微波加热金属导体的仿真研究

基于有限元软件COMSOL Multiphysics，建立了置于谐振腔的铜电极的电磁场与热传导双向耦合模型。在解析铜电极热源的基础上，通过加热位置的参数化扫描，确定了铜电极在腔体中加热效率最高的最佳位置。其次，研究了铜表面粗糙度与温度之间的关系，发现表面粗糙度在0~10 μm时温度急剧递增，在10~50 μm时温度平缓，稳定在2250℃~2264℃之间。该温度已达到激发液下等离子体条件。

微波是一类频率介于300 MHz 和300 GHz 的电磁波， 微波加热方法具有非接触式加热、选择性加热、快速加热及体积加热等特点[1]。不同材料与微波产生作用机制不同[2]：对于低复介电常数的塑料而言， 其吸波能力较差，微波能利用率低；对于具有良好绝缘性和耐热性的玻璃，其不与微波产生作用，吸波能力差，而容易穿透；而对于金属而言，可以根据其三种存在形态(块状、粉末状、尖端金属)分为反射、烧结、放电[3]。对于块状光滑金属而言，微波与其发生作用仅局限于金属表面，无法进行体加热，表现为反射电磁波。同时金属作为良导体，在电磁场下存在明显趋肤效应，交变电磁场在金属表面感生出表面电场，产生的感应电流只分布在其表层，引起焦耳热[2]。微波频率愈高，金属导电能力愈强，趋肤效应愈明显，趋肤深度δ 亦愈小。

Satoshi Horikoshi， Nick Serpone 等人[4]提出一套利用微波加热金属电极(Electrode)产生等离子体的反应装置，如图1 所示。在该装置中微波发生器(MW generator)产生微波，波导管(Waveguide)将微波导入腔体， 微波在腔体中连续发射， 最终部分微波在电极表面产生感应电流引发焦耳热， 电极顶端产生2000℃以上的高温从而激发等离子体产生。

Figure 1. Apparatus of microwave heating of metallic electrode to generate plasma [4] 图1. 微波加热金属电极产生等离子体的反应装置[4] Ismail Rahim 等人[5]曾利用类似的装置在2.45 GHz 微波和磁控管功率为700 W 的条件下激发金属表面产生高温，激发可燃冰产生等离子体获取氢能。

利用微波加热金属电极产生等离子体在纳米材料制备、水处理、可燃冰开采以及金刚石薄膜制备等方面已经获得了广泛应用，可是如何利用电磁波在金属导体表面传播来获得高温却鲜有报道。本文利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics，建立了一套电磁–固体传热双向耦合模型，研究了金属电极在腔体中的位置和表面粗糙度对金属电极温度的影响，结果表明金属电极的位置是获得高温的关键。