1.引言

傳統材料已成為人類生活中不可或缺的產品形式。使用新型材料替代傳統材料應用是困難的。然而，復合材料領域的快速發展已經徹底改變了材料科學與工程領域的發展。近年來，聚合物復合材料的進步和材料特性的改善成為學術界研究的熱點，為新材料的應用提供了機會。先進的聚合物復合材料，如纖維（碳、芳族聚酰胺、玻璃等）增強復合材料，以其輕量化、高質量、強度、腐蝕和耐化學性等特點正在被優先用于許多領域。合成纖維增強聚合物復合材料已在建筑領域室內和室外得到廣泛的應用。盡管這些復合材料相比傳統材料機械性能優越，但它們在使用中也暴露出許多問題。比如纖維/聚合物復合材料較差的機械加工性和不可生物降解性等。在當前環保需求大環境的驅動下，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，從而促進了天然纖維增強聚合物復合材料的發展。

在過去的二十年中，天然纖維作為熱塑性聚合物的增強材料，如椰殼、紅麻、黃麻、劍麻等已經取得了相關的研究進展。這些環境友好的復合材料正被應用在汽車制造領域。關于聚合物和纖維分類的相關綜述已有報道，這些材料的加工制造技術，如、注塑、拉擠、擠壓、壓縮、模塑等也被廣泛應用于復合材料工業制造領域。在基于加熱的材料加工的傳統工藝中，提供外部熱量，會影響材料的性能。常規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構和機械性能。常規加熱方法大致有三種，分別是通過傳導、對流和輻射流動。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，由于聚合物的結晶過程是復雜的，且與冷卻速度有關。在冷卻過程中靜置較長時間可能在材料內部表現出粗晶粒結構，造成材料性能損失。另外，較快的冷卻速度則會導致較低的結晶度，導致分子鏈由非晶態轉變為結晶態的轉化率低，從而影響材料性能。加工溫度分布不均勻、纖維損傷、更長的固化時間、溫度梯度、效率低、能耗高、廢物產生和昂貴的設備都是傳統技術用于制造聚合物復合材料的缺點，因此，需要開發先進材料生產工藝。利用微波對材料先進行處理，可減少后續加工能耗，處理速度更快且更環保。在微波加熱使用的過去50年中，與聚合物加工相關的發展情況如圖1所示。

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

微波最初用于通信領域。珀西·斯賓塞（Percy Spencer）1946年的實驗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用于1999年變得更加廣泛，目前該技術仍在研究和發展階段。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。有研究表明，可以使用較低的能量形式對陶瓷、聚合物及其復合材料進行加工。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度和復雜性電介質材料的相對介電常數，低介電聚合物的損耗情況可忽略。這對處理時間、能耗、成本、完全固化的時間，均勻固化、生產率和機械性能以及熱性能的優化有積極意義。微波相互作用取決于材料特性（即電和磁）與電磁波的關系。微波處理中的加熱機制取決于目標材料的類型，例如非磁性或磁性。如果是非磁性材料（如水（H₂O））偶極損耗在發熱中占主導地位，而對于金屬和高導電性材料（如鋁（Al）、鐵（Fe）），傳導損失在熱量產生中占主導地位。另一方面在具有傳導損耗的磁性材料（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）產生的熱量占主導地位。大多數聚合物材料也具有低介電常數，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物的纖維來提高整體材料的介電常數。

PMC的微波處理溫度低于500℃。在微波處理過程中會發生均勻的整體加熱。確保微波加熱固化的均勻性，固化溫度控制是必要的。低溫微波固化技術的應用挑戰是復合材料表面的溫度分布和內部的磁場分布不均勻。溫度分布的變化是由于在低強度場和高強度場的區域內，微波加熱器在內部形成熱源點的結果。溫度分布不均勻會導致復合材料嚴重變形。在這方面，許多確保微波均勻的方法加熱已經被研究出來，主要可分為兩類：隨機補償溫控法與主動溫控法。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現。在最近的研究中，Sun提出了一種改進微波加熱均勻性的方法。該方法是通過實時改變材料的表面溫度實現均勻加熱。然而，在先進復合材料加工的應用中，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。在此基礎下， Zhou等人提出了智能溫度控制法。這個方法可以監控材料表面不同區域溫度的實時動態變化。該方法與以前存在的控制方法相比可以根據實時溫差建議在需要高溫的地方加熱。由于可以使用微波進行均勻的加熱，使聚合物通過微波處理得到的復合產品與傳統工藝相比有更好固化性能。微波混合加熱（MHH）已經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）復合材料的機械性能。此外，研究人員通過研究，已經可以在使用碳化硅（SiC）或木炭粉末作為基體材料的區域上將大部分微波聚焦在特定位置進行加熱，這種方法被稱為選擇性加熱。還有相關報道指出，在加熱時間內，只有一個材料的特定區域暴露于EM輻射加熱PMC材料。然而關于天然纖維增強復合材料（NFRC）的微波加熱工藝的研究報道很少。微波加熱工藝制備天然/合成纖維增強的聚合物復合材料的性能和技術將在后面章節中討論。

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