无定型碳的微波损耗特征及其耦合热转换影响因素分析

鲁艳飞，宋勃震，张 锐,，蔡林杰，张瑜萍，董陈江

1 郑州航空工业管理学院，郑州450046

2 郑州大学 材料科学与工程学院，郑州450001

SiC晶体是一种最重要的半导体材料，具有较高的电阻率、较好的热稳定性、良好的机械强度和硬度、可调电导率和低密度等优点[1-5]。工业 SiC一般是通过 Acheson法合成[6]，合成温度高达2200°C ～ 2400°C，既浪费能量，又污染环境[7]。因此急需寻求一种简易、经济、环保的方法合成SiC。

作为一种新型的加热方式，微波加热在高温材料制造领域得到了广泛的关注[8-10]。微波加热过程中的体能量吸收方式使得材料整体均匀升温，克服了传统加热方式产生的温度梯度。微波在材料内部的损耗是微波加热的基础，微波损耗特征决定了材料的热生成过程，进而影响化学反应进程。因此，通过此控制实验条件降低SiC合成温度[11]，即可采用微波加热方法合成出SiC粉体[12]、SiC晶须[13]和SiC纳米棒[14]等。由于微波加热的复杂性[15-17]，微波损耗的理论计算和微波加热过程中的温度测量通常不易进行。因此，本文将运用多物理场仿真软件COMSOL对微波加热无定形碳的动态过程进行模拟分析，通过分析微波损耗特征及其所导致的温度变化规律对SiC合成过程中的热效应问题做出解释，以期完善微波加热理论、优化生产工艺。

1 微波-热耦合控制方程

微波在真空中的传播基于Maxwell方程组：

对于存在极化损耗和磁化损耗的介质，电容率和磁导率为复数，即

根据时谐场中存在线性介质的Poynting定理可得各种损耗功率密度和电磁能量密度的瞬时值[18]：