CN104926290B - 一种复合材料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料，其包括以下组分：1）基体，选自氧化铝、氧化硅和氮化硅，所述基体基于所述复合材料的含量为90wt%以上；2）微波响应物质，选自碳化硅、金属及其氧化物，其中所述金属选自铁、镍、钨、铬、铌、锆、钛和钼，所述微波响应物质基于所述复合材料的含量为大于0到10wt%。根据本发明提供的复合材料，其耐热性高，其调整了材料的介电性质，因而能够提高其的加热均匀性，尤其是微波加热的均匀性。采用所述复合材料得到的微波加热装置，如微波加热反应器，其受热均匀，其内的物料的温度分布相对均匀，能够提高反应效果，有利于能量的充分利用，改善了加热不均匀以及微波反应装置易被烧坏的现象。

Description

一种复合材料及其应用

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种复合材料。本发明还涉及一种用于微波加热的复合材料。

背景技术

微波是频率介于300MHz～300GHz的电磁波。微波加热的基本原理是带电粒子的传导和电介质极化。离子传导机制是指介质内的离子在电磁场中产生迁移电流而产生热。电介质极化机制是指在电磁场作用下，极性分子从随机分布状态转向依据电磁场的极性排列取向。在微波高频电磁场的作用下，这些取向运动依随交变电磁的频率不断变化，造成分子的剧烈运动和碰撞摩擦，从而产生热量，导致电场能转化为介质内的热能。非极性分子由于内部电荷分布均匀则不被微波加热。微波加热具有穿透性、瞬时性和选择性加热的特点，且热量损失小、操作方便、清洁卫生无污染，已在生活生产中得到广泛应用。

传统的微波加热技术主要是用于加热食品，近年来，随着微波加热技术的发展，将微波加热技术应用于化工工业上的报道日益增多。

目前所报道的微波加热装置一般都存在着受热不均匀的现象，对物料的处理量小时此现象尤为明显，且加热温度越高现象越明显，这对反应非常不利。由于电磁场分布的不均匀，通常会出现反应器的一端物料被加热较好，特别是对一些反应过程中生成焦炭的反应，由于焦炭是很好的微波吸收物质，因此随着加热时间的延长，该物料所在区域吸收越来越多的微波能，此处物料温度越来越高，一方面会对反应器造成损坏，发生危险，另一方面对反应不利，加热不均匀会使得某些部位的温升不能达到反应或加热要求，而有些部位的温升过高，这样不仅造成了能量的浪费而且会影响整体的反应或者加热效果。这种不均匀性使得微波加热技术在需要进行均匀加热或需要严格控制反应温度的化学工业应用中受到了很大的限制。

复合材料的制备已有一些文献，比如陆有军（材料导报：综述篇，2010年24（11）14-19）等研究的碳/碳化硅陶瓷基复合材料，可以应用于航空航天、光学系统、交通工具（刹车片、阀）等，提高该材料的抗氧化、耐高温以及耐腐蚀的性能，但对该复合材料的介电性质进行调变，并将其用于微波场加热的反应器，从而有利于电磁场在被加热物料中的分布均匀性方面还鲜有报道。

发明专利申请CN102249652A和CN102390989A公开了可吸波的复合材料。在CN101871070A和CN1380877分别公开了一种陶瓷复合材料。但上述专利均不能提高微波加热的均匀度。

因此，希望提供一种耐热性好，具有良好受热均匀性，尤其是微波加热时受热均匀性的复合材料。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种复合材料，其耐热性高，调整了材料的介电性质，因而能够提高其加热的均匀性，尤其是微波加热的均匀性。采用所述复合材料得到的微波加热装置，如微波加热反应器，受热均匀，其内的物料的温度分布相对均匀，能够提高反应效果，有利于能量的充分利用，改善了加热不均匀以及微波反应装置易被烧坏的现象。

根据本发明的一个方面，提供了一种复合材料，其包括以下组分：

1）基体，选自氧化铝、氧化硅和氮化硅，所述基体基于所述复合材料的含量为90wt%以上；

2）微波响应物质，选自碳化硅、金属及其氧化物，其中所述金属选自铁、镍、钨、铬、铌、锆、钛和钼，所述微波响应物质基于所述复合材料的含量为大于0到10wt%。

根据本发明提供的复合材料，其耐热性高，其调整了材料的介电性质，因而能够提高其受热均匀性，尤其是微波加热时的受热均匀性。

根据本发明所述材料的一个具体实施例，所述基体基于所述复合材料的含量为96-99wt%。根据本发明所述材料的另一个具体实施例，所述微波响应物质基于所述复合材料的含量为1-4wt%。在所述范围内，所述复合材料具有更好的受热均匀性，尤其是微波加热时的受热均匀性。

根据本发明的另外一个方面，还提供了所述复合材料在微波加热中的应用。利用本发明提供的复合材料在微波加热时，能够提高复合材料的受热均匀性，使其内的物料受热均匀、温度分布均匀，有利于反应的进行。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于微波加热的复合材料，包括以下组分：

1）基体，选自氧化铝、氧化硅和氮化硅，所述基体基于所述复合材料的含量为90wt%以上；

2）微波响应物质，选自碳化硅、金属及其氧化物，其中所述金属选自铁、镍、钨、铬、铌、锆、钛和钼，所述微波响应物质基于所述复合材料的含量为大于0到10wt%。

根据本发明提供的复合材料，利用基本和微波响应物质的相互作用，从而具有较适宜的介电常数，在微波加热时具有良好的受热均匀性；且所述复合材料具有较高的耐热温度，提高了所述复合材料在微波加热时的实用性。

根据本发明所述的材料的一个具体实施例，所述基体基于所述复合材料的含量为96-99wt%。在另一个具体实施例中，所述微波响应物质基于所述复合材料的含量为1-4wt%。在所述范围内，所述复合材料具有更好的受热均匀性和耐热性，尤其是微波加热时的受热均匀性和耐热性。

根据本发明的另外一个方面，提供了一种微波加热反应装置材料，其包括以下组分：

1）基体，选自氧化铝、氧化硅和氮化硅，所述基体基于所述复合材料的含量为90wt%以上；

2）微波响应物质，选自碳化硅、金属及其氧化物，其中所述金属选自铁、镍、钨、铬、铌、锆、钛和钼，所述微波响应物质基于所述复合材料的含量为大于0到10wt%。

根据本发明提供的微波加热反应装置材料，利用基体和微波响应物质的相互作用，从而具有较适宜的介电常数，使微波电磁场的分布更均匀，在微波加热时具有良好的受热均匀性；且所述材料具有较高的耐热温度，提高了所述微波加热反应装置的稳定性和实用性。利用本发明提供的微波加热反应装置，其内的物料受热均匀、温度分布均衡，有利于反应的进行。

根据本发明所述的材料的一个具体实施例，所述基体基于所述复合材料的含量为96-99wt%。在另一个具体实施例中，所述微波响应物质基于所述复合材料的含量为1-4wt%。在所述范围内，所述反应装置材料在微波加热时，具有更好受热均匀性和耐热性。

根据本发明中的材料，耐热温度可高达1500℃，相对于氧化硅材质的1000℃左右的耐热温度有了较大的提高，因此在一定程度上减少了反应装置损坏的几率，提高了装置的稳定性和实用性。通过基体材料和微波响应材料的相互作用，调整该材料的介电性质，从而提高物料在所述材料制成的反应装置的受热均匀性。利用本发明提供的材料制备的反应装置用于反应时，物料的温度分布相对均匀，提高了整体的反应效果，而且由于受热均匀，即靠近反应器边壁的部位温度不会升到很高以至于反应器被高温损害。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但并不构成对本发明的任何限制。

对比例1

将由二氧化硅制成的微波反应装置用于油田钻井产生的含油钻屑的微波热解析研究。将含油钻屑装入到由复合材料制备的反应装置中，含油钻屑的装填量为30g。然后将装有含油钻屑物料的微波反应装置放入微波装置（如微波腔体）中进行反应，所用微波功率为3kW，作用时间为30s。其中含油钻屑中的油含量为15.3%，水含量为4%，密度为2120kg/m³。结果表明，使用二氧化硅材质的反应装置中的物料没有被均匀加热，在靠近微波馈入口的一侧物料更干（甚至有部分烧焦或玻璃化的现象），而远离微波馈入口一侧的物料较湿（部分仍呈固液混合状）。脱油效果数据见表1。

实施例1

由75%的氧化铝，21%的氧化硅，2%的氧化钛，1%的氧化镍，0.5%的氧化钨，0.5%的氧化铬制备而成微波反应装置1。然后类似对比例1，将微波反应装置1用于油田钻井产生的含油钻屑的微波热解析研究。结果表明，微波反应装置1中的物料被加热的更均匀，靠近微波馈入口的一侧物料与远离微波馈入口一侧的物料均较干，反应均衡。脱油效果数据见表1。

实施例2-6

实验步骤同实施例1，不同之处在于使用的微波反应装置的材质不同。其中，由95%的氧化铝，3%的氧化硅，0.5%的氧化铁，1.5%的氧化钨制备而成微波反应装置2；由95%的氧化铝，1%的氧化硅，1.5%的氧化铁，1.5%的氧化钨和1%的氧化镍制备而成微波反应装置3；以及由90%氧化铝，7%的氧化硅，1%的氧化钼，0.5%的氧化锆，0.5%的钛，0.5%的铬，0.5%的钼制备而成的微波反应装置4；以及由85%氧化铝，14%氧化硅和1%的碳化硅制备而成的微波反应装置5；以及由98%氮化硅，1%氧化铝，0.4%氧化铁和0.6%的铬制备而成的微波反应装置6。

结果也同样表明，使用本发明提供的微波反应装置2-6可以改善微波电磁场加热的均匀性，物料受热均匀，反应均衡。脱油效果数据见表1。

表1

	脱前油含量（%）	脱后油含量（%）	脱油率（%）
				对比例1	15.3	1.6	89.5
实施例1	15.3	0.3	95.4
				实施例2	15.3	0.7	95.4
实施例3	15.3	0.5	96.7
				实施例4	15.3	0.3	98.0
实施例5	15.3	0.8	94.8
				实施例6	15.3	0.6	96.1

对于难处理的含油钻屑原料，当采用大功率或长时间微波反应时，会出现玻璃化的现象，经检测此时的温度已达到1200℃，但反应器并没有任何损坏。将以上6种反应器置于马弗炉中灼烧4个小时，在温度低于1500℃的情况下，反应器均无损坏，说明其耐热温度高达1500℃。

由以上数据可见，采用本发明提供的材料的反应装置用于微波下的反应时，跟现有技术中相比，其受热更均匀，使得其中的物料也受热均匀，反应更均衡，因而油分的脱除效果更好，微波作用后油含量最低可达0.3%，远远小于国家环保法规规定的小于1%的排放标准。这就说明，根据本发明提供的材料制得的反应装置有利于提高含油钻屑的脱油率，也即能够提高反应的均衡性；这也说明了根据本发明提供的材料在微波场中具有更好的加热均匀性。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (1)

1.一种复合材料在微波加热中的应用，包括采用所述复合材料得到微波加热装置，将所述微波加热装置用于微波加热反应中，所述复合材料包括以下组分：

1)基体，选自氧化铝、氧化硅和氮化硅，所述基体基于所述复合材料的含量为96-99wt％；

2)微波响应物质，选自碳化硅、金属及其氧化物，其中所述金属选自铁、镍、钨、铬、铌、锆、钛和钼，所述微波响应物质基于所述复合材料的含量为1-4wt％。