微波加热用透波材料的研究进展

白永珍，尚小标，2，3，刘美红，魏聪，张富程，肖利平，李广超，陈君若

（1 昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500；2 非常规冶金教育部重点实验室，云南 昆明 650093；3 微波能工程应用及装备技术国家地方联合工程实验室，云南 昆明 650093；4 昆明理工大学城市学院，云南 昆明 650051）

微波加热是一种通过介质与微波间的相互作用使微波能转化成热能的加热方法，具有体积加热、选择性加热以及非接触性加热等优点，已被广泛应用于冶金工程、陶瓷烧结、化学工程和食品加工等众多领域。透波材料是微波加热设备的重要组成部分，随着微波加热技术的不断发展，微波加热设备中透波材料的选择也越来越引起人们的广泛关注。

微波加热装置通常由磁控管、波导、谐振腔、炉衬（保温层、耐火层）、容器（如坩埚）等部件构成，如图1所示。由图1可以看出，磁控管产生的微波沿波导传递至谐振腔，然后依次穿过保温层、耐火层，最后作用于容器内的物料，使得物料被加热。由微波传输的路径可知，微波首先需穿透炉衬和容器透波材料才能与物料作用，因此炉衬和容器用透波材料的透波性能对微波加热模式和效率均具有重要影响。这些材料不仅要具有传统耐火保温材料的基本理化性质，还应具备优异的微波传输性能，从而使微波能够尽可能多地传输至加热设备内部，进而保证微波加热安全高效地进行。

图1 微波加热装置示意图

微波加热用透波材料主要可分为两类：一类为有机材料，如聚四氟乙烯、酚醛树脂、环氧树脂等，此类材料在高温下易分解，耐热性差；另一类为无机材料，主要包括氮化物、氧化物、硅酸盐和磷酸盐等，此类材料一般具备优良的力学和介电性能，通常作为微波中、高温加热用透波材料的首选。目前透波材料的应用主要集中于国防军事以及航空航天领域，而有关微波加热用透波材料的应用研究相对较少。因此，本文在介绍微波加热用透波材料的性能要求和透波机理的基础上，按有机材料和无机材料分类，重点综述了近期关于高温和中低温微波加热用容器和保温材料的最新研究现状，并对其未来发展趋势进行分析了和展望。

1 透波性能要求

为保证微波加热设备的高效性，透波材料不仅要具有耐火度高、高抗热震性和稳定性好等性能，还需具备较低的反射系数和能量损耗。因此，在微波加热过程中，容器和保温用透波材料常选用低介电、低损耗材料，以此来达到高效传输微波能的目的。

材料的相对介电常数是描述材料电磁特性和决定材料透波效果以及能否透波的重要物理量，且一般具有一定的温度和频率依赖性，表1列出了几种常见透波材料的介电参数。相对介电常数通常可写为式(1)的形式。

表1 几种常见材料的介电特性

微波的穿透深度是用来表征电磁波穿透介质能力的参数，能量在介质中的损耗越小，其透波效果越好，穿透深度越大。微波加热用透波材料通常为非磁性或弱磁性材料，通常用式(2)进行计算。

式中，表示电磁功率衰减到1/e 的距离（e为自然常数），即能量衰减到原入射波的36.8%时所对应的厚度；表示真空中的电磁波波长。

2 透波机理

根据微波在材料中的传播特性，材料可分为三种类型：透明体、反射体、吸收体。如图2所示。

图2 微波在材料中的传播类型

透明体一般是指微波在其中可完全被透射，损耗衰减非常小，几乎不会产生热效应的一类材料。反射体一般是指微波在材料中既不能被穿透也不能被吸收，微波在该材料表面完全被反射的一类材料。吸收体一般是指微波能进入材料后，可转化成热能或者其他形式能量的一种特殊材料。

微波传输特性与光波相似，当电磁波作用于材料时，在界面处会出现反射、透射和吸收现象。一部分微波能被反射（该部分可用功率反射系数表征），一部分微波能透过材料的表面进入内部（该部分可用能量损耗表征），未被吸收的微波则透射出去（该部分可用功率透过系数表征），如图3所示。

图3 微波在介质中的传输路径

根据能量守恒原理，功率透过系数（或透波率）、功率反射系数和能量损耗三者之间的关系可由式(3)来表示。

其中，影响功率透过系数、功率反射系数和能量损耗的主要因素有材料的电磁特性参数、电磁波的频率、极化方式、入射角度和介质的厚度等。

3 透波性能的研究方法

材料透波性能的研究方法主要有两种：实验测量法和理论计算法。实验测量法可直接获得材料的透波性能或相对介电常数（根据材料的相对介电常数可进一步判断其透波性能），但是每种材料在任一状态下的透波性能都必须通过测量才可以得到，工作量大，而且成本高。理论计算可以根据电磁波传输理论计算已知介电特性材料（或测量一次相对介电常数）在不同情形下的透波性能，方便快捷，工作量小。

实验测量方法有波导法、同轴线法、谐振腔法及自由空间法等。波导法用于测量低耗材料和高耗材料；同轴线法用于开放式情况非损坏测试，包含液体测试，但是测试误差较大；谐振腔法适用于低耗材料的测试；自由空间法常被用于测量高温材料。

波导材料测试法如图4 所示。其测试原理为：首先将被测样品放入矩形波导中，然后通过矢量网络分析仪测量待测样品的反射参数和透射参数，最后通过参数计算得出其相对介电常数。该测量方法的优点是测量设备比较简单且测量值比较准确。然而，该方法存在厚度谐振、多值以及不易测量较薄材料等缺点。

图4 波导法材料测试系统示意图

同轴线材料测试法如图5 所示。其测试原理为：根据插入待测样品中开放式同轴探头末端反射回信号的相位和振幅来计算样品的介电特性。测量时同轴探头和样品间要紧密贴合，无空气间隙。该测量方法的优点是测量温度范围较广，但并不适合较薄样品介电常数的测量，测量误差较大。

图5 同轴线法材料测试系统示意图

谐振腔材料测试法如图6 所示。其测试原理为：将待测样品放在谐振腔中（谐振腔形状可为矩形、圆柱形等），腔体内样品的细微变化都会引起谐振腔内品质因数和谐振频率的改变，使用矢量网络分析仪来对上述参数进行测量，通过前后测量数据比对来计算待测样品的介电特性。由于微波在待测样品的表面会多次反射，因此该方法的测量结果更为精确，对低损耗材料的介电测量也常选用此方法。

图6 谐振腔法材料测试系统示意图

自由空间材料测试法如图7所示。其测试原理为：首先由矢量网络分析仪自带的微波扫频源产生一个电磁波信号，然后将信号传输到参数选择器端口1，最后经同轴传输线馈入加脊TEM喇叭天线并向空间辐射出去。其中发射天线、接收天线分别放置在待测样品的两侧，待测样品置于两天线的焦距处。反射信号被天线接收后进入矢量网络分析仪，利用耦合信号与参考信号的比值获得发射系数，同理，透射信号经接收天线接收后进入矢量网络分析仪的端口2，通过与参考信号的比值得到透射系数。

图7 自由空间法材料测试系统示意图

理论计算常用的方法有：法布里−珀罗腔法和微波网络级联矩阵法等。本文主要以微波网络级联矩阵理论计算模型的公式进行说明。根据传输线理论，计算平板介质的透波性能时，可将平板介质两边的空间看作空间传输线，将平板介质看作特性阻抗的空间传输线，由四端口网络理论可知，平板介质两边的场可通过一个传输矩阵[]连接，根据式(4)～式(11)，通过级联矩阵的方法可计算出平板介质的功率透过系数（PTC）和反射系数（PRC）。

式中，[]为传输矩阵；为虚部单元；为传输常数；为自由空间的波数（= 2π/）；为材料厚度；为自由空间波长（=/）；为光速；为频率；为自由空间的介电常数；θ为电磁波入射角度；为自由空间波阻抗；和分别为平板介质在TM极化、TE极化下的等效特性阻抗；Z为可分解为两种极化方式的中间变量。

Peng等通过腔体扰动技术测量了SiO的相对复介电常数，研究表明，在915MHz和2450MHz频率下，二氧化硅的相对介电常数和损耗因子在500℃以下几乎不变。从500℃到1000℃，相对介电常数随温度增幅仅为2%。相反，相对介电损耗因子表现出强烈的温度依赖性，并且分别在915MHz和2450MHz 处增加大约7倍和5倍。Behrend 等通过实验主要测量了刚玉和氮化硼的介电性能，指出了微波加热用耐火材料最重要的特性是透波性能、高抗热震性以及化学和机械稳定性，并比较了刚玉、氮化硼等广泛使用的透波耐火材料在微波熔炼应用中的适用性。结果显示，在超过800℃时，刚玉的损耗因子和能量吸收急剧增加，而热压氮化硼在高于1000℃的温度下开始降解，在大约1600℃的温度下透波性能明显减弱。尚小标等根据电磁波传输理论，分别计算了莫来石陶瓷、氧化铝陶瓷、熔融石英陶瓷等耐火材料的透波性能。研究表明：微波加热用耐火材料的透波性能跟厚度有关，当材料介质厚度取半波长的整数倍时，可取得较好的透波效果。另外，还分析计算了氧化锆纤维板、硅酸铝纤维板和多晶莫来石纤维板在均匀温度下的透波性能，并分别给出了这三种材料对应最佳透波性能的匹配厚度。

4 容器用透波材料

目前，容器用透波材料主要是陶瓷基材料，本文主要从高温透波材料和中、低温透波材料两方面对容器用透波材料的研究进行综述。

4.1 高温透波材料体系

高温透波材料一般具有高抗热震性、抗氧化性、稳定性好、力学性能好等优异性能。高温透波材料可分为陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料，其中陶瓷基复合材料包含氧化物体系、氮化物体系；聚合物基复合材料包含硅酸盐体系、磷酸盐体系。陶瓷基复合材料主要的结合键是离子键和共价键。原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动，故陶瓷基复合材料的熔点很高，抗氧化性好、耐高温、化学稳定性高。聚合物基复合材料的结构随增强体类型不同而不同，由无定形态的相态结构组成。在高温下强度和模量基本不变，故具有良好的力学性能。

4.1.1 氧化物体系

微波加热用透波材料常用的氧化物主要有熔融石英、微晶玻璃、氧化铝基陶瓷等。其中，熔融石英因其原子三维结构交叉链接、长程无序，故具有稳定的化学性、高抗热震性和优异的介电性能；氧化铝基陶瓷在高温下几乎完全转化成α−AlO，且在高温下可电离出离子晶体，由于其离子键键能很大，故具有介电损耗低、机械强度高和化学稳定性好等优点，尤其是刚玉在高温下稳定，且具有化学惰性和非常好的微波透过性能。吴文军等通过在溶胶−凝胶过程中加入纳米AlO颗粒制备AlO掺杂的SiO纳米透波/隔热材料，研究了AlO掺杂对材料高温热稳定性、介电性能及隔热性能的影响。结果表明，AlO的掺杂阻碍了SiO颗粒之间的烧结，提高了材料的使用温度；张雄等研究了石英纤维透波复合材料，论述了透波材料的性能要求，分析和比较了各类石英纤维透波复合材料的优缺点、成型方法及研究现状。其中，树脂基石英纤维透波复合材料中，氰酸酯、聚酰亚胺和聚四氟乙烯树脂基体具有发展潜力；陶瓷基石英纤维透波复合材料中，二氧化硅和磷酸盐基体性能较优。尚小标等研究了二氧化硅陶瓷在微波场中的透波性能，根据传输线理论计算了0～0.1m 厚度范围内的二氧化硅陶瓷在不同温度、频率下的功率透过系数，给出了二氧化硅陶瓷在不同温度下透波率大于90%的厚度区间。计算结果表明，2.45GHz 频率下，厚度为0.0375m、0.075m时，二氧化硅陶瓷展现出良好的透波性。

综上所述，目前氧化物透波材料在微波加热中应用比较广泛，具有高抗热震性和良好的透波性能，有效提高了微波加热效率，促进了微波材料的发展。常用的氧化物透波材料有二氧化硅和氧化铝。二氧化硅通常被认为是微波透明材料，因为它在室温下吸收能力差，透波性能较好；氧化铝陶瓷是目前工业上使用最多、应用最为成熟的耐火材料之一。氧化铝陶瓷资源丰富，价格低廉，机械强度高，且具有良好的绝缘性和化学稳定性，被广泛应用于航天器天线罩、天线窗和微波加热领域。但是当温度高于800℃后，二氧化硅和氧化铝材料的介电参数会逐渐增大，吸波能力增强，透波性能变差。

4.1.2 氮化物体系

氮化物陶瓷是20 世纪60 年代开发的，最早使用氮化物材料的是美国TMD 公司。氮化物因其具有较高的原子结合度且都以共价键结合，故具有较好的热稳定性、抗热震性。氮化物陶瓷分为氮化硼、氮化硅、氮氧化硅及新型的Si−B−O−N 系等材料，氮化硼和氮化硅并不是微波应用中常见的材料，但是两者对微波都表现出很好的透波性能、抗热震性和化学稳定性。常见的氮化硼（BN）陶瓷材料主要分为六方氮化硼、立方氮化硼，而常用作高温透波材料的主要是六方氮化硼，其晶体结构为层状，且每一层都由硼原子、氮原子相间排列成的六角环状网络组成。通过对氮化硼的研究发现，温度在2000℃以上时氮化硼已基本不具备透波性能。Han 等研究了氮化硅−硼−硅陶瓷的抗热震性和断裂韧性，通过在氮化硅中加入氮化硼来提高陶瓷基体的抗热震性和断裂韧性，进而研究其透波性能。刘坤等指出六方氮化硼（h−BN）具有耐高温、耐烧蚀、低介电常数和低介电损耗等优良综合性能，是理想的高温透波材料，并采用先驱体裂解法，以环硼氮烷为先驱体，以模压氮化硼粉坯体为成型骨架，制备了氮化硼复合材料。邹春荣等研究了新型高温耐火材料的透波性能，总结了近几年来常见的氮化物陶瓷纤维的应用现状，并对氮化物陶瓷纤维未来的发展趋势作出了展望。李光亚等研究了纤维增强SiBN 陶瓷基复合材料，采用PIP工艺分别制备了氧化铝、莫来石、石英、氮化硅纤维增强SiBN 陶瓷基复合材料，并对其介电性能和力学性能进行了测试与评价。结果发现莫来石纤维增强SiBN 陶瓷基复合材料相比其他材料具有最佳的综合性能。范冰冰等发明了一种微波窑用SiNO透波隔热一体化内衬材料。该材料介电常数为3.4～5.3，介电损耗小于2.5× 10，在防热隔热、承载、抗冲击和透波等方面性能优异。徐恩霞等研究了刚玉−氮氧化硅复合耐火材料在微波加热中的应用，发现该材料具有电磁波吸收率低、透波性能优异、抗热震性好等优良性能。

综上所述，微波加热用氮化物透波材料具有抗热震性、耐高温性和良好的透波性能。在微波加热中主要用于容器材料和耐火材料的选取，但是由于氮化硼和氮化硅材料价格比较昂贵，在微波加热实际应用中比较少见，可以考虑用热压氮化物或者其复合材料代替。

4.1.3 硅酸盐体系

目前可作为高性能硅酸盐基复合材料的有莫来石、堇青石−莫来石、云母片等。在硅酸盐基复合材料的晶体结构中，最基本的结构单元是Si−O 络阴离子，由于结构中的原子堆积密度较大，因而具有耐高温、硬度大、熔点高等特点。莫来石具有高抗热震性、稳定性强、经济实惠等特性，目前在微波加热中应用比较广泛，可作为微波加热耐火材料。张桂敏采用溶胶−凝胶（sol−gel）法在低温下制备了合成莫来石，得到高纯且均匀的第一类莫来石前体，并采用放电等离子体烧结（SPS）法制备了高密度、高红外透波率的莫来石陶瓷。刘永鹤等指出微波加热用耐火材料的性能要求，此类材料应具有良好的抗热震性和抵抗热冲击能力、高的微波透过性，并采用常压烧结法在不同温度下合成了不同配比的堇青石−莫来石和刚玉−莫来石质耐火材料。尚小标等研究了莫来石耐火材料在微波加热过程中的透波性能，分析了耐火层厚度、温度和频率对莫来石耐火层透波性能的影响。同时，从微波传输特性的角度出发，指出了厚度对莫来石耐火层的透波性能是有影响的。研究结果表明，莫来石耐火材料在915MHz频率下具有很好的透波性能。李光亚等研究了刚玉−莫来石多孔透波材料，采用凝胶注模技术与发泡工艺相结合的方法，制备了不同相含量的刚玉−莫来石多孔复相陶瓷材料。研究结果表明，当莫来石与氧化铝的物相含量为1∶1 时，抗弯强度达最大值64.45MPa，得到的多孔陶瓷材料孔结构均匀、力学性能良好、热性能与电性能优越，有望成为综合性能优于石英陶瓷的新型透波材料。董萌蕾研究了莫来石、氮化硅及其复合材料的透波性能，并以电熔刚玉、电熔莫来石及Si 粉为原料，在氮气气氛下1420℃保温24h 烧制，分别制备了刚玉氮化硅复合材料和莫来石氮化硅复合材料，并对其性能进行了研究。

在微波加热中，常见的硅酸盐透波材料有莫来石和刚玉−莫来石等耐火材料。莫来石和刚玉−莫来石耐火材料属于优质的耐火材料，目前在微波加热中应用比较广泛。因其具有膨胀均匀、高抗热震性、化学稳定性好、硬度大、抗化学腐蚀性好等特点，多被用于微波窑炉的耐火炉衬。

4.1.4 磷酸盐体系

磷酸盐基复合材料的研究在俄罗斯有比较成熟的工艺。磷酸盐离子是一个多原子的离子，包含一个磷原子，并由四个氧原子所包围，形成一个正四面体结构，具有良好的胶凝性能，故在耐火材料中常用作结合剂。目前研究的高性能透波材料主要有磷酸铬、磷酸铝、磷酸铝铬等。这类材料在经复合固化后，在1200℃以下，磷酸铬基复合材料具有良好的物理和力学性能；在1200～1500℃范围内，磷酸铬铝基复合材料具有优异的抗热冲击性；在1500～1800℃范围内，磷酸铝具有良好的机械稳定性。曹海琳等主要以氧化物和磷酸为原料，制备了磷酸铬铝，并研究了此类材料的高温透波性能。结果表明，此材料体系具有优异的耐高温性能。并且对其复合材料层剪强度进行研究，发现对增强体材料表面进行涂层有利于复合材料性能的改善。刘文娟研究了晶须增强磷酸铝的透波性能，主要探究SiO的加入是否影响其透波性能。结果表明，在1050℃添加SiO的质量分数在5%左右时，该类材料的介电性能几乎没有改变，但是其抗弯强度、硬度明显增强。陈宁研究了原位生长莫来石增强磷酸铬铝高温透波材料，结合莫来石和磷酸铬铝的优点，提出了一种新型的磷酸铬铝复合材料体系。原位生长莫来石颗粒、晶须增强磷酸铬铝复相陶瓷体系，并对其高温介电性能进行初步理论预测，以期为高温透波材料的发展提供更多的参考。耿浩然等研究了硼酸盐系晶须增强磷酸铝陶瓷材料的透波性能，该材料由磷酸铝粉、硼酸铝晶须和硼酸镁晶须组成，发现该材料具有优良的力学性能、介电性能和良好的成型性，能够满足透波应用要求。王河等研究了SiO对硼酸铝晶须增强磷酸铝基透波材料的影响，采用无压烧结法制备了含二氧化硅添加剂的硼酸铝晶须增强磷酸铝复合材料。结果表明，在1050℃烧结1h 后，添加5%SiO的复合材料具有良好的透波性能。王峰等对高硅氧增强磷酸铝系复合材料的力学性能进行了研究，研究表明，当磷与铝的物质的量之比为1∶1 时，该复合材料的力学性能达到最佳；当铝的物质的量大于磷，且使用频率可达到3MHz以上时，该复合材料体系具有较好的介电性能。

综上所述，在微波加热中目前常用的高性能透波材料主要是磷酸盐基复合材料，它具有耐高温性、高抗热震性、可掺性及可塑性好等优点，而且成型工艺简便，被广泛应用在微波烧蚀、冶金领域。

4.2 中、低温透波材料体系

中、低温透波材料在中低温环境下具有较低的介电常数和介电损耗，可按不同的需求应用到中低温微波加热过程中。本节主要对聚四氟乙烯、甲基硅树脂、玻纤增强树脂、环氧树脂等中、低温透波材料的研究现状进行综述。其中在聚四氟乙烯分子中，C—H键键能较C—F键键能低，同时氟原子具有极高的化学惰性，使聚四氟乙烯具有耐化学腐蚀性、良好的机械韧性等性能。其他中、低温树脂基在一定条件下会固化交联生成网状结构，因此这类树脂基材料具有良好的耐烧蚀性能。李瑞波研究了玻纤布增强聚四氟乙烯透波材料的力学性能，以聚四氟乙烯为基体树脂，高硅玻璃纤维布为增强材料，制得介电性能和拉伸性能优良的高硅玻璃纤维布增强聚四氟乙烯透波材料。宋麦丽等研究了低碳残余甲基硅基复合材料的介电性能和力学性能，结果显示：甲基硅树脂透波材料比传统的树脂透波材料耐热性强、强度高、抗热震性好、透波性能好，是一种比较理想的耐高温复合材料。陈立瑶对玻纤增强树脂基透波复合材料的制备及性能进行了研究，以三种不同玻璃纤维平纹布作为增强材料，聚四氟乙烯分散液为树脂基体，制备了能满足一定性能要求的透波材料。胡艳志对改性的环氧树脂材料的透波性能进行了研究，制备了低黏度、介电性能优良的树脂基体，并以介电性能优良的石英纤维为增强材料制备了透波复合材料，同时对其抗热震性、化学稳定性、透波性能进行了研究，并比较了不同树脂体系在不同配比下的透波性能。

综上所述，微波加热常用中、低温透波材料有聚四氟乙烯、树脂基复合材料等，其中聚四氟乙烯因其具有较低的介电常数、介电损耗和较好的化学稳定性等，常被用作支撑架、传送带和绝缘保护层等部件的主要选材，是应用范围最广的透波材料之一。而增强树脂基复合材料在航空航天领域应用较广，但是在微波加热领域的应用相对较少。

5 保温用透波材料

微波加热保温用透波材料主要在支撑体、保温层和炉衬方面应用较多，保温用透波材料主要为多种纤维制品，如纤维棉、纤维毯和纤维板。其中陶瓷纤维制品因品种多，保温透波性能和耐高温性能良好，在微波加热领域中使用范围最为广泛。它主要分为结晶态纤维和非结晶态纤维。结晶态纤维的内部原子结合以离子键为主，存在部分共价键，因此具有耐高温、耐腐蚀等优良性能；非结晶态纤维内部主要由高键能的共价键结合，因此具有抗氧化、耐磨等优异性能。Bhattacharya 等指出隔热材料对微波加热具有重要的作用，并同时指出最常用的绝热材料有氧化铝、莫来石、石英基绝热材料，如多孔氧化铝毯、纤维棉、绝热纤维板等，这些材料在各个温度区间内均具有出色的微波透波性和强的耐热/耐磨性；还指出微波的穿透深度跟温度有关，而且温度的变化会影响隔热体的设计。尚小标等根据电磁波传输线理论研究了多晶莫来石纤维板的透波性能，测量了多晶莫来石纤维板（PMF）在25～1000℃温度范围内的复介电常数，分析了温度对其介电常数和介电损耗的影响。结果表明，PMF 的介电常数随温度的升高变化不大，约为1.6；介电损耗在25～200℃范围内变化不大，但当温度高于200℃时，随着温度的升高，其变化近似呈指数增长，整体透波性能随材料厚度的增加而降低。范景莲等指出微波窑炉用保温材料应选用隔热性好、不吸收或很少吸收微波能量，且在高温状态下和容器内被加热的材料不发生化学反应的材料。常用的保温材料主要是陶瓷纤维，其中使用最多的有AlO、SiO和莫来石纤维板等，它们具有热稳定性较好、耐腐蚀性强和机械性能较好等优点。殷增斌等发明了一种微波烧结用保温装置，该保温装置包括陶瓷纤维毯、莫来石纤维箱及其盖板、硅酸铝陶瓷纤维板、多晶莫来石纤维板、刚玉莫来石套筒及其盖板、多晶莫来石高温纤维棉和玻璃纤维高温带。该装置最高承受温度可达到2000℃，在1700℃以下可多次重复使用。盛新太采用高纯度铝箔，并结合陶瓷纤维毯，研制开发了一种陶瓷纤维覆铝箔针刺毯。这种复合型陶瓷纤维毯具有极强的热阻作用、致密性高，而且抗热震性优良、热导率小，化学性能稳定。由莫来石晶体组成的多晶莫来石纤维，透波性能优良，同时拥有晶体和纤维材料的优点，是良好的保温绝热材料。李呈顺等通过溶胶−凝胶法制备出多晶莫来石纤维，测试了Al的聚集状态，以TG−DTA（热重−差热分析）等表征了该多晶莫来石的物相组成、纤维形貌和热分解性等特点，是良好的保温材料。尚小标等以硅酸铝纤维板（ASF）为研究对象，在25～1000℃温度范围内，分别对915MHz和2450MHz频率下材料的复介电常数进行了研究。基于传输线理论，计算分析了该材料在整个微波加热过程中的透波特性。结果表明，当温度超过700℃时，两种频率下的介电常数和损耗因子均显著增加，材料的透波性能随温度的升高而降低，并随材料厚度的增加呈波动趋势。

综上所述，微波加热用保温材料有硅酸铝纤维板、多晶莫来石纤维板、氧化铝纤维板等。其中，硅酸铝纤维板具有重量轻、热导率低、热稳定性好等优点，经常被用作中低温工业微波窑炉的炉衬、高温高压蒸汽管道的绝热材料、耐火建筑的防火材料等。多晶莫来石纤维板因其具有较好的高温稳定性、抗热震、抗侵蚀、低热容等优点而被广泛用于中高温微波窑炉的绝热内衬。虽然很多研究者对微波窑炉保温层使用的透波材料进行了大量研究，但是以上的研究大都是以传统砖衬为主的保温层，主要以单层保温材料来研究，对多层复合保温层透波材料的研究较少。

6 目前存在的主要问题

由于微波加热原理的特殊性，微波加热用隔热炉衬应采用具有良好透波性能的功能耐火材料。微波窑炉炉衬材料除需要满足热抗震性和稳定性等传统性能要求外，微波窑炉炉衬的设计还应同时兼顾保温性、透波性和经济性三个方面，应根据多目标函数优化问题进行综合设计。目前，实际应用中还存在很多直接采用传统非微波窑炉专用隔热炉衬的情况，由于材料介电性能的温变特性，传统炉衬可能会吸收大量的微波而快速升温，进而导致热失控。

另外，目前针对微波加热设备相关结构（炉衬、容器）透波性能的研究较少，而且相关研究没有定量化研究材料的透波性能和机理，但大都定性地指出了微波加热用耐火隔热结构透波性能的重要性和常用耐火材料的适用性。根据电磁波理论可知，介质的透波性能受材料物性、尺寸结构、电磁波类型和所处环境温度等因素交互耦合影响。目前，已报道的研究大都是从低介电损耗材料的角度优化隔热炉衬的透波性能，且已发现了透波性能的温度敏感性问题，但很少有综合材料学、电磁学、传热学和电介质物理等学科交叉融合研究透波性能的报道。

7 结语与展望

随着微波加热技术的不断推广，对容器和保温用透波材料的性能要求也在不断提高，微波加热用透波材料的发展限制了微波反应器的应用范围。目前对微波加热用透波材料的研究已获得显著成果，但是还存在一些方面需要拓展研究：①测量获取更多透波材料的宽温域电磁特性数据，掌握其温变特性；②开展考虑温度梯度的透波性能研究，掌握温度梯度对透波性能的影响规律。

在材料研究方面，微波加热用容器和保温透波材料以后的发展方向可能有以下几个方面。

（1）探究昂贵材料的替代品。如氮化硼、氮化硅原材料比较昂贵，可以考虑尝试用热压氮化硼或氮化硅代替。

（2）探索新的透波材料制备技术。目前主要的制备技术有固相烧结法、有机先驱体裂解法等，可尝试探索新的制备技术提高材料的透波性能。

（3）研究开发新型的容器和保温材料。随着对透波材料性能的要求越来越高，纳米复合材料和智能材料有可能成为未来研究的热点。