微波技术的广阔应用领域和发展.docx

1、微波技术的广阔应用领域和发展一、微波技术的广阔应用领域和发展微波是一种频率在300MHz300GMz的电磁波。从二十世纪三十年代,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，电子对抗，电子干扰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，残酷的战争现实和强烈的竞争意识是促进微波军事应用发展的巨大动力. 战后五十多年来，由于冷战和各国摆在首位的国防安全意识促使微波在军事领域仍保持强劲的发展。同时，如（图 1 ）所示，微波作为信息或信息的载体在电视，广播，通讯，宇宙航天等民用领域中也获得了迅猛发展，形成了一个巨大的产业。同样，微波作为一种非通信的能源，从二战中美国雷声公司研

2、究人员发现微波热效应,研制成功世界第一台微波加热食品的 “雷达炉”算起. 近六十年来,由于微波作为能源特有的优越性,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, 也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.近二十多年来，微波能在更广泛的工业、化学，医疗，新材料, 高新技术等许多领域中崭露出巨大的应用潜力，在和平发展年代展现了广阔的应用前景。二、国内外微波能技术的历史回顾和产业化发展动态1家用微波炉产业化的艰辛历程 应该说家用微波炉是微波能涉及千家万户的第一个应用产品。国外从研制成功微波加热食品的 “雷达炉”算起到1965年美国

3、人发明了廉价的漏感变压器，使微波炉的价格降到当时富裕家庭能够接受的水平整整经过了近二十年. 又过了近二十年，到了上世纪八十年代中期，美国家用微波炉年销售量达1200万台，销售值逾30亿美元，家庭普及率超过85%。其它发达国家欧洲，日本等也在那时达到顶峰。家用微波炉形成了一个大的产业。而那时，我国微波炉的年销量只有约20万台，销售值约2亿人民币，家庭普及率不足1%。年生产上百万台微波炉的厂家只有广东顺德寥寥几家合资企业，而且80% 供出口。可是，到了九十年中后期，随着微波炉的更广泛普及和价格降低，欧美日将生产基地向我国和东南亚转移，特别是我国“美的”，“格兰氏”等大型民营企业的迅猛崛起，将家用微

4、波炉的自主年产量超过1000万台，年销售值逾50亿人民币，城市家庭普及率达20%。不仅生产微波炉而且生产磁控管和所有配套件。虽然利润已经很微，但是已经形成了一个独立的大产业，更重要的是，微波能的优越性越来越得到大家的广泛认同。2微波能工业应用产业化发展动态近四十年来，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，推进在家庭、工农业、食品、橡胶、木材，医疗、以至当今的高新科技领域的广泛应用方面起了巨大的促进作用。在二十世纪70到80年代曾经有过很快的发展使微波能在北美地区获得了相当广泛的应用.最突出的例子是经过一段曲折探索，解决了微波橡胶硫化过程中关键的温度

5、转变点控制问题, 使微波高质量橡胶硫化的连续生产在世界形成了产业. 后来虽然由于传统习惯、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, 美国这类微波工业加热设备年销售值只有近五亿美元。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。特别是在微波能高新科技领域的广泛应用方面他们又走在了领先。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、西班亚等国的家用微波炉、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，其中不少已输入我国。近十年来，西欧

6、在微波能应用领域有后来居上之势. 德国Linn.Co公司九十年代末介入微波工业应用设备的开发, 正当世界微波食品应用低潮的时候，他们很快推出了20KW/915MHZ 每小时处理300公斤的微波米饭加工设备; 并在微波高温烧结领域推出了30 60KW / 2450MHZ 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. 西徳另外一家FM-MicroTech. GmbH Ltd. 公司近年来也推出了400KW/915MHZ 微波木材连续粘压成型设备, 64KW/915MHZ 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 1KW 系列微波传送炉等等.这

7、次专程前来参会的IBF公司只有12个员工，只生产系列微波源和波导元件，年销售额可达400多万欧元。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。九十年代初，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

8、一百多名代表参加的“ 第三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，100KW/915MHZ 大捆羊毛微波加热处理系统，每小时处理180KG。6KW/2450MHZ 微波陶瓷高温烧结炉，最高温度可达1800C。5 15KW / 2450MHZ 微波橡胶硫化系统，1KW/2450MHZ微波等离子体火炬焊接系统等等我国微波能应用技术虽然起步于上世纪七十年代初，但发展很快。我国家用微波炉在八十年代还只有以“顺德蚬华”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

9、今仅十多年的时间已发展成为一支庞大的家电产业, 由格兰氏, 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，主要集中在广州，上海，南京，长沙，成都，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，从九十年

10、代开始已取代了八十年代必须从西德，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入稳定运行，其性能已达到国外同期水平。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.微波橡胶硫化设备。随着我国汽车等相关工业的迅猛发展，对高质量橡胶制品的需求日益增加，微波更显示其独特的优越性。许多企业已开始对现有设备进行改造和更新, 目前市场需求迅速增长。这两年来，微波能技术及其产品在工业上的应用均以每年30%的速度大幅度增长。很多中小型民营企业均在探索微波能应用的产业化发展路子。近年“成都和瑞微波技术有限公司”与“四川茗山茶业有限公司”紧

11、密结合，针对名优茶叶的特殊制作工艺开发成功了6CZ-120微波名优茶叶全自动生产线，申报了多项国家专利，并于今年七月通过了四川省级鉴定，获得了很高评价。还需特别提出的是广东“美的”这样的家电大企业，以雄厚的资本实力介入微波能领域后，不仅很快使家用微波炉形成大产业，近年又投巨资于大型微波沥青路面的快速铺设和修整项目取得良好的效果，很快又将形成一个大的应用产业。还有“天水华圆制药设备有限公司”以雄厚实力介入微波中药干燥灭菌等领域后，短短的几年就创造了年收入数千万元的规模经营效益。三 微波能在高新技术领域的发展趋势和产业化发展前景 进入二十世纪九十年代，微波能技术又开始高速步入化工、新材料、微电子等

12、高新科技领域，并日益显示出其应用潜力和独特的优越性。发展特别迅速的有以下几方面：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十年的事。近十年来，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萃取方法可大大缩短时间并获得更多有用成分等等。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。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

13、公司等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，今后如能进入传统庞大的化学工程系统，发展前景不可限量。 我国也紧跟国外飞速发展的形势，于1996年率先成立了微波化学分会并召开了首届全国微波化学学术讨论会，到2004年已开过五届微波化学学术讨论会。全国数十家院所通过各种渠道取得资金资助，结合我国实情开展了大量研究和试验工作，从已经发表的论文和大量研究成果来看，在这一

14、领域与国外的差距不算很大。特别突出的是“张家界清华科技园区绿色药业有限公司”将 微 波 能用于一种极具开发前景的葛根素药物的萃取，从实验室研究到小试，中试五年坚持不懈，取得了丰硕成果，通过了湖南省级鉴定，获得了两项国家专利。现已经进入到筹备每小时产量达3000立升萃取处理量的产业化生产水平。如果近年能实现这个目标，将率先在微波化学领域实现产业化发展，不仅给相关企业带来极大的经济效益，而且在国内外也是个先例。2. 微波高温烧结技术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，容易控制等许多独特的优点使该技术近十多年来在国内外获得了十分迅速的

15、发展。率先实现微波能高温技术产业化应用的是美国、加拿大、德国、日本、澳大利亚等几个工业发达国家，产业化领域覆盖了高技术陶瓷、粉末冶金、矿物冶金和耐火材料等领域。加拿大的MicroWear公司，他们在1995年建成了一个全部采用微波烧结制造氮化硅陶瓷刀具的生产中心，使用5台间歇式常压微波烧结炉，每天生产超过两万片半英寸的氮化硅陶瓷刀片只需要两个生产工人。美国Dennis Tool 工具公司1995年购买了美国宾州州立大学材料研究实验室的微波高温烧结硬质合金技术专利并开始生产微波高温连续式烧结设备。这种设备在2002年以前已经售出了十几套。采用这种连续式微波烧结设备，可以在四个小时之内完成对硬质合

16、金材料的烧结。目前最大的一套连续式微波烧结设备每天的产量是650公斤，远高于普通气氛烧结炉的产量。设备的电耗只有20千瓦。日本在2000年左右推出了可以实际应用到陶瓷工业的大型微波高温烧结设备，设备装机容量均大于20千瓦，最大的一台连续式微波高温烧结隧道窑的微波输出功率为80千瓦，长14米，烧成温度1400；装备多管系统的微波钟罩窑的烧成温度可以达到1650度。英国EA技术公司开发的微波辅助燃气隧道窑，总长15米，内部放置23个可装料200kg的窑车，共有功率50kW的燃气喷嘴18个，896MHz微波源的最大总功率为120kW，烧结温度达1600。俄罗斯、澳大利亚和北美国家率先将微波高温加热技

17、术应用到矿物处理和某些稀有难熔金属的冶炼方面。例如钨精矿的苏打烧结，采用200千瓦的大型微波高温连续式烧结炉，产量高达1吨/小时，大幅度降低了这种烧结过程的能耗，提高了生产效率。我国在九十年代初, 也开始了微波陶瓷高温烧结技术的研究. 我们先后曾为清华大学冶金系, 北京化冶所, 武汉工业大学等研制的5kW/2450MHz高稳定程控微波源配单模腔烧结系统为他们的研究提供了良好手段. 后来, 我们研制成功国内首台MMFS-2050C，5kW微波高温烧结系统, 这台5千瓦量级，80升容积的微波陶瓷烧结系统，也取名为“微波马弗炉”，于1999年通过省级鉴定，获得一致好评. 其中, 广州中山大学化学系用

18、该设备作各种荧光粉材料的中试级高温快速烧结已取得了良好的效果. 特别是长沙隆泰科技有限公司与美国宾州州立大学、清华大学、中南大学和钢铁研究总院、等密切合作，以具有完全自主知识产权的微波能高温应用技术和装备为依托，短短四年坚持不懈的努力，开发成功了主要包括氮化钒和各种氮化铁合金（如氮化锰、氮化锰铁、氮化硅铁、氮化铬铁等）的微波高温合成、氮化硅结合碳化硅高档耐火材料的微波高温反应烧结、氮化硅陶瓷刀具的微波烧结、软磁铁氧体磁性材料的微波烧结、泡沫陶瓷及蜂窝陶瓷的微波烧结、高档艺术瓷和日用瓷的微波烧结、电子陶瓷粉体的微波合成等，其中微波高温合成氮化钒和微波高温烧结氮化硅陶瓷刀具的设备及工艺已成功应用于

19、生产。他们的快速发展标志着微波材料的高温烧结技术在我国也已开始走向了产业化发展阶段。3微波能和等离子体相结合在新材料、微电子等高新科技领域的广阔发展前景二十世纪八十年代以来, 微波能激发产生的低温等离子体较之传统的直流和高频等离子体更显示出许多优良的特性和神奇的作用, 特别是用微波等离子体化学汽相沉积（MPCVD）制备新材料,半导体芯片的等离子注入和亚微米刻蚀,以至未来的金刚石多层芯片模块( 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；微波等离子体火炬（MPT）及材料处理技术；微波高效，长寿命等离子体硫灯和微波紫外线光源等等将是今

20、后最具潜力的高新科技发展领域。仅以MPCVD金刚石薄膜为例：到九十年代末期，在美、日、西欧MPCVD金刚石薄膜面积已超过4吋，厚度超过1mm，每小时沉积速度已达1018，沉积设备的微波功率已达75kW，每克拉金刚石膜的制备成本已降至10美元，MPCVD金刚石薄膜的应用已从多种工具材料，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，还有近期发现的MCM多芯片三维组装技术，优良的场发射平面显示器件，以及金刚石半导体等等。预计到二十一世纪，CVD金刚石膜的制备成本可降到23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

21、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。其它还有很多这里不再赘述。 四微波能应用技术的产业化发展前景和存在的问题大量事实表明: 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二十一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，由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

22、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的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。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.但是从微波能技术应用的多样性以及与多种学科和产业相交叉的复杂性来看其产业化发展要更困难，需要时间更长。还有我们目前尚存在着技

23、术力量十分短缺，基础技术不深，检测手段不全以及传统习惯势力很难短期克服，国家投资力度不够等等更阻碍了产业化的更快发展。但是，相信随着上述问题的不断解决以及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。五结语 微波作为非通信能源，其应用领域是十分广泛的，应该说每一个应用领域都有可能形成一项产业，而且是更新传统技术的新产业。但是，几十年来除了家用微波炉，橡胶微波硫化，微波等离子体快速制备光纤等为数很少的领域外，很少有像微波通信产品那样的巨大的产业。这的确值得我们深思，也是摆在我们面前的艰巨任务。我们应该面对和解决本文上面已述的一些问题，坚持不懈开拓这个极具前途和发展前景的新技术，不断扩大应用领域，向产业化方向发展才是最好的出路。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的发展前景的产业。我们对我国微波能应用技术的发展前景充满信心.