CN108514856A - 一种微波和紫外线联合固化的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波无极紫外灯领域，是指一种微波和紫外线联合固化的方法及其装置，解决了现有技术中微波或者紫外线固化材料韧性低技术问题，本发明一种微波和紫外线联合固化的装置，包括设置有微波馈入装置的非均匀开缝同轴紫外激发装置，缝隙同轴波导，光谱仪和功率计，无极紫外灯，所述开缝是三列缝隙间距不同、缝隙数量递减的竖直缝隙，通过微波和紫外线对材料固化，本发明通过微波和紫外线联合固化，大大提高固化的效率和效果；本发明公开的装置通过馈入微波经非均匀开缝的同轴装置辐射，在距开缝单元1mm处放置无极紫外灯，电场在紫外灯处均匀分布，产生紫外，同时辐射微波，实现了紫外和微波双重固化功能。
Description
技术领域
本发明涉及微波无极紫外灯领域，特别是指一种微波和紫外线联合固化的方法及其装置。
背景技术
微波固化是利用电磁场的热效应作用于被固化材料的结果。微波对被固化材料的热效应是使材料结构变化。紫外线固化是指波长在180～400nm范围的紫外线具有破坏被固化材料中的分子结构的作用，从而达到固化的效果。尤其波长为253.7nm的紫外线，其固化作用最强。
在微波方面，对于某些物质而言，例如玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是完全穿透而不被吸收，影响微波热效应而减弱微波的固化能力；水和某些食物等就会吸收微波而使微波能转化为热能，通过热效应进行固化；对金属类东西，微波则会全反射。在紫外线方面，紫外线的穿透力弱、短时间照射的固化效果并不理想，固化的有效距离也很短。因此，亟需一种新型高效微波紫外结合的双重固化方法。
发明内容
本发明公开的一种微波和紫外线联合固化的方法及其装置，解决了现有技术中微波或者紫外线固化材料韧性低技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：采用时域有限差分的方法设计出一种微波和紫外线联合固化的装置，主要是参考对各个缝隙间的间距和数量对电场均匀性的影响，最终确定开缝结构为：从馈波一侧开缝数量从依次递减，第一列为三个，第二列为两个，第三列一个的竖直缝隙，各列缝隙之间间距不等，然后通过FDTD方法对设计出的同轴缝隙耦合微波紫外一体源的装置进行电磁场的模拟仿真，得到距开缝单元1mm处的电场数值，最后通过Matlab编程测试电场与均匀性是否符合要求。包括设置有微波馈入装置的非均匀开缝同轴紫外激发装置，所述微波馈入装置包括微波源、环形器、负载、耦合器、波同转换装置，用于激发紫外灯的缝隙同轴波导，光谱仪，还包括一只无极紫外灯，还包括功率计，所述功率调节装置连接微波馈入装置。
进一步地，所述不均匀开缝结构的同轴波导的三列缝隙分别为三个开缝、两个开缝和一个开缝；所述开缝宽度为4mm—6mm。
优选地，所述无极紫外灯是一种基于抛物面反射的紫外灯装置，其前端为BJ-22矩形波导，中部过渡段为矩形喇叭，后端为加载抛物面的矩形腔体，腔体末端为短路面；其中抛物面中部开有用于微波耦合进入后端腔体的矩形窄缝。
进一步地，所述微波源是指磁控管微波源或半导体固态源。
进一步地，所述波同转换装置用于矩形波端口TE10模转换成同轴波端口TEM模。
进一步地，所述功率计是指监测微波激发紫外灯时的功率，用于准确检测激发过程中的输入功率和反射功率，还包括双定向耦合器，所述双定向耦合器设置于环形器与缝隙同轴波导之间，用于耦合输入功率和反射功率。
进一步地，所述光谱仪置于无极紫外灯一侧，用于无极紫外灯的吸收光谱测量。
本发明公开的一种微波和紫外线联合固化的方法，通过微波和紫外线对材料固化。所述微波可以为微波；所述紫外线可以为无极紫外灯照射的紫外线束。
具体固化过程包括以下步骤：
A、通过微波源馈入微波；
B、用功率计监测输入功率大小，调节微波源使输入功率在3W左右。
进一步地，所述步骤B具体的是根据FDTD方法仿真数据得到的能够激发微波紫外灯的最低功率。
进一步地，通过控制微波源(磁控管)的阳极电流或通过微波源(固态源)的控制电压信号来实现微波源激发紫外灯时的功率的控制。
本发明所述的一种微波和紫外线联合固化的方法及其装置，通过微波和紫外线联合固化，大大提高固化的效率和效果；公开的装置通过馈入微波经非均匀开缝的同轴装置辐射，在距开缝单元1mm处放置无极紫外灯，电场在紫外灯处均匀分布，产生紫外，同时辐射微波，实现了紫外和微波双重固化功能，解决了目前市场上无极紫外灯单一固化效率不高的缺点；本发明通过微波功率计检测输入的微波功率，通过光谱仪检测微波无极紫外灯的光谱，保证在低输入功率下，紫外灯内的场强足够均匀，并产生光强较强的紫外光。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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：微波和紫外双重固化流程图。
图2：微波激发紫外灯系统图；
图3：缝隙同轴波导装置示意图；
图4：同轴缝隙激发装置；
图5：联合固化下环氧树脂固化扫描电镜图；
图6：单紫外下环氧树脂固化扫描电镜图；
1、微波源；2、环形器；3、耦合器；4、负载；5、波同转换装置；6、光谱仪；7、功率计；8、缝隙同轴波导；9、开缝；10、紫外灯；11、等离子体；12、外导体外径；13、内导体内径；14、段路面；15、BI-22矩形波导；16、喇叭波导。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
如图1微波和紫外双重固化流程图所示，微波紫外一体源辐射出微波且激发紫外，微波固化是利用电磁场的热效应共同作用于材料的结果，紫外线固化原理是利用紫外线灯管辐照强度，即紫外线固化灯所发出之辐照强度，与被固化材料的距离成反比。本发明所述的一种微波和紫外线联合固化的装置中，辐射出的微波与激发出的紫外的能量为4:6，这样既能用微波固化，也能紫外线固化。
如图2微波激发紫外灯系统图所示，一种微波和紫外线联合固化的装置，包括设置有微波馈入装置的非均匀开缝9同轴紫外激发装置，所述微波馈入装置包括微波源1、环形器2、负载4、耦合器3、波同转换装置5，用于激发紫外灯的缝隙同轴波导8，光谱仪6，还包括一只无极紫外灯10，还包括功率计7，所述功率调节装置连接微波馈入装置。
进一步地，所述不均匀开缝结构的同轴波导的三列缝隙分别为三个开缝9、两个开缝9和一个开缝9；所述开缝9宽度为4mm—6mm。
优选地，所述无极紫外灯是一种基于抛物面反射的紫外灯装置，其前端为BJ-22矩形波导15，中部过渡段为矩形喇叭波导16，后端为加载抛物面的矩形腔体，腔体末端为短路面14；其中抛物面中部开有用于微波耦合进入后端腔体的矩形开缝9。
如图4同轴缝隙激发装置所示，紫外灯10被激发后，产生的光线经抛物面反射从腔体后端金属网罩平行透射，使用基于FEM的全波仿真方法对该腔体进行仿真计算，表面微波场能够从抛物面矩形开缝9中耦合进入腔体，并且电场最强处刚好位于紫外灯10体上下端。入射2450MHz，400W微波，电场强度最高可达6.45×104V/m，该电场强度已经足以激发该灯产生紫外光。
进一步地，所述微波源1是指磁控管微波源1或半导体固态源。
进一步地，所述波同转换装置5用于矩形波端口TE10模转换成同轴波端口TEM模。
进一步地，所述功率计7是指监测微波激发紫外灯时的功率，用于准确检测激发过程中的输入功率和反射功率，还包括双定向耦合器3，所述双定向耦合器3设置于环形器2与缝隙同轴波导8之间，用于耦合输入功率和反射功率。
进一步地，所述光谱仪6置于无极紫外10灯一侧，用于无极紫10外灯的吸收光谱测量。
本发明公开的一种微波和紫外线联合固化的方法，通过微波和紫外线对材料固化。所述紫外线可以为无极紫外灯照射的紫外线束。
具体固化过程包括以下步骤：
A、通过微波源1馈入微波；
B、用功率计7监测输入功率大小，调节微波源1使输入功率在3W左右。
进一步地，所述步骤B具体的是根据FDTD方法仿真数据得到的能够激发微波紫外灯10的最低功率。
进一步地，通过控制微波源1(磁控管)的阳极电流或通过微波源1(固态源)的控制电压信号来实现微波源1激发紫外灯时的功率的控制。
如图3缝隙同轴波导8装置示意图所示，同轴外波导外壁开槽用于放置紫外灯管10且开槽可以在相同的激发功率3W下增大紫外灯10内的电场强度，波导槽内不均匀开缝9，所述开缝9是指三列缝隙间距不同、缝隙数量递减的竖直缝隙，紫外灯10放置于缝隙同轴波导槽内，这样可以保证紫外灯10管内的电场是均匀的，最右侧为短路面14；
渐变式缝隙结构的结构是基于电场均匀性对固化的影响，是基于一个型号52-16的标准硬同轴线，短路结束，入射微波以一定频率运行的2.45GHz，同轴线总长340mm，接近3λp(λp是波导波长)以在放电区域获得更高且均匀的电场强度；缝隙同轴波导外导体上的6个缝隙，第一组有三个缝隙，第二组两个，第三组一个，进一步提高场强的均匀性。开槽时都保留了5mm，方便固定紫外灯，反射电磁波，提高了微波的利用效率。
用本发明和单紫外的做环氧树脂固化对比，如图5联合固化下环氧树脂固化扫描电镜图和图6单紫外下环氧树脂固化扫描电镜图所示，单次紫外线固化的环氧树脂经扫描电镜观察，其断裂表面较粗，裂纹较小，说明固化环氧树脂具有脆性断裂。微波紫外光固化后环氧树脂断裂表面的微裂纹呈径向扩散，裂纹扩展为裂纹扩展。结果表明，环氧树脂与基体之间存在微裂纹和塑性变形，具有均匀、细度大、裂纹停止现象等特点，吸收更多的冲击能量，达到增韧、强化的效果。
当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种微波和紫外线联合固化的装置，包括设置有微波馈入装置的非均匀开缝同轴紫外激发装置，所述微波馈入装置包括微波源、环形器、耦合器、负载、波同转换装置，用于激发等离子体的缝隙同轴波导，光谱仪和用于监测微波激发紫外灯时的输入功率的功率计，还包括无极紫外灯，其特征在于：不均匀开缝结构的同轴波导，所述开缝是指三列缝隙间距不同、缝隙数量递减的竖直缝隙，所述紫外灯放置于缝隙同轴波导槽内。
2.根据权利要求1所述的一种微波和紫外线联合固化的装置，其特征在于：所述不均匀开缝结构的同轴波导的三列缝隙分别为三个开缝、两个开缝和一个开缝；所述开缝宽度为4mm—6mm。
3.所述无极紫外灯是一种基于抛物面反射的紫外灯装置，其前端为BJ-22矩形波导，中部过渡段为矩形喇叭，后端为加载抛物面的矩形腔体，腔体末端为短路面；其中抛物面中部开有用于微波耦合进入后端腔体的矩形窄缝。
4.根据权利要求1或2所述的一种微波和紫外线联合固化的装置，其特征在于：还包括微波源，所述微波源是指工业用磁控管微波源或半导体固态源。
5.根据权利要求3所述的一种微波和紫外线联合固化的装置，其特征在于：所述光谱仪置于无极紫外灯一侧，用于无极紫外灯的吸收光谱测量。
6.根据权利要求4所述的一种微波和紫外线联合固化的装置，其特征在于：还包括双定向耦合器，所述双定向耦合器设置于环形器与缝隙同轴波导之间，用于耦合检测微波激发紫外灯时的微波入射和微波反射功率。
7.一种微波和紫外线联合固化的方法，其特征在于：通过微波和紫外线对材料进行联合固化。
8.根据权利要求7所述的一种微波和紫外线联合固化的方法，其特征在于：所述微波可以为微波；所述紫外线可以为无极紫外灯照射的紫外线束。
9.根据权利要求8所述的一种微波和紫外线联合固化的方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、通过微波源馈入微波；
B、用功率计监测输入功率大小，调节微波源使输入功率在3W左右。
所述步骤B具体的是根据FDTD方法仿真数据得到的能够激发微波紫外灯的最低功率。
10.根据权利要求9所述的一种微波和紫外线联合固化的方法，其特征在于：
功率调节模块通过控制微波源(磁控管)的阳极电流或通过微波源(固态源)的控制电压信号来实现微波源的输入功率调节。
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