1.引言

傳統(tǒng)材料已成為人類生活中不可或缺的產(chǎn)品形式。使用新型材料替代傳統(tǒng)材料應(yīng)用是困難的。然而，復(fù)合材料領(lǐng)域的快速發(fā)展已經(jīng)徹底改變了材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的發(fā)展。近年來，聚合物復(fù)合材料的進(jìn)步和材料特性的改善成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，為新材料的應(yīng)用提供了機(jī)會。先進(jìn)的聚合物復(fù)合材料，如纖維（碳、芳族聚酰胺、玻璃等）增強(qiáng)復(fù)合材料，以其輕量化、高質(zhì)量、強(qiáng)度、腐蝕和耐化學(xué)性等特點(diǎn)正在被優(yōu)先用于許多領(lǐng)域。合成纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料已在建筑領(lǐng)域室內(nèi)和室外得到廣泛的應(yīng)用。盡管這些復(fù)合材料相比傳統(tǒng)材料機(jī)械性能優(yōu)越，但它們在使用中也暴露出許多問題。比如纖維/聚合物復(fù)合材料較差的機(jī)械加工性和不可生物降解性等。在當(dāng)前環(huán)保需求大環(huán)境的驅(qū)動(dòng)下，研究人員和專家將用完全可生物降解的生物聚合物和天然纖維取代不可生物降解材料聚合物和合成纖維，從而促進(jìn)了天然纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的發(fā)展。

在過去的二十年中，天然纖維作為熱塑性聚合物的增強(qiáng)材料，如椰殼、紅麻、黃麻、劍麻等已經(jīng)取得了相關(guān)的研究進(jìn)展。這些環(huán)境友好的復(fù)合材料正被應(yīng)用在汽車制造領(lǐng)域。關(guān)于聚合物和纖維分類的相關(guān)綜述已有報(bào)道，這些材料的加工制造技術(shù)，如、注塑、拉擠、擠壓、壓縮、模塑等也被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料工業(yè)制造領(lǐng)域。在基于加熱的材料加工的傳統(tǒng)工藝中，提供外部熱量，會影響材料的性能。常規(guī)加熱中存在的溫度梯度影響材料特性，從而傾向于改變其微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。常規(guī)加熱方法大致有三種，分別是通過傳導(dǎo)、對流和輻射流動(dòng)。因此溫度和加熱速率影響材料特性的變化。特別是對熱塑性聚合物，由于聚合物的結(jié)晶過程是復(fù)雜的，且與冷卻速度有關(guān)。在冷卻過程中靜置較長時(shí)間可能在材料內(nèi)部表現(xiàn)出粗晶粒結(jié)構(gòu)，造成材料性能損失。另外，較快的冷卻速度則會導(dǎo)致較低的結(jié)晶度，導(dǎo)致分子鏈由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)的轉(zhuǎn)化率低，從而影響材料性能。加工溫度分布不均勻、纖維損傷、更長的固化時(shí)間、溫度梯度、效率低、能耗高、廢物產(chǎn)生和昂貴的設(shè)備都是傳統(tǒng)技術(shù)用于制造聚合物復(fù)合材料的缺點(diǎn)，因此，需要開發(fā)先進(jìn)材料生產(chǎn)工藝。利用微波對材料先進(jìn)行處理，可減少后續(xù)加工能耗，處理速度更快且更環(huán)保。在微波加熱使用的過去50年中，與聚合物加工相關(guān)的發(fā)展情況如圖1所示。

微波的使用始于1970年至1980年間，被應(yīng)用在聚合物彈性體制備方面。隨后報(bào)道了熱塑性聚合物復(fù)合材料的微波加熱固化工藝。從那時(shí)起使用微波加熱對熱固性聚合物復(fù)合材料的加工有所增加，目前該工藝已經(jīng)相對成熟。當(dāng)前的研究趨勢集中在熱塑性聚合物復(fù)合材料（合成/天然）的模塑和連接工藝。在最近的研究中，發(fā)現(xiàn)微波處理的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到除固化以外的其他過程，足見其應(yīng)用潛力巨大。

微波最初用于通信領(lǐng)域。珀西·斯賓塞（Percy Spencer）1946年的實(shí)驗(yàn)證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應(yīng)用于1999年變得更加廣泛，目前該技術(shù)仍在研究和發(fā)展階段。300 MHz–300 GHz（圖2）為微波的電磁（EM）波頻帶。

微波由電場和磁場組成，與在1至1000mm的波長范圍內(nèi)。有研究表明，可以使用較低的能量形式對陶瓷、聚合物及其復(fù)合材料進(jìn)行加工。使用微波加熱大致分為三類：低溫加熱、中溫加熱和高溫加熱。對于非金屬材料，使用微波加熱的主要問題是損耗材料的剪切強(qiáng)度和復(fù)雜性電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)，低介電聚合物的損耗情況可忽略。這對處理時(shí)間、能耗、成本、完全固化的時(shí)間，均勻固化、生產(chǎn)率和機(jī)械性能以及熱性能的優(yōu)化有積極意義。微波相互作用取決于材料特性（即電和磁）與電磁波的關(guān)系。微波處理中的加熱機(jī)制取決于目標(biāo)材料的類型，例如非磁性或磁性。如果是非磁性材料（如水（H₂O））偶極損耗在發(fā)熱中占主導(dǎo)地位，而對于金屬和高導(dǎo)電性材料（如鋁（Al）、鐵（Fe）），傳導(dǎo)損失在熱量產(chǎn)生中占主導(dǎo)地位。另一方面在具有傳導(dǎo)損耗的磁性材料（如Fe）的情況下，磁損耗（如磁滯損耗、疇壁共振損耗、渦流損耗和電子自旋損失）產(chǎn)生的熱量占主導(dǎo)地位。大多數(shù)聚合物材料也具有低介電常數(shù)，它們不與微波相互作用，所以需要添加合適的相可以是作為增強(qiáng)物的纖維來提高整體材料的介電常數(shù)。

PMC的微波處理溫度低于500℃。在微波處理過程中會發(fā)生均勻的整體加熱。確保微波加熱固化的均勻性，固化溫度控制是必要的。低溫微波固化技術(shù)的應(yīng)用挑戰(zhàn)是復(fù)合材料表面的溫度分布和內(nèi)部的磁場分布不均勻。溫度分布的變化是由于在低強(qiáng)度場和高強(qiáng)度場的區(qū)域內(nèi)，微波加熱器在內(nèi)部形成熱源點(diǎn)的結(jié)果。溫度分布不均勻會導(dǎo)致復(fù)合材料嚴(yán)重變形。在這方面，許多確保微波均勻的方法加熱已經(jīng)被研究出來，主要可分為兩類：隨機(jī)補(bǔ)償溫控法與主動(dòng)溫控法。這些方法不同程度地改善了微波過程中均勻加熱的問題，但加熱表面溫度分布的精確控制卻無法實(shí)現(xiàn)。在最近的研究中，Sun提出了一種改進(jìn)微波加熱均勻性的方法。該方法是通過實(shí)時(shí)改變材料的表面溫度實(shí)現(xiàn)均勻加熱。然而，在先進(jìn)復(fù)合材料加工的應(yīng)用中，由于表面溫度檢測靈敏度差，因而使用此方法效果并不理想。在此基礎(chǔ)下， Zhou等人提出了智能溫度控制法。這個(gè)方法可以監(jiān)控材料表面不同區(qū)域溫度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。該方法與以前存在的控制方法相比可以根據(jù)實(shí)時(shí)溫差建議在需要高溫的地方加熱。由于可以使用微波進(jìn)行均勻的加熱，使聚合物通過微波處理得到的復(fù)合產(chǎn)品與傳統(tǒng)工藝相比有更好固化性能。微波混合加熱（MHH）已經(jīng)證明它能夠改善加工后的纖維-基體（熱固性和熱塑性聚合物）復(fù)合材料的機(jī)械性能。此外，研究人員通過研究，已經(jīng)可以在使用碳化硅（SiC）或木炭粉末作為基體材料的區(qū)域上將大部分微波聚焦在特定位置進(jìn)行加熱，這種方法被稱為選擇性加熱。還有相關(guān)報(bào)道指出，在加熱時(shí)間內(nèi)，只有一個(gè)材料的特定區(qū)域暴露于EM輻射加熱PMC材料。然而關(guān)于天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（NFRC）的微波加熱工藝的研究報(bào)道很少。微波加熱工藝制備天然/合成纖維增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料的性能和技術(shù)將在后面章節(jié)中討論。

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