УСТАНОВКА ДЛЯ НАГРЕВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2025 года по МПК B29C35/00 H05B6/64 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области обработки полимерных композиционных материалов и изделий с помощью микроволнового и конвективного нагрева в процессах отверждения, термообработки для получения композиционных материалов на основе термореактивных связующих различной формы и может найти широкое применение при изготовлении композиционных материалов с различными наполнителями.

Уровень техники

Известна установка для непрерывного изготовления стержня из композиционного материала (см. патент RU 2412813, МПК B29C 55/30, опубл. 27.02.2011), включающая шпулярник, узел ориентирования армирующих волокон, узел пропитки волокон термореактивным связующим с отжимным устройством, формующую фильеру, оплеточное устройство, полимеризационные камеры, протяжный и отрезной механизмы. Полимеризационные камеры сгруппированы по стадиям изменения состояния связующего от жидкого до твердого с возможностью варьирования количеством камер в группе и расстоянием между группами камер, причем камеры соединены волноводами и последовательно запитаны в каждой группе, по меньшей мере, от одного источника СВЧ-излучения, выполнены в виде волноводных отрезков, размещенных с обеспечением расположения армирующих волокон протягиваемого через них стержня параллельно силовым линиям СВЧ-поля, каждая группа камер оснащена вытяжной вентиляцией и, в соответствии с количеством источников СВЧ-излучения, снабжена поглощающей нагрузкой, в СВЧ пропускающем проеме которой размещена диафрагма, при этом через все камеры пропущена труба с расположенным в ней ленточным транспортером, выполненные из СВЧ прозрачного материала.

Недостатком данной установки является использование источника СВЧ-излучения в виде волноводных отрезков, имеющих низкое согласование с нагрузкой - поглощающим СВЧ-энергию стержнем их композиционного материала и, как следствие, низким КПД.

Известно микроволновое устройство для термообработки полимерных композиционных материалов (см. патент RU 193907, МПК H05B 6/64, опубл. 21.11.2019), содержащее источник микроволнового излучения, камеру нагрева со шлюзовыми камерами, установленными на входе и выходе, диэлектрическую трубку с водой, диэлектрическая трубка имеет в поперечном сечении форму прямоугольника. Камера нагрева выполнена цилиндрической с расположенными по обеим сторонам камеры шлюзовыми камерами цилиндрической формы, внутри по оси размещены установленные последовательно друг в друге металлическая труба, внутренняя цилиндрическая труба и внешняя цилиндрическая труба, выполненные из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями. Металлическая труба имеет контакт с внутренней цилиндрической трубой, с внешней стороны вокруг внешней цилиндрической трубы, выполненной из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, обернута диэлектрическая трубка, заполненная водой, между диэлектрической трубкой с водой и внешней поверхностью шлюзовой камеры, в периодической последовательности расположены контактные металлические пластины, устройство дополнительно снабжено, по меньшей мере, одним источником микроволнового излучения, источники микроволнового излучения расположены на камере нагрева таким образом, чтобы обеспечить на поверхности нагреваемого материала трубы одинаковую плотность микроволновой энергии для формирования равномерного нагрева полимерных композиционных материалов.

Недостатком известного устройства является ограничение его применения для термообработки полимерных композиционных материалов, имеющих форму цилиндрической трубы.

Известно микроволновое устройство для термообработки стержневого изделия из полимерного композиционного материала (см. патент RU 203860, МПК B29C 35/00, опубл. 23.04.2021), содержащее последовательно соединенные первую и вторую секции для нагрева изделия, при этом первая секция состоит из волновода и связанных с ним источника микроволнового излучения и элемента для поглощения избыточной энергии, а вторая секция состоит из круглого диафрагмированного волновода и связанных с ним источника микроволнового излучения и элемента для поглощения избыточной энергии. Устройство снабжено трубой, установленной внутри упомянутых секций с возможностью перемещения в ней обрабатываемого стержневого изделия и выполненной из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, и шлюзами, выполненными в виде круглых запредельных волноводов, которые установлены на упомянутой трубе на входе первой секции, между секциями и на выходе второй секции, при этом волновод первой секции выполнен с прямоугольным сечением, изогнутым в форме меандра с плотно прилегающими друг к другу смежными участками, работающим на основном типе волны Н₁₀.

Однако устройство неспособно обрабатывать крупногабаритные объекты, поскольку необходимо перемещать обрабатываемый стержень в волноводе ограниченных размеров через середину широкой стенки волновода параллельно узким стенкам.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема заключается в разработке установки для микроволнового и конвективного нагрева полимерных композиционных материалов различной формы на основе термореактивных связующих с равномерным температурным полем в объеме объекта обработки.

Технический результат заключается в сокращении времени отвержения термореактивного связующего и термообработки полимерного композиционного материала, за счет чего достигается увеличение скорости технологического процесса и получение готового полимерного композиционного материала заданной формы.

Технический результат достигается тем, что установка для нагрева полимерных композиционных материалов, согласно решению, содержит рабочую камеру с установленным в ней керамическим муфелем, внутри которого расположены электрические нагреватели, на внутренней поверхности муфеля установлен металлический экран, а на внешней поверхности - теплоизоляция, в верхней части камеры выполнено окно для присоединения, по меньшей мере, одного волноводно-щелевого излучателя, к двум выводам которого подключены СВЧ-генераторы, к выходам которых подключен регулятор микроволнового нагрева, соединенный с бесконтактным пирометром, частично установленным в корпусе рабочей камеры, с наружной стороны рабочей камеры к электрическим нагревателям присоединен регулятор мощности электрических нагревателей, к которому через задатчик температуры подключен контактный термометр сопротивления, расположенный внутри рабочей камеры, при этом рабочая камера имеет дверцу, а внутри неё размещена кювета, предназначенная для размещения обрабатываемого полимерного композиционного материала.

Кювета выполнена из фторопласта.

Волноводно-щелевой излучатель выполнен из волноводной трубы, одна из широких стенок которого выполнена в виде щелевой структуры, обеспечивающей на поверхности обрабатываемого материала равномерное распределение плотности микроволновой энергии.

В качестве регулятора микроволнового нагрева используют микропроцессорный регулятор.

В качестве регулятора мощности электрических нагревателей используют тиристорный регулятор мощности.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - изображена структурная схема заявляемой установки; на фиг. 2 - показан вид установки сбоку (без СВЧ-генераторов); на фиг. 3 - показан вид установки сверху (без СВЧ-генераторов); на фиг. 4 - показаны расчетные значения изменения температуры во времени в поперечном сечении полимерного композиционного материала для нижней точки (а), средней точки (б) и верхней точки (в) с учетом регулирования СВЧ-мощности (г).

Позициями на чертежах обозначено:

1 - рабочая камера;

2 - кювета;

3 - полимерный композиционный материал;

4 - дверца рабочей камеры;

5 - керамический муфель;

6 - электрические нагреватели;

7 - теплоизоляция;

8 - металлический экран;

9 - волноводно-щелевой излучатель с двухсторонним питанием;

10 - СВЧ-генератор;

11 - регулятор микроволнового нагрева;

12 - бесконтактный пирометр;

13 - регулятор мощности электрических нагревателей;

14 - задатчик температуры воздуха;

15 - контактный термометр сопротивления.

Осуществление изобретения

Заявляемая установка содержит рабочую камеру 1, внутри которой размещена кювета 2 из материала с малыми диэлектрическими потерями. Рабочая камера 1 состоит из керамического муфеля 5, электрических нагревателей 6, находящихся внутри муфеля, теплоизоляции 7 с наружной поверхности муфеля для уменьшения тепловых потерь и увеличения КПД установки и металлического экрана 8 на внутренней поверхности муфеля для отражения СВЧ-мощности от внутренних стенок рабочей камеры и уменьшения рассеяния микроволновой энергии и увеличения КПД установки (фиг. 1). Рабочая камера 1 сбоку имеет дверцу 4 (фиг. 2, 3).

В верхней части рабочей камеры 1 имеется прямоугольное окно для присоединения, по меньшей мере, одного волноводно-щелевого излучателя 9, к двум выводам которого подключены два СВЧ-генератора 10.

Кювета с малыми диэлектрическими потерями 2 для обрабатываемого полимерного композиционного материала 3 выполнена из фторопласта и имеет форму готового изделия из полимерного композиционного материала.

Волноводно-щелевой излучатель 9, подключенный к двум СВЧ-генераторам 10, выполнен из волноводной трубы, одна из широких стенок которого выполнена в виде щелевой структуры, обеспечивающей на поверхности обрабатываемого материала равномерное распределение плотности микроволновой энергии. Конструкция волновода со щелевой структурой описана, например, в патенте RU 2454786. Количество волноводно-щелевых излучателей выбирается таким образом, чтобы на единицу поверхности нагреваемого полимерного композиционного материала приходилась одинаковое количество СВЧ-мощности.

В качестве полимерного композиционного материала выбирают материал с малыми диэлектрическими потерями.

Для достижения равномерного температурного поля в полимерном композиционном материале 3 нагрев осуществляют как за счет внутренних источников теплоты в объеме материала, обусловленных диэлектрическими потерями при микроволновом воздействии от волноводного-щелевого излучателя 9, так и за счет конвективного теплообмена между воздухом внутри рабочей камеры, нагретым за счет электрических нагревателей 6, и наружной поверхностью кюветы 2 с композиционным материалом 3.

Для регулирования мощности микроволнового воздействия и объемного нагрева полимерного композиционного материала в качестве регулятора микроволнового нагрева используют микропроцессорный регулятор 11, который управляет температурой композиционного материала 3 за счет изменения мощности СВЧ-генераторов 10 по сигналам от бесконтактного пирометра, находящегося внутри цилиндрической трубки (запредельного волновода) 12, измеряющего температуру наружной поверхности кюветы 2 с композиционным материалом 3.

Для регулирования нагрева наружной поверхности кюветы 2 с композиционным материалом 3 за счет конвективного теплообмена с воздухом используют тиристорный регулятор мощности электрических нагревателей 13, к которому через задатчик температуры 14 подключен контактный термометр сопротивления 15, расположенный внутри рабочей камеры 1.

Установка работает следующим образом.

Полимерный композиционный материал на основе термореактивных связующих 3 помещают в радиопрозрачную кювету 2 и загружают через дверцу 4 ввода/вывода в рабочую камеру 1. В рабочую камеру 1 через волноводно-щелевой излучатель 9 подают микроволновое электромагнитное излучение, и осуществляют объемный нагрев композиционного материала 3 за счет диэлектрических потерь. Волноводно-щелевой излучатель 9, подключенный к двум СВЧ-генераторам 10, обеспечивает на поверхности обрабатываемого материала необходимое распределение плотности микроволновой энергии для равномерного нагрева объема полимерного композиционного материала. Микропроцессорный регулятор микроволнового нагрева 11 по сигналам от бесконтактного пирометра 12, измеряющего температуру наружной поверхности кюветы 2 с композиционным материалом 3 за счет регулирования микроволновой мощности СВЧ-генераторов 10 управляет температурой полимерного композиционного материала 3 в зависимости от стадии технологического процесса получения полимерного композиционного материала (отверждение, термообработка).

С помощью электрических нагревателей 6 воздух внутри рабочей камеры 1 нагревается до заданной величины для осуществления конвективного поверхностного нагрева обрабатываемого полимерного композиционного материала. Поддержание требуемой температуры воздуха в камере 1 выполняют тиристорным регулятором мощности электрических нагревателей 13 по сигналам от задатчика температуры 14 в случае отклонения контролируемой контактным термометр сопротивления 15 температуры воздуха в камере 1 от заданной величины.

Для обеспечения равномерного температурного поля в полимерных композиционных материалах на основе термореактивных связующих необходимо на основе проведения расчетного моделирования выбрать размеры рабочей камеры для обрабатываемого материала, оптимальное расположение радиопрозрачной кюветы с композиционным материалом в рабочей камере, мощность СВЧ-генераторов, режимы регулирования мощности в зависимости от формы и физических свойств обрабатываемого материала и требований технологического процесса к температурному режиму.

Заявителем было проведено расчетное моделирование установки микроволнового и конвективного нагрева на примере получения композиционного материала на основе полимерной матрицы из эпоксидной смолы ЭД-20 с поглощающим СВЧ-энергию наполнителем из карбида кремния. В качестве наполнителя использовали стержни круглого сечения радиусом R=1мм. Частота СВЧ-генераторов составляла 2,45 ГГц. Полимерную матрицу с наполнителем помещали в радиопрозрачную фторопластовую кювету размерами 40×40×150 мм, расположенную в середине СВЧ-камеры в нижней его части (фиг. 1). Физические свойства полимерной матрицы и поглощающего наполнителя приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Физические свойства материалов композита

Наименование свойств Единица измерения Наименование материалов Эпоксидная смола ЭД-20 Карбид кремния Действительная часть относительной диэлектрической проницаемости, ε' Отн. ед. 4 9,75 Мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости, ε'' Отн. ед. 0,09 8,48 Коэффициент теплопроводности Вт/(м K) 0,21 31 Удельная теплоемкость Дж/(кг K) 723 670 Плотность кг/м³ 1235 3200

По условиям технологии температуры отверждения T_отв = 150…160°С и термообработки T_обр = 90..120°C. Результаты моделирования (фиг.4) показаны в виде расчетных значений изменения температуры во времени в поперечном сечении композиционного материала для верхней точки (фиг. 4а), средней точки (фиг. 4б) и нижней точки (фиг. 4в) с учетом регулирования СВЧ-мощности (фиг. 4г).

Установлено, что для поддержания требуемой температуры композиционного материала температура воздуха в СВЧ-камере должна составлять T_в = 90°C, а уровень СВЧ-мощности, подаваемой на каждый ввод излучателя, при ступенчатом регулировании составляет: в режиме начального нагрева композиционного материала P₁ = 30 Вт. (фиг. 4г), а в дальнейшем на этапах отверждения и термообработки - P₂ = 9 Вт. В течение периода отверждения связующего (от 1000 с до 3600 с) максимальная разность температуры в композиционном материале составляет ΔT=22°C, в дальнейшем при термообработке для снятия напряжений разность температуры уменьшается от ΔT=15°C до ΔT=1°C, что удовлетворяет технологическим требованиям. Скорость достижения температуры отверждения при микроволновом и конвективном нагреве в заявляемой установке в 2,5 раза выше, чем при традиционном конвективном нагреве.

Таким образом, заявляемая установка позволяет достичь равномерного нагрева в объеме полимерного композиционного материала на всех стадиях технологического процесса (отверждение, термообработка), получать композиционный материал заданной формы, сократить время отвержения термореактивного связующего, за счет чего достигается увеличение скорости технологического процесса и повышение производительности установки.

Изобретение относится к установке для нагрева полимерных композиционных материалов. Техническим результатом является сокращение времени отвержения термореактивного связующего и термообработки полимерного композиционного материала. Технический результат достигается тем, что установка для нагрева полимерных композиционных материалов содержит рабочую камеру с установленным в ней керамическим муфелем, внутри которого расположены электрические нагреватели. На внутренней поверхности муфеля установлен металлический экран, а на внешней поверхности - теплоизоляция. В верхней части камеры выполнено окно для присоединения, по меньшей мере, одного волноводно-щелевого излучателя, к двум выводам которого подключены СВЧ-генераторы, к выходам которых подключен регулятор микроволнового нагрева, соединенный с бесконтактным пирометром, частично установленным в корпусе рабочей камеры. С наружной стороны рабочей камеры к электрическим нагревателям присоединен регулятор мощности электрических нагревателей, к которому через задатчик температуры подключен контактный термометр сопротивления, расположенный внутри рабочей камеры. При этом рабочая камера имеет дверцу, а внутри неё размещена кювета, предназначенная для размещения обрабатываемого полимерного композиционного материала. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Установка для нагрева полимерных композиционных материалов, характеризующаяся тем, что содержит рабочую камеру с установленным в ней керамическим муфелем, внутри которого расположены электрические нагреватели, на внутренней поверхности муфеля установлен металлический экран, а на внешней поверхности - теплоизоляция, в верхней части камеры выполнено окно для присоединения, по меньшей мере, одного волноводно-щелевого излучателя, к двум выводам которого подключены СВЧ-генераторы, к выходам которых подключен регулятор микроволнового нагрева, соединенный с бесконтактным пирометром, частично установленным в корпусе рабочей камеры, с наружной стороны рабочей камеры к электрическим нагревателям присоединен регулятор мощности электрических нагревателей, к которому через задатчик температуры подключен контактный термометр сопротивления, расположенный внутри рабочей камеры, при этом рабочая камера имеет дверцу, а внутри неё размещена кювета, предназначенная для размещения обрабатываемого полимерного композиционного материала.

2. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что кювета выполнена из фторопласта.

3. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что волноводно-щелевой излучатель выполнен из волноводной трубы, одна из широких стенок которого выполнена в виде щелевой структуры, обеспечивающей на поверхности обрабатываемого материала равномерное распределение плотности микроволновой энергии.

4. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что в качестве регулятора микроволнового нагрева используют микропроцессорный регулятор.

5. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что в качестве регулятора мощности электрических нагревателей используют тиристорный регулятор мощности.