.本发明涉及一种复合材料微波加热技术，尤其是一种提高复合材料微波加热温度均匀性的方法，具体地说是一种提高微波加热过程中被加热物料温度均匀性的方法。


背景技术：

2.微波是频率为300m至300ghz的电磁波。微波加热是一种节能高效的加热方式，具有加热速度快、选择性加热、易于控制等一系列优点，因此被广泛应用于食品加工、材料处理、化学合成等各大领域。然而，微波腔体中电磁场分布不均匀使得在物料上出现相对较热的区域(热区)和相对较冷的区域(热区)，温度不均匀。该问题严重影响了物料的加热质量，阻碍了微波加热技术的应用。
3.现在提高微波加热温度均匀性的方法主要有三种：(1)加热前对腔体内电磁场分布进行优化，通过优化微波腔体形状、尺寸或微波源的位置，使腔体内的电磁场分布更加均匀。但电磁波在腔体内谐振的本质决定了该方法无法从原理上实现电磁场的均匀分布。(2)在此基础上，在加热过程中使电磁场和被加热物料间发生随机相对运动（如使用物料旋转托盘或模式搅拌器等），总体上可以进一步提高微波加热的均匀性，但却无法避免物料局部出现冷区更冷、热区更热的情况。(3)因此，基于加热过程中对物料温度分布的实时监测结果，对不均匀的温度场进行定向补偿是近年来的新思路，但还需要伴随温度场监测技术（尤其是面测温技术）进一步发展。
4.与现有方法完全不同，本发明提出通过在物料内部、外部或内外同时添加包含温敏电磁材料的辅助材料，使得物料整体或某个局部区域在所需温度区间内的升温能力随温度升高而降低，从而使得此温度区间里物料整体或某个局部区域内的热区的升温能力低于冷区的升温能力，以促使热区和冷区的温度更加接近（相关原理如图1所示）。本发明无需对物料的温度分布进行实时监测，但却可以达到对温度场进行定向补偿的效果，易于实施，应用前景广阔。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对微波加热存在的被加热物料温度分布不均匀，发明一种新的提升微波加热温度均匀性的方法，从原理上突破微波不均匀加热的难题。
6.本发明的技术方案是：一种提高微波加热温度均匀性的方法，其特征在于：通过在物料内部、外部或内外同时添加包含温敏电磁材料的辅助材料，使得物料整体或某个局部区域在所需温度区间内的升温能力随温度升高而降低，从而使得此温度区间里物料整体或某个局部区域内的热区的升温能力低于冷区的升温能力，以促使热区和冷区的温度更加接近。
7.所述在物料内部添加包含温敏电磁材料的辅助材料是指在物料内部混合包含温敏电磁材料的粉体，从而使物料在所需温度区间内获得随温度升高而降低的吸波性能。
8.所述的温敏电磁材料的粉体为钛酸锶、钛酸钡或钛酸锶钡等颗粒的一种或几种的
混合物。
9.所述在物料内部混合温敏电磁材料所用方法根据物料的形态、尺寸等方面决定，如熔融共混、机械共混等方法。
10.所述在物料外部添加包含温敏电磁材料的辅助材料是指在物料外部覆盖具有两层或多层结构的温敏薄膜；所述的温敏薄膜由一层或多层介质层以及一层或多层亚波长的导电图案构成，且至少一层介质层或导电图案由温敏电磁材料制作或包含温敏电磁材料，使得“温敏薄膜和物料”整体的吸波性能在所需温度区间内随温度升高而呈现下降的趋势。
11.所述导电图案在厚度方向的尺寸（小于500微米）可忽略，在面内具有特定几何形状，其形状和尺寸在选材确定（即材料参数确定）的情况下很容易通过电磁仿真确定。
12.所述在物料外部添加包含温敏电磁材料的辅助材料是指在物料外部覆盖吸波材料；所述的吸波材料由温敏电磁材料制作或包含温敏电磁材料，其在所需温度区间内具有随温度升高而降低的吸波性能，从而在吸收微波后较为均匀地向被加热物料传递热量。
13.所述在物料外部添加包含温敏电磁材料的辅助材料时，需特别注意保证辅助材料和被加热物料紧密接触，可以通过包覆、贴附、镀层、真空吸附等方法实现。
14.所述的温敏电磁材料是指电磁参数随温度变化的材料；如铜、铝、银、铬等金属的合金，二氧化钒等相变金属氧化物，钛酸锶、钛酸钡等铁电材料，液晶材料，以及包含上述组分的材料。
15.所述的电磁参数是指电阻率、介电常数、磁导率或上述参数的组合。
16.本发明的有益效果：本发明无需对物料的温度分布进行实时监测，但却可以达到对温度场进行定向补偿的效果，易于实施，应用前景广阔。
附图说明
17.图1是本发明方法原理示意图。
18.图2是本发明的一种双层结构温敏膜的示意图。
19.图3是本发明的一种双层结构温敏膜在2.45ghz频率下的介电常数实部随温度的变化示意图。
20.图4是本发明的一种双层结构温敏膜与碳纤维增强环氧树脂基复合材料整体的2.45ghz微波吸收率随温度的变化示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例的附图对本发明的方法方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例。而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围内。
22.如图1所示。
23.一种提高微波加热温度均匀性的方法，其关键是在物料内部、外部或内外同时添加包含温敏电磁材料的辅助材料，使得物料整体或某个局部区域在所需温度区间内的升温能力随温度升高而降低，从而使得此温度区间里物料整体或某个局部区域内的热区的升温
能力低于冷区的升温能力，以促使热区和冷区的温度更加接近，如图1所示。
24.在物料内部（图中未示出）添加包含温敏电磁材料的辅助材料是指在物料内部混合包含温敏电磁材料的粉体，如钛酸锶、钛酸钡、钛酸锶钡等材料的颗粒及其混合物，从而使物料在所需温度区间内获得随温度升高而降低的吸波性能。在物料内部混合温敏电磁材料所用方法根据物料的形态、尺寸等方面决定，如熔融共混、机械共混等方法。
25.在物料外部添加包含温敏电磁材料的辅助材料是指在物料外部覆盖具有两层或多层结构的温敏薄膜，如图2所示；所述的温敏薄膜由一层或多层介质层以及一层或多层亚波长的导电图案构成，且至少一层介质层或导电图案由温敏电磁材料制作或包含温敏电磁材料，使得“温敏薄膜和物料”整体的吸波性能在所需温度区间内随温度升高而呈现下降的趋势。所述导电图案在厚度方向的尺寸（小于500微米）可忽略，在面内具有特定几何形状（如图2的方环形），其形状和尺寸在选材确定（即材料参数确定）的情况下很容易通过电磁仿真确定。所述在物料外部添加包含温敏电磁材料的辅助材料是指在物料外部覆盖吸波材料；所述的吸波材料由温敏电磁材料制作或包含温敏电磁材料，其在所需温度区间内具有随温度升高而降低的吸波性能，从而在吸收微波后较为均匀地向被加热物料传递热量。所述在物料外部添加包含温敏电磁材料的辅助材料时，需特别注意保证辅助材料和被加热物料紧密接触，可以通过包覆、贴附、镀层、真空吸附等方法实现。所述的温敏电磁材料是指电磁参数随温度变化的材料；如铜、铝、银、铬等金属的合金，二氧化钒等相变金属氧化物，钛酸锶、钛酸钡等铁电材料，液晶材料，以及包含上述组分的材料。所述的电磁参数是指电阻率、介电常数、磁导率或上述参数的组合。
26.下面通过展示几个实施实例对本发明作进一步的说明。
27.实例1。
28.微波加热外部覆盖具有两层结构的温敏薄膜的碳纤维增强环氧树脂基复合材料。碳纤维增强环氧树脂基复合材料由单向预浸料手工铺叠而成，铺层角度为[0
°
/90
°
]
10
，复合材料的尺寸为250(长)
×
250(宽)
×
2(高)mm3。如图2，双层结构温敏薄膜由一层导电图案和一层介质层组成，上层的导电图案材料为铜，厚度为18μm，铜的电导率为5.813
×
107s/m，形状为方环形单元，阵列排布在介质层上，图案是通过激光蚀刻铜箔获得。介质层由环氧树脂和钛酸锶粉末按质量比例1:1均匀混合后固化制得，厚度为0.52mm，钛酸锶粉末粒径为1μm。介质层材料在2.45ghz频率下的介电常数实部在25~150℃范围内随温度升高单调增加，变化情况如图3。“双层结构温敏薄膜与[0
°
/90
°
]
10
碳纤维增强环氧树脂基复合材料”整体的对2.45ghz微波的吸收率从25℃的91.28%下降到150℃的57.17%，变化情况如图4。将双层温敏薄膜通过真空袋真空吸附在碳纤维增强环氧树脂基复合材料上，放在微波加热腔体中进行加热，大幅提升温度均匀性。
[0029]
实例2。
[0030]
微波加热外部覆盖包含温敏材料的吸波材料的玻璃纤维板。采用实施例1中“双层结构温敏薄膜与[0
°
/90
°
]
10
碳纤维增强环氧树脂基复合材料”整体作为包含温敏材料的吸波材料，覆盖在一个尺寸为250(长)
×
250(宽)
×
2(高)mm3的玻璃纤维板上，“双层结构温敏薄膜与[0
°
/90
°
]
10
碳纤维增强环氧树脂基复合材料”整体吸收微波发热，将热量较为均匀地传递给玻璃纤维板。
[0031]
实例3。
[0032]
微波加热内部混合温敏材料的环氧树脂。将双酚a型环氧树脂和其固化剂按质量比例10:3均匀混合后倒入尺寸为200(长)
×
200(宽)
×
50(高)mm3的硅胶模具中。然后在其中掺入与环氧树脂质量比例为1:2的钛酸锶钡纳米粉末(ba
0.6
sr
0.4
tio3)，使混合物对915mhz微波的吸收率在25-150℃内单调减小。将其放在微波加热腔体中，在从25-120℃的温度区间内实现微波均匀加热。
[0033]
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。