Моделирование прогрева связующего полимерных композиционных материалов с использованием СВЧ-излучения

Среди актуальных проблем производства ракетно-космических конструкций выделяется проблема повышения производительности, энергетической эффективности и качества готовых деталей из полимерных композиционных материалов. Одним из узких мест является отверждение полимерного связующего в заготовках деталей. Применение объемного микроволнового нагрева заготовок может дать заметные преимущества по сравнению с традиционными методами при условии глубокого теоретического обоснования режимов СВЧ-нагрева. Предложено решение задачи прогрева цилиндрической заготовки из полимерного композиционного материала. В рамках многомасштабного подхода разработаны физическая и математическая модели переноса электромагнитного излучения, учитывающие распределение электромагнитного поля в отдельных составляющих композита. Проведено моделирование температурного состояния обрабатываемой заготовки для различных компоновочных схем установки СВЧ-нагрева. Показано, что наиболее равномерный нагрев достигается в прямоугольной камере с вращением заготовки вокруг своей оси.

Литература

[1] Zimin V.N., Koloskov I.M., Meshkovsky V.E., Usyukin V.I. Investigation of natural oscillations for self-deployable truss space antennae. Computational Engineering, 2001, vol. 30, pp. 497–504.

[2] Gottero M., Sacchi  E., Lorenzo G., Reznik S.V., Kalinin D.Yu. The largedeployable antenna (LDA). A review of thermal aspects. Proc. 35th Int. Conf. on Environmental Systems, 2005, Roma, Italy, July 11−15, 2005, 16 p.

[3] Kotik A., Usyukin V., Vinogradov I., Arkhipov M. Simulation of reflecting surface deviation of centimeter-band parabolic space radiotelescope (SRT) with the large-size mirror. Proceedings of SPIE — The International Society for Optical Engineering, 2017, 105671A, doi: 10.1117/12.2308118

[4] Reznik S.V., Denisov O.V., Prosuntsov P.V., Timoshenko V.P., Shulyakovskii A.V. Thermal-vacuum tests of hollow composite rods intended for structures in space. Polymer Science – Series D, 2013, vol. 6, no. 3, pp. 242–245, doi: 10.1134/S1995421213030192

[5] Reznik S.V., Prosuntsov P.V., Mikhailovsky K.V., Shafikova I.R. Material science problems of building space antennas with a transformable reflector 100 m in diameter. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, vol. 153, is. 1, 012012, doi: 10.1088/1757-899X/153/1/012001

[6] Sayapin S.N., Shkapov P.M. Kinematics of deployment of petal-type large space antenna reflectors with axisymmetric petal packaging. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2016, vol. 45, no. 5, pp. 387–397, doi: 10.3103/S1052618816050137

[7] Kwak M. Microwave curing of carbon-epoxy composites: process development and material evaluation. London, Imperial College London, 2016. 175 p.

[8] Teufl D., Zaremba S. 2.45 GHz microwave processing and its influence on glass fiber reinforced plastics. Materials, 2018, vol. 11, no. article 838, doi: 10.3390/ma11050838

[9] Das S., Mukhopadhyay A.K., Datta S., Basu D. Prospects of microwave processing: An overview. Bulletin of Materials Science, 2009, vol. 32, no. 1, pp. 1–13, doi: 10.1007/s12034-009-0001-4

[10] Гузева Т.А. Совершенствование технологических режимов отверждения заготовок деталей из органопластиков под действием СВЧ-излучения. Дис. ... канд. техн. наук. Москва, 2013. 163 с.

[11] Резник С.В., Румянцев С.А. Математическое моделирование температурного состояния цилиндрических заготовок из полимерных композиционных материалов при СВЧ нагреве. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014, № 1, с. 6–21, doi: 10.7463/0114.0658448

[12] Михайловский К.В., Резник С.В. Прогнозирование температурных режимов процесса отверждения связующего при получении деталей из полимерных композиционных материалов с помощью микроволнового излучения. Тепловые процессы в технике, 2014, т. 6, № 8, с. 378–384.

[13] Zong L., Zhou S., Sgriccia N., Hawley M.C., Sun R., Kempel L.C. Dielectric properties of an epoxy-amine system at a high microwave frequency. Polymer Engineering and Science, 2005, vol. 45, no. 12, pp. 1576–1580, doi: https://doi.org/10.1002/pen.20345

[14] Дворко И.М. Получение полимерных материалов и изделий отверждением термореактивных композиций под действием электрических полей. Пластические массы, 1998, № 8, с. 16–21.

[15] Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет антенн и СВЧ структур с помощью HFSS Ansoft. Москва, ЗАО «НПП «Родник», 2009. 256 c.

[16] Емец Ю.П. Электрические характеристики трехкомпонентной диэлектрической среды. Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1998, т. 114, вып. 3(9), с. 1126–1136.