1.4　微波加热原理及特点

微波本质上是电磁波的一种，微波频率范围在300MHz～300GHz之间，波长在1m～1mm之间。微波波长处于无线电波波长与红外线波长之间，往往被称作“超高频无线电波”。与其他波段的电磁波相比，微波具有频率高、波长短、穿透能力强等特性［116］。根据物质电导率和微波吸收率的不同，物质在与微波相互作用时，通常将物质分为三类［117］：微波吸收材料、微波透射材料及微波反射材料，如图1.8所示。微波吸收材料能够有效地吸收微波的能量使自身温度得到迅速提升。因此，可利用微波对这一类材料进行加热，达到合成目的。

图1.8　微波介质的分类［118］

（a）透波材料；（b）导体；（c）吸波体

微波加热原理不同于传统加热炉加热。微波加热是极性分子组成的物质在超高频电磁场中，极性分子分布状态随着电场的变化而发生改变，即从原来的随机分布状态转向沿电场的极性取向排列，在转向过程中，形成分子的运动和彼此摩擦，从而迅速产生高额热量。由于热量的产生来自材料自身与微波的耦合，而非来自外加热源，所以微波加热被看作“体加热”［119］。微波加热具有如下特点［120-122］：

①体加热特性。微波加热样品时，微波的超高频电磁波形成辐射场，直接分布于样品内部，与样品分子或原子直接发生作用，整个被加热样品产生热量，并向外界辐射热量。这一特性有利于降低物质整体的温度梯度，所以微波加热又称之为体加热方式。

②加热具有选择性，加热升温速率快、效率高。介电性不同的物质吸收微波的能力也不同，其物质的损耗角正切（tanδ）越大，被加热样品对微波的吸收性能越好，样品的温度升高就越快。因此，不同吸波性能的物质在微波场中，被加热的速率不同，这便是微波加热的选择性。

③升温易控特性。微波加热时，物质受热随微波的辐射而开始，加热过程无滞后性；而且，微波消失，加热立即终止；再者，材料吸收微波能量的大小与电磁场强度的大小有关。因此在实验操作过程中可通过控制微波开启和输出功率来实现材料的可控加热。

④节能高效。由于微波能不经过中间媒介，因而可直接被材料吸收而转化为热能，能量转化率高、热效率高。

⑤非热效应。微波加热材料时存在增强物质扩散、促使反应在较低温度下发生、缩短反应所需时间、影响结晶相变等特点，这与传统加热反应不同，被定义为微波非热效应。非热效应最突出的贡献是能够在一定程度上降低化学反应温度。已有文献证实，微波场存在时，高温化学反应可以在相对低的温度下发生。