1、化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期大温度梯度下含锆型硅酸铝纤维板的透波性能尚小标1，2，3，李广超1，肖利平1，白永珍1，肖人友1，李佳剑1，张志浩1（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）摘要：为探究微波冶金反应器内常用隔热保温材料含锆型硅酸铝纤维板（ZAF）在温度梯度下的透波性能，首先采用谐振腔微扰法测量了ZAF在251000范围内的复介电常数；其
2、次采用激光闪射法测量了ZAF在100500范围内的热导率；最后基于电磁波传输线理论和传热理论研究了ZAF在频率、极化模式、入射角度及材料厚度等因素影响下的透波性能。结果表明：ZAF的介电常数随温度的增加整体变化幅度较小，介电损耗因子则在900之后呈指数型增大；ZAF的热导率随温度的增大而逐渐增加，其上升幅度约为39.65%；在2450MHz频率下，ZAF的功率透过系数大于0.9的比例要高于915MHz频率，且在相同频率下，水平极化模式（TM）的透波性能优于垂直极化模式（TE）；随着ZAF厚度的增加，其功率透过系数曲线出现了多个透波峰，且2450MHz频率下的透波峰数量多于915MHz频率；在T
3、E极化模式下，微波以030入射时材料具有良好的透波性能，在TM极化模式下，微波以060入射时材料具有较高的透波性能，并且存在能使微波发生全透射的布儒斯特角。关键词：含锆型硅酸铝纤维板；温度梯度；介电特性；透波性能中图分类号：TH3 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1551-11Wave transmission performance of zirconium aluminum silicate fiberboard under large temperature gradientSHANG Xiaobiao1，2，3，LI Guangchao1，XIAO Lip
4、ing1，BAI Yongzhen1，XIAO Renyou1，LI Jiajian1，ZHANG Zhihao1(1 Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,Yunnan,China;2 Key Laboratory of Unconventional Metallurgy of Ministry of Education,Kunming 650093,Yunnan,China;3 National Local Jo
5、int Laboratory of Engineering Application of Microwave Energy and Equipment Technology,Kunming 650093,Yunnan,China)Abstract:In order to investigate the wave transmission performance of zirconium aluminum silicate fiberboard(ZAF),a commonly used thermal insulation material in microwave metallurgical
6、reactor under temperature gradient,the complex permittivity of ZAF at 251000 was measured by cavity perturbation method.Secondly,the thermal conductivity of ZAF in the range of 100500 was measured by laser flash method.Finally,based on the electromagnetic transmission line theory and heat transfer t
7、heory,the wave transmission performance of ZAF under the influence of frequency,polarization mode,incident angle and material thickness were studied.The results showed that the dielectric constant of ZAF changed slightly with rising temperature and the dielectric loss factor increased exponentially
8、after 900.研究开发DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0928收稿日期：2022-05-19；修改稿日期：2022-08-13。基金项目：国家自然科学基金（51864030）；云南省科技厅重点项目（202101AS070023）。第一作者及通信作者：尚小标（1987），男，博士，讲师，硕士生导师，研究方向为微波冶金技术。E-mail：。引用本文：尚小标,李广超,肖利平,等.大温度梯度下含锆型硅酸铝纤维板的透波性能J.化工进展,2023,42(3):1551-1561.Citation：SHANG Xiaobiao,LI Guangchao,XIAO
9、Liping,et al.Wave transmission performance of zirconium aluminum silicate fiberboard under large temperature gradientJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1551-化工进展，2023，42（3）The thermal conductivity of ZAF increased with the increase of temperature,and the increase rate was about
10、39.65%.At 2450MHz,the fraction of the ZAF greater than 0.9 power transmission coefficient was higher than at 915MHz,and at the same frequency,the wave transmission performance of the transverse magnetic polarization mode(TM)was superior to the transverse electric polarization mode(TE).Multiple trans
11、mission peaks developed in the power transmission coefficient curve as ZAF thickness increased,and there were more wave transmission peaks at 2450MHz frequency than at 915MHz frequency.When the microwave incidence angle was between 030 in the TE polarization mode,the material exhibited good wave tra
12、nsmission performance.When the microwave incident angle was between 060 in the TM polarization mode,the material exhibited good wave transmission performance,and there was a Brewster s angle where the microwave can transmit entirely.For the study of wave transmission performance of thermal insulatio
13、n materials under temperature gradient,this study offered a crucial reference value.Keywords:zirconium aluminum silicate fiberboard;temperature gradient;dielectric properties;wave transmission performance微波是一种频率介于红外线和无线电波之间的电磁波，其频率在300300103MHz范围内，所对应的波长为 11000mm 之间1-2。20 世纪 40 年代，雷 声 公 司 和 通 用 公 司
14、分 别 提 出 了 将 频 率 为2450MHz（波长122mm）、915MHz（波长327mm）的微波应用于微波加热领域上，同年国际组织将这两种频率分配给微波加热使用并沿用至今3-4。微波加热采用特殊的加热机制，利用材料对微波的电磁损耗直接将微波能转化成热能，因此具有快速加热、非热效应、易控性、选择性加热、高效节能及绿色环保等优点5-6。含锆型硅酸铝纤维板（ZAF）具有低膨胀系数、耐高温性、低热导率、质量轻和良好的透波性能等优点，常常作为隔热保温炉衬用于微波冶金反应器内部，能够削弱其内部的热对流和热辐射作用，对反应器内温度的上升速度和炉体各部位的温差具有重要影响7-8。其中，透波性能对隔热保
15、温材料极其重要，影响着微波冶金过程中物料的加热效率和均匀性。针对于隔热保温炉衬透波性能，在本文作者课题组先前的研究中，主要将隔热保温材料（普通型硅酸铝纤维板9、高铝型硅酸铝纤维板10和多晶莫来石纤维板11）视为温度均匀的整体，并对其在不同因素影响下的透波性能进行了研究，并未考虑温度梯度下，不同因素对材料的影响。在实际生产应用中，隔热保温炉衬内外侧存在极大的温度梯度，且对透波性能具有较大的影响，但是目前对温度梯度下隔热保温材料透波性能的研究却鲜有报道。为了解决上述问题，本研究以电磁波传输线理论和传热理论为基础，运用微波网络方法，开展了ZAF 在 温 度 梯 度 下，不 同 频 率（915MHz、
16、2450MHz）、极化模式（垂直极化、水平极化）、材料厚度（00.2m）和入射角度（090）对透波性能影响的研究。以期得到上述因素对ZAF透波性能的影响规律，并给出了不同极化模式中的优选厚度和入射角度区间。1 ZAF的介电和导热参数测量1.1 实验材料ZAF 的化学组成主要为 Al2O3、SiO2及 ZrO2，见表1。其中，Al2O3、SiO2对材料的耐热性、保温性具有重要的作用；ZrO2具有高熔点、硬度大、不氧化和优良的耐磨性等特点，可有效抑制在高温使用时所出现的析晶和晶粒生长现象，提高了硅酸铝纤维抵抗高温收缩能力，最高使用温度为135012。1.2 介电参数测量设备采用的介电参数测量装置由电子科技大学（中国成都）设计制造，主要装置为计算机系统、矢量网格分析仪、圆柱谐振腔、水冷装置及耦合环等，温度、介电常数及损耗正切测试范围分别为201400、1100F/m、11041.0，其测量装置系统结构如图1所示。首先使用矢量网络分析仪测出空载时谐振腔内的谐振频率和品质因数；其次利用表1ZAF的化学组成密度/kgm3320化学组成（质量分数）/%Al2O33940SiO24445ZrO2151
