CN112455048B - 一种强反射材料的微波高效加热方法 - Google Patents
一种强反射材料的微波高效加热方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112455048B CN112455048B CN202011325099.4A CN202011325099A CN112455048B CN 112455048 B CN112455048 B CN 112455048B CN 202011325099 A CN202011325099 A CN 202011325099A CN 112455048 B CN112455048 B CN 112455048B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- microwave
- dielectric layer
- artificial
- heating
- artificial microstructure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 88
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 78
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 28
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 28
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 27
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 11
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 10
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 5
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 4
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 4
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 3
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 claims description 3
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 11
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 10
- 239000011208 reinforced composite material Substances 0.000 description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 5
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 229910001374 Invar Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 4
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 4
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- -1 copper alloy Chemical compound 0.000 description 3
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001297 Zn alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 239000010426 asphalt Substances 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 2
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000010329 laser etching Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
- B32B37/06—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the heating method
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
- B32B15/08—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/18—Layered products comprising a layer of metal comprising iron or steel
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
- B32B27/06—Layered products comprising a layer of synthetic resin as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
- B32B27/08—Layered products comprising a layer of synthetic resin as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
- B32B27/18—Layered products comprising a layer of synthetic resin characterised by the use of special additives
- B32B27/20—Layered products comprising a layer of synthetic resin characterised by the use of special additives using fillers, pigments, thixotroping agents
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
- B32B27/28—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42
- B32B27/281—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42 comprising polyimides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
- B32B27/38—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising epoxy resins
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B3/00—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form
- B32B3/02—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by features of form at particular places, e.g. in edge regions
- B32B3/08—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by features of form at particular places, e.g. in edge regions characterised by added members at particular parts
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
- B32B38/18—Handling of layers or the laminate
- B32B38/1858—Handling of layers or the laminate using vacuum
Landscapes
- Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)
Abstract
一种用于强反射材料的微波高效加热方法，其特征是通过在强反射材料表面放置介质层，并在介质层上放置人工微结构，使强反射材料、介质层、人工微结构构成层叠结构；利用微波辐照上述层叠结构，对强反射材料进行微波高效加热。本发明具有微波透过性好，加热速度快的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波加热技术，尤其是一种强反射材料的微波加热技术，具体地说是一种强反射材料的微波高效加热方法。
背景技术
众所周知，微波难以被馈入至强反射材料内，因此传统观念普遍认为强反射材料无法被微波加热。发明人团队前期针对多向铺层碳纤维复合材料这一典型强反射材料的微波加热方法进行了大量尝试，据此提出了两种微波加热方法(CN107718394A、CN109228066A)。其中，CN107718394A所述的方法通过在多向铺层的碳纤维复合材料表面放置金属栅阵，从而在多向铺层的碳纤维复合材料内部激励起垂直穿透微波对其进行加热。然而，该方法对复合材料上下表面金属栅阵的放置位置敏感，腔体内微波向垂直穿透微波的转化效率低，加热效率低(升温速率仅2℃/min左右)。对于厚度较大的复合材料，以及任意厚度的金属和合金材料，无论上下金属栅阵在微波场中积累多少电荷，都难以贯穿上述材料形成垂直穿透微波，从而无法实现上述材料的微波加热。CN109228066 A所述的方法通过在多向铺层的碳纤维增强复合材料表面放置阵列三维金属单元，将微波腔体内的微波转化为TM波对多向铺层的碳纤维复合材料进行加热。该方法不仅面临不同形式的微波间转化效率低的问题，而且所述的三维金属单元厚度大、刚性强，难以适用于复杂零件的微波加热。如果将该方法用于金属和合金材料的微波加热时，金属和合金材料还会干扰置于其表面的多个三维金属单元间的谐振，无法产生加热效果。
将检索范围从微波加热领域扩展至吸波隐身领域，公开号为CN111546719A的中国专利公开了一种磁性宽频带电磁吸波超材料。其吸波机理一是通过磁性结构单元发生磁损耗吸波，二是通过介质层产生介电损耗吸波。然而，对强反射材料进行微波加热时，最高效的加热方案是让强反射材料自身吸波发热，而不是由其他辅助材料吸波发热后对其进行间接加热。此外，公开号为CN106192712A的中国专利提出了一种基于电磁超材料的沥青路面微波就地加热方法。然而，沥青材料不属于强反射材料，其本身对微波就具有反应灵敏，吸收率高的特点。该方法主要采用电磁超材料提高路面周围的电磁场强度。然而，对于强反射材料而言，无论如何提高电磁场强度，电磁能量都会在其表面反射，无法被加热。
发明人经过大量理论分析、仿真设计和实验研究，发现通过将强反射材料、介质层、人工微结构组成层叠结构，并对介质层和人工微结构进行设计，就可以利用大功率微波辐射上述层叠结构在强反射材料内部激励出极强的感应电流，从而利用焦耳加热效应均匀、高效地加热强反射材料。例如，采用仅300W的微波功率辐照由碳纤维复合材料、介质层(聚酰亚胺)、人工微结构(铜)组成并经过良好设计的层叠结构时，可以在复合材料内部的碳纤维轴向产生高达900A的感应电流，完全达到甚至远远超过其高效加热所需的电流(可参考The International Journal of Advanced Manufacturing Technology2019；103:3479-3493)。据此，本发明提出了一种强反射材料的微波高效加热方法。进一步，通过对人工微结构或介质层进行设计，调控所述层叠结构的波阻抗分布，还可以实现对强反射材料的微波分区加热。
发明内容
本发明的目的是针对现有的强反射材料微波加热过程中微波难以穿透实现有效加热的问题，发明一种新的强反射材料的微波高效加热方法，可以实现强反射材料的微波高效加热或微波分区加热。
本发明的技术方案是：
一种强反射材料的微波高效加热方法，其特征在于：在强反射材料表面放置介质层，同时在介质层表面设置一个或多个人工微结构，构成层叠结构；利用微波辐照上述层叠结构，对强反射材料进行微波高效加热。
所述的人工微结构置于介质层的上表面，介质层的下表面置于强反射材料的上表面。
所述的人工微结构置于介质层的下表面，介质层的上表面置于强反射材料的下表面。
所述的强反射材料指金属、合金，以及由碳纤维、碳纳米管纤维、石墨烯纤维、金属网、合金网中一种或多种增强的复合材料。
所述介质层由介电常数小于16、介电损耗小于5且能耐受所述强反射材料最高被加热温度的一种或多种介电材料制作，如聚合物、聚合物复合材料、陶瓷、陶瓷复合材料、铁氧材料、铁电材料、铁磁材料中的一种或多种。
所述介质层的厚度h2满足如下关系：
其中，c为真空光速，f为加热所用微波的频率。
所述人工微结构由高导电性材料组成，且具有几何图案。
所述的高导电性材料由电导率不小于103S·m-1的材料制作，优选电导率在105S·m-1以上的材料，如铜、铝、银、金、锌等金属，铜合金、铝合金、锌合金等合金，氧化铝、氧化锌、铟锡氧化物等金属氧化物，以及石墨、石墨烯等导电碳材料。
所述人工微结构的几何图案，其外接圆直径d满足如下关系：
所述外接圆内，由高导电性材料覆盖的面积S满足如下关系：
所述人工微结构的厚度h1满足如下关系：
其中，c为真空光速，f为加热所用微波的频率，μ0为真空磁导率，σ为人工微结构所用高导电性材料的电导率。
所述微波的频率不低于430MHz且不高于6000MHz。
所述微波的功率密度不低于5mW/cm2。
所述的微波辐照包含腔体辐照与近场辐照两种方式。
所述的腔体辐照是指将所述的层叠结构放置于微波加热腔体内，使由固态微波源或磁控管产生的微波，经波导或同轴线传输后，由微波天线发射至微波加热腔体，对所述的层叠结构进行全面的微波辐照。
所述的近场辐照是指由固态微波源或磁控管产生的微波，经波导或同轴线传输后，由微波天线直接辐照在所述层叠结构包含人工微结构的一侧。
通过调整人工微结构的材料、形状、尺寸、布局关系、间距与介质层的材料、厚度调节所述层叠结构对加热所用微波的波阻抗或波阻抗分布，从而实现强反射材料的微波整体加热或微波分区加热。
所述的人工微结构布局关系是指人工微结构的周期性排列方向以及每个人工微结构绕自身几何中心旋转的角度。为了便于设计和制造通常采用阵列排布，且每个人工微结构的旋转角度一致。
对强反射材料进行整体加热时，所述的人工微结构在介质层上的排布方式优选为周期性排布，通过提高“强反射材料+介质层+人工微结构”的波阻抗与自由空间波阻抗的匹配程度，提升对强反射材料的微波加热效率。
对强反射材料进行分区加热时，所述人工微结构在介质层上的排布方式为非周期性排布，但各区域内的人工微结构可具有周期性，通过使“强反射材料+介质层+人工微结构”在各区域获得不同的波阻抗，实现对强反射的微波分区加热或温度控制。所述分区加热的最小分区面积为人工微结构单元所占据的面积，此时在强反射材料表面可划分的区域最多，强反射材料表面的人工微结构完全不具备周期性。
本发明的有益效果：
1.由人工微结构、介质层和强反射材料组成的层叠结构，通过设计可获得接近100％的吸波效果；
2.进入所述层叠结构的微波能量直接被强反射材料损耗发热，加热效率高；
3.附着人工微结构的介质层厚度薄，柔性好，可适用于复杂构件的微波高效加热。
附图说明
图1是本发明所用装置示意图。
图2是典型人工微结构示意图。
图3是本发明的一种介质层和人工微结构示意图。
图4是本发明的人工微结构布局关系示意图。
图5是本发明的人工微结构及介质层尺寸优化电磁仿真模型。
图6是本发明的一种人工微结构及介质层的优化仿真结果。
图7是用于碳纤维增强复合材料微波加热的介质层及人工微结构实物照片。
图8是“人工微结构+介质层+碳纤维增强复合材料”在微波作用下产生的感应电流和能量损耗分布图。
图9是本发明的微波加热实验设置照片。
图10是碳纤维增强环氧树脂基复合材料[0/90]10的微波加热效果。
图11是一种分区加热实验设置以及对应的分区加热效果。
图12是“人工微结构+介质层+殷瓦钢”在微波作用下的能量损耗分布图。
图13是“人工微结构+介质层+铁质模具”在微波作用下的能量损耗分布图。
图中：1磁控管，2微波传输线，3微波加热腔体，4附着人工微结构的介质层，5强反射材料，6微波载物台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图对本发明的方法方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例。而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通方法人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围内。
如图1-2所示。
一种强反射材料的微波高效加热方法，关键是在强反射材料5表面或部分表面放置附有人工微结构的介质层4，使强反射材料、人工微结构和介质层构成层叠结构，并将上述层叠结构置于微波加热腔体3中进行微波加热，其原理图如图1所示。
在本发明中，介质层由聚合物、聚合物复合材料、陶瓷、陶瓷复合材料、铁氧材料、铁电材料、铁磁材料中的一种或多种制作。优选地，选用FR4，聚酰亚胺，聚四氟乙烯等介电性能良好的材料。作为具体的实施例，所述的介质层以柔性良好的聚酰亚胺薄膜进行介绍，但介质层材料绝不仅限于聚酰亚胺，上述材料的介质层在对厚度和人工微结构形式进行优化后，都可以取得良好的加热效果。
人工微结构由电导率不小于103S·m-1的材料制作，优选电导率在105S·m-1以上的材料，如铜、铝、银、金、锌等金属，铜合金、铝合金、锌合金等合金，氧化铝、氧化锌、铟锡氧化物等金属氧化物，以及石墨、石墨烯等导电碳材料。作为具体的实施例，所述的人工微结构材料以铜进行介绍，但绝不仅限于铜，上述具有高电导率的材料在对人工微结构形式和介质层厚度、材料进行优化后，都可以取得良好的加热效果。
在本发明中，所述的人工微结构通过刻蚀、电镀、光刻、电子/离子刻、模压等方式附着在介质层上。
如图2所示，图中列举出了一些人工微结构的图案形式，当然，这里只是举了一些简单的例子，人工微结构的图案还可以是其他的，在本发明的实施实例中并不能穷举，图案的形式并不是本发明的核心，通过对于介质层材料、厚度和人造微结构材料、图案、尺寸、排布方式的合理设计，都可以最终获得期待中的波阻抗或波阻抗分布。作为具体的实施例，本发明采用的人工微结构如图3所示。
如图4所示，所述的人工微结构布局关系是指人工微结构的周期性排列方向(图4位置一、二、三、四所示)以及每个人工微结构绕自身几何中心旋转的角度(图4位置五所示)。为了便于设计和制造，人工微结构通常采用阵列排布且每个人工微结构的旋转角度一致。
上述介质层厚度、材料和人工微结构的形状、尺寸、布局关系、材料等均通过有限元方法确定，进一步地，有限元方法为通过电磁场设计软件进行计算，通过在电磁场仿真软件中设计周期性边界的“人工微结构+介质层+强反射材料”的双端口电磁分析模型(如图5)，对上述结构参数采用参数扫描法进行逐一优化，按照加热需求优选在加热微波频率处(常用2.45GHz、915MHz等)可以实现最高微波吸收率的介质层和人工微结构形式。上述优化过程看似复杂，但此过程都是由计算机完成，其实很快就能完成，并且上述劳动不具备创造性。下面展示几个本发明的实施实例：
实施实例1。
采用微波加热固化碳纤维增强环氧树脂基复合材料[0/90]10，其尺寸为200(长)×200(宽)×2(高)mm3。人工微结构采用形状为方形单元。介质层采用聚酰亚胺薄膜制作，聚酰亚胺的介电常数为3.5，介电损耗为0.028。人工微结构采用铜箔制作，铜的电导率为5.813×107S/m。为了便于设计和制造，人工微结构采用了周期性阵列排布，且每个人工微结构旋转角度一致，如图3所示。
采用HFSS频域仿真软件中的Floquet端口激励建立“人工微结构+介质层+碳纤维增强复合材料”的双端口电磁分析模型，研究w1、w2、d和h2等结构参数对“人工微结构+介质层+碳纤维增强复合材料”反射率(S11)的影响。首先确定各参数优化范围。加热所用的微波频率为2.45GHz，由介质层厚度
可以得到h2≤4.08mm，故h2的仿真优化范围选用0～4.08mm；同理，根据结构最大外接圆直径
可得到12.5≤d≤61mm，即w1的取值范围为8.8mm≤w1≤43.1mm；再根据贴片面积公式可知，当w1＞40.8mm，还需进一步满足
另外，人工微结构的厚度
在本实例中采用了目前市场上最为常见的18μm的铜箔进行制作。在此基础上，电磁模型的仿真结果如图6所示。可以看出，当h2＝1.1mm时，整个体系的反射率S11仅-23dB，几乎可一次性吸收入射的微波能量。为了兼顾介质层的柔性，以及所述层叠结构的吸波效果，本实例采用的介质层厚度为0.5mm。此时，所述层叠结构的反射率S11约-5dB。这意味着任意一束微波入射到“人工微结构+介质层+碳纤维增强复合材料”表面时有近70％的能量被吸收。虽然仍有约30％的能量被反射，但其经腔体壁面反射后又会入射到所述的层叠结构上被进一步吸收。如此不断往复，使得“人工微结构+介质层+碳纤维增强复合材料”呈现出良好的吸波性能。由于在固化过程中碳纤维增强复合材料表面本身存在一层厚度约0.25mm的脱模布(其介电性能与聚酰亚胺接近)，介质层的厚度最终确定为0.25mm，综上，人工微结构和介质层的最终尺寸设计为w1＝27.25mm，w2＝3.0mm，d＝1.0mm，h2＝0.25mm。
图7为采用激光刻蚀方法制作的附着人工微结构的介质层实物。从图8可以看出微波被有效的馈入到碳纤维复合材料内部，并在碳纤维轴向激励出高达106A/m2的电流密度，使得超过70％的能量都被碳纤维复合材料损耗。
在复合材料上表面依次放置脱模布、刻蚀了人工微结构的聚酰亚胺薄膜、有孔隔离膜、透气毡，并打好真空袋。随后，将其放入微波加热设备中进行抽真空和微波加热，如图9所示(加热现场照片)。所述的微波加热设备采用磁控管1产生微波，经矩形波导2传输后，由裂缝天线发射至微波腔体3内对所述的碳纤维复合材料5进行微波加热。加热效果如图10所示。可见，[0/90]10铺层的碳纤维增强环氧树脂基复合材料被微波高效加热。
实施实例2。
采用微波分区加热碳纤维增强环氧树脂基复合材料[0/90]10，其尺寸为200(长)×200(宽)×2(高)mm3。将封装好的碳纤维增强环氧树脂基复合材料[0/90]10置于微波谐振腔体内，人工微结构采用形状为方形单元，将其裁剪后置于复合材料上表面，进行微波分区加热。如图11所示，将附着人工微结构的介质层以一个结构为最小单元，裁剪成“NUAA”字样，置于碳纤维增强复合材料表面，加热效果呈现显著的“NUAA”分区。其余同实施实例1。当然，除了剪裁的方式，也可以通过人工微结构或介质层的设计，调控所述层叠结构的波阻抗分布，从而实现对碳纤维复合材料的微波分区加热。
实施实例3。
采用微波加热殷瓦钢(一种镍铁合金)，其尺寸为200(长)×200(宽)×2(高)mm3。人工微结构采用形状为方形单元，介质层材料为聚酰亚胺薄膜，该结构最终尺寸设计为w1＝25.25mm，w2＝4.0mm，d＝1.0mm，h2＝2.0mm。可以看出微波有效的被馈入层叠结构内部，并在殷瓦钢表面激起高强度的感应电流，使殷瓦钢被有效加热，如图12所示。其余同实施实例1。
实施实例4。
采用微波加热铁质模具(一种金属)，其尺寸为200(长)×200(宽)×2(高)mm3。人工微结构采用形状为方形单元，介质层材料为聚酰亚胺薄膜。该结构最终尺寸设计为w1＝25.25mm，w2＝4.0mm，d＝1.0mm，h2＝2.0mm加热方法同实施实例1，加热能量分布情况如图13所示，可以看出经过优化算法设计的人工微结构和介质层使微波对铁质模具也有着良好的加热效果。其余同实施实例1。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种强反射材料的微波高效加热方法，其特征在于：在强反射材料表面放置介质层，以及一个或多个人工微结构，构成层叠结构，利用微波辐照上述层叠结构，对强反射材料进行微波加热；所述的人工微结构置于介质层的上表面或下表面，当人工微结构置于介质层的上表面时，介质层的下表面置于强反射材料的上表面，当人工微结构置于介质层的下表面时，介质层的上表面置于强反射材料的下表面；所述人工微结构的外接圆直径d满足如下关系：
所述外接圆内，由高导电性材料覆盖的面积S满足如下关系：
所述人工微结构的厚度h1满足如下关系：
所述介质层的厚度h2满足如下关系：
其中，c为真空光速，f为加热所用微波的频率，μ0为真空磁导率，σ为人工微结构所用高导电性材料的电导率；
所述的强反射材料指金属、合金，以及由碳纤维、碳纳米管纤维、石墨烯纤维、金属网、合金网中的一种或多种增强的复合材料；
所述高导电性材料指导电率不小于103S·m-1的材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述介质层由介电常数小于16、介电损耗小于5的一种或多种介电材料制作。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：用于制作所述介质层的介电材料包括聚合物、陶瓷、铁氧材料、铁电材料、铁磁材料之一或任意组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述人工微结构是由高导电性材料组成的具有几何图案的人造结构。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的微波辐照包含腔体辐照与近场辐照两种方式；所述的腔体辐照是指将所述的层叠结构放置于微波加热腔体内，使由固态微波源或磁控管产生的微波，经波导或同轴线传输后，由微波天线发射至微波加热腔体，对所述的层叠结构进行全面的微波辐照；所述的近场辐照是指由固态微波源或磁控管产生的微波，经波导或同轴线传输后，由微波天线直接辐照在所述层叠结构包含人工微结构的一侧。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过调整人工微结构的材料、形状、尺寸、布局关系、间距与介质层的材料、厚度调节所述层叠结构对加热所用微波的波阻抗或波阻抗分布。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011325099.4A CN112455048B (zh) | 2020-11-24 | 2020-11-24 | 一种强反射材料的微波高效加热方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011325099.4A CN112455048B (zh) | 2020-11-24 | 2020-11-24 | 一种强反射材料的微波高效加热方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112455048A CN112455048A (zh) | 2021-03-09 |
| CN112455048B true CN112455048B (zh) | 2022-10-04 |
Family
ID=74799164
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011325099.4A Active CN112455048B (zh) | 2020-11-24 | 2020-11-24 | 一种强反射材料的微波高效加热方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112455048B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112936922A (zh) * | 2021-04-06 | 2021-06-11 | 南京航空航天大学 | 一种超表面馈能的复合材料构件损伤外场微波快速修补方法 |
| CN114222387A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-03-22 | 南京航空航天大学 | 一种提高微波加热温度均匀性的方法 |
| CN115501889B (zh) * | 2022-06-30 | 2023-12-05 | 浙江工业大学 | 多孔铜-硫属元素金属互化物材料及其制备和在乙炔氢氯化反应中的应用 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109228066A (zh) * | 2018-09-17 | 2019-01-18 | 南京航空航天大学 | 多向铺层碳纤维增强树脂基复合材料微波固化方法 |
-
2020
- 2020-11-24 CN CN202011325099.4A patent/CN112455048B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112455048A (zh) | 2021-03-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112455048B (zh) | 一种强反射材料的微波高效加热方法 | |
| CN104218325B (zh) | 一种等效介电常数和磁导率近零的人工电磁材料 | |
| Xu et al. | Hilbert-shaped magnetic waveguided metamaterials for electromagnetic coupling reduction of microstrip antenna array | |
| Zang et al. | Microwave absorption enhancement of rectangular activated carbon fibers screen composites | |
| Burghignoli et al. | Directive leaky-wave radiation from a dipole source in a wire-medium slab | |
| Sayanskiy et al. | Broadband 3-D Luneburg lenses based on metamaterials of radially diverging dielectric rods | |
| Yuan et al. | Directive emission based on anisotropic metamaterials | |
| CN101765358A (zh) | 一种基于树枝结构的超材料吸收器 | |
| CN106450784A (zh) | 一种低频负磁导率的超材料 | |
| CN202103167U (zh) | 一种基于磁谐振结构的平板透镜天线 | |
| Zhou et al. | A planar zero-index metamaterial for directive emission | |
| Attia et al. | Metamaterial for gain enhancement of printed antennas: Theory, measurements and optimization | |
| Huang et al. | Broadband radar absorbing performance of corrugated structure | |
| CN106450785B (zh) | 一种用于产生局域热点的电磁超材料结构 | |
| CN112702900B (zh) | 一种超材料吸波体 | |
| CN112793057B (zh) | 一种碳纤维增强复合材料微波多频分区加热方法 | |
| Ceccuzzi et al. | Effect of source position on directive radiation in EBG structures with epsilon-near-zero behavior | |
| CN103032906B (zh) | 一种微波炉 | |
| Wang et al. | Spatial microwave power combining with anisotropic metamaterials | |
| Du et al. | Chaos patterned metasurface absorber with multi-peak and broadband | |
| Huang et al. | A minimized 2-D left-handed material spiral unit cell with rotation symmetry for midrange wireless power transfer | |
| Castillo-Tapia et al. | V-Band Monolithic Additive-Manufactured Geodesic Lens Array Antenna | |
| Weng et al. | Design and experiment of one dimension and two dimension metamaterial structures for directive emission | |
| Faeghi et al. | Nanoparticle-coated Vivaldi antenna array for gain enhancement | |
| Aghanejad et al. | High-gain planar lens antennas based on transformation optics and substrate-integrated waveguide (SIW) technology |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |