Выбор оптимальной структуры построения СВЧ-комплекса обработки термореактивных композитных материалов

В настоящее время СВЧ-технологии находят все большее применение в процессах обработки различных материалов. Преимущественные качества технологии СВЧ-обработки позволяют осуществлять такие технологические операций как нагрев, сушка, вулканизация и девулканизация, упрочнение и деструкция материалов, ряд других процессов [1, 2], что делает их привлекательными для температурной обработки (сушки) полимерных композиционных материалов (ПКМ).

Цель работы: выбор структуры СВЧ-установки для обработки протяженных (листовых) изделий из препрегов термореактивных полимерных композиционных материалов, позволяющей наилучшим образом обеспечить равномерность температурной обработки заготовок изделий.

поля в камерах обработки.

термореактивные полимеры, композиты, функцио-

Комплекс СВЧ-обработки изделий из термореактивных ПКМ. При работе с композиционными материалами, одним из определяющих параметров является ориентация волокон. При этом непрерывный процесс изготовления дает дополнительное преимущество, обеспечивая надежный контроль их ориентации и натяжения. Изготовление гофрированных и плоских листов – это самое старое непрерывное промышленное производство композиционных материалов. Анализ научно-технической литературы, а также данных предварительных экспериментов показывает, что применение СВЧ-технологий позволяет интенсифицировать процессы изготовления изделий из препрегов термореактивных ПКМ (ТПКМ) [1-4]. Так как полимерное связующее, входящее в состав ТПКМ, относятся к полярным диэлектрикам, то на СВЧ-частотах воздействия в обобщенную поляризацию молекул (так же и в вид образуемой матрицы) основной вклад вносят дипольная и объемная виды поляризации [1]. При управлении степенью включения каждого из видов поляризации возникает возможность «информационного» воздействия и получения изделия с иными, улучшенными характеристиками по отношению к традиционным (температурным) методам изготовления. Кроме того, преимуществом СВЧ-технологий является увеличение скорости достижения вязкотекучего состояния и стадии отверждения ТПКМ за счет передачи энергии электромагнитного поля СВЧ-диапазона практически по всему объему обрабатываемого материала без потерь. Перечисленные преимущества можно реализовать в различных вариантах микроволновых технологических комплексах. По способу возбуждения ЭМП, СВЧ-комплексы условно подразделяются на одноэлементные и многоэлементные. Некоторые, наиболее целесообразные на взгляд авторов с точки зрения построения структуры таких комплексов для обработки изделий из препрегов ТПКМ, в качестве примеров представлены ниже.

Одноэлементные СВЧ-установки. Камера обработки изделия (рис. 1а), представляет собой рупорный облучатель, в основание которой помещается предварительно формованное изделие из ТПКМ. Источником ЭМП СВЧ-диапазона является магнетрон (средняя частота генерации F 1 , выходная мощность Р₁ ). Генерируемая мощность

СВЧ поступает по волноводу в камеру с препрегом из ТПКМ, в котором происходит поглощение энергии ЭМП. Контроль параметров во время процесса полимеризации производится системой измерения. По совокупности параметров, полученных из системы измерения протекающего процесса, осуществляется управление режимами обработки. Достоинство – простота реализации схемы.

Другой вариант одноэлементного СВЧ-комплекса представлен на рис. 1b, где в отличие от схемы, представленной на рис. 1a, камера обработки исполнена в виде закрытого объемного резонатора. Недостатком такой системы является сложность в обеспечении равномерного распределения ЭМП по всему объему и не возможность обработки габаритных изделий (листовых).

a)                                                              b)

Рис. 1. Обобщенные блок-схемы одноэлементных СВЧ комплексов обработки изделий из ТПКМ на основе: a) закрытого рупорного излучателя; b) закрытого резонатора:

1 – волновод; 2 – соединительные фланцы; 3 – уголковый поворот; 4 – рупорный облучатель; 5 – изделие из ПКМ; 6 – регулируемая подставка, совмещенная с системой отражателей; 7 – распределенная система датчиков физических параметров; 8 – система обеспечения вакуума; 9 – система загрузки и выгрузки изделия; 10 – радиопоглощающий

материал

a)                                                              b)

Рис. 2. Обобщенные блок-схемы многоэлементных СВЧ комплексов обработки изделий из ТПКМ на основе: a) закрытой волноводной камеры; b) закрытой резонаторно-рупорной камеры:

1 – система загрузки изделия; 2 – радиопоглощающий материал; 3 – изделие из ПКМ; 4 – система распределенных излучателей микроволнового поля; 5 – распределенная система датчиков физических параметров; 6 – система выгрузки изделия; 7 – система распределенных генераторов микроволнового поля и рупорных излучателей

Многоэлементные СВЧ-установки. На схеме, представленной на рис. 2a обработка изделия из ТПКМ осуществляется в рабочей камере, представляющий собой закрытый волновод. Обеспечение распределения ЭМП по объему изделия осуществляется распределенной системой излучателей 4. Предварительно формованное изделие из ПКМ вводиться и выводиться системами загрузки и выгрузки. Недостатком, так же как и предыдущей схемы, можно считать сложность изготовления крупногабаритных форм изделия.

Таким образом, для обеспечения обработки крупногабаритных листовых форм изделий из препрегов ТПКМ наиболее предпочтительно построение камеры обработки в виде закрытого объемного резонатора, а для обеспечения равномерного распределения ЭМП по всему объему обрабатываемого изделия - распределенная многоэлементная система формирования ЭМП на основе рупорных излучателей (рис. 2b). Необходимо более детальное рассмотрение вопросов обеспечения равномерного распределения ЭМП в камере обработки и проведения моделирования таких систем построения комплексов.

Моделирование равномерного нагрева. Одним из требований, предъявляемых к распределению температуры в рабочей камере СВЧ-технологической установки, является ее равномерность по всему объему диэлектрика. Неравномерность распределения температуры в диэлектрике может сопровождаться большими температурными напряжениями, связанными с перегревом некоторых его частей, что в конечном итоге сказывается на качестве СВЧ-обработки материалов и изделий. Зачастую требование равномерности температурного поля при СВЧ-нагреве заменяется требованием создания и поддержания равно амплитудного электромагнитного по всему объему обрабатываемого диэлектрика, что в данном случае эквивалентно требованию равномерного нагрева. Для получения равномерного СВЧ-нагрева протяженного диэлектрика воспользуемся многоэлементной излучающей системой, расположенной над его поверхностью. В работе [5] показано, что при решении данной задачи функции:

2 a FS

T ( z , y , t ) = T o + ^^₂^₂^ ( exp ( a ( 4 ^a + b ) t ) ^— 1 ) exp ( ^{— 2 a} z ) E Y i exp ( ^— by ^— y. I)

и т = т +

2 a FS

1 4 a ²

—

п2

4 d ²

2 f„  2    п2 ) )  .)                          П (y — y,)

exp a 4 a--\t — 1 exp — 2 a z >  y cos------- —,

I I      4 d2 J J J (        м          2 d

при коэффициенте теплообмена к=2аХ , определяют распределение температуры в диэлектрике для многоэлементной системы возбуждения электромагнитного поля, при частном значении коэффициента теплообмена на границе диэлектрика, и при z=0. В выражениях (1) и (2) приняты следующие обозначения: у = y i координаты i -го излучателя, расположенного над поверхностью диэлектрика, Y i — амплитуды возбуждения излучателей, c, р, X - теплоемкость, плотность и теплопроводность; а - коэффициент затухания, F e -коэффициент энергетического прохождения, S 0 -вектор Пойнтинга в вакууме.

Для улучшения равномерности распределения температуры возникает необходимость проведения операции оптимизации амплитуд возбуждения излучателей Yi. В качестве критерия оптимизации выбран минимаксный критерий, как наиболее соответствующий улучшению равномерности электромагнитного и температурного полей, где амплитуды возбуждения излучателей Yi определены из условия минимума величины max ys[ yi,y2 ]

n ф ( y )— Е УФ( y, у; ) 0       i=1 i       i

где ф(y) = ^ 7,ФФХy, yi-), фi) (y, y^) - нормированная функция, определяющая вид поверхностного распределения СВЧ-воздействия i-го излучателя, расположенного над поверхностью диэлектрика в точке с координатой y=yi, для получения равномерного температурного поля в качестве функции ф (y) можно выбирать функцию тождественно равную единице на отрезке [y1,y2].

На рис. 3 приведены кривые, отражающие зависимость температуры от координаты y вдоль диэлектрика на разной глубине, соответствующие оптимизированному распределению амплитуд возбуждения излучателей Y i . Пять источников электромагнитного поля расположены симметрично относительно центрального источника, расположенного в точке y =0, на расстоянии 1,25 м друг от друга. При оптимизации по критерию (3) были получены следующие значения: Y 1 =Y 5 = 0,922, Y 2 =Y 3 =Y 4 = 0,717. На том же рисунке приведены кривые, отражающие зависимость температуры от координаты y вдоль диэлектрика на разной глубине, соответствующие одиночному источнику, расположенному в точке у =0. Для кривых 1 и 4 глубина z =0, для кривых 2 и 5 - z= 0,05 м, а для кривых 3 и 6 - z= 0,1 м. Расчеты проводились при значениях электрофизических параметров соответствующих стеклопластику.

Приведенные на рис. 3 кривые показывают, что, во-первых, с увеличением глубины неравномерность температуры уменьшается (для кривой 1 величина неравномерности температуры δ=0,091, для кривой 2 – δ=0,082, а для кривой 3 – δ=0,068) и, во-вторых, многоэлементное оптимизированное возбуждение источников существенно улучшает равномерность температурного поля по сравнению с одиночным источником (δ=0,54 для кривой 4, δ=0,46 для кривой 5 и δ=0,34 для кривой 6). При вычислении величины δ неравномерности температуры в качестве заданной температуры Тзад использовалась величина 0,5(Тmax+Tmin).

Если наряду с оптимизацией амплитуд возбуждения излучателей γ i осуществлять еще оптимизацию координат расположения источников электромагнитного поля и вид функций, отражающих форму поверхностного распределения воздействия СВЧ-излучения, то улучшение равномерности температурного поля может быть еще более значительным.

Рис. 3. Распределение температуры вдоль диэлектрика относительно центрального излучателя в точке y =0

Выводы: как видно из приведенных на рис. 3 результатов, приведенная на рис. 2b схема установки позволяет обеспечить достаточную равномерность температурного поля, но лишь вдоль диэлектрика, в то время как отличие температуры на поверхности и в глубине остается значительным. Однако в ряде важных практических случаев этого оказывается достаточным и эта схема установки позволяет осуществлять изготовление изделий из ТПКМ, в частности, протяженных плоских. Недостатком этой схемы СВЧ-установки является усложнение системы формирования температурных и электромагнитных полей, связанное с необходимостью учета взаимных связей излучателей. Более простой способ заключается в применение в качестве камеры обработки рупора достаточно большой длины, в раскрыве которого устанавливаются обрабатываемые образцы композиционного материала в состоянии препрега, вплотную прилегающий к отражающей поверхности (например, как показано на рис. 1a).

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Государственного контракта № 16.513.11.3114.