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從微波能應用技術的發(fā)展探索其產業(yè)化前景
作者：發(fā)布時間：2015-06-17 16:46:44點擊率：10682
作者：季天仁（電子科技大學物理電子學院，四川成都610054）
摘要：簡述了近期國內外微波能應用技術的發(fā)展動態(tài)，特別是在微波化學；微波等離子體材料改性及化學汽相沉積{MPCVD}制備新材料；微波高溫燒結；微波低溫干燥；微波橡膠硫化；微波廢橡膠脫硫再生等新的交叉學科領域和新技術的發(fā)展趨勢。同時，提出了開拓微波能應用技術在這些領域產業(yè)化發(fā)展的問題和良好的發(fā)展前景。
關健詞：微波能；微波化學；微波等離子體；化學汽相沉積(CVD) ；微波高溫燒結；微波低溫干燥；微波橡膠硫化；微波廢橡膠；脫硫再生
中圖分類號：TNO15 ； TM924.76 文獻標識碼：A 文章編號：1002-1639(2004)05-0001-04
1近期國外微波能應用技術的發(fā)展動態(tài)
(1)近40年來，美國和加拿大作為國際微波能協會(IMPI)的主要發(fā)起國之一，將微波作為一種先進能源，推進到家庭、工農業(yè)、食品、橡膠、醫(yī)療、以至當今的高新科技領域的廣泛應用起了巨大的促進作用。IMPI年會年年召開，到今年在美國召開的第39屆年會，從來沒有中斷過。數十年來，微波能在北美地區(qū)獲得了相當廣泛的應用。雖然由于傳統(tǒng)習慣、設備成本等原因，微波工業(yè)應用還不像家用微波爐和微波通信產品那樣已形成了巨大的產業(yè)，而且在食品等行業(yè)還有所下降，但是，在這些領域，美國、加拿大仍保持著穩(wěn)定的發(fā)展。到80年代末期，微波能技術以高速度步人以新材料、微電子和化學為表征的高新科技領域。在這一領域，美國仍引領世界先進潮流。除了原有著名的像Cober Co, MicrodryInc, Gerling Lab.等公司外，90年代后又出現了像IndustrialMicrowave System Ltd. (IMS), ASTeX Co.(現合并為MKSInstruments Inc.), CEM Co, Lambda Tech. Ltd., Ferrite Microwave Tech. Inc., Kean Holdem Associate Ltd.等10多家公司從事更廣泛的微波能應用業(yè)務開拓。
(2)歐洲的微波能應用雖然不如北美那樣發(fā)達和廣泛，但發(fā)展一直比較穩(wěn)定，而且質量水準較高。我們熟知的西德、法國、意大利、英國、西班牙等國的家用微波爐、微波食品處理、微波橡膠硫化等技術、設備和產品在世界比較知名，其中不少已輸人我國。近10年來，西歐在微波能應用領域有后來居上之勢.以英國劍橋大學電氣工程應用系的Metaxas教授任主席成立了“歐洲微波能應用協會(AMPERE ) "，定期出版“AMPERENEWSLETTER'’新聞季刊，內容豐富，十分活躍，與IMPI并駕齊驅。西德原來專業(yè)從事電爐生產的Linn Ltd.公司，90年代末介人微波工業(yè)應用設備的開發(fā)，很快推出了20 kW/915 MHz處理300 kg/h的微波米飯加工設備；30一60 kW / 2 450 MHz系列大型陶瓷產品的預熱、烘干和高溫燒結設備等，標志其巨大的產業(yè)化能力。西德另外一家FM-MicioTech. GmbH Ltd.公司近年來也推出了400kWi915MHz微波木材連續(xù)粘壓成型設備，64 kW/915 MHz微波熱空氣組合，連續(xù)蜂窩梳狀或泡沫陶瓷干燥設備，以及28~56X 1 kW系列微波傳送爐等。在微波等離子體新材料方面，歐洲許多大學和研究所自己開展應用研究工作，取得了許多成果，如西德的微波等離子體高效率激發(fā)大功率激光、微波等離子體制備超微細粉在世界上處領先地位。英國的牛津等離子體技術公司(Wogen) ,法國的SAIREM CO.等，特別是西德的Fraunhofer薄膜技術所于1999- 2001年首次采用6 kW/2 450 MHz和30 kW/915 MHz橢球腔型微波等離子體系統(tǒng)沉積出了直徑4 mm，厚度超過1英寸的光學級金剛石厚膜，取得了世界領先的水平。
(3)澳大利亞是近幾年推廣微波能應用發(fā)展很快的國家。主要開創(chuàng)者是原Deakin大學的教授現任墨爾本“皇家技術研究所”所長的V. N. Tran博士。90年代初，他們順應當時西部澳洲許多環(huán)境相關工程項目對微波技術的迫切要求，跟蹤北美和歐洲的最新發(fā)展，得到聯邦
政府的資助，從發(fā)達國家購進微波測試儀器、系列微波源，系統(tǒng)和設備，高起點開展了高功率微波傳輸、多種微波干燥食品，木材等的加工應用、微波等離子體產生，材料加工和應用、微波化學反應和應用等工程性項目的研究和開發(fā)工作等。2002年，他們承辦了有近20個國家100多名代表參加的“第3屆世界微波和高頻應用會議”。與會者對他們的成就給予了充分肯定。在產業(yè)發(fā)展方面，澳大利亞以AMT公司為代表，近幾年已開發(fā)出“微波溶液化學加工系統(tǒng)，100 kW/915 MHz大捆羊毛微波加熱處理系統(tǒng)，處理180 kg/h 6 kW/2 450 MHz微波陶瓷高溫燒結爐，最高溫度可達1 800℃。5~15 kW/2 450 MHz微波橡膠硫化系統(tǒng)，1 kW/2 450 MHz微波等離子體火炬焊接系統(tǒng)等。
(4)日本和俄羅斯的微波能應用技術，無論從基礎研究，應用領域以至到產業(yè)化發(fā)展都具有相當規(guī)模和較高的水平。鑒于具體資料搜集不多，本文不再贅述。
2一些新領域和新技術的發(fā)展趨勢
(1)微波化學的興起和誘人的發(fā)展前景
直接利用微波輻射加速化學反應的發(fā)現還是近10年的事。近10年來，科學家們通過大量實驗研究發(fā)現，微波能大大加快許多高分子化合物的合成反應；大大加速某些化合物的分解反應；微波輔助的溶液萃取較之傳統(tǒng)的分子蒸餾和CO2超臨界萃取等可大大縮短時間并獲得更多有用成分等。當前，針對這些現象所開展的大量機理性和實驗研究已形成了一門新的交叉科學—微波化學。它是目前國內外發(fā)展最快的一個交叉學科領域之一，具有十分廣闊的發(fā)展前景口適應這一發(fā)展，美國著名的CEM微波儀器公司、意大利的MILESTONE公司、澳大利亞的CSIRO公司等都致力于各種商用微波化學系統(tǒng)的研制和開發(fā)，不僅先后推出了各種自動微波消解、溶液萃取、化學反應以至高溫微波馬弗爐，而且還推出了可連續(xù)流動式的微波化學反應系統(tǒng)，使合成產品的規(guī)模達數公斤的量級，大大促進了微波化學的發(fā)展進程。微波化學這一新興交叉領域，按照目前理論和實踐的發(fā)展趨勢，今后一定會有十分誘人的發(fā)展前景。
我國也緊跟國外飛速發(fā)展的形勢，去年召開了首屆全國微波化學學術討論會并成立了微波化學分會。從已經發(fā)表的論文和大量研究成果來看，在這一領域與國外的差距不算很大口相信通過微波和化學界的同仁緊密協作、共同努力會取得更快發(fā)展。
(2)微波低溫等離子體化學汽相沉積(MPCVD)多種薄膜、厚膜技術發(fā)展十分迅速。
從80年代末，MPCVD金剛石薄膜為代表，以其驚人的速度步人高科技領域，到90年代末期，在美、日、西歐MPCVD金剛石薄膜面積已超過4英寸，厚度超過1mm，沉積速度已達10 -} 18 }rnTh，沉積設備的微波功率已達75 kW，金剛石膜的制備成本已降至10美元/克拉以下，MPCVD金剛石薄膜的應用已從多種工具材料發(fā)展到優(yōu)良的導熱材料，特種光學窗口材料，高保真的揚聲器及高性能聲學器材，高頻率大功率的電子器件，特殊的軍事應用，如導彈頭罩，優(yōu)良的金剛石薄膜場發(fā)射平面顯示器件，以及取代傳統(tǒng)硅基片以金剛石薄膜直接摻雜的半導體和相應的MCM多層芯片三維組裝技術等。預計21世紀，CV D金剛石膜的制備成本可降到2~3美元/克拉，到時這種特殊的多功能材料將推向規(guī)模型的產業(yè)化應用，對新材料的革新具有重大意義，并帶來巨大的經濟和社會效益。作為微波等離子體CVD實驗加工系統(tǒng)，國外從90年代中期以來已開始從實驗室研究走向了工業(yè)生產應用。微波功率從1~5 Kw/2 450 MHz，直到75 kW/915 MHz均已比較成熟；系統(tǒng)類型從一般下注式微波等離子體到各種類型的電子回旋共振(ECR)等離子體。主要用途除金剛石等多種材料的MCVD外，還可用于半導體芯片的刻蝕，寬束離子源以及紡織品等多種材料的改性等。
(3)微波陶瓷等多種材料的高溫燒結和加工
與傳統(tǒng)的窯爐燒結相比，微波直接對材料或工件本身整體加熱，升溫快，熱效率高，加熱均勻，應力小，結構致密，節(jié)省能源，容易控制等許多獨特的優(yōu)點使該技術近10多年來在國內外獲得了十分迅速的發(fā)展。美國CEM公司推出了型號為MAS-7000，功率1kW，容積1.8L的微波馬弗爐口其性能先進，外形美觀，已作為商品在世界各地銷售。1991年，美國Los Alamos國家實驗室也研制出了一臺57 L, 6kW的微波燒結系統(tǒng)，進行了多種陶瓷材料的中等批量燒結實驗取得了十分滿意的結果。美國通用汽車公司(GM)也用6 kW的微波燒結系統(tǒng)成功燒結了高質量氧化鋁火花塞，并投人了批量生產。目前，國外已經研制成功了數種不同類型的微波燒結裝置，其頻率已從2 450 MHz擴展到915 MHz，功率從幾千瓦到幾十千瓦，燒結溫度可很快達到1 600℃以上，溫度失控問題已得到很好解決，能成功燒結的材料從一般氧化鋁到碳化硼、碳化硅、氮化硅等多種單一或復合陶瓷材料。特別是西德一家經營傳統(tǒng)高溫爐窯的公司(Linn. Ltd.) ,近年來用先進的微波能技術與傳統(tǒng)高溫爐窯相結合，首次推出了微波功率高達到50 kW，連續(xù)傳送式的大型微波高溫燒結系統(tǒng)。這標志著歐美等國在這一領域的發(fā)展已處于領先地位，微波材料的高溫燒結技術已開始走向產業(yè)化階段。
(4)微波等離子體火炬(MPT)及材料處理技術
MPT是微波等離子體的一項新興技術，近幾年在歐美發(fā)展特別迅速。它是由微波在大氣條件下激發(fā)產生等離子體并形成火炬。其特點是溫度高，形狀易控制，極高的等離子體密度，在與被處理材料產生有利的化學作用后，能快速沉積SiOz，金剛石膜等多種材料。該技術已廣泛用于Si02、金剛石膜等材料的快速CVD合成；多種金屬材料的表面改性處理；花崗巖片的表面精細加工；超微細粉的制備；材料的精細焊接和切割；材料的色譜分析等。
(5)微波低溫干燥技術
在微波工業(yè)干燥領域中，微波低溫干燥技術，特別是結合微波和熱泵的低溫干燥技術是具有發(fā)展前景的新興技術，它是替代昂貴的微波真空干燥，以及微波冰凍升華干燥的良好手段。它能在30 -}- 60℃的低溫條件下同時解決食品，特別是一些熱敏感、易腐爛食品，如蔬菜、蘑菇、海產品等的快速干燥，又能盡可能多保留新鮮食品的色、形、香風味和營養(yǎng)成分，而且其設備成本遠比微波真空干燥低.如能盡快開拓市場，定會取得良好的社會經濟效益。目前在加拿大、日本和我國都在開展這方面的研發(fā)工作，相信不久會取得突破。
(6)微波再生膠脫硫和廢膠回收技術
眾所周知，微波在橡膠領域的成功應用已經使高質量的橡膠硫化產品形成了一大產業(yè)。實驗證明微波用于再生膠脫硫生產也具有特別的優(yōu)勢，是一種有發(fā)展前途的廢橡膠脫硫再生工藝。1987年美國Goodyer公司建立了一座微波脫硫生產再生膠的工業(yè)化裝置，已投人生產。法國設計出了功率為10.5 kW,頻率為2 450 MHz的廢橡膠微波脫硫裝置，可制取三元乙丙再生膠，對氯丁膠，丁睛膠，氟橡膠甚至鹵化丁基橡膠也可制取再生橡膠。加拿大EWI公司采用獨用的專利技術，開發(fā)成功了用廢舊輪胎微波解聚制取燃料油和炭黑的工藝裝備等。特別是當今改造環(huán)境的要求，使這一微波應用領域再形成一個產業(yè)。
(7)寬帶可變頻率微波功率源的應用前景
多年來，微波能應用均局限于使用國際公認的幾個固定頻率，而且?guī)缀醵际褂昧畠r成熟的連續(xù)波磁控管。然而，隨著微波能在高科技領域應用的發(fā)展，許多實驗證明:不同材料對微波的頻率具有很強的選擇性。早在80年代，美國橡樹嶺實驗室就用28 GHz的高功率回旋
管燒結成功了更致密的精細陶瓷。90年代以來，他們繼續(xù)研究取得了許多實驗成果。而且，應用他們的稱之為“可變頻率微波技術(VFM)”專門成立了一家叫做Lambda公司?他們開發(fā)出了頻率2.4 -} 7.0 GHz, 6.0 - 18 GHz,功率0.2~2kW系列微波源和反應器。已經獲得了大量科研成果。如何解決制造成本和頻段的占用等問題值得我們討論。
3我國微波能工業(yè)應用技術的現狀
國內微波能應用技術雖然起步于20世紀70年代初，但發(fā)展很快，不僅應用領域寬廣，而且有一定深度，并已形成了一支擁有雄厚科技實力，具有一定規(guī)模的產品制造群體，目前我國微波能應用技術的應用領域和功率總容量已遠遠超過國外。我國家用微波爐在80年代還只有以：順德規(guī)華”為代表的幾條小規(guī)模進口生產線，產量很少，產品主要供出口，家庭普及率很低。至今不到10年的時間已發(fā)展成為一支龐大的家電產業(yè)，由格蘭仕，美的等大型民營企業(yè)開創(chuàng)自己的微波爐生產線使年產量很快超過千萬臺，不僅大中城市的家庭普及率迅速增長，而且成為國外微波爐生產廠商的強力競爭者，在國際市場也占據了重要地位。目前我國工業(yè)微波能設備制造廠商約有30多家，主要集中在南京、成都、廣州、武漢等地。其產品已廣泛用于農副、輕紡、化工、陶瓷、橡膠、木材及醫(yī)療等領域。它們在改造傳統(tǒng)加熱、干燥、殺菌、催化等工藝過程中發(fā)揮了重大作用，在提高產品質量，節(jié)省能源，降低過程消耗和改善環(huán)境污染等方面都取得了明顯的經濟和社會效益。在橡膠工業(yè)中的高質量密封膠條連續(xù)微波硫化生產線，從90年代開始已取代了80年代必須從西德、美國和日本等國引進的局面。目前已有數十條全國產化的微波膠條硫化生產線投人穩(wěn)定運行，其性能已達到國外同期水平。在高新科技領域，全國已逾百家高等院校和研究所正從事微波等離子體金剛石等多種薄膜的CVD沉積、芯片刻蝕、光纖制備、材料改性、微波陶瓷高溫燒結、微波化學合成、消解、輔助溶液萃取等相關的研究與開發(fā)，其中部分已達到小批量生產規(guī)模。值得特別指出的是，我國這些院所研發(fā)使用的硬件微波系統(tǒng)和設備多數是由我國自己研發(fā)提供，其技術水平與國外相差不大。相信隨著這些高新科技領域里每一項新材料和工藝技術的突破，相應高科技微波能應用系統(tǒng)和設備也將形成另一支產業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景川。
自1983年由中國電子學會在南京主辦第1屆全國微波能應用學術交流會，以后每兩年召開一次。迄今，已分別在上海、武漢、成都、北京等地舉辦了11屆學術交流年會。19%年我國又成立了微波化學分會，當年在吉林召開了第1屆微波化學學術年會。以后與微波能應用學術交流會相交叉，同樣每兩年召開一次，今年10月在武漢召開第5屆微波化學年會。而國際微波化學學術交流會于2002年才在美國首次召開.這些學術交流會的召開對促進我國微波能應用事業(yè)的發(fā)展起到了十分重要的作用。
4微波能應用技術的產業(yè)化發(fā)展前景
眾所周知，20世紀30年代，由于微波電子管特別是磁控管的出現和技術突破，促使雷達和通信技術在第二次世界大戰(zhàn)期間有了突飛猛進的發(fā)展.那時，戰(zhàn)爭雙方任何一邊微波技術的進展，都會給敵方帶來重創(chuàng)，給己方帶來勝利，殘酷的戰(zhàn)爭現實和強烈的竟爭意識是促進微波軍事應用發(fā)展的巨大動力。相差不幾年，美國雷聲公司研究人員發(fā)現微波熱效應，兩年后研制成功世界第一臺微波加熱食品的“雷達爐”。此后數十年來，微波作為一種新型能源由于其本身特有的優(yōu)越性，在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療乃至家庭的應用也獲得了飛速的發(fā)展。特別是家用微波爐，現在它已形成一個年銷量數十億美元的大產業(yè)，在先進國家，家庭普及率達90%以上。另外，經過20世紀70年代一段曲折，解決了微波橡膠硫化過程中關鍵的溫度轉變點控制問題之后，微波高質量橡膠硫化的連續(xù)生產已經在全世界形成了又一大產業(yè)。在廣泛應用的現代干燥技術領域，微波能也極有可能取代某些傳統(tǒng)落后的加熱干燥技術而形成較大的產業(yè)。到了20世紀80年代，微波能技術又高速步人金剛石等多種薄膜的微波等離子體化學汽相沉積(MPCVD)；半導體芯片的等離子注人和亞微米刻蝕，以至未來的金剛石半導體和相應的多層芯片模塊(MCM)；光導纖維的微波等離子體快速制備；精細陶瓷的快速高溫燒結和焊接；微波和微波等離子體材料改性以及微波快速化學合成、消解、萃取等高新科技領域。大量事實表明:微波能應用技術不僅在家庭、常規(guī)工業(yè)和醫(yī)療等領域中具有很強的生命力，而且在不
久將來的以新材料和微電子技術為表征的高新科技領域具有更大的發(fā)展前途，科學家們預測它很可能是21世紀最具發(fā)展前途的產業(yè)之一。
目前，雖然由于傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)技術成熟，產量巨大，加工復雜，產品價格低廉，而微波工業(yè)設備一次性投資大，投資回收率相對較慢，微波能技術很難一時被采納等原因，使得微波工業(yè)應用設備，尤其是高科技微波應用設備的研究與開發(fā)遠未達到產業(yè)化程度。還不像家用微波爐和微波通信產品已形成了巨大的產業(yè)。甚至于在食品工業(yè)應用領域還有萎縮。美國從1992年開始研制和開發(fā)的微波干衣機，至今尚未形成主流產業(yè)市場。微波光源、微波熱水器也已開發(fā)多年，至今尚未有大的突破等。嚴格說來，目前還很少有研制與生產微波設備的廠商能完整地向相關領域的設備使用部門提供系統(tǒng)成套的，包括成熟微波制作工藝的商品化微波能應用設備。但是，從微波能技術自身潛在的優(yōu)勢力量，從微波能技術廣泛的應用領域，從事物發(fā)展的過程等來看，微波能應用技術的產業(yè)化發(fā)展前景應該是很樂觀的。相信，隨著從事微波技術與常規(guī)工藝技術的工程技術人員密切配合，既充分發(fā)揮微波能技術的特點和優(yōu)勢，又考慮常規(guī)產業(yè)工藝和高科技領域的特殊要求，將二者有機結合起來，并完善微波設備如何與前后段工藝設備相互配套，從而生產出各個領域所需的多種系列化，高質量微波工程應用設備，必將大大促進微波能應用技術的推廣應用并加快產業(yè)化進程。
5結語
縱觀國內外微波能應用技術的發(fā)展進程和趨勢，它已發(fā)展成為一門極具前途和發(fā)展前景的新技術。我國經濟計劃發(fā)展綱要提出“積極運用電子技術改造傳統(tǒng)產業(yè)，促進新興產業(yè)的增長。”的方針。積極推廣應用微波能應用技術，不斷擴大應用領域，向產業(yè)化方向發(fā)展是符合這一方針精神的。我們堅信，當前許多傳統(tǒng)落后的工藝技術需要微波能應用這一新技術來改造和更新，而微波能應用這一嶄新技術也將會在改造許多傳統(tǒng)落后的產業(yè)工藝技術中發(fā)揮巨大的作用而形成自己嶄新的產業(yè)。在高新科技領域，微波能應用技術更能發(fā)揮自己獨特的優(yōu)勢而形成另一支具有廣闊發(fā)展前景的產業(yè)。我們對我國微波能應用技術的發(fā)展前景充滿信心。
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