微波与颗粒物质相互作用的机理及应用研究

论文摘要

本文综述了微波应用的现状，尤其是微波与物质相互作用的机理。根据Maxwell方程组和非Debye弛豫理论，首次导出了微波辐照下材料的吸波公式，并利用该理论公式成功解释了镍铁矿、氧化铝和橡胶的吸波特性；研发了测量工业物料水分的微波设备，并用该设备系统地研究了有色金属和黑色金属精矿水分的微波测量方法；提出了微波检测物质显微结构的方法，并申请了十项专利。本文导出的方程、研发的设备以及提出的方法对促进微波技术在材料和冶金领域的推广应用具有重要意义。本文研究的主要内容和结论归结如下：Ⅰ、对颗粒材料而言，其吸波机理是非Debye的，与材料的显微结构有关。吸波公式为：利用该公式可以从理论上解释了镍铁矿、氧化铝和橡胶的吸波特性，结果表明镍铁矿和氧化铝的弛豫时间与温度成反比，温度越高弛豫时间越小，镍铁矿和氧化铝的吸波性能越好；而橡胶的弛豫时间与温度的关系为τT=τ0exp（-B/（T0-T）），温度升高时其弛豫时间变化逐步减慢，硫化后的橡胶吸波性能差。Ⅱ、研究微波与物质相互作用机理时，微波场强大小是关键。在微波通信与传统微波检测领域中，微波照射下物质特性不变，微波与物质相互作用是线性时不变的；在微波加热与微波化学领域中，微波照射下物质特性发生了变化，微波与物质相互作用是非线性的和时变的。本文综述了该领域的研究及进展，并进行了初步的分析和计算。Ⅲ、成功研制了检测材料显微结构与吸波性能的微波设备，并用该设备测试了沥青石墨粉混合物及其它矿物的吸波特性，实验结果表明：虽然沥青不吸波，但加入导电的石墨粉后，其吸波性能良好；研究微波技术在材料与冶金领域中的应用时，测量材料吸波特性非常重要，与能耗有关，关系到微波技术在材料与冶金领域应用项目的成败。Ⅳ、在冶金工业中，为了控制颗粒物质的含水量、产品质量和减少能耗，必须测量颗粒物质的含水量。微波水分测量技术已应用于许多工业领域，然而在冶金工业中的应用几乎没有报道。已证明微波穿透深度比红外大，微波能测量体水分。同时，微波测量水分响应快，并且安全。因此本文研制了测量工业物料水分的微波设备，并用该设备系统地研究了有色金属和黑色金属精矿水分的微波测量方法，实验结果表明：微波可以快速测量精矿的水分；微波检测精度高，误差一般小于0.5％；微波快速测量水分时，被检测物粒度和比重等影响检测精度，一般而言，粒度大，精度低，比重小，精度高；微波检测水分受环境温度影响，必须进行温度补偿。Ⅴ、为了检验微波检测物质显微结构方法的普适性，本文系统研究了微波检测技术在其它领域的应用，实验结果表明：微波检测技术可用于精密诊断植物的水分、监测化学反应动态过程、检测烟箱缺条或烟条缺包、测量松散物料流量和检测物质结晶水。例如，微波传感器能用于热分析，与TG、DTG、DTA和DSC比较，微波传感器响应快、测量方便；与IR、Raman和NMR等方法比较，微波传感器价格低。总之，本文导出了微波辐照下材料的吸波公式，并从理论上成功解释了在高温下镍铁矿、氧化铝和橡胶的吸波特性，表明了微波高温技术在材料与冶金领域应用的优势。此外，还提出了微波检测物质显微结构的方法，并用微波方法测量了有色金属和黑色金属精矿水分。以上成果是微波与颗粒物质相互作用机理研究的突破，对促进微波技术在材料和冶金领域的推广应用具有重要的意义。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章文献综述

1.1 微波与物质相互作用研究简史

1.1.1 微波通信

1.1.2 微波检测

1.1.3 微波加热与微波化学

1.2 微波通信的研究现状

1.2.1 无线电波的基本概念

1.2.2 无线电波的基本规律

1.2.3 移动无线信道的基本特点

1.2.4 复用技术

1.2.5 现代无线通信信号处理技术

1.3 微波加热与微波化学

1.4 微波检测的研究现状

1.5 本章小结

第二章课题研究的背景、科学意义、应用前景及研究内容

2.1 课题研究的背景

2.1.1 电介质物理

2.1.2 化学

2.1.3 信息科学

2.2 科学意义和应用前景

2.3 课题研究内容

2.4 本章小结

第三章微波与颗粒物质相互作用的机理

3.1 电磁场基本方程

3.1.1 Maxwell方程组

3.1.2 物质特性方程

3.1.3 电磁场的边界条件

3.1.4 物质特性耦合方程

3.2 物质的电磁特性

3.2.1 Maxwell—Wagner损耗机理

3.2.2 非Debye损耗机理

3.2.2.1 频域响应

3.2.2.2 时域响应

3.3 微波场强的作用

3.3.1 微波与物质相互作用的非线性效应

3.3.1.1 偶极子转向极化

3.3.1.2 颗粒物质形状和位置对场强的影响

3.3.1.3 PMF（Ponderomotive Force）

3.3.2 热点的形成对固相反应速率的影响

3.3.2.1 动力学基础

3.3.2.2 热点的形成对固相反应速率的影响

3.4 非Debye弛豫理论

3.4.1 线性电介质与电磁场的相互作用

3.4.2 Debye型弛豫

3.4.3 非Debye型弛豫

3.4.3.1 非Debye型弛豫

3.4.3.2 非Debye型弛豫介质的吸波特性的计算

3.4.4 颗粒物质吸波特性的仿真

3.4.4.1 镍铁矿吸波特性的仿真

3.4.4.2 氧化铝吸波特性的仿真

3.4.4.3 橡胶吸波特性的仿真

3.5 本章小结

第四章微波检测的原理与技术

4.1 非均匀材料的电磁特性

4.1.1 前言

4.1.2 显微结构—性能关联

4.1.3 格林函数理论

4.1.3.1 混合法则

4.1.3.2 格林函数法

4.2 材料特性仿真

4.2.1 基于商品软件的方法

4.2.2 基于编成的方法

4.3 微波检测原理

4.3.1 微波传输法

4.3.2 微波反射法

4.3.3 微波谐振法

4.3.4 微波辐射下材料特性的检测方法

4.4 谐振型微波检测技术

4.4.1 谐振腔中的场关系

4.4.2 有耗条件下谐振腔的微扰理论

4.4.3 谐振型微波检测技术

4.5 沥青石墨混合物的吸波特性及应用

4.5.1 试验部分

4.5.1.1 试验原料

4.5.1.2 测试原理

4.5.2 检测结果与讨论

4.5.2.1 检测结果

4.5.2.2 混合物的体积比与其吸波特性的关系

4.5.3 实验装置特性介绍及使用方法

4.5.3.1 实验装置特性介绍

4.5.3.2 实验装置使用方法

4.6 本章小结

第五章微波检测颗粒物质水分方法的研究

5.1 微波测量铜精矿水分的研究

5.1.1 意义

5.1.2 试验原料

5.1.3 实验检测结果

5.1.4 结论

5.2 微波测量高镍锍水分的研究

5.2.1 前言

5.2.2 试验原料

5.2.3 实验检测结果

5.2.4 结论

5.3 微波测量制团铁精矿混合原料水分的研究

5.3.1 意义

5.3.2 试验原料

5.3.3 实验检测结果

5.3.4 结论

5.4 微波测量高炉喷吹煤粉水分方法的研究

5.4.1 前言

5.4.2 实验原料

5.4.3 实验检测结果

5.4.4 结论

5.5 微波测量硫化镍精矿水分的研究

5.5.1 意义

5.5.2 试验原料

5.5.3 实验检测结果

5.5.4 结论

5.6 微波测量氢氧化铝水分方法的研究

5.6.1 意义

5.6.2 试验原料

5.6.3 实验检测结果

5.6.4 结论

5.7 微波测量硫化锌精矿水分方法的研究

5.7.1 意义

5.7.2 试验原料

5.7.3 实验检测结果

5.7.4 结论

5.8 微波测量氧化铝水分方法的研究

5.8.1 意义

5.8.2 试验原料

5.8.3 实验检测结果

5.8.4 结论

5.9 微波测量制团预配矿水分新方法

5.9.1 前言

5.9.2 实验原料

5.9.3 实验结果

5.9.4 结论

5.10 本章小结

第六章微波检测物质显微结构方法的研究

6.1 精密诊断植物水分的微波共振腔法

6.1.1 意义

6.1.2 检测原理

6.1.3 实验结果

6.1.4 结论

6.2 监测化学反应动态过程的微波波谱法

6.2.1 意义

6.2.2 检测原理

6.2.3 实验结果

6.2.4 结论

6.3 烟箱缺条、烟条缺包微波检测方法

6.3.1 意义

6.3.2 检测原理

6.3.3 实验结果

6.3.3.1 静态实验

6.3.3.2 动态实验

6.3.4 结论

6.4 超高频谐振腔连续测量松散物料流量方法

6.4.1 意义

6.4.2 检测原理

6.4.3 实验结果

6.4.3.1 静态实验

6.4.3.2 动态实验

6.4.4 结论

6.5 一种检测物质结晶水的方法

6.5.1 意义

6.5.1.1 热分析的定义和分类

6.5.1.2 热分析的起源发展及展望

6.5.2 检测原理

6.5.3 实验结果（乙酸镍乙酸锌）

6.5.4 结论

6.6 本章小结

第七章结论

一、通过研究微波与颗粒物质相互作用机理，得出的主要结论为

二、通过研究微波检测原理与技术，得出的主要结论为

三、通过研究微波测量颗粒物质水分的方法，得出的主要结论有

四、通过研究微波检测物质显微结构的方法，得出的主要结论有

五、本论文的创新之处

参考文献

致谢

附录博士期间发表的部分论文

微波与颗粒物质相互作用的机理及应用研究

论文摘要

论文目录

相关论文文献

猜你喜欢