的方法及装置的制造方法
的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种快速加热Al2O3的方法及装置，属微波加热领域。
【背景技术】
[0002]微波加热是一种新型加热方式，具有内部加热，快速加热，清洁卫生，易自动控制，节能等优点。但由于微波有选择性加热的特性，对弱吸波物质加热速度慢，从而限制了微波技术对这些物质的加热处理。
[0003]Al2O3属于弱吸收微波的物质，在一定功率下对它用微波加热4.5min，温度仅仅升高到78°C，而强吸收微波的物质Fe3O4仅用微波加热2.75min，温度就高达1258°C [I]。因此在微波工业上，目前对Al2O3只能采用辅助加热法。
[0004]工业上通常采用的辅助加热方法有五种[I]:
1、添加强吸波物质:1 H.Sutton等人把强吸收微波物质Fe3O4加入到弱吸收微波物质Al2O3之中，可以使加入了 Fe 304的Al 203能够显著地被微波加热。利用6KW的微波功率加热纯Al2O3物质，1min后Al 203的温度大约在100°C;加热10% Fe 304+90% Al2O3的混合物，1min后该混合物温度大约200°C ;加热50% Fe304+50% Al2O3的混合物，6min后该混合物温度超过600 °C。
[0005]2、Picket fence法:Janney等和Smith等采用Picket fence法进行微波辅助加热氧化锆，所烧结的氧化锆周围用用氧化锆纤维保温材料包裹，然后在其周围布置碳化硅棒。低温时，碳化硅吸收主要的微波能，传热给氧化锆，当温度达到某个临界点后，氧化锆开始吸热，很容易被微波加热至所需的烧结温度，该法基本消除局部过热现象。
[0006]3、内衬碳化硅的微波吸收器:该方法是由美国佛罗里达州立大学的Clark等设计的，微波加热时，将具有碳化硅内衬的微波吸收器放在弱吸波样品上，由于碳化硅是强吸波物质，可以迅速吸收微波能量然后通过热传导方式将热量传递给待加热样品。这种方法也可以用来给A1203加热。
[0007]4、Patterson法:是由Patterson等人发明的一种微波辅助加热烧结氮化娃的方法。他们将90根由氮化硅组成的刀具有规则地插在氧化铝坩祸中，坩祸里填满了碳化硅、氮化硼和氮化硅的混合物，这些粉末除用来支撑刀具外，与微波加热初始阶段可以作为强吸波物质加热氮化硅，还可以防止氮化硅与周围环境发生反应，同时起保温作用。
[0008]5、对单模腔体采用可调微波耦合窗:中国科学院上海硅酸盐研宄所施剑林等在单模腔体中采用可调微波耦合窗，并调整微波输出功率、短路活塞等，以保持腔内谐振和最佳耦合条件，从而保持样品以一定的速率升温，并达到稳定的最终温度。
[0009]以上描述可以看出，采用微波辅助加热的缺点:1、工艺较为复杂；2、能量损耗大，需要做无用功去加热强吸波物质，不够节能；3、弱吸波物质在加热过程中容易与强吸波物质混杂，有可能产生新的杂质。
[0010]Al2O3有多种变体，属于过渡型化合物，其主要为离子型化合物，而含部分共价型。在微波辅助加热方法中，我们发现，Al2O3是一种弱吸波性物质，但当Al2O3的温度高于800°C，它开始容易吸收微波，能够被微波快速地直接加热[I]。
[0011]参考文献:
[I]彭金辉，刘秉国。微波煅烧技术及其应用[M]。2013:106-111。
【发明内容】
[0012]本发明要解决的技术问题是为了克服微波辅助加热Al2O3方法的不足，又要能够快速加热Al2O3,结合Al2O3的微波升温特性，本发明从物质的微观结构出发，利用电介质极化原理和微波加热机理，提供一种可用于快速、直接、节能加热Al2O3的方法及装置。
[0013]本发明的技术方案是:一种快速加热Al2O3的方法，其特征在于，包括以下步骤:
将Al2O3物料置于微波加热装置的微波能应用器中；通电后，在所述微波能应用器中提供一辅助电场，用于极化Al2O3的分子；之后，磁控管发射微波，通过波导导入微波能应用器作用于被极化后的Al2O3分子，以加热Al 203。
[0014]在加热过程中，一直打开辅助电场，持续极化Al2O3分子，直至Al 203达到指定的温度后，辅助电场关闭。
[0015]所述指定温度为800 °C。
[0016]所述的辅助电场产生电路所产生的辅助电场为稳恒电场。
[0017]所述的辅助电场的电场强度为所述磁控管产生的微波场的电场强度最大值的0.5倍至0.6倍之间。
[0018]一种快速加热Al2O3的装置，包括主控制电路、变压电路、磁控管、波导和微波能应用器，其特征在于，还包括:辅助电场产生电路；所述辅助电场发生电路包括辅助电场控制电路和正负金属电极板，用于在微波能应用器中产生一辅助电场，以极化物料的分子。
[0019]所述的装置还包括智能温控电路，用于对辅助电场的通断按温度高低进行智能控制；所述的智能温控电路包括测温装置和开关；所述的测温装置实时测控微波能应用器中Al2O3的温度，反馈给智能温控电路，智能温控电路通过开关控制辅助电场的通断。
[0020]所述辅助电场产生电路所产生的辅助电场为稳恒电场；辅助电场的电场强度为所述磁控管产生的微波场的电场强度最大值的0.5倍至0.6倍之间。
[0021]所述辅助电场产生电路的正负金属电极板对称地放置微波能应用器的两对侧，靠近微波能应用器的内表面；金属电极板与微波能应用器内腔靠近但不接触，并在所述的金属电极板与所述微波能应用器内腔之间填充绝缘陶瓷，所述正负金属电极板与微波能应用器内表面之间用不超过2.5mm厚度的绝缘陶瓷隔离。
[0022]所述辅助电场产生电路的正负金属电极板为不锈钢电极板，厚度在6mm至12mm之间，温度越高微波能应用器体积越大，所述正负金属电极板的厚度越厚。
[0023]本发明的有益效果是:
辅助电场产生电路，是通过辅助电场控制电路来控制电路中电压大小，通过正负金属电极板在微波能应用器中发射一辅助电场，所述的辅助电场的作用是使微波能应用器中的的Al2O3发生极化。Al 203是一种弱吸波性物质，分子电偶极矩较小，把它放入微波能应用器中，辅助电场使它发生电子位移极化、离子位移极化、离子松弛极化和空间电荷极化，总的极化是这四种极化的合成。极化后分子的电偶极矩增大，这为微波快速加热Al2O3做好了准备。
[0024]根据微波加热的机理和物质的吸波特点，增大了电偶极矩的Al2O3在微波场的辐照下，获得更大的合电场力和更大的力矩，分子之间的碰撞、挤压、摩擦增大，微波能转化为热能的效率进一步提升，即微波加热速度提高。
[0025]根据Al2O3的吸波特点，当它的温度超过800°C后，Al 203开始容易吸收微波，可以不需要任何辅助加热方法，此时辅助电场对加热贡献很小。为了节能，本发明所述的测温装置实时测控Al2O3的温度，把温度数据反馈给智能温控电路，若测定Al 203的温度低于800°C，智能测温电路让开关闭合，辅助电场打开，若测定A1203的温度高于800°C，智能测温电路让开关断开，辅助电场关闭，达到节能环保的效果。
[0026]综上所述，本发明的方法及装置是让Al2O3处于辅助电场产生电路所产生的辅助电场和磁控管所产生的微波场共同作用下来加热的，辅助电场主要起极化作用，用于增大Al2O3分子的电偶极矩，微波电场起加热作用，双场配合工作，Al 203可迅速吸收微波能，转化为自身的热能，温度快速提高。同时智能温控电路实时监控Al2O3的温度，利用Al2O3的升温特点来控制辅助电场的通断。该微波装置能够快速加热常规微波装置不能快速加热的Al2O3，避免了常规辅助加热过程中装置复杂、能量损耗大、可能引入新的杂质的缺点，具有操作简单，节能，智能化程度高等特点，同时可以扩展微波加热Al 2O3的工业应用。
【附图说明】
[0027]图1坩祸中的氧化铝在微波场中的升温曲线图；
图2本发明方法的流程图；
图3本发明实施例的电路原理框图；
图4本发明实施例的的微波炉的辅助电场金属电极板和测温装置7的安装示意图。
[0028]图中:200-快速加热Al2O3的微波装置，201-主显示器窗口，202-控制面板，203-被加热的Al2O3, 204-正负金属电极板，205-绝缘陶瓷，206-测温装置。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明作进一步说明。
[0030]首先从物质的微观结构出发，阐述不同分子的吸波特点和微波加热原理。在微波领域中，电介质一般可分为非极性电介质、弱极性电介质和电偶极矩较大的极性电介质。非极性电介质由无极分子组成，在没有受到电场作用时，组成电介质的分子或原子，其中原子核所带的正电荷的中心与绕核分布的电子所带负电荷的中心相重合，对外呈中性，由于没有电偶极矩，微波场中的电场作用于它时不能产生合外力和力矩，分子不会发生挤压、摩擦、转动和振动，因此不吸收微波能量，我们称为难吸波或不吸波性物质。弱极性电介质由电偶极矩较小的有极分子组成，在没有外电场作用时，组成电介质的分子或原子的正负中心不重合，即分子的电偶极矩较小，微波场中的电场作用于它时只能产生较小的合外力和力矩，分子的挤压、摩擦、转动和振动都比较小，因此可以吸收少量的微波能量转化为自身的热能，在微波场中加热时升温速度很慢，我们称这类物质为弱吸波性物质，如A1203。电偶极矩较大的有极分子由于具有较大的电偶极矩，能够在微波场中迅速耗散掉微波能量，在微波场中升温速度很快，我们称为易吸波性物质，如Fe304。因此电偶极矩可以作为判断微波是否快速吸波的一个参量。
[0031]基于以上原理，本发明目的的方法就是增大物质分子等效正负电荷的距离，即增加电偶极矩。
[0032]根据电介质极化的原理和Al2O3的物质特性，Al 203是一种弱吸波性物质，分子的电偶极矩较小，若将它放置在一电场中，它将发生以下形式的极化:1、电子位移极化:每个分子或原子中正、负电荷中心发生相对位移；2、离子位移极化:正、负离子产生相对位移，正离子沿电场方向移动，负离子逆着电场方向移动，这类极化仅正对离子型化合物，而Al2O3属于过渡型化合物，其主要为离子型化合物，而含部分共价型，因此也会发生离子位移极化；3、离子松弛极化:该极化发生在由离子组成的或含离子杂质的介质中，是电介质中存在的某些联系较弱的离子，在电场作用下发生沿电场方向的跃迀运动引起的；4、空间电荷极化:该极化在电场作用下，原先混乱排布的正、负自由电荷发生了趋向有规则的运动过程，导致正极板附近集聚了较多的负电荷，空间电荷的重新分布，实际形成了介质的空间电荷极化。它发生在非均匀介质和存在缺陷的晶体中，对于实际Al2O3晶体介质，其内部自由电荷在电场作用下移动，可能被晶体中不可能避免地存在着的缺陷(如晶格缺位、杂质中心、位错等)所捕获、堆积造成电荷的局部积聚，使电荷分布不均匀，从而引起极化。而工程中使用的Al2O3绝大多数都是不均匀的、有缺陷的。总的极化是以上几种极化的矢量和。极化后的Al2O3分子等效正负电荷的间距增大，电偶极矩增大。这是微波快速而直接加热Al 203的必备条件。
[0033]然后介绍微波加热Al2O3的升温特性。如图1为我们实验室采集到Al 203的升温特性曲线，将Al2O3盛放在坩祸中放置于某种功率下的微波装置中加热，横坐标表示时间，单位为分钟，纵坐标表示Al2O3的温度，单位为摄氏度。尽管采用了坩祸辅助加热，我们可以看到:前22分钟加热中，Al2O3的温度由室温升高到约400°C，升温速率比较慢，说明Al 203完全依靠坩祸的热传递；第22至30分钟，Al2O3的温度由约400°C升高到约800°C，此区间升温速度较快，说明Al2O3不仅仅依靠坩祸的热传递，自身的吸波能力逐步变强；第30分钟至33分钟，Al2O3的温度由约800°C升高到约1200°C，此区间升温速度很快，说明Al 203变得易吸收微波。因此800°C是Al2O3变得易吸波的分界点，这同文献[I]中报道的一致。
[0034]最后介绍本发明的具体实施过程:
如图2所示，为本发明方法的流程图。包括以下步骤:
将Al2O3物料置于微波加热装置的微波能应用器中；
通电后，在所述微波能应用器中提供一辅助电场，用于极化Al2O3的分子；
之后，磁控管发射微波，通过波导导入微波能应用器作用于被极化后的Al2O3分子，以加热Al2O3O
[0035]在加热过程中，一直打开辅助电场，持续极化Al2O3分子，直至Al 203达到指定的温度后，辅助电场关闭。
[0036]所述指定温度为800°C。所述的Al2O3达到800°C后，辅助电场关闭，但磁控管仍然继续工作，Al2O3继续被加热，直至加热到预期的温度。
[0037]所述的辅助电场产生电路所产生的辅助电场为稳恒电场。
[0038]所述的辅助电场的电场强度为所述磁控管产生的微波场的电场强度最大值的0.5倍至0.6倍之间。
[0039]如图3所示，为本发明的一种可用于快速地直接加热Al2O3的微波装置的电路原理框图，具体包括:
主控制电路1、变压电路2、磁控管3、波导4、微波能应用器9，辅助电场产生电路5和智能温控电路6。辅助电场产生电路5用于在微波能应用器中产生一辅助电场，微波能应用器中被加热的Al2O3物质在辅助电场和磁控管3所产生的微波场共同作用下能迅速加热，同时智能温控电路6用于对辅助电场的通断按温度高低进行控制。
[0040]所述的辅助电场产生电路5包括:辅助电场控制电路和正负金属电极板。所述的辅助电场产生电路5所产生的辅助电场为稳恒电场。
[0041]所述的辅助电场产生电路5的辅助电场控制电路，还用于控制所述的辅助电场的强度小于所述磁控管产生的微波场的电场强度。
[0042]所述的辅助电场的场强为微波电场强度最大值的0.5倍至0.6倍之间。如果辅助电场的场强如果太小，对弱极性分子的极化作用不足，难以显著增加分子的电偶极矩；如果辅助电场的强度过大，在单个微波周期内微波加热时间不足。根据Al2O3的分子特点和极化类型，倍率选在0.5至0.6之间。
[0043]所述的辅助电场产生电路5的正负金属电极板对称地放置微波能应用器9的两对侦牝靠近微波能应用器9的内表面。
[0044]正负金属电极板与微波能应用器9内腔靠近但不接触，并在所述的金属电极板与所述微波能应用器9之间填充绝缘陶瓷，为防止少部分微波从绝缘陶瓷处外泄损耗，所述正负金属电极板与微波能应用器9表面之间用不超过2.5mm厚度的绝缘陶瓷隔离。
[0045]所述的辅助电场产生电路5的正负金属电极板为不锈钢电极板，为了保证它还能在高温下反射微波，厚度在6_至12_之间，温度越高微波能应用器体积越大，所述正负金属电极板的厚度越厚。
[0046]所述的微波能应用器9的内腔接地。
[0047]所述的智能温控电路6包括:测温装置7和开关8。测温装置7从本发明所述微波装置的上伸入微波能应用器9的内腔，开关8用来控制辅助电场发生电路5的通断。
[0048]所述的测温装置7实时测控微波能应用器9中Al2O3的温度，把温度数据反馈给智能温控电路6，智能温控电路6又通过开关8控制辅助电场发生电路5的通断。
[0049]当所述的测温装置7测得微波能应用器9中Al2O3的温度低于800°C时，开关8闭合，辅助电场发生电路5工作，微波能应用器9中有辅助电场；当所述的测温装置7测得微波能应用器9中Al2O3的温度高于800°C时，开关8断开，辅助电场发生电路5停止工作。
[0050]220V、50Hz的交 流电经插座流入微波炉里，先经过主控制电路1，提供给微处理器、定时和功率调节器、转盘电路、照明电路、风扇、主显示器窗口等(非核心部件，图中不显示)，然后流经变压器的初级线圈，回到插座。变压电路器2将220V、50Hz的交流电分成三部分，第一部分为辅助电场产生电路5，经过变压、整流滤波的过程后，电路中的电压为稳恒电压，辅助电场控制电路再将稳恒电压通过正负金属电极板在微波能应用器9中发射一辅助电场；第二部分市电变压为4V左右的交流电加在磁控管3的阴极，用来加热磁控管3的灯丝，这样阴极才能发射电子；第三部分市电经高压变压再次升压至4000V左右的高压，整流后加载磁控管3的阳极，阳极是用来接收电子的。在第二部分输入和第三部分输入共同的作用下，热电子从阴极溢出后，在磁场力和电场力共同作用下，沿螺旋状高速飞向阳极，又有谐振腔的作用，电子振荡成微波，微波最后经波导4输入到微波能应用器中。被加热的Al2O3放置于微波能应用器中，在磁控管3所产生的微波场和辅助电场产生电路5所产生的辅助电场的双重作用下，快速吸收微波能，转为为自身的热能，温度迅速上升。考虑到Al2O3的微波升温特性，本发明在该微波装置顶端伸入安装一个测温装置7 (如热电偶)，用来实时监控Al2O3的温度，根据Al 203的温度数据通过开关控制辅助电场发生电路5的通断，实现节能的目的。
[0051]如图4所示，本发明实施例微波装置的正负金属电极板和测温装置7的安装示意图。该微波装置200 ;主显示器窗口 201位于右上角，可显示Al2O3的温度、加热时间、功率、加热模式等；控制面板202位于右下侧，与主控制电路连接，可调节加热功率、加热模式等；被加热Al2O3物质203放在微波能应用器的中间，它是弱吸波性物质；正负金属电极板标记为204，稳恒电压经它发射到微波腔体中。微波腔体的内腔和正负金属电极板之间填充绝缘陶瓷205，测温装置7标记为206，从本发明所述的微波装置的顶端伸入，用来实时监控Al2O3的表面温度。
[0052]当该微波炉通电工作时，Al2O3处于双场环境中(辅助电场和微波场)，辅助电场的作用是使Al2O3发生电子位移极化、离子位移极化、离子松弛极化或空间电荷极化等，极化后Al2O3分子等效正负电荷的间距增大，电偶极矩增大，这是利用微波炉快速加热Al2O3的必备条件。微波场的作用是加热，当微波电场作用于被极化的Al2O3物质时，构成Al 203的分子受到更大的合电场力和更大的力矩，这些合力和力矩将提供更大的挤压力、转动动力和转动惯性，而微波电场方向以每秒数几十亿次发生改变时，被极化的负载中分子之间的摩擦、挤压和碰撞更剧烈，微波能转化为热能的效率进一步增大，负载的升温速率提升。同时考虑到A1203温度超过800°C后变得容易吸波，辅助电场不再发挥作用，只会耗费更多的电能，因此通过智能温控电路6来控制辅助电场产生电路的通断，达到节能环保的效果。
[0053]辅助电场产生电路5的正负金属电极板既可产生稳恒电场，起极化分子的作用，也可像微波腔体反射微波。
[0054]所述的辅助电场产生电路所产生的辅助电场为稳恒电场，与所述磁控管产生的微波电场共同作用于被加热物质，同步工作，互不干涉。
[0055]微波场作用于这些被极化了的Al2O3物质时，当辅助电场产生电路所产生的辅助电场矢量与微波电场矢量的夹角为O时，辅助电场对微波电场的加热没贡献，但微波场的方向以每秒数亿次发生改变，因此这种状态存在时间极短，对该微波炉的加热没有太大的影响，可以忽略不计。
[0056]测温装置7为市场常见的测温元件。
[0057]因此，本发明中的微波装置既能克服传统辅助加热Al2O3技术中的缺点，又可以直接快速地加热Al2O3负载，还可以起到节能作用。
[0058]可以理解的是，对辅助电场产生电路和智能测温电路所做的改动，如辅助电场供电电路机构和正负金属电极板大小、形状、位置，测温装置、开关等，都应属于本发明权利要求的保护范围。
[0059]以上结合附图对本发明的【具体实施方式】作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
【主权项】
1.一种快速加热A1203的方法，其特征在于:包括以下步骤: 将A1203的物料置于微波加热装置的微波能应用器中； 通电后，在所述微波能应用器中提供一辅助电场，用于极化Al2O3的分子； 之后，磁控管发射微波，通过波导导入微波能应用器，作用于被极化后的物料分子，以加热物料。2.根据权利要求1所述的快速加热A1203的方法，其特征在于:在加热过程中，一直打开辅助电场，持续极化物料分子，直至物料达到指定的温度后，辅助电场关闭。3.根据权利要求2所述的快速加热A1203的方法，其特征在于:所述指定温度不低于800。。。4.根据权利要求1或2所述的快速加热A1203的方法，其特征在于:所述的辅助电场为稳恒电场。5.根据权利要求1、2、4任意一条所述的快速加热A1203的方法，其特征在于:所述的辅助电场的电场强度为所述磁控管产生的微波场的电场强度最大值的0.5倍至0.6倍之间。6.一种用于权利要求1所述方法的快速加热Al2O3的装置，包括主控制电路、变压电路、磁控管、波导和微波能应用器，其特征在于:还包括辅助电场产生电路；所述辅助电场发生电路包括辅助电场控制电路和正负金属电极板，用于在微波能应用器中产生一辅助电场，以极化Al2O3分子。7.根据权利要求6所述的快速加热Al203的装置，其特征在于:还包括智能温控电路，用于对辅助电场的通断按温度高低进行智能控制；所述的智能温控电路包括测温装置和开关；所述的测温装置实时测控微波能应用器中Al2O3的温度，反馈给智能温控电路，智能温控电路通过开关控制辅助电场的通断。8.根据权利要求6所述的快速加热Al203的装置，其特征在于:所述辅助电场产生电路所产生的辅助电场为稳恒电场；辅助电场的电场强度为所述磁控管产生的微波场的电场强度最大值的0.5倍至0.6倍之间。9.根据权利要求6所述的快速加热Al203的装置，其特征在于:所述辅助电场产生电路的正负金属电极板对称地放置微波能应用器的两对侧，靠近微波能应用器的内表面；金属电极板与微波能应用器内腔靠近但不接触，并在所述的金属电极板与所述微波能应用器内腔之间填充绝缘陶瓷，所述正负金属电极板与微波能应用器内表面之间用不超过2.5_厚度的绝缘陶瓷隔离。10.根据权利要求6所述的快速加热Al203的装置，其特征在于:所述辅助电场产生电路的正负金属电极板为不锈钢电极板，厚度在6_至12_之间，温度越高微波能应用器体积越大，所述正负金属电极板的厚度越厚。
【专利摘要】本发明涉及一种快速加热Al2O3的方法及装置。Al2O3是一种弱吸收微波的物质，温度低于800℃时使用微波直接加热的方法及装置升温速率很慢，但温度高于800℃变得易吸微波，微波可直接加热，根据Al2O3的这种特性，本发明所述方法及装置的特点是有辅助电场产生电路和智能温控电路，辅助电场产生电路由辅助电场控制电路和正负金属电极板构成，智能温控电路由测温装置和智能开关组成。辅助电场产生电路通过正负金属电极板在微波能应用器中产生一辅助电场，起极化Al2O3分子的作用，被极化后的Al2O3分子电偶极矩增大，可迅速被微波发生器所产生的微波加热，测温装置实时监控微波能应用器中Al2O3的温度，当温度高于800℃时，智能开关自动关闭辅助电场。本发明既可直接而快速地加热Al2O3，又节能环保。
【IPC分类】H05B6/68, H05B6/64, H05B6/80
【公开号】CN104902603
【申请号】CN201510222848
【发明人】彭金辉, 刘秉国, 何广军, 张利波, 梁贵安, 李世伟, 刘明
【申请人】昆明理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月5日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种快速加热Al2O3的方法及装置，属微波加热领域。
【背景技术】
[0002]微波加热是一种新型加热方式，具有内部加热，快速加热，清洁卫生，易自动控制，节能等优点。但由于微波有选择性加热的特性，对弱吸波物质加热速度慢，从而限制了微波技术对这些物质的加热处理。
[0003]Al2O3属于弱吸收微波的物质，在一定功率下对它用微波加热4.5min，温度仅仅升高到78°C，而强吸收微波的物质Fe3O4仅用微波加热2.75min，温度就高达1258°C [I]。因此在微波工业上，目前对Al2O3只能采用辅助加热法。
[0004]工业上通常采用的辅助加热方法有五种[I]:
1、添加强吸波物质:1 H.Sutton等人把强吸收微波物质Fe3O4加入到弱吸收微波物质Al2O3之中，可以使加入了 Fe 304的Al 203能够显著地被微波加热。利用6KW的微波功率加热纯Al2O3物质，1min后Al 203的温度大约在100°C;加热10% Fe 304+90% Al2O3的混合物，1min后该混合物温度大约200°C ;加热50% Fe304+50% Al2O3的混合物，6min后该混合物温度超过600 °C。
[0005]2、Picket fence法:Janney等和Smith等采用Picket fence法进行微波辅助加热氧化锆，所烧结的氧化锆周围用用氧化锆纤维保温材料包裹，然后在其周围布置碳化硅棒。低温时，碳化硅吸收主要的微波能，传热给氧化锆，当温度达到某个临界点后，氧化锆开始吸热，很容易被微波加热至所需的烧结温度，该法基本消除局部过热现象。
[0006]3、内衬碳化硅的微波吸收器:该方法是由美国佛罗里达州立大学的Clark等设计的，微波加热时，将具有碳化硅内衬的微波吸收器放在弱吸波样品上，由于碳化硅是强吸波物质，可以迅速吸收微波能量然后通过热传导方式将热量传递给待加热样品。这种方法也可以用来给A1203加热。
[0007]4、Patterson法:是由Patterson等人发明的一种微波辅助加热烧结氮化娃的方法。他们将90根由氮化硅组成的刀具有规则地插在氧化铝坩祸中，坩祸里填满了碳化硅、氮化硼和氮化硅的混合物，这些粉末除用来支撑刀具外，与微波加热初始阶段可以作为强吸波物质加热氮化硅，还可以防止氮化硅与周围环境发生反应，同时起保温作用。
[0008]5、对单模腔体采用可调微波耦合窗:中国科学院上海硅酸盐研宄所施剑林等在单模腔体中采用可调微波耦合窗，并调整微波输出功率、短路活塞等，以保持腔内谐振和最佳耦合条件，从而保持样品以一定的速率升温，并达到稳定的最终温度。
[0009]以上描述可以看出，采用微波辅助加热的缺点:1、工艺较为复杂；2、能量损耗大，需要做无用功去加热强吸波物质，不够节能；3、弱吸波物质在加热过程中容易与强吸波物质混杂，有可能产生新的杂质。
[0010]Al2O3有多种变体，属于过渡型化合物，其主要为离子型化合物，而含部分共价型。在微波辅助加热方法中，我们发现，Al2O3是一种弱吸波性物质，但当Al2O3的温度高于800°C，它开始容易吸收微波，能够被微波快速地直接加热[I]。
[0011]参考文献:
[I]彭金辉，刘秉国。微波煅烧技术及其应用[M]。2013:106-111。
【发明内容】
[0012]本发明要解决的技术问题是为了克服微波辅助加热Al2O3方法的不足，又要能够快速加热Al2O3,结合Al2O3的微波升温特性，本发明从物质的微观结构出发，利用电介质极化原理和微波加热机理，提供一种可用于快速、直接、节能加热Al2O3的方法及装置。
[0013]本发明的技术方案是:一种快速加热Al2O3的方法，其特征在于，包括以下步骤:
将Al2O3物料置于微波加热装置的微波能应用器中；通电后，在所述微波能应用器中提供一辅助电场，用于极化Al2O3的分子；之后，磁控管发射微波，通过波导导入微波能应用器作用于被极化后的Al2O3分子，以加热Al 203。
[0014]在加热过程中，一直打开辅助电场，持续极化Al2O3分子，直至Al 203达到指定的温度后，辅助电场关闭。
[0015]所述指定温度为800 °C。
[0016]所述的辅助电场产生电路所产生的辅助电场为稳恒电场。
[0017]所述的辅助电场的电场强度为所述磁控管产生的微波场的电场强度最大值的0.5倍至0.6倍之间。
[0018]一种快速加热Al2O3的装置，包括主控制电路、变压电路、磁控管、波导和微波能应用器，其特征在于，还包括:辅助电场产生电路；所述辅助电场发生电路包括辅助电场控制电路和正负金属电极板，用于在微波能应用器中产生一辅助电场，以极化物料的分子。
[0019]所述的装置还包括智能温控电路，用于对辅助电场的通断按温度高低进行智能控制；所述的智能温控电路包括测温装置和开关；所述的测温装置实时测控微波能应用器中Al2O3的温度，反馈给智能温控电路，智能温控电路通过开关控制辅助电场的通断。
[0020]所述辅助电场产生电路所产生的辅助电场为稳恒电场；辅助电场的电场强度为所述磁控管产生的微波场的电场强度最大值的0.5倍至0.6倍之间。
[0021]所述辅助电场产生电路的正负金属电极板对称地放置微波能应用器的两对侧，靠近微波能应用器的内表面；金属电极板与微波能应用器内腔靠近但不接触，并在所述的金属电极板与所述微波能应用器内腔之间填充绝缘陶瓷，所述正负金属电极板与微波能应用器内表面之间用不超过2.5mm厚度的绝缘陶瓷隔离。
[0022]所述辅助电场产生电路的正负金属电极板为不锈钢电极板，厚度在6mm至12mm之间，温度越高微波能应用器体积越大，所述正负金属电极板的厚度越厚。
[0023]本发明的有益效果是:
辅助电场产生电路，是通过辅助电场控制电路来控制电路中电压大小，通过正负金属电极板在微波能应用器中发射一辅助电场，所述的辅助电场的作用是使微波能应用器中的的Al2O3发生极化。Al 203是一种弱吸波性物质，分子电偶极矩较小，把它放入微波能应用器中，辅助电场使它发生电子位移极化、离子位移极化、离子松弛极化和空间电荷极化，总的极化是这四种极化的合成。极化后分子的电偶极矩增大，这为微波快速加热Al2O3做好了准备。
[0024]根据微波加热的机理和物质的吸波特点，增大了电偶极矩的Al2O3在微波场的辐照下，获得更大的合电场力和更大的力矩，分子之间的碰撞、挤压、摩擦增大，微波能转化为热能的效率进一步提升，即微波加热速度提高。
[0025]根据Al2O3的吸波特点，当它的温度超过800°C后，Al 203开始容易吸收微波，可以不需要任何辅助加热方法，此时辅助电场对加热贡献很小。为了节能，本发明所述的测温装置实时测控Al2O3的温度，把温度数据反馈给智能温控电路，若测定Al 203的温度低于800°C，智能测温电路让开关闭合，辅助电场打开，若测定A1203的温度高于800°C，智能测温电路让开关断开，辅助电场关闭，达到节能环保的效果。
[0026]综上所述，本发明的方法及装置是让Al2O3处于辅助电场产生电路所产生的辅助电场和磁控管所产生的微波场共同作用下来加热的，辅助电场主要起极化作用，用于增大Al2O3分子的电偶极矩，微波电场起加热作用，双场配合工作，Al 203可迅速吸收微波能，转化为自身的热能，温度快速提高。同时智能温控电路实时监控Al2O3的温度，利用Al2O3的升温特点来控制辅助电场的通断。该微波装置能够快速加热常规微波装置不能快速加热的Al2O3，避免了常规辅助加热过程中装置复杂、能量损耗大、可能引入新的杂质的缺点，具有操作简单，节能，智能化程度高等特点，同时可以扩展微波加热Al 2O3的工业应用。
【附图说明】
[0027]图1坩祸中的氧化铝在微波场中的升温曲线图；
图2本发明方法的流程图；
图3本发明实施例的电路原理框图；
图4本发明实施例的的微波炉的辅助电场金属电极板和测温装置7的安装示意图。
[0028]图中:200-快速加热Al2O3的微波装置，201-主显示器窗口，202-控制面板，203-被加热的Al2O3, 204-正负金属电极板，205-绝缘陶瓷，206-测温装置。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明作进一步说明。
[0030]首先从物质的微观结构出发，阐述不同分子的吸波特点和微波加热原理。在微波领域中，电介质一般可分为非极性电介质、弱极性电介质和电偶极矩较大的极性电介质。非极性电介质由无极分子组成，在没有受到电场作用时，组成电介质的分子或原子，其中原子核所带的正电荷的中心与绕核分布的电子所带负电荷的中心相重合，对外呈中性，由于没有电偶极矩，微波场中的电场作用于它时不能产生合外力和力矩，分子不会发生挤压、摩擦、转动和振动，因此不吸收微波能量，我们称为难吸波或不吸波性物质。弱极性电介质由电偶极矩较小的有极分子组成，在没有外电场作用时，组成电介质的分子或原子的正负中心不重合，即分子的电偶极矩较小，微波场中的电场作用于它时只能产生较小的合外力和力矩，分子的挤压、摩擦、转动和振动都比较小，因此可以吸收少量的微波能量转化为自身的热能，在微波场中加热时升温速度很慢，我们称这类物质为弱吸波性物质，如A1203。电偶极矩较大的有极分子由于具有较大的电偶极矩，能够在微波场中迅速耗散掉微波能量，在微波场中升温速度很快，我们称为易吸波性物质，如Fe304。因此电偶极矩可以作为判断微波是否快速吸波的一个参量。
[0031]基于以上原理，本发明目的的方法就是增大物质分子等效正负电荷的距离，即增加电偶极矩。
[0032]根据电介质极化的原理和Al2O3的物质特性，Al 203是一种弱吸波性物质，分子的电偶极矩较小，若将它放置在一电场中，它将发生以下形式的极化:1、电子位移极化:每个分子或原子中正、负电荷中心发生相对位移；2、离子位移极化:正、负离子产生相对位移，正离子沿电场方向移动，负离子逆着电场方向移动，这类极化仅正对离子型化合物，而Al2O3属于过渡型化合物，其主要为离子型化合物，而含部分共价型，因此也会发生离子位移极化；3、离子松弛极化:该极化发生在由离子组成的或含离子杂质的介质中，是电介质中存在的某些联系较弱的离子，在电场作用下发生沿电场方向的跃迀运动引起的；4、空间电荷极化:该极化在电场作用下，原先混乱排布的正、负自由电荷发生了趋向有规则的运动过程，导致正极板附近集聚了较多的负电荷，空间电荷的重新分布，实际形成了介质的空间电荷极化。它发生在非均匀介质和存在缺陷的晶体中，对于实际Al2O3晶体介质，其内部自由电荷在电场作用下移动，可能被晶体中不可能避免地存在着的缺陷(如晶格缺位、杂质中心、位错等)所捕获、堆积造成电荷的局部积聚，使电荷分布不均匀，从而引起极化。而工程中使用的Al2O3绝大多数都是不均匀的、有缺陷的。总的极化是以上几种极化的矢量和。极化后的Al2O3分子等效正负电荷的间距增大，电偶极矩增大。这是微波快速而直接加热Al 203的必备条件。
[0033]然后介绍微波加热Al2O3的升温特性。如图1为我们实验室采集到Al 203的升温特性曲线，将Al2O3盛放在坩祸中放置于某种功率下的微波装置中加热，横坐标表示时间，单位为分钟，纵坐标表示Al2O3的温度，单位为摄氏度。尽管采用了坩祸辅助加热，我们可以看到:前22分钟加热中，Al2O3的温度由室温升高到约400°C，升温速率比较慢，说明Al 203完全依靠坩祸的热传递；第22至30分钟，Al2O3的温度由约400°C升高到约800°C，此区间升温速度较快，说明Al2O3不仅仅依靠坩祸的热传递，自身的吸波能力逐步变强；第30分钟至33分钟，Al2O3的温度由约800°C升高到约1200°C，此区间升温速度很快，说明Al 203变得易吸收微波。因此800°C是Al2O3变得易吸波的分界点，这同文献[I]中报道的一致。
[0034]最后介绍本发明的具体实施过程:
如图2所示，为本发明方法的流程图。包括以下步骤:
将Al2O3物料置于微波加热装置的微波能应用器中；
通电后，在所述微波能应用器中提供一辅助电场，用于极化Al2O3的分子；
之后，磁控管发射微波，通过波导导入微波能应用器作用于被极化后的Al2O3分子，以加热Al2O3O
[0035]在加热过程中，一直打开辅助电场，持续极化Al2O3分子，直至Al 203达到指定的温度后，辅助电场关闭。
[0036]所述指定温度为800°C。所述的Al2O3达到800°C后，辅助电场关闭，但磁控管仍然继续工作，Al2O3继续被加热，直至加热到预期的温度。
[0037]所述的辅助电场产生电路所产生的辅助电场为稳恒电场。
[0038]所述的辅助电场的电场强度为所述磁控管产生的微波场的电场强度最大值的0.5倍至0.6倍之间。
[0039]如图3所示，为本发明的一种可用于快速地直接加热Al2O3的微波装置的电路原理框图，具体包括:
主控制电路1、变压电路2、磁控管3、波导4、微波能应用器9，辅助电场产生电路5和智能温控电路6。辅助电场产生电路5用于在微波能应用器中产生一辅助电场，微波能应用器中被加热的Al2O3物质在辅助电场和磁控管3所产生的微波场共同作用下能迅速加热，同时智能温控电路6用于对辅助电场的通断按温度高低进行控制。
[0040]所述的辅助电场产生电路5包括:辅助电场控制电路和正负金属电极板。所述的辅助电场产生电路5所产生的辅助电场为稳恒电场。
[0041]所述的辅助电场产生电路5的辅助电场控制电路，还用于控制所述的辅助电场的强度小于所述磁控管产生的微波场的电场强度。
[0042]所述的辅助电场的场强为微波电场强度最大值的0.5倍至0.6倍之间。如果辅助电场的场强如果太小，对弱极性分子的极化作用不足，难以显著增加分子的电偶极矩；如果辅助电场的强度过大，在单个微波周期内微波加热时间不足。根据Al2O3的分子特点和极化类型，倍率选在0.5至0.6之间。
[0043]所述的辅助电场产生电路5的正负金属电极板对称地放置微波能应用器9的两对侦牝靠近微波能应用器9的内表面。
[0044]正负金属电极板与微波能应用器9内腔靠近但不接触，并在所述的金属电极板与所述微波能应用器9之间填充绝缘陶瓷，为防止少部分微波从绝缘陶瓷处外泄损耗，所述正负金属电极板与微波能应用器9表面之间用不超过2.5mm厚度的绝缘陶瓷隔离。
[0045]所述的辅助电场产生电路5的正负金属电极板为不锈钢电极板，为了保证它还能在高温下反射微波，厚度在6_至12_之间，温度越高微波能应用器体积越大，所述正负金属电极板的厚度越厚。
[0046]所述的微波能应用器9的内腔接地。
[0047]所述的智能温控电路6包括:测温装置7和开关8。测温装置7从本发明所述微波装置的上伸入微波能应用器9的内腔，开关8用来控制辅助电场发生电路5的通断。
[0048]所述的测温装置7实时测控微波能应用器9中Al2O3的温度，把温度数据反馈给智能温控电路6，智能温控电路6又通过开关8控制辅助电场发生电路5的通断。
[0049]当所述的测温装置7测得微波能应用器9中Al2O3的温度低于800°C时，开关8闭合，辅助电场发生电路5工作，微波能应用器9中有辅助电场；当所述的测温装置7测得微波能应用器9中Al2O3的温度高于800°C时，开关8断开，辅助电场发生电路5停止工作。
[0050]220V、50Hz的交 流电经插座流入微波炉里，先经过主控制电路1，提供给微处理器、定时和功率调节器、转盘电路、照明电路、风扇、主显示器窗口等(非核心部件，图中不显示)，然后流经变压器的初级线圈，回到插座。变压电路器2将220V、50Hz的交流电分成三部分，第一部分为辅助电场产生电路5，经过变压、整流滤波的过程后，电路中的电压为稳恒电压，辅助电场控制电路再将稳恒电压通过正负金属电极板在微波能应用器9中发射一辅助电场；第二部分市电变压为4V左右的交流电加在磁控管3的阴极，用来加热磁控管3的灯丝，这样阴极才能发射电子；第三部分市电经高压变压再次升压至4000V左右的高压，整流后加载磁控管3的阳极，阳极是用来接收电子的。在第二部分输入和第三部分输入共同的作用下，热电子从阴极溢出后，在磁场力和电场力共同作用下，沿螺旋状高速飞向阳极，又有谐振腔的作用，电子振荡成微波，微波最后经波导4输入到微波能应用器中。被加热的Al2O3放置于微波能应用器中，在磁控管3所产生的微波场和辅助电场产生电路5所产生的辅助电场的双重作用下，快速吸收微波能，转为为自身的热能，温度迅速上升。考虑到Al2O3的微波升温特性，本发明在该微波装置顶端伸入安装一个测温装置7 (如热电偶)，用来实时监控Al2O3的温度，根据Al 203的温度数据通过开关控制辅助电场发生电路5的通断，实现节能的目的。
[0051]如图4所示，本发明实施例微波装置的正负金属电极板和测温装置7的安装示意图。该微波装置200 ;主显示器窗口 201位于右上角，可显示Al2O3的温度、加热时间、功率、加热模式等；控制面板202位于右下侧，与主控制电路连接，可调节加热功率、加热模式等；被加热Al2O3物质203放在微波能应用器的中间，它是弱吸波性物质；正负金属电极板标记为204，稳恒电压经它发射到微波腔体中。微波腔体的内腔和正负金属电极板之间填充绝缘陶瓷205，测温装置7标记为206，从本发明所述的微波装置的顶端伸入，用来实时监控Al2O3的表面温度。
[0052]当该微波炉通电工作时，Al2O3处于双场环境中(辅助电场和微波场)，辅助电场的作用是使Al2O3发生电子位移极化、离子位移极化、离子松弛极化或空间电荷极化等，极化后Al2O3分子等效正负电荷的间距增大，电偶极矩增大，这是利用微波炉快速加热Al2O3的必备条件。微波场的作用是加热，当微波电场作用于被极化的Al2O3物质时，构成Al 203的分子受到更大的合电场力和更大的力矩，这些合力和力矩将提供更大的挤压力、转动动力和转动惯性，而微波电场方向以每秒数几十亿次发生改变时，被极化的负载中分子之间的摩擦、挤压和碰撞更剧烈，微波能转化为热能的效率进一步增大，负载的升温速率提升。同时考虑到A1203温度超过800°C后变得容易吸波，辅助电场不再发挥作用，只会耗费更多的电能，因此通过智能温控电路6来控制辅助电场产生电路的通断，达到节能环保的效果。
[0053]辅助电场产生电路5的正负金属电极板既可产生稳恒电场，起极化分子的作用，也可像微波腔体反射微波。
[0054]所述的辅助电场产生电路所产生的辅助电场为稳恒电场，与所述磁控管产生的微波电场共同作用于被加热物质，同步工作，互不干涉。
[0055]微波场作用于这些被极化了的Al2O3物质时，当辅助电场产生电路所产生的辅助电场矢量与微波电场矢量的夹角为O时，辅助电场对微波电场的加热没贡献，但微波场的方向以每秒数亿次发生改变，因此这种状态存在时间极短，对该微波炉的加热没有太大的影响，可以忽略不计。
[0056]测温装置7为市场常见的测温元件。
[0057]因此，本发明中的微波装置既能克服传统辅助加热Al2O3技术中的缺点，又可以直接快速地加热Al2O3负载，还可以起到节能作用。
[0058]可以理解的是，对辅助电场产生电路和智能测温电路所做的改动，如辅助电场供电电路机构和正负金属电极板大小、形状、位置，测温装置、开关等，都应属于本发明权利要求的保护范围。
[0059]以上结合附图对本发明的【具体实施方式】作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
【主权项】
1.一种快速加热A1203的方法，其特征在于:包括以下步骤: 将A1203的物料置于微波加热装置的微波能应用器中； 通电后，在所述微波能应用器中提供一辅助电场，用于极化Al2O3的分子； 之后，磁控管发射微波，通过波导导入微波能应用器，作用于被极化后的物料分子，以加热物料。2.根据权利要求1所述的快速加热A1203的方法，其特征在于:在加热过程中，一直打开辅助电场，持续极化物料分子，直至物料达到指定的温度后，辅助电场关闭。3.根据权利要求2所述的快速加热A1203的方法，其特征在于:所述指定温度不低于800。。。4.根据权利要求1或2所述的快速加热A1203的方法，其特征在于:所述的辅助电场为稳恒电场。5.根据权利要求1、2、4任意一条所述的快速加热A1203的方法，其特征在于:所述的辅助电场的电场强度为所述磁控管产生的微波场的电场强度最大值的0.5倍至0.6倍之间。6.一种用于权利要求1所述方法的快速加热Al2O3的装置，包括主控制电路、变压电路、磁控管、波导和微波能应用器，其特征在于:还包括辅助电场产生电路；所述辅助电场发生电路包括辅助电场控制电路和正负金属电极板，用于在微波能应用器中产生一辅助电场，以极化Al2O3分子。7.根据权利要求6所述的快速加热Al203的装置，其特征在于:还包括智能温控电路，用于对辅助电场的通断按温度高低进行智能控制；所述的智能温控电路包括测温装置和开关；所述的测温装置实时测控微波能应用器中Al2O3的温度，反馈给智能温控电路，智能温控电路通过开关控制辅助电场的通断。8.根据权利要求6所述的快速加热Al203的装置，其特征在于:所述辅助电场产生电路所产生的辅助电场为稳恒电场；辅助电场的电场强度为所述磁控管产生的微波场的电场强度最大值的0.5倍至0.6倍之间。9.根据权利要求6所述的快速加热Al203的装置，其特征在于:所述辅助电场产生电路的正负金属电极板对称地放置微波能应用器的两对侧，靠近微波能应用器的内表面；金属电极板与微波能应用器内腔靠近但不接触，并在所述的金属电极板与所述微波能应用器内腔之间填充绝缘陶瓷，所述正负金属电极板与微波能应用器内表面之间用不超过2.5_厚度的绝缘陶瓷隔离。10.根据权利要求6所述的快速加热Al203的装置，其特征在于:所述辅助电场产生电路的正负金属电极板为不锈钢电极板，厚度在6_至12_之间，温度越高微波能应用器体积越大，所述正负金属电极板的厚度越厚。
【专利摘要】本发明涉及一种快速加热Al2O3的方法及装置。Al2O3是一种弱吸收微波的物质，温度低于800℃时使用微波直接加热的方法及装置升温速率很慢，但温度高于800℃变得易吸微波，微波可直接加热，根据Al2O3的这种特性，本发明所述方法及装置的特点是有辅助电场产生电路和智能温控电路，辅助电场产生电路由辅助电场控制电路和正负金属电极板构成，智能温控电路由测温装置和智能开关组成。辅助电场产生电路通过正负金属电极板在微波能应用器中产生一辅助电场，起极化Al2O3分子的作用，被极化后的Al2O3分子电偶极矩增大，可迅速被微波发生器所产生的微波加热，测温装置实时监控微波能应用器中Al2O3的温度，当温度高于800℃时，智能开关自动关闭辅助电场。本发明既可直接而快速地加热Al2O3，又节能环保。
【IPC分类】H05B6/68, H05B6/64, H05B6/80
【公开号】CN104902603
【申请号】CN201510222848
【发明人】彭金辉, 刘秉国, 何广军, 张利波, 梁贵安, 李世伟, 刘明
【申请人】昆明理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月5日
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