СВЧ-установка для нагрева компаундов
Ключевые слова:
СВЧ-установка, математическое моделирование, нагрев, компаунд, волноводно-щелевой излучатель, отверждение
Аннотация
На основе математического моделирования определены режимы СВЧ-нагрева эпоксидного компаунда для интенсификации процесса его отверждения при получении высокоэнергетических радиопоглощающих композитов. Решение уравнений электродинамики и теплопроводности выполнялось с помощью метода конечных элементов, который был реализован в программе COMSOL Multiphysics. Это позволило решать уравнения в трехмерной постановке с учетом свойств компаунда и их изменения в процессе СВЧ-нагрева. В статье приведены результаты численных исследований распределения температурных и электрических полей в эпоксидном компаунде в зависимости от режимов нагрева. Установлено, что СВЧ-камера с волноводно-щелевыми излучателями позволяет получить равномерное распределение электрического поля и равномерный нагрев эпоксидного компаунда за счет распределения удельной мощности по всей длине рабочей камеры. Предложена конструкция СВЧ-установки методического действия, обеспечивающая равномерный нагрев эпоксидного компаунда, для интенсификации процесса отверждения при получении высокоэнергетических радиопоглощающих композитов. В установке используется двухстороннее питание с подключением к двум СВЧ-генераторам для увеличения производительности и равномерности нагрева объекта. Разработанная конструкция СВЧ-установки методического действия с системой автоматического регулирования параметров обработки может быть применена для нагрева жидких компаундных систем с диэлектрическими показателями, близкими к эпоксидной смоле.
Литература
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
