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从微波能应用技术的发展探索其产业化前景
作者:发布时间:2015-06-17 16:46:44点击率:8288
作者:季天仁(电子科技大学物理电子学院,四川成都610054)

摘要:简述了近期国内外微波能应用技术的发展动态,特别是在微波化学;微波等离子体材料改性及化学汽相沉积{MPCVD}制备新材料;微波高温烧结;微波低温干燥;微波橡胶硫化;微波废橡胶脱硫再生等新的交叉学科领域和新技术的发展趋势。同时,提出了开拓微波能应用技术在这些领域产业化发展的问题和良好的发展前景。

关健词:微波能;微波化学;微波等离子体;化学汽相沉积(CVD) ;微波高温烧结;微波低温干燥;微波橡胶硫化;微波废橡胶;脱硫再生
中图分类号:TNO15 ; TM924.76   文献标识码:A   文章编号:1002-1639(2004)05-0001-04

1近期国外微波能应用技术的发展动态
(1)近40年来,美国和加拿大作为国际微波能协会(IMPI)的主要发起国之一,将微波作为一种先进能源,推进到家庭、工农业、食品、橡胶、医疗、以至当今的高新科技领域的广泛应用起了巨大的促进作用。IMPI年会年年召开,到今年在美国召开的第39届年会,从来没有中断过。数十年来,微波能在北美地区获得了相当广泛的应用。虽然由于传统习惯、设备成本等原因,微波工业应用还不像家用微波炉和微波通信产品那样已形成了巨大的产业,而且在食品等行业还有所下降,但是,在这些领域,美国、加拿大仍保持着稳定的发展。到80年代末期,微波能技术以高速度步人以新材料、微电子和化学为表征的高新科技领域。在这一领域,美国仍引领世界先进潮流。除了原有著名的像Cober Co,  MicrodryInc, Gerling Lab.等公司外,90年代后又出现了像IndustrialMicrowave System Ltd. (IMS), ASTeX Co.(现合并为MKSInstruments Inc.), CEM Co, Lambda Tech.  Ltd., Ferrite Microwave Tech. Inc., Kean Holdem Associate Ltd.等10多家公司从事更广泛的微波能应用业务开拓。

(2)欧洲的微波能应用虽然不如北美那样发达和广泛,但发展一直比较稳定,而且质量水准较高。我们熟知的西德、法国、意大利、英国、西班牙等国的家用微波炉、微波食品处理、微波橡胶硫化等技术、设备和产品在世界比较知名,其中不少已输人我国。近10年来,西欧在微波能应用领域有后来居上之势.以英国剑桥大学电气工程应用系的Metaxas教授任主席成立了“欧洲微波能应用协会(AMPERE ) ",定期出版“AMPERENEWSLETTER'’新闻季刊,内容丰富,十分活跃,与IMPI并驾齐驱。西德原来专业从事电炉生产的Linn Ltd.公司,90年代末介人微波工业应用设备的开发,很快推出了20 kW/915 MHz处理300 kg/h的微波米饭加工设备;30一60 kW / 2 450 MHz系列大型陶瓷产品的预热、烘干和高温烧结设备等,标志其巨大的产业化能力。西德另外一家FM-MicioTech. GmbH Ltd.公司近年来也推出了400kWi915MHz微波木材连续粘压成型设备,64 kW/915 MHz微波热空气组合,连续蜂窝梳状或泡沫陶瓷干燥设备,以及28~56X 1 kW系列微波传送炉等。在微波等离子体新材料方面,欧洲许多大学和研究所自己开展应用研究工作,取得了许多成果,如西德的微波等离子体高效率激发大功率激光、微波等离子体制备超微细粉在世界上处领先地位。英国的牛津等离子体技术公司(Wogen) ,法国的SAIREM CO.等,特别是西德的Fraunhofer薄膜技术所于1999- 2001年首次采用6 kW/2 450 MHz和30 kW/915 MHz椭球腔型微波等离子体系统沉积出了直径4 mm,厚度超过1英寸的光学级金刚石厚膜,取得了世界领先的水平。

(3)澳大利亚是近几年推广微波能应用发展很快的国家。主要开创者是原Deakin大学的教授现任墨尔本“皇家技术研究所”所长的V. N. Tran博士。90年代初,他们顺应当时西部澳洲许多环境相关工程项目对微波技术的迫切要求,跟踪北美和欧洲的最新发展,得到联邦
政府的资助,从发达国家购进微波测试仪器、系列微波源,系统和设备,高起点开展了高功率微波传输、多种微波干燥食品,木材等的加工应用、微波等离子体产生,材料加工和应用、微波化学反应和应用等工程性项目的研究和开发工作等。2002年,他们承办了有近20个国家100多名代表参加的“第3届世界微波和高频应用会议”。与会者对他们的成就给予了充分肯定。在产业发展方面,澳大利亚以AMT公司为代表,近几年已开发出“微波溶液化学加工系统,100 kW/915 MHz大捆羊毛微波加热处理系统,处理180 kg/h  6 kW/2 450 MHz微波陶瓷高温烧结炉,最高温度可达1 800℃。5~15 kW/2 450 MHz微波橡胶硫化系统,1 kW/2 450 MHz微波等离子体火炬焊接系统等。

(4)日本和俄罗斯的微波能应用技术,无论从基础研究,应用领域以至到产业化发展都具有相当规模和较高的水平。鉴于具体资料搜集不多,本文不再赘述。

2一些新领域和新技术的发展趋势
(1)微波化学的兴起和诱人的发展前景
直接利用微波辐射加速化学反应的发现还是近10年的事。近10年来,科学家们通过大量实验研究发现,微波能大大加快许多高分子化合物的合成反应;大大加速某些化合物的分解反应;微波辅助的溶液萃取较之传统的分子蒸馏和CO2超临界萃取等可大大缩短时间并获得更多有用成分等。当前,针对这些现象所开展的大量机理性和实验研究已形成了一门新的交叉科学—微波化学。它是目前国内外发展最快的一个交叉学科领域之一,具有十分广阔的发展前景口适应这一发展,美国著名的CEM微波仪器公司、意大利的MILESTONE公司、澳大利亚的CSIRO公司等都致力于各种商用微波化学系统的研制和开发,不仅先后推出了各种自动微波消解、溶液萃取、化学反应以至高温微波马弗炉,而且还推出了可连续流动式的微波化学反应系统,使合成产品的规模达数公斤的量级,大大促进了微波化学的发展进程。微波化学这一新兴交叉领域,按照目前理论和实践的发展趋势,今后一定会有十分诱人的发展前景。
我国也紧跟国外飞速发展的形势,去年召开了首届全国微波化学学术讨论会并成立了微波化学分会。从已经发表的论文和大量研究成果来看,在这一领域与国外的差距不算很大口相信通过微波和化学界的同仁紧密协作、共同努力会取得更快发展。

(2)微波低温等离子体化学汽相沉积(MPCVD)多种薄膜、厚膜技术发展十分迅速。
从80年代末,MPCVD金刚石薄膜为代表,以其惊人的速度步人高科技领域,到90年代末期,在美、日、西欧MPCVD金刚石薄膜面积已超过4英寸,厚度超过1mm,沉积速度已达10 -} 18 }rnTh,沉积设备的微波功率已达75 kW,金刚石膜的制备成本已降至10美元/克拉以下,MPCVD金刚石薄膜的应用已从多种工具材料发展到优良的导热材料,特种光学窗口材料,高保真的扬声器及高性能声学器材,高频率大功率的电子器件,特殊的军事应用,如导弹头罩,优良的金刚石薄膜场发射平面显示器件,以及取代传统硅基片以金刚石薄膜直接掺杂的半导体和相应的MCM多层芯片三维组装技术等。预计21世纪,CV D金刚石膜的制备成本可降到2~3美元/克拉,到时这种特殊的多功能材料将推向规模型的产业化应用,对新材料的革新具有重大意义,并带来巨大的经济和社会效益。作为微波等离子体CVD实验加工系统,国外从90年代中期以来已开始从实验室研究走向了工业生产应用。微波功率从1~5 Kw/2 450 MHz,直到75 kW/915 MHz均已比较成熟;系统类型从一般下注式微波等离子体到各种类型的电子回旋共振(ECR)等离子体。主要用途除金刚石等多种材料的MCVD外,还可用于半导体芯片的刻蚀,宽束离子源以及纺织品等多种材料的改性等。

(3)微波陶瓷等多种材料的高温烧结和加工
与传统的窑炉烧结相比,微波直接对材料或工件本身整体加热,升温快,热效率高,加热均匀,应力小,结构致密,节省能源,容易控制等许多独特的优点使该技术近10多年来在国内外获得了十分迅速的发展。美国CEM公司推出了型号为MAS-7000,功率1kW,容积1.8L的微波马弗炉口其性能先进,外形美观,已作为商品在世界各地销售。1991年,美国Los Alamos国家实验室也研制出了一台57 L, 6kW的微波烧结系统,进行了多种陶瓷材料的中等批量烧结实验取得了十分满意的结果。美国通用汽车公司(GM)也用6 kW的微波烧结系统成功烧结了高质量氧化铝火花塞,并投人了批量生产。目前,国外已经研制成功了数种不同类型的微波烧结装置,其频率已从2 450 MHz扩展到915 MHz,功率从几千瓦到几十千瓦,烧结温度可很快达到1 600℃以上,温度失控问题已得到很好解决,能成功烧结的材料从一般氧化铝到碳化硼、碳化硅、氮化硅等多种单一或复合陶瓷材料。特别是西德一家经营传统高温炉窑的公司(Linn. Ltd.) ,近年来用先进的微波能技术与传统高温炉窑相结合,首次推出了微波功率高达到50 kW,连续传送式的大型微波高温烧结系统。这标志着欧美等国在这一领域的发展已处于领先地位,微波材料的高温烧结技术已开始走向产业化阶段。

(4)微波等离子体火炬(MPT)及材料处理技术
MPT是微波等离子体的一项新兴技术,近几年在欧美发展特别迅速。它是由微波在大气条件下激发产生等离子体并形成火炬。其特点是温度高,形状易控制,极高的等离子体密度,在与被处理材料产生有利的化学作用后,能快速沉积SiOz,金刚石膜等多种材料。该技术已广泛用于Si02、金刚石膜等材料的快速CVD合成;多种金属材料的表面改性处理;花岗岩片的表面精细加工;超微细粉的制备;材料的精细焊接和切割;材料的色谱分析等。

(5)微波低温干燥技术
在微波工业干燥领域中,微波低温干燥技术,特别是结合微波和热泵的低温干燥技术是具有发展前景的新兴技术,它是替代昂贵的微波真空干燥,以及微波冰冻升华干燥的良好手段。它能在30 -}- 60℃的低温条件下同时解决食品,特别是一些热敏感、易腐烂食品,如蔬菜、蘑菇、海产品等的快速干燥,又能尽可能多保留新鲜食品的色、形、香风味和营养成分,而且其设备成本远比微波真空干燥低.如能尽快开拓市场,定会取得良好的社会经济效益。目前在加拿大、日本和我国都在开展这方面的研发工作,相信不久会取得突破。

(6)微波再生胶脱硫和废胶回收技术
众所周知,微波在橡胶领域的成功应用已经使高质量的橡胶硫化产品形成了一大产业。实验证明微波用于再生胶脱硫生产也具有特别的优势,是一种有发展前途的废橡胶脱硫再生工艺。1987年美国Goodyer公司建立了一座微波脱硫生产再生胶的工业化装置,已投人生产。法国设计出了功率为10.5 kW,频率为2 450 MHz的废橡胶微波脱硫装置,可制取三元乙丙再生胶,对氯丁胶,丁睛胶,氟橡胶甚至卤化丁基橡胶也可制取再生橡胶。加拿大EWI公司采用独用的专利技术,开发成功了用废旧轮胎微波解聚制取燃料油和炭黑的工艺装备等。特别是当今改造环境的要求,使这一微波应用领域再形成一个产业。

(7)宽带可变频率微波功率源的应用前景
多年来,微波能应用均局限于使用国际公认的几个固定频率,而且几乎都使用廉价成熟的连续波磁控管。然而,随着微波能在高科技领域应用的发展,许多实验证明:不同材料对微波的频率具有很强的选择性。早在80年代,美国橡树岭实验室就用28 GHz的高功率回旋
管烧结成功了更致密的精细陶瓷。90年代以来,他们继续研究取得了许多实验成果。而且,应用他们的称之为“可变频率微波技术(VFM)”专门成立了一家叫做Lambda公司•他们开发出了频率2.4 -} 7.0 GHz,  6.0 - 18 GHz,功率0.2~2kW系列微波源和反应器。已经获得了大量科研成果。如何解决制造成本和频段的占用等问题值得我们讨论。

3我国微波能工业应用技术的现状
国内微波能应用技术虽然起步于20世纪70年代初,但发展很快,不仅应用领域宽广,而且有一定深度,并已形成了一支拥有雄厚科技实力,具有一定规模的产品制造群体,目前我国微波能应用技术的应用领域和功率总容量已远远超过国外。我国家用微波炉在80年代还只有以:顺德规华”为代表的几条小规模进口生产线,产量很少,产品主要供出口,家庭普及率很低。至今不到10年的时间已发展成为一支庞大的家电产业,由格兰仕,美的等大型民营企业开创自己的微波炉生产线使年产量很快超过千万台,不仅大中城市的家庭普及率迅速增长,而且成为国外微波炉生产厂商的强力竞争者,在国际市场也占据了重要地位。目前我国工业微波能设备制造厂商约有30多家,主要集中在南京、成都、广州、武汉等地。其产品已广泛用于农副、轻纺、化工、陶瓷、橡胶、木材及医疗等领域。它们在改造传统加热、干燥、杀菌、催化等工艺过程中发挥了重大作用,在提高产品质量,节省能源,降低过程消耗和改善环境污染等方面都取得了明显的经济和社会效益。在橡胶工业中的高质量密封胶条连续微波硫化生产线,从90年代开始已取代了80年代必须从西德、美国和日本等国引进的局面。目前已有数十条全国产化的微波胶条硫化生产线投人稳定运行,其性能已达到国外同期水平。在高新科技领域,全国已逾百家高等院校和研究所正从事微波等离子体金刚石等多种薄膜的CVD沉积、芯片刻蚀、光纤制备、材料改性、微波陶瓷高温烧结、微波化学合成、消解、辅助溶液萃取等相关的研究与开发,其中部分已达到小批量生产规模。值得特别指出的是,我国这些院所研发使用的硬件微波系统和设备多数是由我国自己研发提供,其技术水平与国外相差不大。相信随着这些高新科技领域里每一项新材料和工艺技术的突破,相应高科技微波能应用系统和设备也将形成另一支产业具有广阔的发展前景川。
自1983年由中国电子学会在南京主办第1届全国微波能应用学术交流会,以后每两年召开一次。迄今,已分别在上海、武汉、成都、北京等地举办了11届学术交流年会。19%年我国又成立了微波化学分会,当年在吉林召开了第1届微波化学学术年会。以后与微波能应用学术交流会相交叉,同样每两年召开一次,今年10月在武汉召开第5届微波化学年会。而国际微波化学学术交流会于2002年才在美国首次召开.这些学术交流会的召开对促进我国微波能应用事业的发展起到了十分重要的作用。

4微波能应用技术的产业化发展前景
众所周知,20世纪30年代,由于微波电子管特别是磁控管的出现和技术突破,促使雷达和通信技术在第二次世界大战期间有了突飞猛进的发展.那时,战争双方任何一边微波技术的进展,都会给敌方带来重创,给己方带来胜利,残酷的战争现实和强烈的竟争意识是促进微波军事应用发展的巨大动力。相差不几年,美国雷声公司研究人员发现微波热效应,两年后研制成功世界第一台微波加热食品的“雷达炉”。此后数十年来,微波作为一种新型能源由于其本身特有的优越性,在工业、农业、医疗乃至家庭的应用也获得了飞速的发展。特别是家用微波炉,现在它已形成一个年销量数十亿美元的大产业,在先进国家,家庭普及率达90%以上。另外,经过20世纪70年代一段曲折,解决了微波橡胶硫化过程中关键的温度转变点控制问题之后,微波高质量橡胶硫化的连续生产已经在全世界形成了又一大产业。在广泛应用的现代干燥技术领域,微波能也极有可能取代某些传统落后的加热干燥技术而形成较大的产业。到了20世纪80年代,微波能技术又高速步人金刚石等多种薄膜的微波等离子体化学汽相沉积(MPCVD);半导体芯片的等离子注人和亚微米刻蚀,以至未来的金刚石半导体和相应的多层芯片模块(MCM);光导纤维的微波等离子体快速制备;精细陶瓷的快速高温烧结和焊接;微波和微波等离子体材料改性以及微波快速化学合成、消解、萃取等高新科技领域。大量事实表明:微波能应用技术不仅在家庭、常规工业和医疗等领域中具有很强的生命力,而且在不
久将来的以新材料和微电子技术为表征的高新科技领域具有更大的发展前途,科学家们预测它很可能是21世纪最具发展前途的产业之一。
目前,虽然由于传统工业系统技术成熟,产量巨大,加工复杂,产品价格低廉,而微波工业设备一次性投资大,投资回收率相对较慢,微波能技术很难一时被采纳等原因,使得微波工业应用设备,尤其是高科技微波应用设备的研究与开发远未达到产业化程度。还不像家用微波炉和微波通信产品已形成了巨大的产业。甚至于在食品工业应用领域还有萎缩。美国从1992年开始研制和开发的微波干衣机,至今尚未形成主流产业市场。微波光源、微波热水器也已开发多年,至今尚未有大的突破等。严格说来,目前还很少有研制与生产微波设备的厂商能完整地向相关领域的设备使用部门提供系统成套的,包括成熟微波制作工艺的商品化微波能应用设备。但是,从微波能技术自身潜在的优势力量,从微波能技术广泛的应用领域,从事物发展的过程等来看,微波能应用技术的产业化发展前景应该是很乐观的。相信,随着从事微波技术与常规工艺技术的工程技术人员密切配合,既充分发挥微波能技术的特点和优势,又考虑常规产业工艺和高科技领域的特殊要求,将二者有机结合起来,并完善微波设备如何与前后段工艺设备相互配套,从而生产出各个领域所需的多种系列化,高质量微波工程应用设备,必将大大促进微波能应用技术的推广应用并加快产业化进程。

5结语
纵观国内外微波能应用技术的发展进程和趋势,它已发展成为一门极具前途和发展前景的新技术。我国经济计划发展纲要提出“积极运用电子技术改造传统产业,促进新兴产业的增长。”的方针。积极推广应用微波能应用技术,不断扩大应用领域,向产业化方向发展是符合这一方针精神的。我们坚信,当前许多传统落后的工艺技术需要微波能应用这一新技术来改造和更新,而微波能应用这一崭新技术也将会在改造许多传统落后的产业工艺技术中发挥巨大的作用而形成自己崭新的产业。在高新科技领域,微波能应用技术更能发挥自己独特的优势而形成另一支具有广阔发展前景的产业。我们对我国微波能应用技术的发展前景充满信心。