微波加热固化聚合物复合材料研究进展（一）

1.引言

传统材料已成为人类生活中不可或缺的产品形式。使用新型材料替代传统材料应用是困难的。然而，复合材料领域的快速发展已经彻底改变了材料科学与工程领域的发展。近年来，聚合物复合材料的进步和材料特性的改善成为学术界研究的热点，为新材料的应用提供了机会。先进的聚合物复合材料，如纤维（碳、芳族聚酰胺、玻璃等）增强复合材料，以其轻量化、高质量、强度、腐蚀和耐化学性等特点正在被优先用于许多领域。合成纤维增强聚合物复合材料已在建筑领域室内和室外得到广泛的应用。尽管这些复合材料相比传统材料机械性能优越，但它们在使用中也暴露出许多问题。比如纤维/聚合物复合材料较差的机械加工性和不可生物降解性等。在当前环保需求大环境的驱动下，研究人员和专家将用完全可生物降解的生物聚合物和天然纤维取代不可生物降解材料聚合物和合成纤维，从而促进了天然纤维增强聚合物复合材料的发展。

在过去的二十年中，天然纤维作为热塑性聚合物的增强材料，如椰壳、红麻、黄麻、剑麻等已经取得了相关的研究进展。这些环境友好的复合材料正被应用在汽车制造领域。关于聚合物和纤维分类的相关综述已有报道，这些材料的加工制造技术，如、注塑、拉挤、挤压、压缩、模塑等也被广泛应用于复合材料工业制造领域。在基于加热的材料加工的传统工艺中，提供外部热量，会影响材料的性能。常规加热中存在的温度梯度影响材料特性，从而倾向于改变其微观结构和机械性能。常规加热方法大致有三种，分别是通过传导、对流和辐射流动。因此温度和加热速率影响材料特性的变化。特别是对热塑性聚合物，由于聚合物的结晶过程是复杂的，且与冷却速度有关。在冷却过程中静置较长时间可能在材料内部表现出粗晶粒结构，造成材料性能损失。另外，较快的冷却速度则会导致较低的结晶度，导致分子链由非晶态转变为结晶态的转化率低，从而影响材料性能。加工温度分布不均匀、纤维损伤、更长的固化时间、温度梯度、效率低、能耗高、废物产生和昂贵的设备都是传统技术用于制造聚合物复合材料的缺点，因此，需要开发先进材料生产工艺。利用微波对材料先进行处理，可减少后续加工能耗，处理速度更快且更环保。在微波加热使用的过去50年中，与聚合物加工相关的发展情况如图1所示。

微波的使用始于1970年至1980年间，被应用在聚合物弹性体制备方面。随后报道了热塑性聚合物复合材料的微波加热固化工艺。从那时起使用微波加热对热固性聚合物复合材料的加工有所增加，目前该工艺已经相对成熟。当前的研究趋势集中在热塑性聚合物复合材料（合成/天然）的模塑和连接工艺。在最近的研究中，发现微波处理的应用范围扩展到除固化以外的其他过程，足见其应用潜力巨大。

微波最初用于通信领域。珀西·斯宾塞（Percy Spencer）1946年的实验证明了微波能量的可用性，并在1950年建立了微波使用程序。微波在材料加工中的应用于1999年变得更加广泛，目前该技术仍在研究和发展阶段。300 MHz–300 GHz（图2）为微波的电磁（EM）波频带。

微波由电场和磁场组成，与在1至1000mm的波长范围内。有研究表明，可以使用较低的能量形式对陶瓷、聚合物及其复合材料进行加工。使用微波加热大致分为三类：低温加热、中温加热和高温加热。对于非金属材料，使用微波加热的主要问题是损耗材料的剪切强度和复杂性电介质材料的相对介电常数，低介电聚合物的损耗情况可忽略。这对处理时间、能耗、成本、完全固化的时间，均匀固化、生产率和机械性能以及热性能的优化有积极意义。微波相互作用取决于材料特性（即电和磁）与电磁波的关系。微波处理中的加热机制取决于目标材料的类型，例如非磁性或磁性。如果是非磁性材料（如水（H₂O））偶极损耗在发热中占主导地位，而对于金属和高导电性材料（如铝（Al）、铁（Fe）），传导损失在热量产生中占主导地位。另一方面在具有传导损耗的磁性材料（如Fe）的情况下，磁损耗（如磁滞损耗、畴壁共振损耗、涡流损耗和电子自旋损失）产生的热量占主导地位。大多数聚合物材料也具有低介电常数，它们不与微波相互作用，所以需要添加合适的相可以是作为增强物的纤维来提高整体材料的介电常数。

PMC的微波处理温度低于500℃。在微波处理过程中会发生均匀的整体加热。确保微波加热固化的均匀性，固化温度控制是必要的。低温微波固化技术的应用挑战是复合材料表面的温度分布和内部的磁场分布不均匀。温度分布的变化是由于在低强度场和高强度场的区域内，微波加热器在内部形成热源点的结果。温度分布不均匀会导致复合材料严重变形。在这方面，许多确保微波均匀的方法加热已经被研究出来，主要可分为两类：随机补偿温控法与主动温控法。这些方法不同程度地改善了微波过程中均匀加热的问题，但加热表面温度分布的精确控制却无法实现。在最近的研究中，Sun提出了一种改进微波加热均匀性的方法。该方法是通过实时改变材料的表面温度实现均匀加热。然而，在先进复合材料加工的应用中，由于表面温度检测灵敏度差，因而使用此方法效果并不理想。在此基础下， Zhou等人提出了智能温度控制法。这个方法可以监控材料表面不同区域温度的实时动态变化。该方法与以前存在的控制方法相比可以根据实时温差建议在需要高温的地方加热。由于可以使用微波进行均匀的加热，使聚合物通过微波处理得到的复合产品与传统工艺相比有更好固化性能。微波混合加热（MHH）已经证明它能够改善加工后的纤维-基体（热固性和热塑性聚合物）复合材料的机械性能。此外，研究人员通过研究，已经可以在使用碳化硅（SiC）或木炭粉末作为基体材料的区域上将大部分微波聚焦在特定位置进行加热，这种方法被称为选择性加热。还有相关报道指出，在加热时间内，只有一个材料的特定区域暴露于EM辐射加热PMC材料。然而关于天然纤维增强复合材料（NFRC）的微波加热工艺的研究报道很少。微波加热工艺制备天然/合成纤维增强的聚合物复合材料的性能和技术将在后面章节中讨论。

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