高碳鉻鐵粉微波介電性能理論計算及其微波加熱機理研究.pdf

1、在微波冶金從試驗到工業(yè)的轉(zhuǎn)化過程中，微波與物質(zhì)的相互作用機理研究不夠深入，其中主要包括對物質(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)上的廣泛應用難以實現(xiàn)。本課題以金屬性高碳鉻鐵粉為研究對象，通過對其微波介電性能的理論計算與實驗研究，對物料微波介電性能研究進行基礎理論探索，提出了一系列物料對微波介電響應的理論，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、超軟贗勢方法，計算了本征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雜化軌道電子配對成離域性缺電子共價鍵，從而形成Cr-C-Cr化學鍵鏈組成的共價鍵網(wǎng);鐵摻雜o-Cr7C3的微波介電性能與鐵摻雜的位置有關(guān)，當摻雜一個鐵原子時，材料微波介電常數(shù)隨晶體共價鍵的鍵強變化而變化，這說明o-Cr7C3微波介電性能與C-M（M代表

3、金屬鉻和鐵）共價鍵的強弱有著直接聯(lián)系;當兩個鐵原子摻入Cr3位置時，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鍵C-M和反金屬鍵中，正離子實對局域化電子的作用都是相對較弱的，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。本計算為材料微波介電性能研究進行基礎理論探索。
　　另一方面，

4、實驗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，同時通過密度泛函理論計算得到高碳鉻鐵中主要成分Cr7C3及其Fe摻雜形式下的振動頻率，從晶格動力學方面解釋了粉末狀態(tài)對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制。對微波相對介電常數(shù)隨頻率變化的曲線分析得到，高碳鉻鐵粉的微波相對介電常數(shù)的形成機制包含共振型色散機制和空間電荷極化機制，由缺電子的共

5、價鍵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鍵C-M和金屬反鍵對電子具有弱束縛性，可以實現(xiàn)對微波的有效吸收，同樣對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，這應是由于表面張力使得金屬性顆粒電子的能級發(fā)生變化，能夠穩(wěn)定吸收微波能量。而由理論計算得到塊體Cr7C3介電常數(shù)實部和虛部都非常高，但由于自由電子吸收了微波能量子之后，由于其沒有穩(wěn)定的能級存在，使其立即又釋

6、放微波能量子，從而對微波形成屏蔽效應。同時，物料的粉末態(tài)使得共振色散頻率從紅外光區(qū)移動到相對低頻率的微波頻段，并通過動力學計算得到驗證。由微波加熱粉末態(tài)金屬性高碳鉻鐵實現(xiàn)微波加熱的體加熱效應，使得物料的溫度梯度小，粒子的能量相對均勻，由麥克斯韋-玻爾茲曼分布規(guī)律可知，這樣會使得等于或大于激活能的粒子數(shù)目相對傳統(tǒng)加熱要多，也就是說達到一定的反應粒子數(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反應溫度降低。