1 微波固化的原理

对于微波固化的机理，有“致热效应”和“非致热效应”两种解释。

• 微波的“致热效应”认为微波是一种内加热，使反应体系温度升高而加速反应，导致树脂体系固化。目前，传统观点认为微波固化主要是由于微波的“致热效应”，固化机理是：在微波电磁场作用下，材料中的极性分子由随机分布状态转为依电场方向进行取向排列，这种取向运动以每秒数十亿次的频率不断变化，造成分子的剧烈运动与碰撞摩擦，从而产生热量，实现电磁能直接转化为介质内的热能。
• 微波的“非致热效应”认为微波除了具有热效应外，还存在一种不是由温度引起的非热效应，它能改变反应动力学，降低反应活化能。微波的“非致热效应”一般认为来自于微波辐射场对离子和极性分子的洛仑兹力作用。

微波固化时，交变电磁场直接与材料内的分子发生相互作用，由介电损耗或磁损耗直接将微波能转化为热能，实现对材料的“体积加热”，这种相互作用主要由材料的介电性能决定。在均匀的微波辐射下，材料对微波能量的吸收可以用公式（１ ）表示：

Ｐ 为单位体积内的吸收能，Ｗ/ｍ3；
ｆ 为微波频率，Hz； 
Ｅ 为电场强度，V/m ；
ε′ 为介电常数， F/m ；
tan δ 为介质损耗角正切。

由上（1）可知，材料吸收微波的能力主要由其介质损耗因数来决定，即介质损耗因数越大，对微波的吸收能力越强。

微波透过介质表面进入其内部，由于介质对微波能的吸收而转化为热量，随着穿透距离的增加，微波所携带的能量会以指数形式衰减。微波的穿透深度可以定义为：微波功率从介质表面衰减到表面值的 1/e（36.8％ ）时的透入距离。当超出穿透深度后，由于微
波能量衰减严重，微波的体积加热特性可以忽略。若自由空间的介电常数为 ε０ ，微波的穿透深度可用公式（２）表示：

 ｄ 为微波穿透深度，ｍ ； 
 c为微波传播速率， ｍ/s ；
ｆ 为微波频率， Hz；
 ε ″为介电损耗因子。

由此可见，微波的穿透深度随波长的增大而变大，微波频率越高，波长越 短，其 穿 透 能 力 也 越 弱。对 于 0.915GHz 和2.45GHz的常用微波频率而言，穿透深度约为几厘米到几十厘米的范围，微波辐射作用下大致可以实现对介质的内外均匀一致加热。

2 环氧树脂的微波固化

环氧树脂体系有环氧／多元胺、环氧／酸酐、环氧／聚酰胺等
环氧／多元胺体系是环氧树脂微波固化的主要研究对象，其中树脂基体大多采用双酚 Ａ 型环氧树脂（ ＤＧＥＢＡ ），固化剂有二氨基二苯甲烷（ ＤＤＭ ）、二氨基二苯砜（ ＤＤＳ ）、间苯二胺（ｍＰＤＡ ）等。

• ＤＧＥＢＡ ／ＤＤＭ 体系，微波固化能够提高固化反应速率 ，不会改变最终产物的分子结构；微波固化产物具有与热固化相当或更高 的玻璃化转变温度（Ｔｇ ），而拉伸强度比热固化稍低 。

• 对于 ＤＧＥＢＡ／ ＤＤＳ体系，微波固化反应速率显著增加，但产物最终固化度低于热固化。

• 对于 ＤＧＥＢＡ ／ ｍＰＤＡ 体系，微波固化能够加快固化反应速率，微波固化产物的Tg与热固化相当或更高

• 对 ＤＧＥＢＡ ／ ３ＤＣＭ （二氨甲基环己基甲烷）体系进行微波固化研究，结果表明：与热固化相比，微波固化能提高反应速率，缩短凝胶和玻璃化时间；微波固化产物拉伸性能优于热固化，原因是微波固化后体系内部更加均匀。

• Ｙａｒｌａｇａｄｄａ等使用异 佛尔酮二胺 （ Ｈ２４０３ ）、环己胺 （ Ｈ２４０９ ）固 化Ｒ2512，Ｒ2515，Ｒ2516三种环氧树脂，研究发现与热固化相比，微波固化具有更高的Tg，可以提高环氧树脂的力学性能。

• 环氧／酸酐体系微波固化的研究结果表明，微波固化比热固化时间显著减少，固化效率明显提高。

结论：

（１ ）在微波辐射作用下，大部分环氧树脂体系的反应速率比热固化均有所提高，但提高的幅度不尽相同，这说明微波固化对环氧树脂体系具有一定的选择性；
（２ ）与热固化相比，微波固化对反应产物的力学性能是否存在影响，目前各文献报道的研究结果有所不同，但总体上讲影响不是很大；
（３ ）大多数的研究结果均报道称，与热固化相比，环氧树脂的微波固化产物具有相当或更高的 Ｔ ｇ ，表明微波固化在提高环氧树脂固化产物耐热性能上具有积极作用。

微波固化

微波固化过程中，由于环氧树脂固化反应的进行，极性基团数量减少，体系黏度变大，介电常数和介质损耗因数都会随温度、固化度及化学结构而发生变化。
因此，可以通过监测固化过程中介电常数、介电松弛等性能参数的变化来建立微波辐射条件与环氧树脂微波固化过程的关系，进而确定最佳微波固化工艺。
微波输入模式分为连续输入和脉冲输入都会影响固化效率和程度。

根据材料对微波的反射和吸收情况不同，可以将其分为微波良导体、绝缘体、微波介质和磁性化合物四种材料。

金属粉末、炭黑、碳纳米管、碳纤维等是微波良导体，能传播微波能量，微波损耗机理主要是电损耗；
碳酸钙、氢氧化镁、碳化硅等属于微波介质，能不同程度吸收微波能而被加热，升温效果明显，微波损耗机理主要是介质损耗；
钛酸钡、钛酸锆、四氧化三铁等属于磁性化合物，类似于微波介质，微波损耗主要是磁损耗。

因此，在环氧树脂微波固化时，往树脂体系中添加一些高性能的微波吸收材料（金属颗粒、无机化合物或纤维增强体），可以改善树脂体系的介电性能，提高微波吸收能力，进而加快环氧树脂的微波固化反应，缩短微波固化时间。

3.2 颗粒增强环氧树脂复合材料

添加能够较强吸收微波的金属或无机非金属颗粒来提升环氧树脂体系微波吸收能力是一种简单易行的方法。特别是纳米微波吸收颗粒与环氧树脂复合后，还可以有效提高其力学性能、热性能。

3.3纤维增强环氧树脂复合材料

在微波辐射下玻璃纤维增强环氧复合材料固化不受纤维取向和极化角的影响；单向碳纤维增强环氧复合材料固化效率决定于极化角，
９０°时达到最大固化效率；复合材料对微波能的吸收与材料的介电特性和厚度有关。
纤维增强环氧树脂复合材料微波固化的研究涉及的纤维增强体主要有金属纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维等.
金属纤维是微波良导体，能够选择性吸收微波能，缩短复合材料固化周期；还可以提升纤维与环氧基体界面处的温度，提高界面处环氧树脂的固化反应速率，增强纤维表面与树脂之间的化学作用，从而改善复合材料界面性能

现有问题

两个关键技术问题：

• （１ ）尽可能地达到微波均匀固化；
• （２ ）尽可能地降低复合材料固化制品的孔隙率。

环氧树脂基复合材料微波固化不均匀性主要来自于两个方面：

• 一是微波腔中电磁场分布的不均匀性；
• 二是复合材料的形状、大小、结构与介电特性等因素的影响。

对于上述关键技术
问题一，改善微波腔中电磁场的均匀性，是有效地提高环氧树脂基复合材料微波固化均匀性的重要手段。同时，在微波固化过程中，不断改变复合材料在电磁场中的位置，也可提高复合材料对微波能吸收的均匀性。

针对上述关键技术问题二，降低微波固化成型过程中复合材料孔隙率有三种途径：

• 一是对微波功率和辐射时间进行精确控制；
• 二是在微波固化过程中结合真空袋压法；
• 三是在微波固化过程中使用类似于热压罐成型的工艺。
  后两种途径均是采用压力（大气压或高压）在适当的树脂黏度范围内移除排出和分散溶解孔隙，从而降低孔隙率。

参考文献

[1]徐学宏,王小群,闫超,等.环氧树脂及其复合材料微波固化研究进展[J].材料工程,2016,44(08):111-120.