CN1121385A - 被添加物料的感应加热 - Google Patents

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Abstract

一种用于采用感应加热就地以快速、均匀、可选择和可控制的方式加热非磁性非导电的材料的系统。对此，将主要用于改进感应加热的微粒添加到主体物料中，并置于例如那些在感应线圈中产生的高频交变电磁场中。该微粒是具有高导磁率和高电导率的铁磁材料。当置于交变的磁场中时，这些微粒的发热效率使得在主体物料中的微粒的体积百分比更小，这样，制品的预期特性会基本上维持不变。通过选择微粒的居里点，使该微粒在约等于制品的被加热温度时能自动调整，从而可防止制品的过热。这些微粒最好具有薄片，形状即薄的盘状。该形状具有正交的第一、第二和第三维尺寸，其中正交的第一和第二维尺寸大于微粒的穿透深度并至少5倍于正交的第三维尺寸。

Description

被添加物料的感应加热
本发明涉及物料的高频磁场感应加热。
背景技术
各种技术领域需要对物料进行加热，以便实现物料从初始状态向显现具有预期特性的最终状态的转变。例如，利用热量来复原可热复原的聚合物制品(例如热装式管道和模压零件、熟化胶、熔料或熟化粘接剂)，活化起泡剂，干燥墨水，加工陶瓷，促使聚合，促使或加速催化反应或者对在其它应用领域中的零件进行热处理。
在整个加热过程中的效率和效果方面考虑的一个非常重要的因素是物料的加热速度。在采用紫外线、红外线、热空气、热液体和火焰加热的方法中，以及在使用外部热源的其它实例情况下，要穿过物料中心在物料中形成均匀的热分布通常是很困难的。在物料的中心没有充分加热的情况下，由起始状态的物料转变可能会不充分或不均匀。此外，为了在物品的中心达到预期的温度，可能在表面需要施加过多的热量，因而这种过高的温度状态可能导致物料表面的恶化。此外，加热以实现到预期状态的转变所需延长的时间会降低系统的成本的有效性。在为了改进由物料的表面和其中心的热传导而采用导热填料的情况下，为了形成平滑的温度梯度，需要大量的可能有害影向主体材料性能的填料。
由于外部加热存在的这些缺点，体内的或内部的加热方法是优选的，以便实现快速、均匀和有效的加热。
与上面讨论的外部加热的方法相对比，各种电磁加热技术，例如微波、电介质和磁感应方式都能对例如可热复原的聚合物制品、胶、粘接剂、泡沫剂、墨水和陶瓷等各种非导电物品实现内部加热。把电磁能间接耦合到物料上并在物料体内部均匀产生热量。
微波和电介质加热技术两者都主要根据在绝缘材料中通过当电偶极子力图与施加的快速交变电场排列一致所产生的“振动(rattling)”而产生热量。微波加热需要将物品显露于按照高达兆赫或千兆赫频率变化的电磁场中，在该频率范围水的偶极子产生谐振。利用微波加热的绝缘材料的表面上的水的存在可能导致物料加热不均匀。电介质加热采用的频率为从约27兆赫到很高兆赫的频率，在该频率范围内，大多数介质的电偶极子产生谐振。按这种方式加热的绝缘材料并不具有本征的温度控制作用；电偶极子的振荡持续产生热量，因此当热量过多时使物料性能恶化。
磁感应加热方法采用交变磁场(例如象在感应线圈中产生的那些磁场)以便和置于线圈内部的工件相耦合。导磁或导电物料可以与施加的磁场相耦合，并借此将耦合的电磁能量转变为热能。非磁性和非导电的物料对于磁场是可穿透的。因而不能和该磁场相耦合产生热量。然而，这样一种材料可以通过在该物料内部均匀散布铁磁微粒和使该物料显露于交变的高频电磁场中，利用磁感应加热方式对其进行加热。当置于大约100千赫到大约50兆赫频率的交变电磁场中时，细小的铁磁微粒是有效的发热体。
适于采用感应加热的物料包括铁磁和亚铁磁物料。在本申请中，我们采用如在1951年由R.H.Bozorth的题为“铁磁学”(BellTelephone Laboratories，Inc及D.Van Nostrand Company.Inc)的出版物中所陈述的关于铁磁和亚铁磁材料的定义，该出版物在所有方面皆可结合做为参考。亚铁磁材料或铁氧体是铁磁材料中的一族。对于铁磁性的详细分析是在1959年由Smit和Wijn在“铁氧体”(John Wiley&Son)一文中陈述的，其在所有方面皆可结合作为参考。与铁磁金属和金属合金相比，亚铁磁性材料通常具有很低的导电性。
铁磁材料例如：铁、镍、钴、铁合金、镍合金、钴合金、坡莫合金以及几种钢、以及亚铁磁性材料例如磁铁矿、镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、铜锌铁氧体都适合于用作散布在非磁性和非导电的并置于高频交变磁场中的主体物料中的发热微粒。尽管导电的非磁性金属例如铜、铝和黄铜可以以微粒的形状用于产生热量，但它们比磁性材料效率较低，因而不是优选的。
铁磁材料主要由于感应的涡流和磁滞损耗两者的综合而产生热量。
交变的磁场在由导电材料组成的微粒中感生涡流电流。这些内部循环的电流可以在微粒内部产生热量。大部分感应的涡流电流限制在由如下公式限定的距微粒表面距离δ的范围内：δ＝(2/ωσμr)1/2其中σ是以1/欧·米为单位的微粒的电导率，ω是以1/秒为单位的施加磁场的角频率，以及μr是微粒相对空气的导磁率。当微粒置于交变磁场中时，确定这一距离δ作为微粒的穿透深度。在距离δ处，该电流密度下降到表面电流密度值的1/e，或者约37％。因此，置于频率为ω的交变电磁场中的、电导率为σ和相对导磁率为μr的铁磁材料构成的微粒具有的穿透深度由以上公式确定。
尺寸几倍于微粒穿透深度的导电铁磁微粒可以是有效的涡流电流发热体。通过将具有高导磁率和高电导率的微粒置于高频磁场中可以形成小的穿透深度。例如，把电导率为1.3×107/欧·米，相对导磁率为100(μr＝100×4π×10-7韦伯/安-米)的镍置于频率为5兆赫(ω＝2πf＝2π×5×106/秒)的磁场中，穿透深度则为6.2微米。因此，在距微粒表面为6.2微米的微粒的范围内，感应电流密度限定为大约37％。感应的电流密度的幅值随涡流电流回路的尺寸因而亦即随微粒的尺寸的增加而增加。
由于这种微粒的穿透深度大，在较少导电的微粒中的涡流电流损耗是可忽略的。例如，将一种例如具有电导率为0.67/欧·米和相对导磁率为4000的由Ceramic Magnetics(陶质磁体)构成的铁氧体Mn-67这样的锰锌铁氧体置于5兆赫频率的磁场中，穿透深度为435微米，为了产生涡流电流损耗，需要大于约1毫米的微粒。这种大的微粒将会有害地改变主体物料的特性，因而不是所希望的。与之相似，将例如具有电导率为1.0×10-7/欧·米和相对磁导率为3000的由Ceramic Magnetics构成的CMD 5005这样的非导电的镍锌铁氧体置于5兆赫频率的磁场中，穿透深度为1.3×107微米或13米。
非导电的亚铁磁体微粒例如铁氧体微粒或者全部三维尺寸小于穿透深度的导电的铁磁体微粒其发热则主要由于磁滞损耗。在微粒的每个磁畴内部的磁偶极子力图与快速交变的磁场排列一致，从而导致磁畴壁运动。假如偶极子没有与该磁场同步排列一致，该排列滞后于磁场并遵循一磁滞回线。该磁滞回线代表铁磁材料对于施加的磁场的响应特性，它的尺寸和形状取决于铁磁材料的性质和施加磁场的强度。由磁滞回线环绕的面积代表使该材料经过磁滞循环所需的力。当重复这一循环时，由于磁畴不断排列使在材料内部产生的耗能过程导致磁能变换为内部热能，使材料的温度升高。只要微粒尺寸至少等于一个磁畴，磁滞损耗就并不取决于微粒尺寸。
由分散在非导电的非磁性的主体物料之中的微粒产生的热量决定于包括如下的设备和颗粒参数的几个参数：
设备参数：线圈尺寸和几何形状
          线圈电流频率
          线圈电流大小(功率)
          线圈效率
微粒参数：导磁率
          电导率
          磁滞回线的大小和形状
          在主体物料中的微粒体积比
          几何形状
          尺寸
          与磁场的以及彼此之间的排齐
          对线圈的接近程度
对于给定的频率、功率、线圈尺寸和几何形状，通过认真地选择微粒特性，可以使包含铁磁微粒的主体物料的加热更快。本发明的微粒的高效能在于它能在主体物料中微粒体积百分比低的情况下实现快速加热，从而不会对主体物料的性能产生有害影响。
当磁性微粒达到或超过称为居里温度或居里点的临界温度时，它的导磁率急剧下降到接近于1的数值。然后，微粒很大程度上失去对于磁场的响应能力，发热明显下降。当微粒的温度下降低于居里点时，微粒恢复其磁特性并重新发热。因此，当微粒的温度低于居里点时，微粒发热。当微粒的温度高于居里点时，微粒实质上停止了温度的上升。因此，微粒能自动调整。这样，居里点实际上是用于防止主体物料过热的自动调整手段。
已经公知利用感应来加热散布到聚合材料中的微粒。作为举例，有美国专利3620875号、3391846号、3551223号、3620876号、3709775号、3902940号、3941641号、4000760号、4918754号以及5123989号、5126521号；PCT国际公布文件WO90/03090、由E.I.du Pont de Nemours and Company在1972年12月19日公开的保护性的公开文件T905001；日本专利申请S(56)(1981)-55474；S64(1989)4331；以及H3(1991)-45683；以及瑞典专利224547号说明书，它们在所有方面均可结合作为参考。
已经试图通过选择其居里点等于或稍大于被加热微粒的温度的微粒，来对主体物料的温度进行调节。这些实例包括：美国专利2393541号；3551223号、4555422号；4699743号以及5126521号以及PCT国际公开文件WO90/11082，它们在所有方面均可结合作为参考。
遍及物料体内均匀散布的微粒有利于均匀加热。在这种方式中，采用感应加热使得可以进行选择性地和可控地加热。选择性地加热可以使在将微粒以较高密度置于被加热的区域内的地区加热到相对较高的程度。此外，通过利用居里点接近于预期温度的微粒，可以控制载有铁磁微粒的利用感应加热的制品的温度。
发明概要
利用感应加热可以就地对非导电的物料快速、均匀、选择性地和以可控方式进行加热。将用于感应加热的微粒添加到非导电的非磁性的主体物料中并置于例如那些在感应线圈中产生的高频交变电磁场中。根据本发明选择微粒可以更快、更均匀和更有效控制地进行加热。这些微粒最好具有片状即薄盘形状。这些微粒的发热效率能使得微粒在主体物料中占有体积百分比较小，从而使主体物料所期望的特性实质上保持不变。此外，能够进行温度调节以防止主体物料过热。
一方面，本发明提供发热制品，其在例如由感应线圈产生的交变磁场中使用，所述制品包含其中散布有微粒的非磁性非导电的主体物料，所述微粒由具有高导磁率和高电导率的铁磁材料构成，所述微粒具有穿透深度和形状，该形状具有正交的第一、第二和第三维的尺寸，其中
所述正交的第一和第二维尺寸大于微粒的穿透深度；以及
所述正交的第一和第二维尺寸至少5倍于所述正交的第三维尺寸。
微粒的尺寸比较大的正交的第一和第二维尺寸，最好每一个都在大约1微粒和大约300微米之间。
该铁磁材料包含一种金属或金属合金。优选的铁磁材料的实例包括镍或镍合金，例如镍铝合金。镍微粒结构最好包含镍片。
散布在主体物料中的微粒的百分比按体积计优选在约0.1％到约50％之间，更优选在约0.5％到约10％之间，并且按体积计特别要小于约5％，从而，主体物料的性能基本上不变。主体物料是非导电和非磁性的，例如一种聚合物或陶瓷。
在一优选实施例中，铁磁微粒的电导率大于约106/欧·米。该微粒的相对空气的起始导磁率约大于70。
铁磁材料的居里温度至少约等于所述被加热物品的加热温度。
该微粒可以由单一的材料构成，或者可以由中心的载体部分和覆盖层构成。载体材料可以是很多种磁性或非磁性材料中的一种。此外该载体材料可以是很多种导电或非导电材料中的一种。覆盖层最好是高磁性和高导电的材料，例如上述的铁磁材料。另外，当中心载体部分由高磁性而导电性很差的材料构成并产生热量时，覆盖层可以是非磁性和/或非导电的材料(例如一种氧化物层)以防止中心载体部分的氧化，或是一种结合剂，以有助于微粒和主体物料的混合。
制品被加热时可以产生形状、体积或粘度变化。例如该制品可以是可热复原的制品、泡沫剂、粘接剂或胶。在这些实例中的每一种实例中，铁磁材料的居里温度至少大约等于该物料被加热的温度。主体物料可以是熔化温度为Tm的易熔材料。在本情况中，该居里温度最好至少为主体物料的熔化温度。
制品可以这样取向，使得与制品的最大尺寸相平行的一个轴线基本平行于由线圈产生的磁场的磁力线。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种装置，用于在光缆或电缆中沿缆线形成一个阻碍流体传输的阻塞物，该装置包含：
一个可热活化的阻塞结构，位于缆线的附近，所述阻塞结构包含其中散布有微粒的主体物料，所述微粒由具有高导磁率和高电导率的铁磁材料构成，所述微粒具有穿透深度和形状，该形状具有正交的第一、第二和第三维尺寸，其中所述正交的第一和第二维尺寸大于微粒的穿透深度以及所述正交的第一和第二维尺寸至少5倍于所述正交的第三维尺寸；以及
覆盖件，它环绕所述阻塞结构配置。
该阻塞件结构可以包含若干个用于容纳缆线的开孔。
覆盖件可以包含一种其中散布有铁磁微粒的主体物料，所述微粒由具有高导磁率和高电导率的铁磁材料构成，所述微粒具有穿透深度和形状，该形状具有正交的第一、第二和第三维尺寸，其中所述的正交的第一和第二维尺寸大于微粒的穿透深度，并且其中所述正交的第一和第二维尺寸至少5倍于正交的第三维尺寸。
该覆盖件最好包含内层和最好为可热复原的外层。该内层包含一其中散布有铁磁微粒的主体材料，所述微粒由具有高导磁率和高电导率的铁磁材料构成，所述微粒具有穿透深度和形状，该形状具有正交的第一、第二和第三维尺寸，其中所述正交的第一和第二维尺寸大于微粒的穿透深度，并且其中所述正交的第一和第二维尺寸至少5倍于正交的第三维尺寸。
主体材料最好可以包含易熔的聚合物密封剂或粘接剂。
通过结合附图对优选实施例所做的详细介绍将使本发明的其它特点和优点变得更明显。
图1是散布在主体物料内部的片状微粒的断面图。
图2A是用于形成流体阻塞物的装置的透视图；
图2B是图2A中的实施例在安装之后的断面图。
图3是说明温度调节作用的温度-时间曲线图。
优选实施例的详述
本发明包含一种在高频交变磁场中使用的制品，在其中产生热量，借此使制品转变为不同的状态或形状。该制品包含一其间散布有铁磁微粒的主体物料。主体物料是非导电和非磁性的，并且可以是一种可热复原的聚合物制品、胶、粘接剂、泡沫剂、墨水或陶瓷。在这些情况的每一种情况中，该制品被加热以便将制品由其初始状态转变到一种新的状态。在本发明中，通过将制品置于大约100千赫和约50兆赫之间的高频，最好是在约450千赫和约10兆赫之间的高频变交磁场中，在制品内部产生感应热量。要提供一种有效地自动调整加热的制品，使得在内部快速、均匀和选择性地加热，关键是对散布在主体物料中的微粒进行选择。
本发明的首要目的是提供各种微粒，与已有技术比较，它能特别快地加热。已有技术已经采用大尺寸的金属球粒或纤维来进行感应加热。
小的铁磁微粒的形状通常多少有点不规则。然而，对本发明来说，它们的总体形状可以用更精确的几何形状近似表示，并且由三个互相垂直或正交的维的尺寸x、y和z来限定。每个微粒有其自身的一组轴线，其中各正交的轴线中的一个取向平行于微粒的最小尺寸。微粒可以是任何一种形状：球形的，其中所有的x、y、z尺寸均相等；棒状纤维，其中x和y基本上相等而z明显大于x和y；盘状片，其中x和y具有近似相同的数量级，通常表示微粒的长度和宽度，其中z表示最小的尺寸，通常称为微粒厚度。薄片的宽厚比按照较大尺寸x或y除以较小的尺寸z来确定。在本发明中，片状微粒是优选的实施例。参阅图1，片状微粒4被散布到主体物料6中。微粒的两个较大尺寸x、y的每一个都在约1微米到约300微米之间。这两个尺寸的每一个还至少约5倍于最小尺寸的数值。为便于说明，对于微粒4＇，在下文介绍时，x＇和y＇认为彼此近似相等。微粒4＇的尺寸如下：x＇＝y＇＝d以及z＇＝t。d的数值称为盘状片的直径，t为厚度。
如上所述，由于本发明的微粒利用涡流电流和磁滞损耗两者来产生热量，故加热很快。
在磁滞加热的情况下，在磁场中的微粒的尺寸、形状和取向对于发热速率都不是决定性的。然而，包含微粒的制品相对于磁力线的方向的优选取向会增强磁场强度。例如，球状微粒随机地散布在一聚合物棒内部，该棒以它的主轴线平行于磁力线取向时的加热快于该轴线垂直于磁力线时的加热。这种加热提高是由于磁通密度的影响，即沿着磁力线方向借助相邻球粒的作用，每个球粒都和棒端的球粒一起受益于大量的先前已排列的球粒所受的积累磁通密度的影响。当该棒以它的主要轴线垂直于磁力线取向时，每条磁力线仅贯穿很少数量的球粒，磁通密度的影响被降低，发热速率也被降低。例如将铁氧体Mn-67球粒按体积计为5％而混合到低密度聚乙烯中。将长度7毫米、直径1毫米的模压棒置入一工作在5兆赫的圆柱形感应线圈中，已经发现，在以其主要轴线平行于磁力线定位的各棒的情况下其加热比垂直磁力线定位的各棒快两倍。
本发明的微粒加热快于上述已有技术中的微粒，原因在于，除了磁滞损耗之外，它们还由于涡流电流损耗而发热。这是因为它们是导电的，以及还因为对于一指定的所希望的微粒体积和微粒表面面积而言，在某一特定频率下，它们具有的两个正交的维的尺寸大于穿透深度，这样就能够流有涡流电流。另一方面，纤维只有一维尺寸大于穿透深度，而球粒的三维尺寸之中没有一个大于穿透深度。在后面的这些情况中，没有涡流电流，加热速率和效率都明显降低了。
申请人已经发现，选择微粒表面面积对微粒体积的比例可有助于快速均匀地加热制品。一个重要的研究是将来自铁磁微粒的热量传输给环绕的主体物料。其每单位体积具有相对大的表面面积的微粒能够更快地将热量传导给环绕的主体物料。表面面积对体积的比随微粒的形状变化。对于指定的微粒体积，将球状、纤维状以及片状进行比较，在比S/V(表面面积/体积)方面表现出极大的差别。
对直径d的球粒，    S/V＝6/d。
对于横截面直径为d和长度为1的圆柱形纤维，
S/V＝2/1＋4/d。
对于盘状薄片，其中d为直径，t为厚度
S/V＝4/d＋2/t
与纤维和球粒相比，对于象薄片这样的具有高的表面面积对体积之比的微粒来说，对于指定的微粒体积，微粒之间的磁通密度被提高了。要利用球状微粒或纤维得到大的表面面积对体积之比，需要小的微粒尺寸，比其穿透深度要小得多，因而将不能利用涡流电流产生热量。例如，二正交维的尺寸约等于15微米、第三正交维的尺寸或厚度约为0.2微米的磁性不锈钢片具有的表面面积对体积之比S/V＝4/d＋2/t，S/V＝4/15微米2/0.2/微米＝10.3/微米。假设穿透深度为7微米时，这些薄片具有的两维尺寸比该穿透深度大两倍，因此当置于交变磁场中时，除了引起磁滞损耗之外，还利用涡流电流加热。具有相同表面面积对体积之比S/V＝6/d＝10.3/微米的磁性不锈钢球粒其直径为0.58微米，远小于穿透深度，因此不能由于涡流电流产生显著的热量。与之相似，具有相同表面面积对体积之比S/V＝4/d－2/1＝10.3/微米的磁性不锈钢纤维只有比穿透深度大两倍的一维尺寸。纤维可能具有的最小长度要2倍于穿透深度或14微米，其指定纤维直径为0.4微米。此外，假如纤维长度大于14微米，则纤维直径必须小于0.4微米。因此，该纤维只有一维尺寸大于穿透深度的两倍，故不会由于涡流电流损耗产生显著的热量。例如，将直径6微米、长度1000微米的由Memcor Corporation提供的磁性不锈钢纤维(按体积计以2％)添加到低密度的聚乙烯中。将该被添加的聚乙烯棒置于工作在5兆赫的交变磁场中，线圈电流有效值为20安，在这种情况下观察到其加热速率比也由MemcorCorporation提供的直径较大(20微米)以及长度为1000微米的磁性不锈钢纤维要慢约10倍。
采用其正交的两维尺寸大于正交第三维尺寸的微粒例如薄片还能够在剪切制品的过程中(例如在添加薄片的热装式管道的挤压和膨胀的过程中)使在制品的表面处的微粒与该制品的表面排列一致。例如，按照2％的体积百分率，加工该包含薄片的制品时可形成颜色均匀的平滑的不透明的表面。按照相同的纤维的体积百分比，可以以视觉方式易于检测到各个纤维，其表面则是不光滑的。这是因为该优选实施例的薄片对于每个指定的微粒体积，比球粒或纤维具有更大的表面。另外，希望在该制品中的微粒相对于磁力线的取向能对加热速率产生某些影响。为了增强这种影响，通过将这些微粒置于强的永久磁场中，可以实现在制品内部的微粒彼此之间相对增加微粒排列一致。
希望即使在添加导电的微粒之后，由于制品的主体物料是不导电的，使本发明的制品仍维持是不导电的。因为在本发明中采用的微粒具有高效发热的特性，故能够采用低体积百分比的微粒，因此维持了该制品的不导电的本性。采用低体积百分比的微粒的附带益处是降低成本，这是由于在制品中所需包含的微粒的质量较小。
正如上面讨论的，可以利用微粒的居里点来控制微粒的温度并因此控制制品的温度。可以选择具有不同居里点的不同微粒并维持高的微粒电导率和导磁率。本发明快速加热的微粒使温度极快地上升到居里点，在居里点微粒自动进行调整。因此，能够利用本发明的微粒实现非常快的加热并且能进行极为精确的温度调整。利用本发明的微粒能够自行调整由涡流电流和磁滞损耗两者产生的热量，这是对已有技术的改进。根据本发明，包含在主体物料中的各材料可以根据它们的居里点进行选择，并使微粒具有高的宽厚比和高的表面面积对体积之比。所选择的材料的居里温度等于或大于该制品被加热的温度。按照这种方式，制品的加热可以精密控制，同时维持快速加热。使用低体积百分比的微粒也能实现这一点，因此维持主体物料的性能不变。
因为本发明具有高效率，为了实现制品的最终预期状态转变所需功率会较小，因此，用于加热根据本发明构成的制品的实用设备价格低廉，可以做得紧凑、轻便、便携或者甚至手持，并且可以不需要屏蔽杂散场辐射。
本发明的优选微粒是具有高电导率和高导磁率的铁磁微粒。这里使用的导磁率是指参照上述在Bozorth的著作中的第6页上详细定义的起始导磁率。Bozorth的附录4介绍了几种铁磁材料对空气的起始导磁率。当在本申请中采用时，高的导磁率定义为约大于20的相对于空气的起始导磁率，最好约大于70，特别好是约大于100。当在本申请中采用时，高电导率定义为数值约大于104/欧·米的电导率，最好约大于106/欧·米，特别好是约大于107/欧·米。
适用于本发明的铁磁材料包括：镍、铁、钴、某些镍合金、某些铁合金、某些钴合金、钢、坡莫合金或超透磁合金(镍铁钼超导磁合金)。优选的材料具有高电导率、高磁导率、居里点至少约等于制品被加热的温度。这些材料包括仅合有很少百分比的另一种元素例如铝、铜和铬的二元镍合金，以便降低居里点。仅包含很少百分比的另一种元素的钴和铁的二元合金的居里点通常远高于包含相同元素的二元镍合金的居里点。包含多种元素的镍合金可以做得具有非常高的导磁率并仍维持高的电导率。例如，超透磁合金，即一种包含镍、钼、铁和锰的合金具有的起始相对导磁率可以为100,000，电导率为1.67×106/欧·米，居里点为400℃。
本发明的导磁导电微粒可以包括一覆盖层。该覆盖层可以是非磁性和非导电性的，例如各种结合剂，以便有利于微粒与主体物料均匀混合。另外，该覆盖层可以是磁性的和非导电性的材料，例如铁氧体，以便维持微粒/覆盖层复合体的磁性能以及提供具有不导电的表面的微粒，使得可避免表面氧化。当覆盖层是氧化物时，也可以避免氧化。
还应当指出，本发明的微粒可以由中心载体部分或心核以及表面层或覆盖层构成。该中心载体部分可以是磁性的和非导电性的，例如铁氧体；它可以是非磁性的和导电性的，例如铜或铝；或者它可以是非磁性和非导电性的，例如云母、石墨、聚合物、玻璃或陶瓷。该覆盖层最好是高导磁和高导电性的。被包覆的微粒还可以再包括如上所述的覆盖层，以避免微粒表面的氧化或改进与主体聚合物的混合。
希望在主体物料中保持微粒的低体积百分比，以保证该主体物料的性能。这一体积百分比按体积计最好约在0.1％到50％，尤其在约0.5％到约10％之间，特别最佳是约等于2％。添加微粒百分比超过15％的制品通常并不是优选的，实际上，仅利用具有比较低的宽厚比就可实现。通过利用较小的微粒体积百分比，使主体物料的性能不会受到有害影响。因此，主体物料的机械和电性能基本上不变。
为了提高加热速率，制品可以包括与发热的铁磁微粒一起散布的集中磁通的微粒，例如由Metcal在1991年7月25日申请的PCT国际公开文件WO91/11082(题为“用在交变磁场进行发热的系统”)所介绍的，该文件在所有方面均可结合作为参考。该集中磁通的微粒最好比发生热量的铁磁微粒具有更高的磁性以便将磁力线集中到发生热量的微粒上。该集中磁通的微粒是铁磁性的，它可以是非发生热量型的，或者，其可以是比发生热量的微粒发生的热量要少。集中磁通的微粒的居里温度可以不同于发生热量的微粒的居里温度。
尽管该优选实施例是指将优选的片状的高导磁和高导电的铁磁微粒散布到可热活化的主体物料中，以便以感应方式加热该主体物料，在本发明的保护范围内，可选择具有高表面面积对体积之比的微粒，对在整个主体物料内均匀传输热量具有有利的影响。在本发明范围内的具有高宽厚比和表面面积对体积之比的微粒包括铁氧体薄片、铁氧体纤维，或者以铁氧体包覆的具有高宽厚比和高表面面积对体积之比的云母和/或石墨微粒。
本发明通过利用一种热活化的材料可以应用在各种场合中，例如由Seaboume等人发明和转让给Raychem Limited的美国专利第4972042号(“用于抑制电缆中流体传输的阻塞装置”)，或者由Grzanna等人发明和转让给Walter Rose GmbH&Co的美国专利第4693767号(“具有一用于支承进入电缆套管的电缆终端的横截面呈十字形的器件的电缆套管”)、所述的这两篇文件在所有方面均可结合作为参考。
下面参阅图2A和2B，电缆阻塞组件8通常包含一扁平壳体结构10，其具有延伸贯穿的五个端部开通的通道12。每个通道12与一个缝隙14相连通，使得通过将线沿着缝隙14就位并将该线压入通道就将电线16置入通道12中。根据线和通道的相对尺寸，可以将不同数量的线置入每个通道。如图2A中所示，所有的缝隙14都位于结构10的同一侧。尽管壳体结构10是作为一个扁平体介绍的，在本发明的保护范围内可有很多形式的壳体结构，只要它们就近线放置，或者环绕线束的各线或者位于线束内部，或者为包含用于容纳各线的开孔的各种结构。
各种可热装的覆盖件，或者以先前放在结构10上的套管18的形式，或者以带20的形式附着到该阻塞结构10以及附着到相邻的各线部分上。
阻塞结构10是可热活化的，并且最好由包含散布在其间的如上所述的铁磁微粒的主体物料构成。根据本发明，覆盖件18或20还可以通过将铁磁微粒包含在主体物料的内部的方式构成。
利用感应加热方式加热该组件，以便形成如图2B所示的总成的电缆阻塞件。壳体结构10能够通过加热被活化并转变为可固化的填缝密封物22。例如，结构10可以是可熔的聚合物密封物。在所形成的电缆阻塞件中，线16被完全地包封在熔化并再固化的密封物22中，并且线16和密封物22被封在可热复原的套管18或带20中。
或者，覆盖件18或20可以包含外层和内层，其中内层包含一其间散布有铁磁微粒的主体物料。外层可以是可热复原的。
其它的应用可以包括：使泡沫剂活化，因此制品的体积增加；使热固性粘接剂或胶热化；或者使热塑性粘接剂熔化，因此制品的粘度发生变化；或者加热可热复原的制品，因此该制品的形状发生变化。
实例1：加热速率
为了实验证明：与已有技术的加热相比较时，利用本发明的微粒可实现更快地加热，将各种几何形状、尺寸、电导率和磁性能的微粒按体积计为5％与由低密度的聚乙烯构成的主体物料相混合。将这样制备的制品形成直径为7.9毫米、长度为58毫米的棒。遍及该棒大多数微粒取向是随机的，但对于薄片和纤维型的，据观察在靠近壁面处则相当排列一致。被添加的棒的体电阻和绝缘强度基本上维持不变，基本上等于该主体物料的体电阻和绝缘强度。将该棒插入到直径为11.2毫米、长度为73.0毫米、工作在4兆赫、电流有效值为30安的14匝的螺旋感应线圈中。置于该电磁场中的微粒与该电磁场耦合产生热量，由此提高制品的温度。在距制品表面6毫米处利用红外高温计测量制品的温度。在附加到高温计上的图形记录器上画出温度时间曲线图。以8秒的间隔，按照温度随时间上升计算加热速率。
在表I中，对于几种被测试微粒将制品加热速率以℃/秒为单位与微粒的较大和较小的维尺寸、宽厚比、以及表面面积对体积之比在一起列表。假设各微粒是由精确的几何形状限定的。假设薄片具有盘状的几何形状，盘的直径是较大维尺寸、盘的厚度是较小维尺寸。因此薄片的宽厚比是按照该较大维尺寸用较小维尺寸来除来确定的。薄片的表面面积对体积之比是按照S/V＝2/t＋4/d确定的，其中t是较小维尺寸或厚度，d是较大维尺寸或直径。假设纤维具有棒状几何形状，棒的长度为较大维尺寸，棒的直径为较小维尺寸。纤维的宽长比按照用较小维尺寸除较大维尺寸来确定。纤维的表面面积对体积之比按照S/V＝2/l＋4/d来确定，其中1是较大维尺寸或长度，d是较小维尺寸或直径。粉末或球状微粒的宽厚比为1，因为所有维的尺寸都大约相等。表面面积对体积之比按照S/V＝6/d来确定，其中d是球粒的直径。
                表I：加热速率
微粒   较大维尺寸(微米)   较小维尺寸(微米)  宽厚比  表面面积对体积比(微米) 加热速率(℃/秒)
 1 镍片     30     0.4  75     5.1     41.5
 2 镍纤维     1000     60  16.7     0.1     28
 3 镍钎维     500     50  10     0.1     27.5
 4 不锈钢401片     80     2  40     1.1     27
 5 坡莫合金2-81片     80     2  40     1.1     23
 6 Metglas 2605SC片     1000     17  58.8     0.1     20
 7 不锈钢316片     75     1.2  62.5     1.7     16
 8 不锈钢316片     30     0.5  60     4.1     16
 9 镍片     25     1.1  22.7     2.0     14
 10 铸铁粉末     30     30  1     0.2     8
 11 镍球粒     120     120  1     0.1     7
 12 铁50/镍50粉末     75     75  1     0.1     5
 13 Alnico粉末     120     120  1     0.1     5
 14 磁铁矿石球粒     20     20  1     0.3     4
 15 钴-钐粉末     75     75  1     0.1     4
 16 Mn-Zn铁氧体FLN球粒     15     15  1     0.4     4
 17 Ni-Zn铁氧体CMD5005球粒     15     15  1     0.4     2.5
 18 Mn-Zn铁氧体Mn-67球粒     15     15  1     0.4     1.5
 19 镍球粒     5     5  1     1.2     1
 20 硅化铁粉末     20     20  1     0.3     1
 21 铝粉末     75     75  1     0.1     0.7
 22 铝片     40     0.5  80     4.1     0.1
表I所示的加热速率证明利用本发明的微粒可以使加热速率有很大提高，从1#到9#的微粒具有高的电导率、高的起始导磁率和高的宽厚比。2#和3#的镍纤维加热非常快，因为它们具有的所有三维尺寸都大于镍微粒的穿透深度，该穿透深度在4兆赫下和假设相对导磁率为100的情况下为近似等于7.0微米。然而，这些纤维使制品的表面粗糙，并使包括延伸和抗拉模量的某些主体物料性能产生有害的变化。然而本发明的薄片维持了非常平滑的制品表面，并且还维持了主体物料的延伸模量和抗拉模量。
在表I中所示的结果还证明了微粒尺寸对加热速率的影响。由于具有较大的直径和每个单位体积的较大的表面面积，30微米×0.4微米镍片的1#微粒加热远快于25微米×1.1微米镍片的9#微粒。另外，因为它们的直径远大于在4兆赫下的镍微粒的的7.0微米的穿透深度，故，11#的大的120微米的镍球粒加热快于19#的小的5微米的镍微粒。因此，5微米的镍球粒太小了，以致不能通过涡流电流损耗来产生主要的热量，因此它们发热主要由于磁滞损耗。由于磁滞损耗不取决于微粒的尺寸，因此磁滞损耗产生的热量对于镍的薄片、纤维和球粒都大体相同。由于主要由涡流电流损耗产生热量，因此利用大的镍球粒、纤维和薄片比5微米的镍球粒加热速率要快得多。
21#的直径75微米的铝球粒其加热速率要比11#的120微米的镍球粒以及19#的5微米的镍球粒要慢得多，这证明了高导磁率对加热速率的影响。因为铝是非磁性的(铝的μr＝1；镍的μr＝100)，所以铝加热不快。此外，由于铝的非磁性的属性，与1#和9#的镍片相比，22#的铝片加热也很慢。
5#坡莫合金、6#Metglas以及4#、7#和8#磁性不锈钢片，尽管比镍具有更大的磁性，其加热并不像1#的具有高表面面积对体积之比的镍片那样快，这是因为1#镍片具有较高的电导率和较高的S/V。
在表I中的结果还证明，14#以及16#-18#的铁氧体微粒加热并不象本发明的微粒那样快。
实例2：温度调节
准备两组直径7.9毫米、长度58毫米的棒，该棒包含热塑性的聚酰氨粘接剂的主体物料和按体积计为2％的铁磁微粒。第一组包含表I中的30微米×0.4微米的镍片的1#微粒，以及第二组包含40微米×0.5微米的镍铝合金片，其中在该合金中镍的重量百分比为大约97％，铝的重量百分比为大约3％。将各棒置于工作在5兆赫、线圈电流有效值为30安的如实例1中的线圈内部。得到如在实例1中所述的温度-时间曲线。图3表示了各温度时间曲线。含有镍片的各棒在10秒内达到200℃，在该温度下粘接剂在很大程度上过热。含有镍铝合金片的各棒的加热多少要快一些，但在140℃下自行调整，在该温度下粘接剂呈现预期的粘度。这一温度维持大约55秒。
实例3：制品取向
为了实验证明制品相对于磁力线的取向对加热速率的影响，准备和放置3个试样，使得制品的最长维的尺寸或者平行于或者垂直于磁力线。
试样1：将表I中的30微米×0.4微米的镍片的1#微粒按体积计为2％与低密度的聚乙烯的主体物料相混合，并挤压形成直径1.0毫米、长度7毫米的棒。
试样2：将表I中的50微米×500微米的镍纤维的3#微粒按体积计为5％与热塑性的聚酰氨粘接剂的主体物料相混合，并挤压成内径12.2毫米、壁厚0.3毫米，长度7.0毫米的套管。经观察，各纤维的排列彼此平行并平行于套管的壁。
试样3：在包含按体积计为2％的如在表I中的30微米×0.4微米的镍片的1#微粒的低密度的聚乙烯的主体物料进行挤压、照射和扩展，形成长度25.0毫米、内径12.2毫米以及壁厚1.0毫米的可热复原的管道。
用于所有3种试样的感应线圈是57.0毫米长和38.0毫米直径的6匝螺线管。它的工作频率为4兆赫，线圈电流有效值为30安。
表II列出了当这些制品平行和垂直于磁力线时的对于试样1的棒的膨胀时间、对于试样2的粘接套管的熔化时间，以及对于试样3的管道的复原时间。
                    表II：制品取向
 试样相对于线圈的磁力线的位置  时间(秒)
1 具有2％Ni片的IDPE棒     平行     7.6
    垂直     37.6
2 具有5％Ni纤维的粘接套管     平行     2.9
    垂直     32.9
3 He具有2％Ni片的热装式管道     平行     6.3
    垂直     42.6
在表II中所示的所有的实例中，当制品以它的最长维的尺寸平行于磁力线就位时比当垂直于磁力线就位时加热要快得多。这是由于各微粒当沿着相同的磁力线互相相邻地排列一致时，其相互之间所具有的积累的磁通密度影响。如上所述，当以这样一种方式就位即通过线圈行进的磁力线贯穿更多的微粒时，可以观察到利用包含铁氧体球粒的制品会使加热速率得到类似的提高。
实例4：可热装式管道
在实例4中的可热装式管道包含的低密度聚乙烯的主体物料混合有按体积计为2％的如表I中的镍片的1#微粒。该管道挤压成为一内径4.1毫米、在11毫拉德(Mrads)下被照射并将内径扩展为12.2毫米。该可热装式管道长度为25.4毫米。使用的感应线圈为长57.0毫米、直径38.0毫米的6匝的螺线管，工作频率为4兆赫，线圈电流有效值为60安。将该管道置于感应线圈的磁场中，在6.5秒之内其产生复原。
如上所述制备的没有添加镍片的可热装式管道被用作对照物，与之对照可比较包含镍片的管道的特性。在表III中将对照管道(无镍片)的某些特性和包含镍片的管道在置于电磁场之前的特性进行比较。
             表III：可热装式管道
特性   管道控制(无镍)   管道具有20％的镍片
体电阻(欧-米)     1014     1014
绝缘强度(伏/毫米)     1000     600
在150℃下加热老化之后的最终的伸长(％)
72小时     630     763
168小时     653     708
288小时     490     533
由于微粒占低的体积百分比，被添加的管道的体电阻基本上维持不变。绝缘强度受到降低，但其仍然高于管道使用的大多数场合下所需的绝缘强度。即使在150℃下热老化288小时之后，被添加管道的最终伸长基本上与未被添加的管道的最终伸长基本相同。在某些应用场合下，可能希望利用双壁的可热装式的管道，其中外层没有添加微粒，内层包含微粒，或者是它们的各种综合，其包含几层，这几层包含带或不带铁磁微粒的不同的聚合物材料。
实例5：热塑性粘接剂
将Union Comp Co.的一种Unirez聚酰氨二聚物热塑性粘接剂与按体积计为2％的表I中的镍片的1#微粒相混合并压成方板。该方板尺寸为25.4毫米×25.4毫米×1.9毫米。使用的感应线圈为57.0毫米长、直径38.0毫米的6匝螺线管，工作频率为4兆赫，线圈有效值电流为60安。将各方板置于感应线圈的磁场中，在其中它们在4秒内熔化。
还准备了没有添加镍片的具有上述相同尺寸和相同的Unirez聚酰氨二聚物热塑性粘接剂的方板。在表IV中将该对照物粘接剂方板(无镍片)的某些特性和包含镍片的粘接剂方板在置于电磁场中之前的特性进行比较。
                  表IV：热塑性粘接剂
            特性  对照的粘接剂(无镍)   带2％镍片的粘接剂
TMA软化点(℃)     155.6     156.5
在150℃下(泊)的RDA熔化粘度     1.8×105     1.8×105
在200℃下(泊)的RDA熔化粘度     100     200
在表IV中所示的结果表明，当存在镍片时热塑性粘接剂的粘度基本上维持不变。
实例6：硅胶
试样1：在19毫米×25.4毫米的玻璃瓶中将硅胶的部分A和部分B与按体积计为0.5％的表I中的镍片的1#微粒相混合并置于感应线圈的磁场中，则在17秒被熟化。感应线圈为长57.0毫米、直径为38.0毫米的6匝螺丝管，其工作频率为4兆赫，线圈电流有效值为60安。
试样2：以与试样1的相同方式制备比较用的硅胶试样2。然而，不是置于感应线圈的磁场中，而是将该试样在115℃下的热对流的炉中持续30分进行熟化。
试样3：以与试样1和2的相同方式制备比较用的没有添加镍片的胶试样3。将该试样在热对流的炉中在115℃下持续30分钟进行熟化。
在表V中表示了试样1和比较用的试样2和3的特性。表V的结果表明，在存在镍片和将含镍的硅胶置于感应线圈的电磁场中的情况下该硅胶的特性基本上维持不变，并且与常规的熟化技术(30分)相比，其熟化是非常快的(17秒)。
                     表V：硅胶
    硅胶试样    硬度(g)     粘性(克)
    1 未添加镍片的-用炉熟化的     24     15
    2 添加镍片的-用炉热化的     32     15
    3 添加镍片的-用感应加热熟化的     29     14
在不脱离仅由如下权利要求限定的本发明的保护范围的情况下，可以对该优选实施例进行各种改变和改进。

Claims (29)

1.一种用于在交变的磁场中发生热量的制品，该制品包含其间散布微粒的主体物料，所述微粒由具有高导磁率和高电导率的铁磁材料构成，所述微粒具有穿透深度和形状，该形状具有正交的第一、第二和第三维尺寸，其特征在于，其中
所述正交的第一和第二维尺寸大于微粒的穿透深度；以及
所述正交的第一和第二维尺寸至少5倍于所述正交的第三维尺寸。
2.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的正交的第一和第二维尺寸约在1微米到300微米之间。
3.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的制品包含的微粒的数量按体积计约在0.1％到50％之间。
4.如在权利要求3所述的制品，其特征在于，其中所述的制品包含的微粒的数量按体积计约在0.5％到10％之间。
5.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的铁磁材料具有的居里温度至少大约等于所述制品被加热的温度。
6.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的制品根据加热而产生形状变化。
7.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的制品根据加热而产生体积变化。
8.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的制品根据加热而产生粘度变化。
9.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的主体物料是一种熔化温度为Tm的易熔材料。
10.如权利要求9所述的制品，其特征在于，其中所述的铁磁材料具有的居里温度至少大约等于所述主体物料的熔化温度Tm。
11.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的铁磁材料包含一种金属或金属合金。
12.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的铁磁材料包含镍片。
13.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的微粒包含中心载体部分和覆盖层。
14.如权利要求13所述的制品，其特征在于，其中所述的覆盖层包含高磁性和高导电的材料。
15.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的铁磁材料的起始导磁率约大于70。
16.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的铁磁材料的电导率至少约大于106/欧·米。
17.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的制品包含的微粒在数量上按体积计约达5％，因此使得主体物料的性能基本上不变。
18.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的铁磁材料是镍合金。
19.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的铁磁材料是镍铝合金。
20.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的微粒均匀地散布在所述主体物料中。
21.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的微粒散布是不均匀的，使得至少一部分所述微粒被集中在主体物料表面的附近。
22.如权利要求1所述的制品，其特征在于，其中的制品这样取向，使得该制品的平行于最大维尺寸的轴线与磁场的磁力线基本平行。
23.一种用于在电缆中形成阻塞的装置，以阻碍流体沿电缆传输，其特征在于，其包含：
可热装式阻塞结构，其位置接近电缆中的各线而设置，所述阻塞结构包含其间散布有微粒的主体物料，所述微粒由具有高导磁率和高电导率的铁磁材料构成，所述微粒具有穿透深度和形状，该形状具有正交的第一、第二和第三维尺寸，其中所述正交的第一和第二维尺寸大于微粒的穿透深度，以及所述正交的第一和第二维尺寸至少5倍于所述正交的第三维大小；以及
覆盖件，环绕所述阻塞结构而配置。
24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，其中所述的阻塞结构包括具有若干开孔以容纳线缆的壳体。
25.如权利要求23所述的装置，其特征在于，其中所述的覆盖件包括其间散布有铁磁微粒的主体物料，所述微粒由具有高导磁率和高电导率的铁磁材料构成，所述微粒具有穿透深度和形状，该形状具有正交的第一、第二和第三维尺寸，其中所述正交的第一和第二维尺寸大于微粒的穿透深度，以及其中所述正交的第一和第二维尺寸至于5倍于所述正交的第三维尺寸。
26.如权利要求23所述的装置，其特征在于，其中所述的覆盖件包含内层和外层。
27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，其中所述的内层包含其间散布有铁磁微粒的主体物料，所述微粒由具有高导磁率和高电导率的铁磁材料构成，所述微粒具有穿透深度和形状，该形状具有正交的第一、第二和第三维尺寸，其中所述正交的第一和第二维尺寸大于微粒的穿透深度，并且其中所述的正交的第一和第二维尺寸至少5倍于所述正交的第三维尺寸。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，其中所述的外层是可热复原的。
29.如权利要求23所述的装置，其特征在于，其中所述的主体物料由一种易熔的聚合物密封剂构成。
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