高碳鉻鐵粉微波介電性能理論計(jì)算及其微波加熱機(jī)理研究.pdf

1、在微波冶金從試驗(yàn)到工業(yè)的轉(zhuǎn)化過程中，微波與物質(zhì)的相互作用機(jī)理研究不夠深入，其中主要包括對(duì)物質(zhì)介電特性的研究，致使目前不能很好地利用和控制微波能源，使其在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)。本課題以金屬性高碳鉻鐵粉為研究對(duì)象，通過對(duì)其微波介電性能的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)物料微波介電性能研究進(jìn)行基礎(chǔ)理論探索，提出了一系列物料對(duì)微波介電響應(yīng)的理論，較為深入地探討微波與物質(zhì)的相互作用特性和機(jī)理。
　　本研究首先采用基于密度泛函理論的第一性原理平面波

2、超軟贗勢(shì)方法，計(jì)算了本征o-Cr7C3和鐵摻雜o-Cr7C3的電子結(jié)構(gòu)和微波介電性能。結(jié)果表明:o-Cr7C3中鉻原子3d、4s和4p軌道發(fā)生雜化，形成的雜化軌道上的電子與碳的不等性sp3雜化軌道電子配對(duì)成離域性缺電子共價(jià)鍵，從而形成Cr-C-Cr化學(xué)鍵鏈組成的共價(jià)鍵網(wǎng);鐵摻雜o-Cr7C3的微波介電性能與鐵摻雜的位置有關(guān)，當(dāng)摻雜一個(gè)鐵原子時(shí)，材料微波介電常數(shù)隨晶體共價(jià)鍵的鍵強(qiáng)變化而變化，這說明o-Cr7C3微波介電性能與C-M（M代表

3、金屬鉻和鐵）共價(jià)鍵的強(qiáng)弱有著直接聯(lián)系;當(dāng)兩個(gè)鐵原子摻入Cr3位置時(shí)，金屬反鍵數(shù)目增多且鍵長大幅度減短，使Cr26Fe(3)Fe(3)C12相對(duì)介電常數(shù)和介電損耗因子劇增，o-Cr7C3微波介電性能與金屬反鍵有直接關(guān)系。在離域性的缺電子共價(jià)鍵C-M和反金屬鍵中，正離子實(shí)對(duì)局域化電子的作用都是相對(duì)較弱的，從而使得這種電子能在微波中易發(fā)生極化，使得微波介電常數(shù)和損耗因子增加。本計(jì)算為材料微波介電性能研究進(jìn)行基礎(chǔ)理論探索。
　　另一方面，

4、實(shí)驗(yàn)研究了金屬性高碳鉻鐵粉末在2.45GHz微波頻率下的加熱狀態(tài)，并研究其在2-18GHz微波頻段范圍內(nèi)的介電常數(shù)變化規(guī)律，同時(shí)通過密度泛函理論計(jì)算得到高碳鉻鐵中主要成分Cr7C3及其Fe摻雜形式下的振動(dòng)頻率，從晶格動(dòng)力學(xué)方面解釋了粉末狀態(tài)對(duì)高碳鉻鐵微波介電性能的影響，得到金屬性高碳鉻鐵粉末的微波介電機(jī)制。對(duì)微波相對(duì)介電常數(shù)隨頻率變化的曲線分析得到，高碳鉻鐵粉的微波相對(duì)介電常數(shù)的形成機(jī)制包含共振型色散機(jī)制和空間電荷極化機(jī)制，由缺電子的共

5、價(jià)鍵C-M或金屬反鍵模型形成共振型色散，粉末態(tài)顆粒表面電荷形成空間電荷極化。形成共振型色散的缺電子共價(jià)鍵C-M和金屬反鍵對(duì)電子具有弱束縛性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微波的有效吸收，同樣對(duì)電子有弱束縛作用的粉末態(tài)顆粒表面張力使得物料電子吸收微波能量，這應(yīng)是由于表面張力使得金屬性顆粒電子的能級(jí)發(fā)生變化，能夠穩(wěn)定吸收微波能量。而由理論計(jì)算得到塊體Cr7C3介電常數(shù)實(shí)部和虛部都非常高，但由于自由電子吸收了微波能量子之后，由于其沒有穩(wěn)定的能級(jí)存在，使其立即又釋

6、放微波能量子，從而對(duì)微波形成屏蔽效應(yīng)。同時(shí)，物料的粉末態(tài)使得共振色散頻率從紅外光區(qū)移動(dòng)到相對(duì)低頻率的微波頻段，并通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到驗(yàn)證。由微波加熱粉末態(tài)金屬性高碳鉻鐵實(shí)現(xiàn)微波加熱的體加熱效應(yīng)，使得物料的溫度梯度小，粒子的能量相對(duì)均勻，由麥克斯韋-玻爾茲曼分布規(guī)律可知，這樣會(huì)使得等于或大于激活能的粒子數(shù)目相對(duì)傳統(tǒng)加熱要多，也就是說達(dá)到一定的反應(yīng)粒子數(shù)目，微波加熱所需的活化能能要比傳統(tǒng)加熱的低，活化能的降低最終使得微波加熱化學(xué)反應(yīng)溫度降低。