Моделирование нагрева композитов с поглощающими наполнителями различной формы в СВЧ-камере с волноводно-щелевым излучателем
Аннотация
На основе математического моделирования проведено исследование нагрева композитов с поглощающими наполнителями различной формы из карбида кремния и углеродного волокна в СВЧ-камере с волноводно-щелевым излучателем. В статье приведены результаты численного моделирования в виде распределения температурного поля в объеме композита. Определено влияние формы и размеров поглощающих наполнителей на температуру, равномерность и скорость нагрева композитов при заданной СВЧ-мощности. Установлено, что применение композитов с поглощающими наполнителями из карбида кремния позволяет получить большую равномерность нагрева композитов по сравнению с наполнителями из углеродного волокна. Наилучшие показатели по температуре, равномерности и скорости нагрева получены для композита с наполнителями в форме стержней прямоугольного и круглого сечения. Использование углеродного волокна в качестве поглощающих наполнителей вследствие локального СВЧ-нагрева отдельных слоев наполнителей ограничено образцами небольших геометрических размеров. Определен уровень СВЧ-мощности для форсированного нагрева высокоэнергетического радиопоглощающего композита с целью достижения требуемой температуры и скорости нагрева. Разработан алгоритм ступенчатого регулирования СВЧ-мощности по температуре композита для решения задачи его нагрева до температуры отверждения связующего и термообработки для снятия механических напряжений.
Литература
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/
