Моделирование нагрева композитов с поглощающими наполнителями различной формы в СВЧ-камере с волноводно-щелевым излучателем
Ключевые слова:
математическое моделирование, нагрев, композит, высокоэнергетический композит, поглощающий наполнитель, СВЧ-камера, излучатель, регулирование мощности
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
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
