The Effect of a Microwave Electromagnetic Field on the Temperature Distribution in Composite Materials
Keywords:
high-energy composite, absorbing filler, mathematical modeling, microwave energy, heat treatment
Abstract
The article addresses the study of heating dynamics of a high-energy composite (HEC) with a microwave energy-absorbing filler located in a radio-transparent polymer matrix. A mathematical model comprising a system of interrelated equations of electrodynamics and heat transfer is used as a tool for investigating the influence of microwave EMF on the heating dynamics of a composite with a microwave energy-absorbing filler. The article presents the results of numerical mathematical modeling in the form of temperature field distribution in the composite volume and in the selected sections of the absorbing filler. The electromagnetic wave electric field strength distribution along the length of the waveguide with HEC samples of different shape for different location of the absorbing filler in the polymer matrix volume is obtained. The influence of the filler type, shape and dimensions, and the location of samples in the working chamber on the heating dynamics during the processing in the microwave electromagnetic field is shown.
References
1. Никитин С.А., Винокурова Р.И. Высокоэнергетические материалы в технике и народном хозяйстве. – Научному прогрессу – творчество молодых, 2018, № 1, с. 160–163.
2. Сейсенова А.Б. и др. Влияние добавок на характеристики горения высокоэнергетических твердых соединении. – Chronos, 2019, № 9 (36), с. 50–55.
3. Gundawar M.K. High-Energy Materials Application. – Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, 2020, pp. 401–419, DOI:10.1016/b978-0-12-818829-3.00018-6.
4. Kondratev R. Microwave Solid Fuel Ignition. – Journal of Physics: Conference Series, 2021, 2094(5): 052054, DOI:10.1088/1742-6596/2094/5/052054.
5. Передерин Ю.В., Попок Н.И. Метательная способность индивидуальных компонентов высокоэнергетических композитов: моделирование и прогнозирование. – Ползуновский вестник, 2013, № 3, с. 95–97.
6. Передерин Ю.В. Прогнозирование свойств высокоэнергетических композитов с использованием информационных технологий: автореф. дис.… канд. техн. наук. Бийск, 2013, 19 с.
7. Панков С.Е. Особенности формирования высокоэнергетических материалов на основе порошковых термитных материалов Al-Ni. – Известия ТулГУ. Технические науки, 2020, № 2, с. 165–173.
8. Николаев Г.С., Сазонова Е.А. Современные и перспективные высокоэнергетические материалы в системах разделения космических аппаратов. – Проблемы и перспективы развития АПК и сельских территорий, 2022, т. 1, с. 515–519.
9. 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.
10. Козлов А.Н. и др. Экспериментальное исследование воздействия СВЧ-излучения на образцы топлива твердотопливных ракетных двигателей. – Известия Челябинского научного центра УрО РАН, 2007, № 4, с. 14–18.
11. Пономарев С.Г., Сидорцова О.Л., Кормилицин М.Н. Керамические поглотители СВЧ энергии на основе алюминиево-магниевой шпинели. – Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, 2018, т. 18, № 3, с. 705–708.
12. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия. Саратов: СГТУ, 1998, 408 с.
13. Тригорлый С.В. и др. Моделирование СВЧ-нагрева диэлектриков с поглощающими СВЧ-энергию наполнителями в камерах с бегущей волной. – Вопросы электротехнологии, 2020, № 4(29), с. 15–23.
14. Sun J., Wang W., Yue Q. Review on Microwave-Matter Interaction Fundamentals and Efficient Microwave-Associated Heating Strategies. – Materials, 2016, 9(4): 231, DOI:10.3390/ma9040231.
15. Васинкина Е.Ю. СВЧ модификация эпоксидного базальтонаполненного олигомера для улучшения функциональных свойств композита на его основе: дис. … канд. техн. наук. Саратов, 2023, 154 с.
16. Тригорлый С.В. и др. Моделирование СВЧ электротехнологических процессов и установок с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics. Саратов: Амирит, 2019, 105 с.
17. Alekseev V.S. et al. Numerical Simulation of the Processes of Microwave Heating of Dielectrics in Traveling Wave Chambers. – International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2019, DOI:10.1109/ICOECS46375.2019.8949964.
18. Захаров В.В., Тригорлый С.В. Численные и экспериментальные исследования процессов СВЧ термообработки диэлектриков в СВЧ камерах бегущей волны. – Вопросы электротехнологии, 2020, № 1 (26), с. 14–22.
19. Bekeshev A. et al. Modeling of the Modification Process of an Epoxy Basalt-Filled Oligomer in Traveling Wave Microwave Chambers. – Journal of Composites Science, 2023, 7(9): 392, DOI:10.3390/jcs7090392.
#
1. Nikitin S.A., Vinokurova R.I. Nauchnomu progressu – tvorchestvo molodyh – in Russ. (Scientific Progress – Creativity of the Young), 2018, No. 1, pp. 160–163.
2. Seysenova A.B. et al. Chronos, 2019, No. 9 (36), pp. 50–55.
3. Gundawar M.K. High-Energy Materials Application. – Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, 2020, pp. 401–419, DOI:10.1016/b978-0-12-818829-3.00018-6.
4. Kondratev R. Microwave Solid Fuel Ignition. – Journal of Physics: Conference Series, 2021, 2094(5): 052054, DOI:10.1088/1742-6596/2094/5/052054.
5. Perederin Yu.V., Popok N.I. Polzunovskiy vestnik – in Russ. (Polzunovsky Bulletin), 2013, No. 3, pp. 95–97.
6. Perederin Yu.V. Prognozirovanie svoystv vysokoenergeticheskih kompozitov s ispol'zovaniem informatsionnyh tekhnologiy: avtoref. dis.… kand. tekhn. nauk. (Forecasting the Properties of High-Energy Composites Using Information Technologies: Abstract. Dis.... Cand. Sci.(Eng.)). Biysk, 2013, 19 p.
7. Pankov S.Е. Izvestiya TulGU. Tekhnicheskie nauki – in Russ. (News of TulSU. Technical Sciences), 2020, No. 2, pp. 165–173.
8. Nikolaev G.S., Sazonova Е.А. Problemy i perspektivy razvitiya APK i sel'skih territoriy – in Russ. (Problems and Prospects for the Development of Agriculture and Rural Areas), 2022, vol. 1, pp. 515–519.
9. 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.
10. Kozlov A.N. et al. Izvestiya Chelyabinskogo nauchnogo tsentra UrO RAN – in Russ. (News of the Chelyabinsk Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences), 2007, No. 4, pp. 14–18.
11. Ponomarev S.G., Sidortsova O.L., Kormilitsin M.N. Fundamental'nye problemy radioelektronnogo priborostroeniya – in Russ. (Fundamental Problems of Electronic Instrumentation), 2018, vol. 18, No. 3, pp. 705–708.
12. Arhangel'skiy Yu.S. SVCH elektrotermiya (Microwave Electrothermia). Saratov: SGTU, 1998, 408 p.
13. Trigorlyy S.V. et al. Voprosy elektrotekhnologii – in Russ. (Questions of Electrical Technology), 2020, No. 4(29), pp. 15–23.
14. Sun J., Wang W., Yue Q. Review on Microwave-Matter Interaction Fundamentals and Efficient Microwave-Associated Heating Strategies. – Materials, 2016, 9(4): 231, DOI:10.3390/ma9040231.
15. Vasinkina E.Yu. SVCH modifikatsiya epoksidnogo bazal'to-napolnennogo oligomera dlya uluchsheniya funktsional'nyh svoystv kompozita na ego osnove: dis. … kand. tekhn. nauk (Microwave Modification of Epoxy Basalt-Filled Oligomer to Improve the Fun-ctional Properties of a Composite Based on It: Dis. ... Cand. Sci. (Eng.). Saratov, 2023, 154 p.
16. Trigorlyy S.V. et al. Modelirovanie SVCH elektrotekhnolo-gicheskih protsessov i ustanovok s pomoshch'yu programmnogo paketa COMSOL Multiphysics (Modeling of Microwave Electrotechnological Processes and Installations Using the COMSOL Multiphysics Software Package). Saratov: Amirit, 2019, 105 p.
17. Alekseev V.S. et al. Numerical Simulation of the Processes of Microwave Heating of Dielectrics in Traveling Wave Chambers. – International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2019, DOI:10.1109/ICOECS46375.2019.8949964.
18. Zaharov V.V., Trigorlyy S.V. Voprosy elektrotekhnologii – in Russ. (Questions of Electrical Technology), 2020, No. 1 (26), pp. 14–22.
19. Bekeshev A. et al. Modeling of the Modification Process of an Epoxy Basalt-Filled Oligomer in Traveling Wave Microwave Chambers. – Journal of Composites Science, 2023, 7(9): 392, DOI:10.3390/jcs7090392
2. Сейсенова А.Б. и др. Влияние добавок на характеристики горения высокоэнергетических твердых соединении. – Chronos, 2019, № 9 (36), с. 50–55.
3. Gundawar M.K. High-Energy Materials Application. – Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, 2020, pp. 401–419, DOI:10.1016/b978-0-12-818829-3.00018-6.
4. Kondratev R. Microwave Solid Fuel Ignition. – Journal of Physics: Conference Series, 2021, 2094(5): 052054, DOI:10.1088/1742-6596/2094/5/052054.
5. Передерин Ю.В., Попок Н.И. Метательная способность индивидуальных компонентов высокоэнергетических композитов: моделирование и прогнозирование. – Ползуновский вестник, 2013, № 3, с. 95–97.
6. Передерин Ю.В. Прогнозирование свойств высокоэнергетических композитов с использованием информационных технологий: автореф. дис.… канд. техн. наук. Бийск, 2013, 19 с.
7. Панков С.Е. Особенности формирования высокоэнергетических материалов на основе порошковых термитных материалов Al-Ni. – Известия ТулГУ. Технические науки, 2020, № 2, с. 165–173.
8. Николаев Г.С., Сазонова Е.А. Современные и перспективные высокоэнергетические материалы в системах разделения космических аппаратов. – Проблемы и перспективы развития АПК и сельских территорий, 2022, т. 1, с. 515–519.
9. 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.
10. Козлов А.Н. и др. Экспериментальное исследование воздействия СВЧ-излучения на образцы топлива твердотопливных ракетных двигателей. – Известия Челябинского научного центра УрО РАН, 2007, № 4, с. 14–18.
11. Пономарев С.Г., Сидорцова О.Л., Кормилицин М.Н. Керамические поглотители СВЧ энергии на основе алюминиево-магниевой шпинели. – Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, 2018, т. 18, № 3, с. 705–708.
12. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия. Саратов: СГТУ, 1998, 408 с.
13. Тригорлый С.В. и др. Моделирование СВЧ-нагрева диэлектриков с поглощающими СВЧ-энергию наполнителями в камерах с бегущей волной. – Вопросы электротехнологии, 2020, № 4(29), с. 15–23.
14. Sun J., Wang W., Yue Q. Review on Microwave-Matter Interaction Fundamentals and Efficient Microwave-Associated Heating Strategies. – Materials, 2016, 9(4): 231, DOI:10.3390/ma9040231.
15. Васинкина Е.Ю. СВЧ модификация эпоксидного базальтонаполненного олигомера для улучшения функциональных свойств композита на его основе: дис. … канд. техн. наук. Саратов, 2023, 154 с.
16. Тригорлый С.В. и др. Моделирование СВЧ электротехнологических процессов и установок с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics. Саратов: Амирит, 2019, 105 с.
17. Alekseev V.S. et al. Numerical Simulation of the Processes of Microwave Heating of Dielectrics in Traveling Wave Chambers. – International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2019, DOI:10.1109/ICOECS46375.2019.8949964.
18. Захаров В.В., Тригорлый С.В. Численные и экспериментальные исследования процессов СВЧ термообработки диэлектриков в СВЧ камерах бегущей волны. – Вопросы электротехнологии, 2020, № 1 (26), с. 14–22.
19. Bekeshev A. et al. Modeling of the Modification Process of an Epoxy Basalt-Filled Oligomer in Traveling Wave Microwave Chambers. – Journal of Composites Science, 2023, 7(9): 392, DOI:10.3390/jcs7090392.
#
1. Nikitin S.A., Vinokurova R.I. Nauchnomu progressu – tvorchestvo molodyh – in Russ. (Scientific Progress – Creativity of the Young), 2018, No. 1, pp. 160–163.
2. Seysenova A.B. et al. Chronos, 2019, No. 9 (36), pp. 50–55.
3. Gundawar M.K. High-Energy Materials Application. – Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, 2020, pp. 401–419, DOI:10.1016/b978-0-12-818829-3.00018-6.
4. Kondratev R. Microwave Solid Fuel Ignition. – Journal of Physics: Conference Series, 2021, 2094(5): 052054, DOI:10.1088/1742-6596/2094/5/052054.
5. Perederin Yu.V., Popok N.I. Polzunovskiy vestnik – in Russ. (Polzunovsky Bulletin), 2013, No. 3, pp. 95–97.
6. Perederin Yu.V. Prognozirovanie svoystv vysokoenergeticheskih kompozitov s ispol'zovaniem informatsionnyh tekhnologiy: avtoref. dis.… kand. tekhn. nauk. (Forecasting the Properties of High-Energy Composites Using Information Technologies: Abstract. Dis.... Cand. Sci.(Eng.)). Biysk, 2013, 19 p.
7. Pankov S.Е. Izvestiya TulGU. Tekhnicheskie nauki – in Russ. (News of TulSU. Technical Sciences), 2020, No. 2, pp. 165–173.
8. Nikolaev G.S., Sazonova Е.А. Problemy i perspektivy razvitiya APK i sel'skih territoriy – in Russ. (Problems and Prospects for the Development of Agriculture and Rural Areas), 2022, vol. 1, pp. 515–519.
9. 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.
10. Kozlov A.N. et al. Izvestiya Chelyabinskogo nauchnogo tsentra UrO RAN – in Russ. (News of the Chelyabinsk Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences), 2007, No. 4, pp. 14–18.
11. Ponomarev S.G., Sidortsova O.L., Kormilitsin M.N. Fundamental'nye problemy radioelektronnogo priborostroeniya – in Russ. (Fundamental Problems of Electronic Instrumentation), 2018, vol. 18, No. 3, pp. 705–708.
12. Arhangel'skiy Yu.S. SVCH elektrotermiya (Microwave Electrothermia). Saratov: SGTU, 1998, 408 p.
13. Trigorlyy S.V. et al. Voprosy elektrotekhnologii – in Russ. (Questions of Electrical Technology), 2020, No. 4(29), pp. 15–23.
14. Sun J., Wang W., Yue Q. Review on Microwave-Matter Interaction Fundamentals and Efficient Microwave-Associated Heating Strategies. – Materials, 2016, 9(4): 231, DOI:10.3390/ma9040231.
15. Vasinkina E.Yu. SVCH modifikatsiya epoksidnogo bazal'to-napolnennogo oligomera dlya uluchsheniya funktsional'nyh svoystv kompozita na ego osnove: dis. … kand. tekhn. nauk (Microwave Modification of Epoxy Basalt-Filled Oligomer to Improve the Fun-ctional Properties of a Composite Based on It: Dis. ... Cand. Sci. (Eng.). Saratov, 2023, 154 p.
16. Trigorlyy S.V. et al. Modelirovanie SVCH elektrotekhnolo-gicheskih protsessov i ustanovok s pomoshch'yu programmnogo paketa COMSOL Multiphysics (Modeling of Microwave Electrotechnological Processes and Installations Using the COMSOL Multiphysics Software Package). Saratov: Amirit, 2019, 105 p.
17. Alekseev V.S. et al. Numerical Simulation of the Processes of Microwave Heating of Dielectrics in Traveling Wave Chambers. – International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems, 2019, DOI:10.1109/ICOECS46375.2019.8949964.
18. Zaharov V.V., Trigorlyy S.V. Voprosy elektrotekhnologii – in Russ. (Questions of Electrical Technology), 2020, No. 1 (26), pp. 14–22.
19. Bekeshev A. et al. Modeling of the Modification Process of an Epoxy Basalt-Filled Oligomer in Traveling Wave Microwave Chambers. – Journal of Composites Science, 2023, 7(9): 392, DOI:10.3390/jcs7090392
Published
2023-09-28
Issue
Section
Article
