CN107449787A - 复合材料微波作用下温度场分布模拟装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种复合材料微波作用下温度场分布模拟装置和方法，该装置，包括：微波加热腔、波导、余波吸收装置、大功率微波功率源、温度监测仪、温度传感器、红外热像仪以及样品夹具，其中，波导的一端与微波功率源连接，波导连接的另一端伸入微波加热腔，微波加热腔远离波导、且与波导相对的一端为透射波出口，且微波加热腔的透射波出口处设置有余波吸收装置，将温度传感器设置在微波加热腔内部，且与位于微波加热腔外部的温度监测仪连接。将红外热像仪设置在微波加热腔外，样品夹具放置于微波加热腔内。本发明用于探究大功率微波照射对复合材料热场发展的影响，为控制大功率照射下复合材料透波性能提供了依据。

Description

复合材料微波作用下温度场分布模拟装置和方法

技术领域

本发明实施例涉及透波复合材料领域，尤其涉及一种复合材料微波作用下温度场分布模拟装置和方法。

背景技术

天线罩是保护天线系统免受外部环境影响的结构物，它具有良好的电磁波穿透特性。复合材料由于其良好的电学、力学性能而成为制作天线罩的常见材料。当电磁波穿过天线罩壳体时，由于介电损耗机制，制成天线罩的复合材料将一部分能量转化为热能，使得复合材料内部温度升高；温度升高进一步导致复合材料的介电损耗增加，更多的能量被转化为热能。如此的恶性循环，使得复合材料在高温部位发生严重的热电耦合现象，直至复合材料发生热损毁，材料失效。因此，需要在天线罩复合材料服役前对其工作性能进行实验模拟和分析。

现有的微波加热技术已在复合材料微波固化、无损检测等领域得到广泛应用，此类应用多为在较小功率下进行的平衡过程，并不涉及大功率的检测过程，因此针对天线罩在大功率微波作用下的损毁现象，目前无法进行检测。

发明内容

本发明实施例提供一种复合材料微波作用下温度场分布模拟装置和方法，以探究大功率微波照射对复合材料热场发展的影响，为控制复合材料的透波性能提供了依据。

本发明实施例提供一种复合材料微波作用下温度场分布模拟装置，包括：微波加热腔、波导、余波吸收装置、大功率微波功率源、温度监测仪、温度传感器、红外热像仪以及样品夹具，其中，

所述波导的一端与所述微波功率源连接，所述波导连接的另一端伸入所述微波加热腔，所述微波加热腔远离所述波导、且与所述波导相对的一端为透射波出口，且所述微波加热腔的透射波出口处设置有余波吸收装置；

所述温度传感器位于所述微波加热腔内部，且与位于所述微波加热腔外部的温度监测仪连接；

所述红外热像仪设置在所述微波加热腔外，用于监测试样表面温度场的分布；

所述样品夹具放置于所述加热腔内，用于夹持试样。

可选地，所述微波加热腔为长方体结构，在所述加热腔的第一侧面上设有波导入口，所述波导入口的尺寸与所述波导的尺寸匹配；

在与所述第一侧面相对的第二侧面上设有透射波出口，所述透射出口距离所述第二侧面各边边缘的距离介于5mm至30mm之间。

可选地，在与所述第一侧面相邻的第三侧面设置有第一通孔和/或第四侧面上设置有第二通孔，所述第一通孔的尺寸大于所述第二通孔的尺寸。

可选地，所述波导与所述微波功率源连接的一端设有密封法兰。

可选地，所述微波功率源的功率密度在40W/cm²以上。

可选地，所述余波吸收装置是由低介电常数、低介电损耗的透波材料制成的容器，所述容器侧面的面积大于所述透射波出口的面积。

可选地，还包括:金属屏蔽网，所述金属屏蔽网设置在所述微波加热腔的四周，用于对泄漏的微波进行防护。

可选地，所述样品夹具设置在所述微波加热腔内靠近所述波导的一端。

可选地，应用于如上所述的装置，所述方法包括：

控制所述大功率微波功率源的功率密度在40W/cm²以上；

获取所述温度监测仪监测得到的第一温度数据，所述第一温度数据为所述样品内部或表面随时间变化的温度数据；和/或

获取所述红外热像仪得到的第二温度数据，所述第二温度数据为所述样品表面的温度场数据；

根据所述第一温度数据和/或所述第二温度数据，分析复合材料大功率微波作用下的温度场分布。

本实施例提供的复合材料微波作用下温度场分布模拟装置，包括：微波加热腔、波导、余波吸收装置、大功率微波功率源、温度监测仪、温度传感器、红外热像仪以及样品夹具，其中，波导的一端与微波功率源连接，波导连接的另一端伸入微波加热腔，微波加热腔远离波导、且与波导相对的一端为透射波出口，且微波加热腔的透射波出口处设置有余波吸收装置；用于吸收穿透过材料的电磁波，一方面可以避免辐射实验中，反射波对实验准确性造成的影响，另一方面，可以避免从微波加热腔透射出来的电磁波对人体造成伤害。在模拟装置中，将温度传感器设置在微波加热腔内部，且与位于微波加热腔外部的温度监测仪连接；用于监测待测样品在微波加热腔内的温度变化。将红外热像仪设置在微波加热腔外，用于监测试样表面温度场的分布情况；样品夹具放置于微波加热腔内，用于夹持试样。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的复合材料微波作用下温度场分布模拟装置的示意图；

图2为本发明实施例提供的微波加热腔的结构示意图；

图3为本发明提供的复合材料微波作用下温度场分布模拟的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的复合材料微波作用下温度场分布模拟装置的示意图，图2为本发明实施例提供的微波加热腔的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的复合材料微波作用下温度场分布模拟装置，包括：微波加热腔10、波导20、余波吸收装置40、大功率微波功率源30、温度监测仪50、温度传感器51、红外热像仪60以及样品夹具70，其中，波导20的一端与微波功率源30连接，波导20连接的另一端伸入微波加热腔10，微波加热腔10远离波导20、且与波导20相对的一端为透射波出口12，且微波加热腔10的透射波出口12处设置有余波吸收装置40；温度传感器51位于微波加热腔10内部，且与位于微波加热腔10外部的温度监测仪50连接；红外热像仪60设置在微波加热腔外，用于监测试样表面温度场的分布；样品夹具70放置于微波加热腔内，用于夹持试样。

天线罩是保护天线系统免受外部环境影响的重要结构物，它是由具有良好电磁波穿透特性的复合材料制成。由于介电损耗机制和热电耦合现象，复合材料在使用过程中易发生热损毁导致材料失效。因此，需要在天线罩复合材料服役前对其工作性能进行实验模拟和分析。本发明提供的复合材料微波作用下温度场分布模拟装置可以在天线罩复合材料服役前对其工作性能进行实验模拟。

如图1所示，本实施例将波导20的一端与微波功率源30连接，将波导20的另一端伸入到微波加热腔10中，由于波导20的形状为是空心金属管状，两端分别连接在微波功率源30和微波加热腔10内的波导20可以将微波功率源30产生的稳定微波输入到微波加热腔10内。其中，微波加热腔10远离波导20，且与波导20相对的一端为透射波出口12。在辐射实验的过程中，绝大多数电磁波将透射过材料，反射波的影响不可忽略，因此在微波加热腔10远离波导20的一端设置有透射波出口12，可降低反射波对实验准确性的影响。在透射波出口12处设置有余波吸收装置40，用于吸收穿透过材料的电磁波。

其中，温度传感器51设置在微波加热腔10内部，温度传感器51与微波加热腔10外部的温度监测仪50相连接。温度监测仪50、温度传感器51可根据实验需求进行选择，例如，热电偶、光纤光栅传感器等，本实施例对温度监测仪50与温度传感器51的种类不做具体限定，可根据实验需要自行选定。

在一种可能的实施方式中，可对待测样品进行适当的处理，以对复合材料温度进行更加准确的测量。具体的，在开始实验前，可将温度传感器51埋置在待测样品内，用于监测复合材料内部的温度变化。

进一步的，红外热像仪60设置在微波加热腔外，用于监测试样表面温度场的分布情况。在不同的模拟实验中，可调整红外热像仪60的视野，并且选择合适的观测点、线或区域，即可获得待测区域的平均温度、最高温度或最低温度。本实施例选用的热像仪60具有较高的温度测量范围，例如，可选用DM-60型红外热像仪，其温度测试范围为-20℃—600℃，可很好的满足实验需求。

本实施例中待测样品可置于在样品夹具70上，根据实验需要放置在加热腔10内的任意位置。其中，样品夹具70可为不锈钢、PMMA、石英玻璃、POM、电木等多种材质，并配有金属或尼龙紧固件，可满足不同试样种类、不同实验温度的需求。

本实施例提供的复合材料微波作用下温度场分布模拟装置，包括：微波加热腔、波导、余波吸收装置、大功率微波功率源、温度监测仪、温度传感器、红外热像仪以及样品夹具，其中，波导的一端与微波功率源连接，波导连接的另一端伸入微波加热腔，微波加热腔远离波导、且与波导相对的一端为透射波出口，且微波加热腔的透射波出口处设置有余波吸收装置；用于吸收穿透过材料的电磁波，一方面可以避免辐射实验中，反射波对实验准确性造成的影响，另一方面，可以避免从微波加热腔透射出来的电磁波对人体造成伤害。在模拟装置中，将温度传感器设置在微波加热腔内部，且与位于微波加热腔外部的温度监测仪连接；用于监测待测样品在微波加热腔内的温度变化。将红外热像仪设置在微波加热腔外，用于监测试样表面温度场的分布情况；样品夹具放置于微波加热腔内，用于夹持试样。

进一步的，在上述实施例的基础上，优选的微波加热腔为304不锈钢材质制成的长方体加热腔，304不锈钢是一种用途广泛的钢，具有加工性能好，韧性高的特点，被广泛适用于各个领域。制成的微波加热腔应保证腔体的各面焊接良好，密封性强，以防止微波泄露。在微波加热腔的第一侧面上设有波导入口，波导入口的尺寸与波导的尺寸匹配，便于波导伸入加热腔内部。

在与微波加热腔第一侧面相对的第二侧面上设有透射波出口12，透射波出口12距离第二侧面各边边缘的距离介于5mm至30mm之间。第二侧面上的透射波出口12位于第二侧面的正中心，将从波导入口11穿过试样的微波从透射波出口12穿出。其中，透射波出口12的面积大于波导入口11的面积，当微波穿过复合材料时运动方向会发生偏转，较大的透射波出口面积便于余波从透射波导出。

进一步的，在与第一侧面相邻的第三侧面设置有第一通孔13和/或第四侧面上设置有第二通孔14，第一通孔13尺寸大于第二通孔14寸。如图1所示，温度温度传感器可通过第一通孔13或第二通孔14加热腔10完成对试样温度变化的监测。第一通孔13和第二通孔14分别是直径为25mm和3mm的圆形通孔，可根据不同的温度传感器选择直径大小合适的通孔。

在一种可能的实施方式中，当只选择使用第一通孔13和第二通孔14中的任一通孔时，需要使用厚度大于2mm、尺寸大于通孔直径的金属片对通孔进行遮挡，以防止微波泄露。

进一步的，波导与微波功率源连接的一端设有密封法兰。如图1所示，波导20带有密封法兰21的一端与微波功率源30连接，波导20的另一端伸入加热腔中。密封法兰21不仅可以起到连接波导20与微波功率源30的作用，还有密封的作用，防止微波通过波导时发生泄露。

优选的，本实施例中波导为矩形波导，如BJ26、BJ22型波导。波导无密封法兰的一端伸入微波加热腔中，微波加热腔上波导入口的尺寸与所选波导横截面的尺寸相匹配。

本实施例中所使用的微波功率源的密度在40W/cm²以上。相比于现有的功率密度较小的微波固化装置，本实施例中的微波功率源的功率密度更接近实际应用中天线的发射功率，透波材料的介电损耗更高，对于研究复合材料微波热损毁过程的研究提供了真实的模拟环境。

如图1所示，余波吸收装置是由低介电常数、低介电损耗的透波材料制成的容器，容器侧面的面积大于透射波出口12的面积。其中，余波吸收装置中放入适量的水，水是良好的吸收电磁波的介质，可用于吸收多余的透射波。本实施例对制成余波吸收装置的容器的材质不做具体限定，选用高强度、低介电常数、低介电损耗的材料制成即可。例如，选用电学性能和力学性能均较为优异的PMMA进行容器的加工，PMMA具有良好的介电性能，特别适宜作为制成余波吸收装置的材料。其中，控制容器的开口面积大于透射波出口的面积，有利于降低余波泄露的风险。

进一步的，在微波加热腔的四周设置有金属屏蔽网，用于对泄露的微波进行防护。其中，金属屏蔽网优选使用80目以上的紫铜屏蔽网，以确保更好的防护效果，避免余波对实验人员和周围仪器造成损伤。

本实施例中在微波加热腔的内部设置有样品夹具70，用于加持试样。样品夹具70与微波加热腔10相互分离，可根据实验需要将样品夹具70置于微波加热腔10内的不同位置。在破坏性实验中，为了加快试样产生热损毁，可将样品夹具70放置与紧靠波导口的位置。

本装置针对大功率微波对复合材料温度场产生的重要影响，建立了一套微波热场模拟与监测的实验装置。探究了大功率下微波照射对复合材料热场发展的影响，为控制大功率照射下复合材料透波性能提供了关键依据。下面针对图1所示的装置，提供一种组装该装置的方法。

本实施例提供的复合材料微波作用下温度场分布模拟装置的组装方法的具体步骤如下：

1、采用功率连续可调、性能稳定、具有较高输出功率的微波功率源，为辐射试验系统提供稳定的电磁输出。

2、设计一个一端带有密封法兰，另一端无法兰的波导，将功率源与微波加热腔体进行连接。带有密封法兰的一端与功率源的输出端进行连接，另一端穿过加热腔体侧壁上的波导入口，伸入到加热腔内部。

3、在加热腔上设计有尺寸不同的开孔，可使用热电偶或光纤光栅监测，实现内部温度的测量。另外，应保证微波加热腔的密封性，以防止微波泄漏。

4、为了配合不同的样品及实验目的，本实验设计了不同的样品夹具，材质包括金属、聚合物等。样品夹具与加热腔体为分离的部分，可根据需要将样品置于加热腔的不同位置。

5、使用透明的、具有高强度、低介电常数、低介电损耗的材料，加工成大小合适的容器。可在容器内放入适量的水，用来吸收多余的透射波。为了避免余波对实验人员和周围仪器的损伤，在水箱未与加热腔体接触的地方，使用紫铜屏蔽网进行覆盖。

6、对待测样品进行适当的处理，如在成型过程中埋入热电偶或光纤光栅进行内部温度的检测，并调样品整夹具，根据需要选择其在加热腔体中所处的位置。

7、选用具有较宽温度测量范围的红外热像仪，对试样表面的温度场分布进行监测。调整红外热像仪的视野，并选择观测点、线或区域，即可获得特定区域的平均温度、最高温度或最低温度。

通过上述步骤，即完成了图1所示装置的组装工作。下面采用具体的实施例，对该装置进行分布场模拟的方法进行详细说明。

图3为本发明提供的复合材料微波作用下温度场分布模拟的方法流程图，如图3所示，该方法包括：

S301、控制大功率微波功率源的功率密度在40W/cm²以上；

40W/cm²以上的功率密度更接近实际应用中天线的发射功率，对于研究复合材料微波热损毁过程的研究提供了真实的模拟环境。

S302、获取温度监测仪监测得到的第一温度数据，第一温度数据为样品内部或表面随时间变化的温度数据；和/或获取红外热像仪得到的第二温度数据，第二温度数据为样品外部的温度场数据；

本模拟实验可根据实验需求，选择使用温度监测仪或红外热像仪中的任意一个，也可同时使用温度监测仪和红外热像仪。其中，与温度监测仪连接的温度传感器可预先埋置在样品的内部，也可置于样品表面，以获取不同的温度数据。

S303、第一温度数据和/或所述第二温度数据，模拟复合材料的温度场分布。

针对上述获取的第一温度数据、第二温度数据，对复合材料在大功率微波照射下的热场发展情况进行模拟预测，本实施例对具体的模拟预测方法不做限定。

通过预先埋置在试样中的温度传感器和/或放置于试样表面的温度传感器与连接的温度监测仪获取得到的第一温度数据，第一温度数据为样品内部或表面随时间变化的温度数据；和/或

通过微波加热腔外的红外热像仪获取得到的第二温度数据，第二温度数据为样品表面的温度场数据；

根据第一温度数据和/或第二温度数据，模拟复合材料的温度场分布。

本实施例提供的模拟装置可有效的模拟大功率微波对复合材料的辐射状况，并准确的表征微波辐射状况下的复合材料的温度场分布，为探究大功率微波照射对复合材料热场发展的影响提供了依据。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种复合材料微波作用下温度场分布模拟装置，其特征在于，包括：微波加热腔、波导、余波吸收装置、大功率微波功率源、温度监测仪、温度传感器、红外热像仪以及样品夹具，其中，

所述波导的一端与所述微波功率源连接，所述波导连接的另一端伸入所述微波加热腔，所述微波加热腔远离所述波导、且与所述波导相对的一端为透射波出口，且所述微波加热腔的透射波出口处设置有余波吸收装置；

所述温度传感器位于所述微波加热腔内部，且与位于所述微波加热腔外部的温度监测仪连接；

所述红外热像仪设置在所述微波加热腔外，用于监测试样表面温度场的分布；

所述样品夹具放置于所述加热腔内，用于夹持试样。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微波加热腔为长方体结构，在所述加热腔的第一侧面上设有波导入口，所述波导入口的尺寸与所述波导的尺寸匹配；

在与所述第一侧面相对的第二侧面上设有透射波出口，所述透射出口距离所述第二侧面各边边缘的距离介于5mm至30mm之间。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在与所述第一侧面相邻的第三侧面设置有第一通孔和/或第四侧面上设置有第二通孔，所述第一通孔的尺寸大于所述第二通孔的尺寸。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波导与所述微波功率源连接的一端设有密封法兰。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微波功率源的功率密度在40W/cm²以上。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述余波吸收装置是由低介电常数、低介电损耗的透波材料制成的容器，所述容器侧面的面积大于所述透射波出口的面积。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括:金属屏蔽网，所述金属屏蔽网设置在所述微波加热腔的四周，用于对泄漏的微波进行防护。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品夹具设置在所述微波加热腔内靠近所述波导的一端。

9.一种复合材料温度场分布模拟的方法，其特征在于，应用于如权利要求1-8任一项所述的装置，所述方法包括：

控制所述大功率微波功率源的功率密度在40W/cm²以上；

获取所述温度监测仪监测得到的第一温度数据，所述第一温度数据为所述样品内部或表面随时间变化的温度数据；和/或

获取所述红外热像仪得到的第二温度数据，所述第二温度数据为所述样品表面的温度场数据；

根据所述第一温度数据和/或所述第二温度数据，分析复合材料大功率微波作用下的温度场分布。