СВЧ-установка для нагрева компаундов
Keywords:
microwave unit, mathematical modelling, heating, compound, waveguide-slot radiator, curing
Abstract
By means of mathematical modelling, the microwave heating modes of an epoxy compound have been determined that help intensify its curing process in obtaining high-energy radio-absorbing composites. The equations of electrodynamics and heat conduction were solved using the finite element method, which was implemented in the COMSOL Multiphysics software. With such approach, it became possible to solve the equations in the 3D statement, taking into account the properties of the compound and their changes in the course of microwave heating. The article presents the results from numerical studies of temperature and electric fields distribution in epoxy compound depending on the heating modes. It has been found that a microwave chamber with waveguide-slot radiators makes it possible to obtain uniform distribution of electric field and uniform heating of epoxy compound due to distribution of specific power along the entire working chamber length. The design of a methodically acting microwave unit is proposed that ensures uniform heating of epoxy compound for intensifying its curing process in obtaining high-energy radio-absorbing composites. The unit uses a two-way power supply with connection to two microwave generators to increase the productivity and improve the product heating uniformity. The developed design of the methodically acting microwave unit with a system for automatic control of processing parameters can be applied for heating of liquid compound systems with dielectric indicators close to those of epoxy resin.
References
1. Приказ Минпромторга России от 02.07.2021 № 2423 «Об утверждении плана мероприятий по импортозамещению в промышленности композитных материалов (композитов) и изделий из них Российской Федерации» (ред. от 07.08.2023).
2. Перечень критической промышленной продукции в отрасли электротехнической и кабельной промышленности на 2025 год и плановый период 2026 и 2027 годов (утв. приказом Минпромторга России от 03.03.2025 № 1035).
3. Приказ Минпромторга России от 27.03.2025 № 1462 «Об утверждении перечня критической промышленной продукции в отрасли промышленности строительных материалов (изделий) и строительных конструкций Российской Федерации на 2025 год и плановый период 2026 и 2027 годов».
4. Иржак В.И. Эпоксидные полимеры и нанокомпозиты. Черноголовка: Редакционно-издательский отдел ИПХФ РАН, 2021, 319 с.
5. Бардин А.Н. и др. Исследование теплофизических, реологических и физико-механических свойств эпоксидного связующего, модифицированного поликарбонатом. – Успехи в химии и химической технологии, 2021, т. 35, № 7 (242), с. 7–9.
6. Матросов А.В., Матросова Е.А. Исследование эпоксидных композитов, отвержденных в условиях магнитного поля методом РФА. – Бюллетень строительной техники, 2020, № 12 (1036), с. 59–61.
7. Еренков О.Ю., Яворский Д.О. Эффект электрофизической наноимпульсной обработки отвержденных полимерных связующих. – Упрочняющие технологии и покрытия, 2024, т. 20, № 2 (230), с. 56–60.
8. Хименко Л.Л. и др. Экспериментальное исследование воздействия электромагнитного СВЧ-излучения на детали из полимерных высокоэнергетических материалов. – Прикладная механика и техническая физика, 2014, т. 55, № 4 (326), с. 3–10.
9. Калганова С.Г. и др. Научные основы модификации полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле. – Вопросы электротехнологии, 2017, № 1 (14), с. 26–35.
10. Анисимов И.И., Загородников Р.А. Принципы формирования и оптимизации параметров структурно-механической модели высокоэнергетических материалов. – Южно-Сибирский научный вестник, 2014, № 3 (7), с. 83–87.
11. Беспалова Е.Е., Беляев А.А., Широков В.В. Радиопоглощающие материалы для СВЧ-излучения высокой мощности. – Труды ВИАМ, 2015, № 3, с. 7.
12. Zhou J.L. et al. High-Pressure Microwave Curing Technology for Advanced Polymer Matrix Composite Materials. – Advances in Manufacturing Technology XXXI, 2017, pp. 57–62, DOI: 10.3233/978-1-61499-792-4-57.
13. Тухватуллин М.И. СВЧ электротехнологические установки с рабочими камерами гибридного типа. Уфа: Первая типография, 2021, 160 с.
14. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия. Саратов: СГТУ, 1998, 408 с.
15. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. Саратов: СГУ, 1983, 207 с.
16. Архангельский Ю.С., Тригорлый С.В. СВЧ электротермические установки лучевого типа. Саратов: СГТУ, 2000, 257 с.
17. Просунцов П.В. и др. Моделирование прогрева связующего полимерных композиционных материалов с использованием СВЧ-излучения. – Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2018, № 12 (705), с. 83–92.
18. Kovetz А. The Principles of Electromagnetic Theory. Cambridge University Press, 1990, 238 р.
19. Сивак А.С. и др. Численное моделирование СВЧ-воздействия на полимерные композиционные материалы в рабочей камере квазикоаксиального типа. – Пластические массы, 2024, № 6, с. 36–39.
20. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1963, 472 с.
21. Сивак А.С. и др. Влияние СВЧ электромагнитного поля на распределение температуры в композиционных материалах. – Электричество, 2023, № 11, с. 27–33.
22. Сивак А.С. и др. Моделирование нагрева композитов с поглощающими наполнителями различной формы в СВЧ-камере с волноводно-щелевым излучателем. – Электричество, 2024, № 10, с. 46–56.
---
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00796, https://rscf.ru/project/24-29-00796
#
1. Prikaz Minpromtorga Rossii (Order of the Ministry of Industry and Trade of Russia) No. 2423 dated 02.07.2021.
2. Perechen’ kriticheskoy promyshlennoy produktsii v otrasli elek-trotekhnicheskoy i kabel’noy promyshlennosti na 2025 god i planovyy period 2026 i 2027 godov (utv. prikazom Minpromtorga Rossii ot 03.03.2025 No. 1035) (List of Critical Industrial Products in the Electrical and Cable Industry for 2025 and the Planned Period of 2026 and 2027 (approved by Order of the Ministry of Industry and Trade of Russia dated 03.03.2025 No. 1035)).
3. Prikaz Minpromtorga Rossii (Order of the Ministry of Industry and Trade of Russia) No. 1462 dated 27.03.2025.
4. Irzhak V.I. Epoksidnye polimery i nanokompozity (Epoxy Polymers and Nanocomposites). Chernogolovka: Redaktsionno-izda-tel’skiy otdel IPHF RAN, 2021, 319 p.
5. Bardin A.N. et al. Uspekhi v himii i himicheskoy tekhnologii – in Russ. (Advances in Chemistry and Chemical Technology), 2021, vol. 35, No. 7 (242), pp. 7–9.
6. Matrosov A.V., Matrosova E.A. Byulleten’ stroitel’noy tekhniki – in Russ. (Bulletin of Construction Machinery), 2020, No. 12 (1036), pp. 59–61.
7. Erenkov O.Yu., Yavorskiy D.O. Uprochnyayushchie tekhnolo-gii i pokrytiya – in Russ. (Hardening Technologies and Coatings), 2024, vol. 20, No. 2 (230), pp. 56–60.
8. Himenko L.L. et al. Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika – in Russ. (Applied Mechanics and Technical Physics), 2014, vol. 55, No. 4 (326), pp. 3–10.
9. Kalganova S.G. et al. Voprosy elektrotekhnologii – in Russ. (Electrical Engineering Issues), 2017, No. 1 (14), pp. 26–35.
10. Anisimov I.I., Zagorodnikov R.A. Yuzhno-Sibirskiy nauchnyy vestnik – in Russ. (South-Siberian Scientific Bulletin), 2014, No. 3 (7), pp. 83–87.
11. Bespalova E.E., Belyaev A.A., Shirokov V.V. Trudy VIAM – in Russ. (Proceedings of VIAM), 2015, No. 3, pp. 7.
12. Zhou J.L. et al. High-Pressure Microwave Curing Technology for Advanced Polymer Matrix Composite Materials. – Advances in Manufacturing Technology XXXI, 2017, pp. 57–62, DOI: 10.3233/978-1-61499-792-4-57.
13. Tuhvatullin M.I. SVCh elektrotekhnologicheskie ustanovki s rabochimi kamerami gibridnogo tipa (Microwave Electrotechnological Installations with Hybrid Type Working Chambers). Ufa: Pervaya tipografiya, 2021, 160 p.
14. Arhangel’skiy Yu.S. SVCh elektrotermiya (Microwave Electrothermia). Saratov: SGTU, 1998, 408 p.
15. Arhangel’skiy Yu.S., Devyatkin I.I. Sverhvysokochastotnye nagrevatel’nye ustanovki dlya intensifikatsii tekhnologicheskih protsessov (Ultra-High-Frequency Heating Installations for the Inten-sification of Technological Processes). Saratov: SGU, 1983, 207 p.
16. Arhangel’skiy Yu.S., Trigorlyy S.V. SVCh elektrotermicheskie ustanovki luchevogo tipa (Microwave Electrothermal Installations of the Beam Type). Saratov: SGTU, 2000, 257 p.
17. Prosuntsov P.V. et al. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Mashinostroenie – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Mechanical Engineering), 2018, No. 12 (705), pp. 83–92.
18. Kovetz A. The Principles of Electromagnetic Theory. Cambridge University Press, 1990, 238 r.
19. Sivak A.S. et al. Plasticheskie massy – in Russ. (Plastic Mas-ses), 2024, No. 6, pp. 36–39.
20. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha (Heat Transfer). M.: Energiya, 1963, 472 p.
21. Sivak A.S. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 11, pp. 27–33.
22. Sivak A.S. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2024, No. 10, pp. 46–56
---
The research was supported by a grant from the Russian Science Foundation No. 24-29-00796, https://rscf.ru/project/24-29-00796
2. Перечень критической промышленной продукции в отрасли электротехнической и кабельной промышленности на 2025 год и плановый период 2026 и 2027 годов (утв. приказом Минпромторга России от 03.03.2025 № 1035).
3. Приказ Минпромторга России от 27.03.2025 № 1462 «Об утверждении перечня критической промышленной продукции в отрасли промышленности строительных материалов (изделий) и строительных конструкций Российской Федерации на 2025 год и плановый период 2026 и 2027 годов».
4. Иржак В.И. Эпоксидные полимеры и нанокомпозиты. Черноголовка: Редакционно-издательский отдел ИПХФ РАН, 2021, 319 с.
5. Бардин А.Н. и др. Исследование теплофизических, реологических и физико-механических свойств эпоксидного связующего, модифицированного поликарбонатом. – Успехи в химии и химической технологии, 2021, т. 35, № 7 (242), с. 7–9.
6. Матросов А.В., Матросова Е.А. Исследование эпоксидных композитов, отвержденных в условиях магнитного поля методом РФА. – Бюллетень строительной техники, 2020, № 12 (1036), с. 59–61.
7. Еренков О.Ю., Яворский Д.О. Эффект электрофизической наноимпульсной обработки отвержденных полимерных связующих. – Упрочняющие технологии и покрытия, 2024, т. 20, № 2 (230), с. 56–60.
8. Хименко Л.Л. и др. Экспериментальное исследование воздействия электромагнитного СВЧ-излучения на детали из полимерных высокоэнергетических материалов. – Прикладная механика и техническая физика, 2014, т. 55, № 4 (326), с. 3–10.
9. Калганова С.Г. и др. Научные основы модификации полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле. – Вопросы электротехнологии, 2017, № 1 (14), с. 26–35.
10. Анисимов И.И., Загородников Р.А. Принципы формирования и оптимизации параметров структурно-механической модели высокоэнергетических материалов. – Южно-Сибирский научный вестник, 2014, № 3 (7), с. 83–87.
11. Беспалова Е.Е., Беляев А.А., Широков В.В. Радиопоглощающие материалы для СВЧ-излучения высокой мощности. – Труды ВИАМ, 2015, № 3, с. 7.
12. Zhou J.L. et al. High-Pressure Microwave Curing Technology for Advanced Polymer Matrix Composite Materials. – Advances in Manufacturing Technology XXXI, 2017, pp. 57–62, DOI: 10.3233/978-1-61499-792-4-57.
13. Тухватуллин М.И. СВЧ электротехнологические установки с рабочими камерами гибридного типа. Уфа: Первая типография, 2021, 160 с.
14. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия. Саратов: СГТУ, 1998, 408 с.
15. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. Саратов: СГУ, 1983, 207 с.
16. Архангельский Ю.С., Тригорлый С.В. СВЧ электротермические установки лучевого типа. Саратов: СГТУ, 2000, 257 с.
17. Просунцов П.В. и др. Моделирование прогрева связующего полимерных композиционных материалов с использованием СВЧ-излучения. – Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2018, № 12 (705), с. 83–92.
18. Kovetz А. The Principles of Electromagnetic Theory. Cambridge University Press, 1990, 238 р.
19. Сивак А.С. и др. Численное моделирование СВЧ-воздействия на полимерные композиционные материалы в рабочей камере квазикоаксиального типа. – Пластические массы, 2024, № 6, с. 36–39.
20. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1963, 472 с.
21. Сивак А.С. и др. Влияние СВЧ электромагнитного поля на распределение температуры в композиционных материалах. – Электричество, 2023, № 11, с. 27–33.
22. Сивак А.С. и др. Моделирование нагрева композитов с поглощающими наполнителями различной формы в СВЧ-камере с волноводно-щелевым излучателем. – Электричество, 2024, № 10, с. 46–56.
---
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00796, https://rscf.ru/project/24-29-00796
#
1. Prikaz Minpromtorga Rossii (Order of the Ministry of Industry and Trade of Russia) No. 2423 dated 02.07.2021.
2. Perechen’ kriticheskoy promyshlennoy produktsii v otrasli elek-trotekhnicheskoy i kabel’noy promyshlennosti na 2025 god i planovyy period 2026 i 2027 godov (utv. prikazom Minpromtorga Rossii ot 03.03.2025 No. 1035) (List of Critical Industrial Products in the Electrical and Cable Industry for 2025 and the Planned Period of 2026 and 2027 (approved by Order of the Ministry of Industry and Trade of Russia dated 03.03.2025 No. 1035)).
3. Prikaz Minpromtorga Rossii (Order of the Ministry of Industry and Trade of Russia) No. 1462 dated 27.03.2025.
4. Irzhak V.I. Epoksidnye polimery i nanokompozity (Epoxy Polymers and Nanocomposites). Chernogolovka: Redaktsionno-izda-tel’skiy otdel IPHF RAN, 2021, 319 p.
5. Bardin A.N. et al. Uspekhi v himii i himicheskoy tekhnologii – in Russ. (Advances in Chemistry and Chemical Technology), 2021, vol. 35, No. 7 (242), pp. 7–9.
6. Matrosov A.V., Matrosova E.A. Byulleten’ stroitel’noy tekhniki – in Russ. (Bulletin of Construction Machinery), 2020, No. 12 (1036), pp. 59–61.
7. Erenkov O.Yu., Yavorskiy D.O. Uprochnyayushchie tekhnolo-gii i pokrytiya – in Russ. (Hardening Technologies and Coatings), 2024, vol. 20, No. 2 (230), pp. 56–60.
8. Himenko L.L. et al. Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika – in Russ. (Applied Mechanics and Technical Physics), 2014, vol. 55, No. 4 (326), pp. 3–10.
9. Kalganova S.G. et al. Voprosy elektrotekhnologii – in Russ. (Electrical Engineering Issues), 2017, No. 1 (14), pp. 26–35.
10. Anisimov I.I., Zagorodnikov R.A. Yuzhno-Sibirskiy nauchnyy vestnik – in Russ. (South-Siberian Scientific Bulletin), 2014, No. 3 (7), pp. 83–87.
11. Bespalova E.E., Belyaev A.A., Shirokov V.V. Trudy VIAM – in Russ. (Proceedings of VIAM), 2015, No. 3, pp. 7.
12. Zhou J.L. et al. High-Pressure Microwave Curing Technology for Advanced Polymer Matrix Composite Materials. – Advances in Manufacturing Technology XXXI, 2017, pp. 57–62, DOI: 10.3233/978-1-61499-792-4-57.
13. Tuhvatullin M.I. SVCh elektrotekhnologicheskie ustanovki s rabochimi kamerami gibridnogo tipa (Microwave Electrotechnological Installations with Hybrid Type Working Chambers). Ufa: Pervaya tipografiya, 2021, 160 p.
14. Arhangel’skiy Yu.S. SVCh elektrotermiya (Microwave Electrothermia). Saratov: SGTU, 1998, 408 p.
15. Arhangel’skiy Yu.S., Devyatkin I.I. Sverhvysokochastotnye nagrevatel’nye ustanovki dlya intensifikatsii tekhnologicheskih protsessov (Ultra-High-Frequency Heating Installations for the Inten-sification of Technological Processes). Saratov: SGU, 1983, 207 p.
16. Arhangel’skiy Yu.S., Trigorlyy S.V. SVCh elektrotermicheskie ustanovki luchevogo tipa (Microwave Electrothermal Installations of the Beam Type). Saratov: SGTU, 2000, 257 p.
17. Prosuntsov P.V. et al. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Mashinostroenie – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Mechanical Engineering), 2018, No. 12 (705), pp. 83–92.
18. Kovetz A. The Principles of Electromagnetic Theory. Cambridge University Press, 1990, 238 r.
19. Sivak A.S. et al. Plasticheskie massy – in Russ. (Plastic Mas-ses), 2024, No. 6, pp. 36–39.
20. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha (Heat Transfer). M.: Energiya, 1963, 472 p.
21. Sivak A.S. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 11, pp. 27–33.
22. Sivak A.S. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2024, No. 10, pp. 46–56
---
The research was supported by a grant from the Russian Science Foundation No. 24-29-00796, https://rscf.ru/project/24-29-00796
Published
2025-06-26
Issue
Section
Article
