0 引言

微波是一个频段范围内的电磁波。自1888年海因里希·鲁道夫·赫兹验证电磁波的存在之后，科学家们对电磁波开展了深入的研究并不断获得新发现，从而开发出新的应用技术^[1]。微波作为电磁波中的一种短波，最早应用于雷达和通信领域，目前普遍将频率为300 MHz到300 GHz(即波长1 mm到1 m)的电磁波定义为微波。研究发现在不同的传输介质中，微波会呈现出不一样的穿透、反射和吸收等特性，从电子学和物理学角度而言，微波主要表现为强穿透性、选择加热性、低热惯性、光声相似性、非电离性和信息性。

1945年，美国的雷达工程师斯彭塞发现了微波的热效应，很快第一个利用微波热效应的专利诞生。从1947年美国雷声公司的第一个微波炉——雷达炉的应用到其商品化花了大概40年，直到20世纪90年代，随着控制技术、传感技术的不断提高和成熟，微波炉的应用得以普及。考虑到军事、雷达、通讯方面的因素，通用的微波加热专用频率主要有(915±25) MHz、(2 450±50) MHz、(5 800±75) MHz和(22 125±125) MHz，其中2 450 MHz已经在民用方面有较广的普及。随着微波应用领域的持续技术创新与突破，915 MHz也逐渐被应用于工业化生产，尤其是在材料工业应用领域。当前，国内外微波应用技术已发展成为一门极具前途和发展前景的新技术。本文以材料工业应用领域为例，探索剖析微波应用的技术创新进展，并对其发展趋势进行展望。

1 微波及其应用特点

微波的应用主要是利用微波发生器将电能转化为电磁能，电磁能在一定条件下作用于吸波介质并转化为热能，即微波热效应，其主要机理是微波与物质分子相互作用并被吸收而产生热。与红外加热、高频加热及其他传导加热方式相比，微波应用特点表现如下：一是它可以深入物体内部，属于内生热，不依赖热传导，可瞬时加热，速度快且节能，热转换效率高；二是其波长短，易集中和防护，即可实现清洁卫生，又不污染环境；三是其容易与其他技术组合，可以释放出大于叠加的效果，催生许多“微波+N”的耦合技术，并由此产生与微波相关的交叉学科。

2 微波技术在材料领域中的应用与发展前景

微波技术通过微波反应器来实现应用，就目前来说，常用的微波反应器类型有箱式、平板式、曲折波导式和辐射式等一种或多种的组合。目前，微波既可用于有机材料也可用于无机材料^[2]，其在材料领域的应用如表 1所示。

微波加热技术具有效率高、成本低、性能好、加热速度快等优势，其应用领域极广。当前，微波技术在民用微波炉方面普及率较高，在中国市场，家用商业微波炉品牌及企业有顺德格兰仕、顺德美的、青岛海尔、上海松下、德国西门子、宁波方太、顺德惠而浦、东芝、三洋、日立等十大品牌。2019年总计产能约7 845万台，市场产值约400亿元，截至发文前中关村在线统计数据显示，广东省是85%以上家用商业微波炉的主产地，各微波炉品牌市场占有率情况如图 1所示。

随着工业微波应用技术的发展，越来越多的行业对微波有了新的认识。相比于家用商业微波炉，工业微波装备目前并没有知名品牌，仍处于初级发展阶段。但是，工业微波装备在加热效率、作用功率、加热面积、作用深度、规模化加工等方面具有优势，更适合应用于快速规模化的材料加工，是一种新型的工业加工方式。随着应用场景的变化，所采用的微波频率也有所不同，因此工业微波装备技术被特制化地应用于食品加工、茶叶加工、制药行业、化工行业、陶瓷加工、家具制造、造纸等领域。当前提倡节能环保和工业高质量发展的技术创新氛围，极大地促进工业微波应用技术的快速发展，并打破依靠传统化石能源加工的格局。中国工业微波装备技术产品也是在近几年才逐渐走入市场，其生产厂家主要分布在南京、上海、山东、广州、河南、湖南等地，2019年工业微波装备市场规模达到80亿元。尽管如此，从现有工业微波炉发展状况看，工业微波应用装备技术是一门新兴的科学技术，由于其物理学方面的特性，以及工业应用场景和条件的不同，注定不可能由一种工业微波炉实现多种应用途径，而是根据某个应用领域的特点有针对性地设计和开发。工业微波装备技术可工业化应用的关键核心技术主要表现为对磁控管、微波反应器、电磁屏蔽、电磁兼容技术以及其智能控制系统的设计上。就当前发展状况看，工业微波装备技术与材料之间的作用机理研究仍处于初级阶段，尤其是工业微波装备并没有统一的规范化技术标准和检验检测评价方法，因此推动工业微波装备技术发展仍需要更多社会力量(包括科技领域)的广泛支持。目前，需要推动的内容主要有如下3方面：1)发挥微波基础理论研究对材料应用开发技术创新的支撑作用——从实验室水平的微波作用机制研究，转向结合实践案例对微波基础理论加以探究和验证，并找到材料在微波场中化学反应的基本规律，形成完整的微波材料化学理论体系；2)加大工业微波应用装备的研究与开发——根据不同产品和应用领域对微波装备的要求，整合材料化学、微波理论、电子技术、计算科学、机械设计与制造等多学科专业研发队伍，开展以集成创新为主的工业微波装备技术研发；3)加大工程化技术的应用研究，重点是挖掘工程技术瓶颈问题，构建全新的研究工作形式。从工程化研发中找到根本性理论问题，并对此基础理论开展深入研究，通过对应用技术与基础理论的研究相结合，协同推进微波技术工业化应用快速发展。

3 微波技术在材料工业应用中的创新案例

微波在材料工业领域的应用有很多成功案例，本文限于篇幅的影响，重点介绍工业微波炉在人造石材料加工行业取得的进展，以及实施微波应用技术创新的效果和作用。

在人造大理石生产过程中固化大约需要10—15 d，固化反应时间长，是生产中的瓶颈问题。这不仅造成企业大量资金积压在库存上，仓储压力非常大，而且传统的生产过程通常是在敞开的环境下进行，部分未反应物质和溶剂会挥发到大气环境中，从而引起环境污染问题。针对这些问题，丁海兵等^{[77, 78]}组建人造大理石微波固化技术创新团队，经过4年的产学研协同创新，攻克人造大理石微波快速固化装备技术难题，将固化时间缩短至2 h以内，大大提高了生产效率，并成功研发出世界上首台大尺寸不饱和聚酯人造大理石微波快速固化设备。

整个创新研发过程高度整合材料、化工、物理、电子、机械等方面的专业技术人才，并结合生产线实际情况，从微波场电子仿真入手(图 2，3)，再经实验工艺验证并修正参数，获得修正装备设计参数。使用电子集成技术绘制装备设计原理图(图 4)，通过相关专业专家论证并重新设计加工获得实验样机(图 5)，并进行1/6尺寸人造大理石的验证实验。

从实验样机获取工艺参数(如温度、功率、时间以及微波工作机制)后，对比计算机仿真数据后，修改微波场电子仿真条件和参数，完善微波固化装备设计参数，修正装备设计加工参数，并进行装备工程化设计放大，同时开发出大功率高压电源和磁控管，最终获得第一代工程机如图 6所示。

为进一步验证工程机的工作状况和所生产人造石的质量，技术创新团队用第一代工程机进行多达3 000颗人造石的生产试验(相关人造石部分板材的力学性能如表 2所示)，最终石材产品达标率为99.9%，截至目前第一代微波固化人造大理石工程机已生产5 000余颗人造大理石。从表 2中发现利用微波固化装备技术生产的人造大理石材，其机械性能既满足行业标准，又在硬度、弯曲强度等指标有所提高(图 7)，尤其是关键指标线性热膨胀系数降低12%，更接近水泥的指标，因此可能实现有机型人造石铺设地面的应用途径。与此同时，为推进微波装备的标准化生产和推广应用，需要谨慎论证微波辐射安全性指标，为此提请广州广电计量检测对其进行现在微波辐射检测，检测最终显示，微波固化装备微波辐射剂量远低于现行国标GBZ 2.2－2007的安全限值，属于安全微波装备产品。

随着微波快速固化人造石装备技术的深入研发，目前微波固化装备技术已经进入第3代产品的加工设计，其优势主要体现在实现了更大尺寸人造大理石的固化反应(从原有尺寸2.7 m×1.6 m×0.9 m提升到3.2 m×1.6 m×1.2 m)，在降低人造石生产成本的同时，装备造价也得以显著降低。与此同时，该技术创新团队还将有机型人造石的微波固化技术转向无机型人造石的微波养护固化技术，进而瞄准产值巨大的混凝土(PC)预制件领域，努力实现微波快速固化关键装备技术从支撑百亿产业转向千亿产业，并最终达成支撑万亿产业的目标。

4 展望

综上所述，微波技术作为材料领域创新发展的重要手段，在实践发展中得到了有效应用。虽然最终结果证明其有助于提升材料应用的性能，但深入的理论研究并不多，一些基本科学问题仍有待于深入探析。因此，要结合以往工作经验，根据时代发展各领域提出的各项要求，在工业化过程中加强应用基础研究，以此构建全新的微波材料学发展领域，进而有效展现微波技术的优势和价值。同时案例的成功也验证了以企业为主体，以技术市场需求为导向，通过有针对性的技术装备开发，整合优势学科人才协同开发的技术创新模式是一条行之有效的路径，能极大地推进微波技术在材料工业中的有效应用。