Modeling the Heating of Composites with Absorbing Fillers of Various Shapes in a Microwave Chamber with a C-Slit Emitter
Keywords:
mathematical modeling, heating, composite, high-energy composite, absorbing filler, microwave chamber, emitter, power control
Abstract
Based on mathematical modeling, the heating of composites with absorbing fillers of various shapes made of silicon carbide and carbon fiber in a microwave chamber with a waveguide-slit emitter is studied. The results of numerical modeling in the form of a temperature field distribution in the composite volume are presented. The influence of the shape and size of absorbing fillers on the temperature, uniformity and heating rate of composites at a given microwave power is determined. It has been established that the use of composites with absorbing fillers made of silicon carbide makes it possible to obtain more uniform heating of composites compared with fillers made of carbon fiber. The best indicators in terms of temperature, uniformity and heating rate are obtained for a composite with fillers in the form of rods of rectangular and circular cross-sections. The use of carbon fiber as absorbing fillers is limited---due to local microwave heating of individual layers of fillers – to samples of small geometric sizes. The microwave power level for forced heating of a high-energy radio-absorbing composite has been determined to achieve the required temperature and heating rate. An algorithm for stepwise control of microwave power with respect to the composite temperature has been developed to solve the problem of heating it to the binder curing temperature and heat treatment to relieve mechanical stresses.
References
1. Панков С.Е. Особенности формирования высокоэнергетических материалов на основе порошковых термитных материалов Al-Ni. – Известия ТулГУ. Технические науки, 2020, № 2, с. 165–173.
2. 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.
3. Передерин Ю.В., Попок Н.И. Метательная способность индивидуальных компонентов высокоэнергетических композитов: моделирование и прогнозирование. – Ползуновский вестник, 2013, № 3, с. 95–97.
4. 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.
5. 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.
6. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия. Саратов: СГТУ, 1998, 408 с.
7. Архангельский Ю.С. Справочная книга по СВЧ электротермии. Саратов: Научная книга, 2011, 560 с.
8. Nuhiji B. et al. Simulation of Carbon Fibre Composites in an Industrial Microwave. – Materials Today, 2021, 34(8), pp. 82–92, DOI:10.1016/j.matpr.2020.01.284.
9. Kwak M. et al. Microwave Curing of Carbon–Epoxy Composites: Penetration Depth and Material Characterization – Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015, 75, pp. 18–27, DOI:10.1016/j.compositesa.2015.04.007.
10. 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.
11. Беспалова Е.Е., Беляев А.А., Широков В.В. Радиопоглощающие материалы для СВЧ-излучения высокой мощности. – Труды ВИАМ, 2015, № 3, с. 7.
12. Иванова В.И. и др. Разработка широкополосного радиопоглощающего покрытия с высокими эксплуатационными свойствами. – Журнал радиоэлектроники, 2016, № 7, с. 1–23.
13. Быченок Д.С. и др. Поглотители СВЧ излучения на основе гофрированных композитов с углеродными волокнами. – Журнал технической физики, 2016, т. 86, № 12, с. 124–128.
14. Сивак А.С. Моделирование взаимодействия СВЧ электромагнитного поля с высокоэнергетическими радиопоглощающими композитами: дис. … канд. техн. наук. М.: НИУ (МЭИ), 2024, 147 с.
15. Сивак А.С. и др. Влияние СВЧ электромагнитного поля на распределение температуры в композиционных материалах. – Электричество, 2023, № 11, с. 27–33.
16. Сивак А.С., Калганова С.Г., Сивак Т.П. Расчетное моделирование СВЧ рабочих камер для обработки композиционных материалов. – Вопросы электротехнологии, 2022, № 3(36), с. 44–51.
17. Просунцов П.В. Моделирование прогрева связующего полимерных композиционных материалов с использованием СВЧ-излучения. – Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2018, 12(705), с. 83–92.
18. Морозов Г.А. и др. Решение проблемы СВЧ-нагрева композиционных материалов. – Физика волновых процессов и радиотехнические системы, 2016, т. 19, № 3. с. 12–16.
19. Анфиногентов В.И. и др. Выбор оптимальной структуры построения СВЧ-комплекса обработки термореактивных композитных материалов. – Известия Самарского научного центра РАН, 2012, т. 14, № 1(2), с. 525–528.
20. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. Саратов: СГУ, 1983, 140 с.
21. Архангельский Ю.С., Огурцов К.Н., Гришина Е.М. Камеры лучевого типа СВЧ электротехнологических установок. Саратов: Издательский дом «Полиграфия Поволжья», 2010, 229 с.
22. Пат. RU 2071187 C1. Камера СВЧ-нагрева диэлектриков / Л.И. Кац, А.Ю. Сомов, В.А. Сосунов, 1992.
23. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1963, 472 с.
24. Тригорлый С.В. и др. Моделирование СВЧ электротехнологических процессов и установок с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics. Саратов: Амирит, 2019, 105 с.
---
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00796, https://rscf.ru/project/24-29-00796/
#
1. Pankov S.Е. Izvestiya TulGU. Tekhnicheskie nauki – in Russ. (News of TulSU. Technical Sciences), 2020, No. 2, pp. 165–173.
2. 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.
3. Perederin Yu.V., Popok N.I. Polzunovskiy vestnik – in Russ. (Polzunovsky Bulletin), 2013, No. 3, pp. 95–97.
4. 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.
5. Kozlov A.N. et al. Izvestiya Chelyabinskogo nauchnogo tsentra UrO RAN – in Russ. (Proceedings of the Chelyabinsk Scientific Center of the Ural Branch of the RAS), 2007, No. 4, pp. 14–18.
6. Arhangel'skiy Yu.S. SVCh elektrotermiya (Microwave Electrothermia). Saratov: SGTU, 1998, 408 p.
7. Arhangel'skiy Yu.S. Spravochnaya kniga po SVCh elektrotermii (Reference Book on Microwave Electrothermy). Saratov: Nauchnaya kniga, 2011, 560 p.
8. Nuhiji B. et al. Simulation of Carbon Fibre Composites in an Industrial Microwave. – Materials Today, 2021, 34(8), pp. 82–92, DOI:10.1016/j.matpr.2020.01.284.
9. Kwak M. et al. Microwave Curing of Carbon–Epoxy Composites: Penetration Depth and Material Characterization – Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015, 75, pp. 18–27, DOI:10.1016/j.compositesa.2015.04.007.
10. 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.
11. Bespalova E.E., Belyaev A.A., Shirokov V.V. Trudy VIAM – in Russ. (Works of VIAM), 2015, No. 3, p. 7.
12. Ivanova V.I. et al. Zhurnal radioelektroniki – in Russ. (Journal of Radio Electronics), 2016, No. 7, pp. 1–23.
13. Bychenok D.S. et al. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki – in Russ. (Journal of Technical Physics), 2016, vol. 86, No. 12, pp. 124–128.
14. Sivak A.S. Modelirovanie vzaimodeystviya SVCH elektromag-nitnogo polya s vysokoenergeticheskimi radiopogloshchayushchimi kompozitami: dis. … kand. tekhn. nauk (Modeling of the Interaction of a Microwave Electromagnetic Field with High-Energy Radio-Absorbing Composites: Dis. ... Cand. Sci. (Eng.)). М.: NIU (MEI), 2024, 147 p.
15. Sivak A.S. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 11, pp. 27–33.
16. Sivak A.S., Kalganova S.G., Sivak T.P. Voprosy elektrotekhnologii – in Russ. (Electrotechnology Issues), 2022, No. 3(36), pp. 44–51.
17. Prosuntsov P.V. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Mashinostroenie – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Mechanical Engineering), 2018, 12(705), pp. 83–92.
18. Morozov G.А. et al. Fizika volnovyh protsessov i radio-tekhnicheskie sistemy – in Russ. (Physics of Wave Processes and Radio Engineering Systems), 2016, vol. 19, No. 3. pp. 12–16.
19. Anfinogentov V.I. et al. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN – in Russ. (Proceedings of the Samara Scientific Center of the RAS), 2012, vol. 14, No. 1(2), pp. 525–528.
20. Arhangel'skiy Yu.S., Devyatkin I.I. Sverhvysokochastotnye nagrevatel'nye ustanovki dlya intensifikatsii tekhnologicheskih protsessov (Ultrahigh Frequency Heating Installations for the Intensification of Technological Processes). Saratov: SGU, 1983, 140 p.
21. Arhangel'skiy Yu.S., Ogurtsov K.N., Grishina Е.М. Kamery luchevogo tipa SVCH elektrotekhnologicheskih ustanovok (Chambers of the Beam Type of Microwave Electrotechnological Installations). Saratov: Izdatel'skiy dom «Poligrafiya Povolzh'ya», 2010, 229 p.
22. Pаt. RU 2071187 C1. Kamera SVCH-nagreva dielektrikov (Microwave Heating Chamber of Dielectrics) / L.I. Katz, A.Yu. Somov, V.A. Sosunov, 1992.
23. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha (Heat Transfer). M.: Energiya, 1963, 472 p.
24. Trigorlyy S.V. et al. Modelirovanie SVCH elektrotekhnologi-cheskih 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
---
The research was supported by a grant from the Russian Science Foundation No. 24-29-00796, https://rscf.ru/project/24-29-00796
2. 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.
3. Передерин Ю.В., Попок Н.И. Метательная способность индивидуальных компонентов высокоэнергетических композитов: моделирование и прогнозирование. – Ползуновский вестник, 2013, № 3, с. 95–97.
4. 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.
5. 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.
6. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия. Саратов: СГТУ, 1998, 408 с.
7. Архангельский Ю.С. Справочная книга по СВЧ электротермии. Саратов: Научная книга, 2011, 560 с.
8. Nuhiji B. et al. Simulation of Carbon Fibre Composites in an Industrial Microwave. – Materials Today, 2021, 34(8), pp. 82–92, DOI:10.1016/j.matpr.2020.01.284.
9. Kwak M. et al. Microwave Curing of Carbon–Epoxy Composites: Penetration Depth and Material Characterization – Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015, 75, pp. 18–27, DOI:10.1016/j.compositesa.2015.04.007.
10. 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.
11. Беспалова Е.Е., Беляев А.А., Широков В.В. Радиопоглощающие материалы для СВЧ-излучения высокой мощности. – Труды ВИАМ, 2015, № 3, с. 7.
12. Иванова В.И. и др. Разработка широкополосного радиопоглощающего покрытия с высокими эксплуатационными свойствами. – Журнал радиоэлектроники, 2016, № 7, с. 1–23.
13. Быченок Д.С. и др. Поглотители СВЧ излучения на основе гофрированных композитов с углеродными волокнами. – Журнал технической физики, 2016, т. 86, № 12, с. 124–128.
14. Сивак А.С. Моделирование взаимодействия СВЧ электромагнитного поля с высокоэнергетическими радиопоглощающими композитами: дис. … канд. техн. наук. М.: НИУ (МЭИ), 2024, 147 с.
15. Сивак А.С. и др. Влияние СВЧ электромагнитного поля на распределение температуры в композиционных материалах. – Электричество, 2023, № 11, с. 27–33.
16. Сивак А.С., Калганова С.Г., Сивак Т.П. Расчетное моделирование СВЧ рабочих камер для обработки композиционных материалов. – Вопросы электротехнологии, 2022, № 3(36), с. 44–51.
17. Просунцов П.В. Моделирование прогрева связующего полимерных композиционных материалов с использованием СВЧ-излучения. – Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2018, 12(705), с. 83–92.
18. Морозов Г.А. и др. Решение проблемы СВЧ-нагрева композиционных материалов. – Физика волновых процессов и радиотехнические системы, 2016, т. 19, № 3. с. 12–16.
19. Анфиногентов В.И. и др. Выбор оптимальной структуры построения СВЧ-комплекса обработки термореактивных композитных материалов. – Известия Самарского научного центра РАН, 2012, т. 14, № 1(2), с. 525–528.
20. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. Саратов: СГУ, 1983, 140 с.
21. Архангельский Ю.С., Огурцов К.Н., Гришина Е.М. Камеры лучевого типа СВЧ электротехнологических установок. Саратов: Издательский дом «Полиграфия Поволжья», 2010, 229 с.
22. Пат. RU 2071187 C1. Камера СВЧ-нагрева диэлектриков / Л.И. Кац, А.Ю. Сомов, В.А. Сосунов, 1992.
23. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1963, 472 с.
24. Тригорлый С.В. и др. Моделирование СВЧ электротехнологических процессов и установок с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics. Саратов: Амирит, 2019, 105 с.
---
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00796, https://rscf.ru/project/24-29-00796/
#
1. Pankov S.Е. Izvestiya TulGU. Tekhnicheskie nauki – in Russ. (News of TulSU. Technical Sciences), 2020, No. 2, pp. 165–173.
2. 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.
3. Perederin Yu.V., Popok N.I. Polzunovskiy vestnik – in Russ. (Polzunovsky Bulletin), 2013, No. 3, pp. 95–97.
4. 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.
5. Kozlov A.N. et al. Izvestiya Chelyabinskogo nauchnogo tsentra UrO RAN – in Russ. (Proceedings of the Chelyabinsk Scientific Center of the Ural Branch of the RAS), 2007, No. 4, pp. 14–18.
6. Arhangel'skiy Yu.S. SVCh elektrotermiya (Microwave Electrothermia). Saratov: SGTU, 1998, 408 p.
7. Arhangel'skiy Yu.S. Spravochnaya kniga po SVCh elektrotermii (Reference Book on Microwave Electrothermy). Saratov: Nauchnaya kniga, 2011, 560 p.
8. Nuhiji B. et al. Simulation of Carbon Fibre Composites in an Industrial Microwave. – Materials Today, 2021, 34(8), pp. 82–92, DOI:10.1016/j.matpr.2020.01.284.
9. Kwak M. et al. Microwave Curing of Carbon–Epoxy Composites: Penetration Depth and Material Characterization – Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015, 75, pp. 18–27, DOI:10.1016/j.compositesa.2015.04.007.
10. 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.
11. Bespalova E.E., Belyaev A.A., Shirokov V.V. Trudy VIAM – in Russ. (Works of VIAM), 2015, No. 3, p. 7.
12. Ivanova V.I. et al. Zhurnal radioelektroniki – in Russ. (Journal of Radio Electronics), 2016, No. 7, pp. 1–23.
13. Bychenok D.S. et al. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki – in Russ. (Journal of Technical Physics), 2016, vol. 86, No. 12, pp. 124–128.
14. Sivak A.S. Modelirovanie vzaimodeystviya SVCH elektromag-nitnogo polya s vysokoenergeticheskimi radiopogloshchayushchimi kompozitami: dis. … kand. tekhn. nauk (Modeling of the Interaction of a Microwave Electromagnetic Field with High-Energy Radio-Absorbing Composites: Dis. ... Cand. Sci. (Eng.)). М.: NIU (MEI), 2024, 147 p.
15. Sivak A.S. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 11, pp. 27–33.
16. Sivak A.S., Kalganova S.G., Sivak T.P. Voprosy elektrotekhnologii – in Russ. (Electrotechnology Issues), 2022, No. 3(36), pp. 44–51.
17. Prosuntsov P.V. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Mashinostroenie – in Russ. (News of Higher Educational Institutions. Mechanical Engineering), 2018, 12(705), pp. 83–92.
18. Morozov G.А. et al. Fizika volnovyh protsessov i radio-tekhnicheskie sistemy – in Russ. (Physics of Wave Processes and Radio Engineering Systems), 2016, vol. 19, No. 3. pp. 12–16.
19. Anfinogentov V.I. et al. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN – in Russ. (Proceedings of the Samara Scientific Center of the RAS), 2012, vol. 14, No. 1(2), pp. 525–528.
20. Arhangel'skiy Yu.S., Devyatkin I.I. Sverhvysokochastotnye nagrevatel'nye ustanovki dlya intensifikatsii tekhnologicheskih protsessov (Ultrahigh Frequency Heating Installations for the Intensification of Technological Processes). Saratov: SGU, 1983, 140 p.
21. Arhangel'skiy Yu.S., Ogurtsov K.N., Grishina Е.М. Kamery luchevogo tipa SVCH elektrotekhnologicheskih ustanovok (Chambers of the Beam Type of Microwave Electrotechnological Installations). Saratov: Izdatel'skiy dom «Poligrafiya Povolzh'ya», 2010, 229 p.
22. Pаt. RU 2071187 C1. Kamera SVCH-nagreva dielektrikov (Microwave Heating Chamber of Dielectrics) / L.I. Katz, A.Yu. Somov, V.A. Sosunov, 1992.
23. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha (Heat Transfer). M.: Energiya, 1963, 472 p.
24. Trigorlyy S.V. et al. Modelirovanie SVCH elektrotekhnologi-cheskih 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
---
The research was supported by a grant from the Russian Science Foundation No. 24-29-00796, https://rscf.ru/project/24-29-00796
Published
2024-08-29
Issue
Section
Article
