專(zhuān)利名稱(chēng)：用于陶瓷加工的高均勻性微波多模應(yīng)用腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料加工工藝及設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
目前工程陶瓷正在得到越來(lái)越多的應(yīng)用，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器轉(zhuǎn)子，火花塞等。普通爐式熱源的燒結(jié)方法能耗大，燒結(jié)速度慢，且產(chǎn)生大量的污染，而微波熱源是依靠微波場(chǎng)與材料的耦合作用對(duì)材料進(jìn)行加熱的，是一種內(nèi)熱的方式，無(wú)上述缺點(diǎn)，因而有希望成為理想的陶瓷燒結(jié)熱源。但因?yàn)樘沾墒堑徒殡姄p耗材料，用于其加工的微波電場(chǎng)和微波功率遠(yuǎn)高于普通的家用微波加熱爐，因而需要特殊設(shè)計(jì)的微波加熱腔。這樣的高電場(chǎng)和高功率加上微波在陶瓷加熱中的正反饋效應(yīng)(溫度越高的地方越易吸收微波)使得加熱均勻性問(wèn)題非常突出，不均勻加熱會(huì)使被加工物體上很易出現(xiàn)過(guò)熱點(diǎn)而使加工過(guò)程失敗。
現(xiàn)有的微波加熱設(shè)備為了改善加熱均勻性而采用的方法有利用模式攪拌器法改變腔內(nèi)電場(chǎng)模式；周期性改變腔體尺寸；平移或旋轉(zhuǎn)材料等方式。這些方法對(duì)改善微波加熱的均勻性都有一定效果。它們的共同之處是使被加工物料發(fā)生運(yùn)動(dòng)，或是使用機(jī)械攪拌部件使腔內(nèi)電場(chǎng)發(fā)生變化，其缺點(diǎn)是都需在微波腔中采用運(yùn)動(dòng)的部件從而導(dǎo)致微波泄漏或打火，也就限制了微波功率的提高，而且只能改善傳送方向上的場(chǎng)分布不均勻造成的不均勻加熱。使用更高頻率的微波源也能改善加熱均勻性(如28GHz，60GHz，目前則是2450MHz)，但當(dāng)頻率增加時(shí)，加熱穿透深度相應(yīng)減小，而且設(shè)備成本會(huì)大為增加。加大腔體尺寸的方式亦可增加加熱均勻性，但腔中的微波場(chǎng)強(qiáng)會(huì)降低到不足以進(jìn)行陶瓷材料的加熱。因此希望尋找到改善微波加熱均勻性的新途徑。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種用于陶瓷加工的高均勻性微波多模應(yīng)用腔，采用3db移相橋及特殊設(shè)計(jì)的微波耦合孔使饋入的微波在微波腔中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，大大提高了微波加熱的均勻性，使微波能夠燒結(jié)均勻致密的陶瓷產(chǎn)品，同時(shí)免除了為增加均勻性而采用的機(jī)械式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，具有加熱均勻性好，無(wú)微波泄漏，無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提出的一種用于陶瓷加工的高均勻性微波多模應(yīng)用腔，其特征在于，包括封閉的微波加熱腔體，安裝在該腔體底板下的3db移相橋波導(dǎo)，所說(shuō)的波導(dǎo)和加熱腔體的公共壁上開(kāi)有作為耦合元件的槽孔，以及設(shè)置在該腔體內(nèi)的保溫結(jié)構(gòu)。
所說(shuō)的作為耦合元件的槽孔可為兩個(gè)相互垂直的耦合縫隙。
所說(shuō)的3db移相橋波導(dǎo)可由兩個(gè)并列的標(biāo)準(zhǔn)BJ-22波導(dǎo)組成，其公共側(cè)壁開(kāi)有長(zhǎng)度為Δ的縫隙，
其中λg′和λg″分別為寬波導(dǎo)中TE10、TE20波的波導(dǎo)波長(zhǎng)；在該縫隙中設(shè)置有電容性補(bǔ)償螺釘。
所說(shuō)的保溫結(jié)構(gòu)可包括用多孔隙氧化鋁材料制成的兩層箱體，在該內(nèi)層箱體里面設(shè)置一容納待加工的陶瓷的氧化鋁坩堝，所說(shuō)的兩層箱體之間填充有氧化鋁纖維，該內(nèi)層箱體與氧化鋁坩堝之間填充有碳化硅碎塊，兩層箱體的上壁開(kāi)有貫穿的測(cè)溫孔。
所說(shuō)的封閉的微波加熱腔體可為由銅材構(gòu)成的兩端封閉的圓柱形腔體，腔體直徑D為240mm，腔體高度H為312.9mm，該封閉的上蓋安裝有用于測(cè)溫的紅外測(cè)溫探頭座。
本發(fā)明的原理是利用波導(dǎo)3db橋產(chǎn)生相位差為π/2的激勵(lì)電流，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的微波耦合孔使導(dǎo)入的微波在一定尺寸的微波腔體中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)極化的電磁場(chǎng)，從而大大改善微波腔體中電場(chǎng)分布的均勻性。由于微波加熱是一種體熱源式的加熱方式，表面輻射散熱會(huì)使表面溫度低于材料內(nèi)部溫度，適當(dāng)?shù)谋胤绞绞羌庸こ鲑|(zhì)地均勻的陶瓷產(chǎn)品的另一重要條件。因?yàn)樘沾刹牧系慕殡姄p耗非常小，必須要有一定的觸發(fā)手段使被加工材料在形成適于陶瓷加工的微波系統(tǒng)。
本發(fā)明的效果本發(fā)明采用了一種全新的改善微波腔電場(chǎng)均勻性的技術(shù)方案，仍然使被加工材料與電場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但是是使電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)而不是被加工材料運(yùn)動(dòng)，避免前述各種提高加熱均勻性方法的弊端。同時(shí)能夠使低介質(zhì)損耗的陶瓷材料被快速地加熱，提高微波能的利用效率，使之能應(yīng)用于陶瓷材料的各種加工工藝。
加熱實(shí)驗(yàn)表明，低介電損耗的99％純度氧化鋁材料能夠以1000瓦的微波功率在2分鐘內(nèi)從室溫加熱到2000℃以上，并可以通過(guò)調(diào)節(jié)微波源輸出功率使被加熱陶瓷穩(wěn)定地保持在預(yù)定的不同溫度。
本發(fā)明加熱腔加熱均勻性在腔體橫截面上和沿圓柱側(cè)面所作的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，具有旋轉(zhuǎn)極化波的加熱腔內(nèi)電場(chǎng)分布均勻性有了明顯改善。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的能產(chǎn)生相位差為π/2的激勵(lì)電流的波導(dǎo)3db橋的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的耦合孔及腔體結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖2a為波導(dǎo)和加熱腔體的公共壁上開(kāi)有作為耦合元件的槽孔的示意圖；圖2b為波導(dǎo)和加熱腔體相連接的示意圖。
圖3為本發(fā)明的保溫及熱觸發(fā)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4本發(fā)明與普通加熱腔效果的比較圖片；其中，圖4a為腔體橫截面上溫度分布的比較圖片；圖4b為沿腔體圓柱側(cè)面的溫度分布(展開(kāi)圖)圖片。
圖5為本實(shí)施例應(yīng)用的調(diào)節(jié)微波源輸出功率的曲線圖。
圖6為本實(shí)施例應(yīng)用的紅外測(cè)溫儀的溫度指示圖。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種用于陶瓷加工的高均勻性微波多模應(yīng)用腔的實(shí)施例包括封閉的微波加熱腔體，安裝在該腔體底板下的3db移相橋波導(dǎo)，所說(shuō)的波導(dǎo)和加熱腔體的公共壁上開(kāi)有作為耦合元件的槽孔，以及設(shè)置在該腔體內(nèi)的保溫結(jié)構(gòu)。各部分結(jié)合各附圖詳細(xì)說(shuō)明如下本發(fā)明設(shè)計(jì)的能產(chǎn)生相位差為π/2的激勵(lì)電流的波導(dǎo)3db橋結(jié)構(gòu)實(shí)施例，如圖1所示。該組件由兩個(gè)并列的標(biāo)準(zhǔn)BJ-22波導(dǎo)組成11為公共側(cè)壁，12為電容性補(bǔ)償螺釘，用以調(diào)節(jié)縫隙兩端的電抗。13為微波導(dǎo)入口，14、15為導(dǎo)出口，16為藕荷孔。在公共側(cè)壁上開(kāi)一段與波導(dǎo)窄壁相同高度的長(zhǎng)縫隙，形成一段寬為2a+δ、長(zhǎng)為1的寬波導(dǎo)。其中a為BJ-22波導(dǎo)的寬壁長(zhǎng)度，δ為公共側(cè)壁的厚度。l的長(zhǎng)度無(wú)嚴(yán)格限制，以適度為宜。但公共側(cè)壁縫隙長(zhǎng)度Δ是關(guān)鍵參數(shù)，它必須滿(mǎn)足
其中λg′和λg″分別為寬波導(dǎo)中TE10、TE20波的波導(dǎo)波長(zhǎng)。在本實(shí)施例中，14、15端口可輸出大小相等、相位差為π/2的微波電場(chǎng)。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的耦合孔及腔體結(jié)構(gòu)實(shí)施例如圖2所示。本發(fā)明采用電流耦合方式，即在波導(dǎo)和腔體的公共壁21上開(kāi)槽孔作為耦合元件。為了滿(mǎn)足激勵(lì)電流在空間相互垂直這一條件，3db橋與加熱腔之間的耦合需采用兩個(gè)相互垂直的耦合縫隙22，如圖2a所示。耦合縫隙開(kāi)在3db橋波導(dǎo)的寬邊上，縫隙的方向與波導(dǎo)邊成45°角，每個(gè)縫隙的中心位置與波導(dǎo)寬邊中線重合，如圖1所示。該耦合縫隙在距圓柱腔中心r＝57.7mm處。圖2b中20為腔體，是一個(gè)由銅材構(gòu)成的兩端封閉的圓柱形體。直經(jīng)D＝240mm，高H＝312.9mm。腔體高度H可通過(guò)在腔體筒身和頂蓋間加接墊的方式略作調(diào)整。耦合孔所在平面與圓柱形腔體底面21相貼合，23是波導(dǎo)耦合段，是波導(dǎo)耦合段與腔體的相對(duì)位置，24是用于測(cè)溫的紅外測(cè)溫探頭座。
加熱腔是一個(gè)由銅材構(gòu)成的兩端封閉的圓柱形腔體。通過(guò)電磁學(xué)計(jì)算，可得加熱腔中電場(chǎng)和磁場(chǎng)模式與腔體尺寸的關(guān)系為電場(chǎng)模式TEnip:(Dλ)2=(p2)2·(DH)2+(μmπ)2]]>磁場(chǎng)模式TMnip:(Dλ)2=(p2)2·(DH)2+(vmπ)2]]>其中D為腔體直徑，H為腔體高度，λ為微波頻率，μni，νni分別為貝塞爾函數(shù)或其導(dǎo)數(shù)為零的解，p為沿縱向的電磁場(chǎng)半波數(shù)。利用希望得到的模式互補(bǔ)關(guān)系，并將各常數(shù)代入，得到腔體直徑和高度的關(guān)系為p2·DH=1.53]]>本實(shí)施例取一組典型解D＝240mm，則H＝312.9mm。理論分析腔中可存在TE014，TE115，TM022，TM114，TM213等多種諧振模式。但主模將是TE014和TM114。腔體高度可通過(guò)在腔體筒身和頂蓋間加接墊的方式略作調(diào)整以修正計(jì)算的誤差。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的保溫結(jié)構(gòu)實(shí)施例如圖3所示。
材料在微波場(chǎng)中的加熱過(guò)程，不僅與電磁場(chǎng)分布有關(guān)，而且與其本身及保溫的方式、保溫材料的介電性能等有關(guān)。微波與常規(guī)加熱的顯著區(qū)別是，常規(guī)加熱時(shí)外界提供的熱能通過(guò)由表及里的方式使材料得以加熱，微波加熱則是考材料本身吸收微波能，通過(guò)整體加熱而升溫的。因此微波加熱時(shí)由于表面的散熱，一般材料內(nèi)部溫度高于表面。對(duì)于大多數(shù)陶瓷材料而言，由于其低溫介電損耗小，表面的強(qiáng)烈散熱，使其加熱過(guò)程變長(zhǎng)，甚至很難達(dá)到預(yù)期的加熱溫度，同時(shí)即使在均勻的電場(chǎng)中也難得到均勻的溫度分布。因此本實(shí)施例在加熱腔內(nèi)設(shè)置一保溫及熱觸發(fā)的結(jié)構(gòu)。
圖3中，31是試樣，32是氧化鋁坩堝，33是碳化硅碎塊，它們均勻分布在坩堝的周?chē)?4是多孔隙氧化鋁材料，35是氧化鋁纖維，36為測(cè)溫孔。分布于周?chē)奶蓟璨牧鲜禽^好的微波吸收物質(zhì)，能快速吸收微波能，使周?chē)牧线_(dá)到一定溫度后介電損耗迅速增長(zhǎng)，從而能被快速加熱，起到熱觸發(fā)的作用。這樣的保溫結(jié)構(gòu)，考慮了以下幾個(gè)方面保溫材料與微波作用較弱，能被微波穿透，使微波能作用于被加工材料本身；包覆于材料表面，防止輻射散熱，有助于改善均勻性；分布于周?chē)奶蓟璨牧鲜禽^好的微波吸收物質(zhì)，能快速吸收微波能使周?chē)牧线_(dá)到一定溫度后介電損耗迅速增長(zhǎng)，從而能被快速加熱。
本實(shí)施例的效果由于加熱腔內(nèi)電磁場(chǎng)分布復(fù)雜，難以精確計(jì)算和測(cè)量。為此采用了如下的定性顯示電磁場(chǎng)分布的方法。將試紙?jiān)贑oCl2水溶液中浸泡，其顏色為粉紅，然后置于腔內(nèi)適當(dāng)位置。在一定功率下經(jīng)過(guò)短時(shí)間的加熱，試紙顏色將由粉紅變?yōu)樗{(lán)色，溫度越高顏色越深，據(jù)此可定性評(píng)價(jià)腔內(nèi)電場(chǎng)(溫度場(chǎng))的分布。圖4是使用該評(píng)價(jià)方法對(duì)普通圓柱加熱腔和本發(fā)明加熱腔加熱均勻性在腔體橫截面上和沿圓柱側(cè)面所作的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4a腔體橫截面上(距腔底距離左圖180mm，中圖110mm，右圖40mm)溫度分布的比較上普通諧振腔下本發(fā)明加熱腔(加熱條件入射功率0.6kW，加熱時(shí)間3min.)圖4b沿腔體圓柱側(cè)面的溫度分布(展開(kāi)圖)上普通諧振腔下本發(fā)明加熱腔(加熱條件入射功率0.6kW，加熱時(shí)間3min.)可以看出，具有旋轉(zhuǎn)極化波的加熱腔內(nèi)電場(chǎng)分布均勻性有了明顯改善。
本實(shí)施例的應(yīng)用舉例將尺寸為4×6×40mm3，純度為95％的氧化鋁(其余為燒結(jié)助劑)陶瓷粉體壓坯豎直放入圖3所示的保溫結(jié)構(gòu)中，再將整個(gè)結(jié)構(gòu)放入圖2所示的加熱腔體中央。將微波源輸出功率按圖5所示曲線調(diào)節(jié)，得到紅外測(cè)溫儀的溫度指示如圖6。燒結(jié)溫度為1550℃，時(shí)間40分鐘(燒結(jié)時(shí)間和溫度皆低于常規(guī)方式燒結(jié))。燒結(jié)得到的陶瓷體收縮率13％，密度為理論密度的99％。燒結(jié)體在長(zhǎng)度方向上的尺寸差別約為2％，試樣間尺寸差別不超過(guò)1％。說(shuō)明燒結(jié)腔體中試樣所處空間內(nèi)在截面上和高度方向都獲得了非常均勻的溫度分布，從而獲得了尺寸非常一致的陶瓷燒結(jié)體。
權(quán)利要求
1.一種用于陶瓷加工的高均勻性微波多模應(yīng)用腔，其特征在于，包括封閉的微波加熱腔體，安裝在該腔體底板下的3db移相橋波導(dǎo)，所說(shuō)的波導(dǎo)和加熱腔體的公共壁上開(kāi)有作為耦合元件的槽孔，以及設(shè)置在該腔體內(nèi)的保溫結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的微波多模應(yīng)用腔，其特征在于，所說(shuō)的作為耦合元件的槽孔為兩個(gè)相互垂直的耦合縫隙。
3.如權(quán)利要求1所述的微波多模應(yīng)用腔，其特征在于，所說(shuō)的3db移相橋波導(dǎo)由兩個(gè)并列的標(biāo)準(zhǔn)BJ-22波導(dǎo)組成，其公共側(cè)壁開(kāi)有長(zhǎng)度為Δ的縫隙，
其中λg′和λg″分別為寬波導(dǎo)中TE10、TE20波的波導(dǎo)波長(zhǎng)；在該縫隙中設(shè)置有電容性補(bǔ)償螺釘。
4.如權(quán)利要求1所述的微波多模應(yīng)用腔，其特征在于，所說(shuō)的保溫結(jié)構(gòu)包括用多孔隙氧化鋁材料制成的兩層箱體，在該內(nèi)層箱體里面設(shè)置一容納待加工的陶瓷的氧化鋁坩堝，所說(shuō)的兩層箱體之間填充有氧化鋁纖維，該內(nèi)層箱體與氧化鋁坩堝之間填充有碳化硅碎塊，兩層箱體的上壁開(kāi)有貫穿的測(cè)溫孔。
5.如權(quán)利要求1所述的微波多模應(yīng)用腔，其特征在于，所說(shuō)的封閉的微波加熱腔體是由銅材構(gòu)成的兩端封閉的圓柱形腔體，腔體直徑D為240mm，腔體高度H為312.9mm，該封閉的上蓋安裝有用于測(cè)溫的紅外測(cè)溫探頭座。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料加工工藝及設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括封閉的微波加熱腔體,安裝在該腔體底板下的3db移相橋波導(dǎo),所說(shuō)的波導(dǎo)和加熱腔體的公共壁上開(kāi)有作為耦合元件的槽孔,以及設(shè)置在該腔體內(nèi)的保溫結(jié)構(gòu)。本發(fā)明大大提高了微波加熱的均勻性,使微波能夠燒結(jié)均勻致密的陶瓷產(chǎn)品,同時(shí)免除了為增加均勻性而采用的機(jī)械式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),具有加熱均勻性好,無(wú)微波泄漏,無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/64GK1268017SQ0010617
公開(kāi)日2000年9月27日 申請(qǐng)日期2000年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月28日
發(fā)明者吳甦, 鹿安理, 吳愛(ài)萍, 趙海燕, 白向鈺 申請(qǐng)人:清華大學(xué)