RU2694462C1 - Method of hardening large-size products of complex shape in shf electromagnetic field of reinforced with carbon fiber polymer composite materials - Google Patents

Method of hardening large-size products of complex shape in shf electromagnetic field of reinforced with carbon fiber polymer composite materials Download PDF

Info

Publication number
RU2694462C1
RU2694462C1 RU2018124761A RU2018124761A RU2694462C1 RU 2694462 C1 RU2694462 C1 RU 2694462C1 RU 2018124761 A RU2018124761 A RU 2018124761A RU 2018124761 A RU2018124761 A RU 2018124761A RU 2694462 C1 RU2694462 C1 RU 2694462C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mirror
shape
article
total
horn
Prior art date
Application number
RU2018124761A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владислав Алексеевич Царев
Ирина Владимировна Злобина
Николай Валерьевич Бекренев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.)
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.)
Priority to RU2018124761A priority Critical patent/RU2694462C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2694462C1 publication Critical patent/RU2694462C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B29C35/08Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: invention relates to technology of electrophysical hardening of final molded polymer articles of various shape complexity. Method of strengthening in SHF electromagnetic field of large-size products of complex shape from carbon composite polymer-reinforced polymer materials includes determining, based on analysis of cross-section profile of processed article shape of total asymmetric beam pattern of antenna with required distribution of amplitudes and phases, selecting the shape of the mirror, forming a beam pattern and rotating the mirror such that the envelope of the beam pattern is equidistant to the cross-section of the article. Directional pattern is created by superimposing individual sharply directional patterns of horn antennae. Their number is selected based on the cross-sectional dimensions of the processed article, taking into account the shape of the beam pattern, intensity of excitation of each horn and dimensions, curvature of the profile and thickness of the article. An article and a mirror of the antenna are subjected to relative longitudinal discrete movement with a pitch defined by the size of the top of the total beam pattern, and mirror is provided with swinging motion in plane of article cross section by value providing compensation of error of mismatch of shape of total beam pattern and surface of article. When machining an article with variable thickness, the section with maximum thickness is located at the top of the main lobe of the total beam pattern.
EFFECT: creation at any point of the surface of a large-size article with a complex shape of the required intensity of the SHF electromagnetic field, which ensures uniform reinforcement modification of the structure of the material.
4 cl, 2 tbl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к технологии изготовления изделий из армированных углеродным волокном полимерных композиционных материалов, а именно к электрофизическому упрочнению окончательно сформированных изделий различной сложности формы и может быть использовано в при изготовлении деталей транспортных машин, в частности - авиационной техники, к прочности и выносливости которых предъявляются повышенные требования.The invention relates to the technology of manufacturing products made of carbon fiber-reinforced polymer composite materials, namely, electrophysical hardening of the finally formed products of varying complexity of shape and can be used in the manufacture of parts of transport machines, in particular - aircraft technology, to the strength and durability of which increased requirements .

Известен способ получения многослойных подложек из термопластичного синтетического смолистого материала (патент US на изобретение №5338611 А), согласно которому формируют полосы, содержащие термопластичный полимер со включениями частиц сажи и которые укреплены стекловолокном в количестве по весу от 5 до 60% и углеродным волокном в количестве по весу от 1 до 20%. Сформированный блок из армированных подложек помещают в электромагнитное поле частотой от 0,5 до 10 ГГц с мощностью, достаточной для нагрева до температуры, большей температуры стеклования, но меньшей температуры плавления, что создает соединение между слоями.A method of obtaining multilayer substrates of thermoplastic synthetic resinous material (US patent for the invention №5338611 A), according to which strips containing a thermoplastic polymer with soot particles are formed and reinforced with fiberglass in an amount by weight from 5 to 60% and carbon fiber in an amount by weight from 1 to 20%. The formed block of reinforced substrates is placed in an electromagnetic field with a frequency of 0.5 to 10 GHz with a power sufficient to heat to a temperature higher than the glass transition temperature but lower than the melting point, which creates a connection between the layers.

Способ не позволяет проводить обработку в электромагнитном поле изделий сложной формы и больших габаритных размеров по причине неравномерного распределения СВЧ электромагнитного поля в камере, что не позволяет осуществлять распределение мощности излучения равномерно по всей сложной поверхности изделия, размеры которого не позволяют разместить обрабатываемый объект в одной из пучностей напряженности поля. Также недостатками способа являются термические напряжения, возникающие на границах раздела слоев и границах «волокно-матрица». Возникновение напряжений связано с различными коэффициентами термического расширения у армирующих волокон из разнородного материала и полимерной матрицы, что вызывает значительные деформации волокон, которые при остывании матрицы не релаксируют вследствие ее затвердевания. Это препятствует сокращению удлинившихся волокон. Соответственно возникающим напряжениям понижаются прочностные характеристики материала. Дополнительно возникает концентрация напряжений при формовании изделия из данного материала, вызывающая неоднородность напряженно-деформированного состояния (НДС), что повышает опасность разрушения при знакопеременных нагрузках, возникающих, например, при эволюциях летающих с большими ускорениями объектов. Неоднородности НДС способствует введение в матрицу частиц сажи, которые являются концентраторами выделения тепловой энергии при взаимодействии с СВЧ электромагнитным полем, но не могут быть равномерно распределены в объеме матрицы при введении в нее известными технологическими методами. Материал содержит малое количество углеродного волокна, что снижает его прочностные свойства. Относительно применимости способа к обработке преимущественно углеродных армирующих элементов информация отсутствует.The method does not allow processing in the electromagnetic field of products of complex shape and large dimensions due to the uneven distribution of the microwave electromagnetic field in the chamber, which does not allow the distribution of radiation power evenly across the complex surface of the product, the dimensions of which do not allow to place the processed object in one of the antinodes field strengths. Also the disadvantages of the method are thermal stresses that occur at the interfaces between the layers and the “fiber-matrix” borders. The occurrence of stresses is associated with different coefficients of thermal expansion in reinforcing fibers made of a dissimilar material and polymer matrix, which causes significant deformation of the fibers, which do not relax as the matrix cools due to its hardening. This prevents the contraction of elongated fibers. Accordingly, the resulting stresses decrease the strength characteristics of the material. Additionally, there is a stress concentration during the molding of a product made of this material, causing heterogeneity of the stress-strain state (VAT), which increases the risk of fracture under alternating loads that occur, for example, during the evolution of objects flying with large accelerations. The heterogeneity of the SSS is promoted by the introduction of soot particles into the matrix, which are concentrators of the release of thermal energy when interacting with a microwave electromagnetic field, but cannot be evenly distributed in the matrix volume when introduced into it by known technological methods. The material contains a small amount of carbon fiber, which reduces its strength properties. Regarding the applicability of the method to the processing of predominantly carbon reinforcing elements, there is no information.

Известен способ получения армированных полимерных материалов (патент RU на изобретение №2135530 C08L 63/02, C08J 5/24, C08J 5/06, C08G 59/56, опубликован 27.08.1999 г.). Способ включает в себя операции: пропитки наполнителя смолой, термообработки, пропитки отверждающей системой. Для армирования используют капроновую нить, обработанную магнитным полем перед пропиткой ее отверждающей системой, в отверждающую систему вводят защитный полимер: бутадиенстирольный латекс или клей КМЦ, при следующем массовом соотношении компонентов в отверждающей системе: вода, отвердитель, защитный полимер 1,7-2,3:0,5-1,5:0:7-1,3. Технический результат - повышение разрушающего напряжения при статическом изгибе и повышение удельной вязкости полимерных композиционных материалов при одновременном их удешевлении.A method of obtaining reinforced polymeric materials (patent RU for invention No. 2155530 C08L 63/02, C08J 5/24, C08J 5/06, C08G 59/56, published on August 27, 1999). The method includes operations: impregnation of a filler with a resin, heat treatment, impregnation with a curing system. For reinforcement use a nylon thread treated with a magnetic field before impregnation with its curing system, a protective polymer is introduced into the curing system: styrene-butadiene latex or CMC glue, with the following mass ratio of components in the curing system: water, curing agent, protective polymer 1.7-2.3 : 0.5-1.5: 0: 7-1.3. The technical result is an increase in destructive stresses during static bending and an increase in the specific viscosity of polymer composites with their simultaneous cheapening.

Недостатками способа являются следующие. Способ не может быть применен к крупногабаритным протяженным изделиям, имеющим сложную форму, типа конструкционных силовых конструкций и элементов обшивки летательных аппаратов и других транспортных систем вследствие существенной неравномерности электромагнитного поля в СВЧ камере. В результате эффект модифицирующего воздействия оказывается различным в разных зонах на поверхности и в объеме изделия, что приведет к усилению исходной анизотропии свойств и снижению надежности изделия при знакопеременных нагрузках, возникающих, например, при эволюциях летающих с большими ускорениями объектов. Также создание СВЧ камеры значительных размеров (порядка нескольких метров) с распределенной по требуемому закону напряженностью электромагнитного поля трудно осуществимо технически.The disadvantages of the method are as follows. The method cannot be applied to large-sized extended products having a complex shape, such as structural power structures and elements of the skin of aircraft and other transport systems due to the significant non-uniformity of the electromagnetic field in the microwave chamber. As a result, the effect of the modifying effect turns out to be different in different zones on the surface and in the volume of the product, which will increase the initial anisotropy of properties and reduce the reliability of the product with alternating loads, such as those evolving objects flying with large accelerations. Also, the creation of a microwave chamber of considerable size (of the order of several meters) with the electromagnetic field intensity distributed according to the required law is technically difficult to implement.

Приведенные в описании способа режимы не могут быть применимы к обработке материалов, армированных углеродным волокном. На работоспособность сформированного изделия оказывает влияние технологическая наследственность предшествующей термической обработки и размерного формования, в результате указанный в описании эффект по повышению разрушающих напряжений при статическом изгибе и ударной вязкости оказывается снивелирован последующей за получением материала размерной обработкой. Дополнительно возникает концентрация напряжений при формовании изделия из данного материала и при его последующей размерной обработке, что вызывает неоднородность НДС, повышает опасность разрушения.The modes described in the description of the method may not be applicable to the processing of materials reinforced with carbon fiber. The performance of the formed product is influenced by the technological heredity of the previous heat treatment and dimensional molding, as a result, the effect described in the description on increasing the destructive stresses during static bending and toughness is reduced by the subsequent processing of the material by dimensional processing. Additionally, there is a concentration of stresses during the molding of a product made from this material and during its subsequent dimensional processing, which causes non-uniformity of VAT, increases the risk of destruction.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ термической обработки изделий из диэлектрических материалов с большими объемами и поверхностями, для осуществления которого используется камера лучевого типа, в которой размещают несколько излучающих рупорных систем, расстояние между которыми выбирают таким, чтобы распределение суммарной поверхностной мощности было наиболее близко к равномерному при заданной геометрии антенны и расстояния от нее до поверхности обрабатываемого объекта (Огурцов К.Н. Разработка методов расчета электротермических установок и математического моделирования процессов термообработки диэлектриков с большими объемами и поверхностями: автореф. дис. канд. техн. наук.: Саратов, 2004. - 18 с.).Closest to the claimed method is a method of heat treatment of products from dielectric materials with large volumes and surfaces, for the implementation of which a beam-type chamber is used, in which several radiating horn systems are placed, the distance between which is chosen so that the distribution of the total surface power is closest to uniform for a given antenna geometry and distance from it to the surface of the object being processed (Ogurtsov KN. Development of methods for calculating e ektrotermicheskih systems and mathematical modeling of the thermal treatment of dielectrics with high volumes and surfaces: Abstract Thesis Cand.Tech.Sci .: Saratov, 2004. - 18 c)......

Недостатками способа являются следующие. В камерах лучевого типа излучающие рупорные антенны располагаются так, что выходной контур всех рупоров располагается в одной плоскости, что обеспечивает равномерное распределение мощности СВЧ излучения по плоской поверхности. Степень равномерности задается также расстоянием между рупорами. При этом в случае обработки объекта с криволинейной поверхностью расстояние до нее будет различным для разных излучающих рупоров, что приведет к изменению напряженности электромагнитного поля и, соответственно, существенному различию поглощенной материалом СВЧ мощности в разных участках поверхности. Таким образом, описываемый способ не позволяет осуществлять равномерную обработку крупногабаритных изделий со сложной формой поверхности с обеспечением требуемого эффекта.The disadvantages of the method are as follows. In beam-type chambers, radiating horn antennas are arranged so that the output circuit of all horns is located in the same plane, which ensures uniform distribution of the microwave power over a flat surface. The degree of uniformity is also determined by the distance between the horns. Moreover, in the case of processing an object with a curved surface, the distance to it will be different for different radiating horns, which will lead to a change in the intensity of the electromagnetic field and, accordingly, a significant difference in the microwave power absorbed by the material in different parts of the surface. Thus, the described method does not allow for uniform processing of large-sized products with a complex surface shape to ensure the desired effect.

Способ проводят с целью термической обработки объектов типа асфальтобетонных покрытий во время их ремонта, т.е. на стадии формирования структуры. Он не позволяет осуществлять обработку изделий из окончательно отвержденных, армированных углеродным волокном композиционных материалов поскольку высокие температуры могут вызывать в них внутренние термические напряжения, приводящие к трещинообразованию. Неизбежная при высокотемпературной обработке отвержденных композиционных материалов дегидратация и деформация макромолекул матрицы способна привести к охрупчиванию и снижению прочности изделия.The method is carried out for the purpose of heat treatment of objects such as asphalt concrete pavements during their repair, i.e. at the stage of formation of the structure. It does not allow the processing of products from finally cured composite materials reinforced with carbon fiber, since high temperatures can cause internal thermal stresses in them, leading to cracking. Inevitable dehydration and deformation of the macromolecules of the matrix can lead to embrittlement and reduce the strength of the product during the high-temperature processing of hardened composite materials.

Известны также технические решения формирования специальной диаграммы направленности СВЧ антенны, форма зеркала которой обеспечивается путем размещения рупорного облучателя со смещением из фокуса параболоида вращения антенны в фокальной плоскости в поперечном от оси параболоида вращения направлении на величину от 0,1 до 0,5f, где f - фокусное расстояние параболоида вращения (патент RU №2458440, опубликован 10.08.2012 г.) и способ управления диаграммой направленности антенны, отличающийся тем, что облучатель смещают по дуге радиусом r 1,13f, где f фокусное расстояние зеркала, с центром, лежащим на его фокальной оси, сохраняя параллельным фокальной оси зеркала направление максимума диаграммы направленности источника излучения и уменьшая ее ширину Θn через каждые γ градусов по закону арифметической прогрессии qn=2φ-[2+2(n-1)γ, где 2φ - ширина диаграммы направленности источника излучения в фокусе отражателя; γ - дискрета смещения облучателя; n 1, 2, 3 порядок дискреты (патент RU №2091928, опубликован 27.09.1997 г.). Однако, описанные способы относятся к антеннам излучения и приема радио- или телевизионных сигналов и не обеспечивают формирования диаграммы направленности излучения любой сложности формы, соответствующей поверхности обрабатываемого изделия.There are also known technical solutions for forming a special radiation pattern of a microwave antenna, the mirror shape of which is provided by placing a horn feed with an offset from the focus of the paraboloid of antenna rotation in the focal plane in the direction transverse from the axis of the paraboloid of rotation by a value from 0.1 to 0.5f, where f is the focal length of a paraboloid of rotation (RU Patent No. 2,484,440, published on August 10, 2012) and a method for controlling the antenna pattern, characterized in that the irradiator is shifted along an arc of radius r 1.13f, where f is focus Noe length of the mirror with its center lying at its focal axis parallel maintaining the focal axis of the mirror direction of maximum directivity of the radiation source chart and reducing its width Θ n every γ degrees law arithmetic progression q n = 2φ- [2 + 2 (n- 1) γ, where 2φ is the width of the radiation pattern at the focus of the reflector; γ is the discrete offset of the feed; n 1, 2, 3 discrete order (RU Patent No. 2091928, published September 27, 1997). However, the described methods relate to radiation antennas and reception of radio or television signals and do not provide the formation of a radiation pattern of any form complexity corresponding to the surface of the workpiece.

Техническая проблема настоящего изобретения состоит в необходимости создания способа повышения прочностных характеристик крупногабаритных изделий авиационной техники сложной формы из композиционных полимерных материалов, армированных углеродным волокном, путем их равномерной обработки в СВЧ электромагнитном поле после окончательного формообразования, отверждения и размерной обработки.The technical problem of the present invention is the need to create a method to increase the strength characteristics of large-sized products of aviation equipment of complex shape from composite polymer materials reinforced with carbon fiber by uniformly processing them in a microwave electromagnetic field after final shaping, curing and dimensional processing.

Поставленная проблема решается тем, что в способе обработки изделий из диэлектрических материалов с большими объемами и поверхностями, при котором размещают несколько излучающих рупорных систем, расстояние между которыми выбирают таким, чтобы распределение суммарной поверхностной мощности было наиболее близко к равномерному при заданной геометрии антенны и расстояния от нее до поверхности обрабатываемого объекта, на основании анализа профиля поперечного сечения обрабатываемого изделия определяют форму суммарной несимметричной диаграммы направленности излучающей антенны с требуемым распределением амплитуд и фаз, выбирают форму зеркала, после формирования диаграммы направленности поворачивают зеркало так, что огибающая диаграммы направленности оказывается эквидистантной контуру поперечного сечения изделия. Суммарную диаграмму направленности создают путем наложения индивидуальных остронаправленных диаграмм направленности рупорных антенн, которые располагают в составе линейного облучателя так, что первый рупор находится в фокусе зеркала, а последующие вынесены из фокуса в поперечном направлении. Количество рупоров выбирают по размерам поперечного сечения обрабатываемого изделия с учетом формы диаграммы направленности, интенсивность возбуждения каждого рупора и величину их выноса из фокуса зеркала определяют исходя из размеров, кривизны профиля и толщины изделия. Изделию и зеркалу антенны сообщают относительное продольное дискретное перемещение с шагом, определяемым размерами вершины суммарной диаграммы направленности, а зеркалу сообщают качательное движение в плоскости поперечного сечения изделия на величину, обеспечивающую компенсацию погрешности несовпадения формы суммарной диаграммы направленности и поверхности изделия. При обработке изделия с переменной толщиной профиля участок с максимальной толщиной располагают в вершине главного лепестка суммарной диаграммы направленности.The problem is solved by the fact that in the method of processing products from dielectric materials with large volumes and surfaces, at which several radiating horn systems are placed, the distance between them is chosen so that the distribution of the total surface power is closest to the uniform for a given antenna geometry and distance from it to the surface of the object being processed, based on the analysis of the cross-sectional profile of the workpiece, determine the shape of the total asymmetric di The radiation patterns of the radiating antenna with the required distribution of amplitudes and phases, choose the shape of the mirror, after forming the radiation pattern, rotate the mirror so that the envelope of the radiation pattern turns out to be equidistant to the cross-sectional contour of the product. The total radiation pattern is created by superimposing individual highly directional radiation patterns of horn antennas, which are arranged in the linear feed so that the first horn is in the focus of the mirror, and the subsequent ones are taken out of focus in the transverse direction. The number of horns is chosen according to the size of the cross section of the workpiece, taking into account the shape of the radiation pattern, the excitation intensity of each horn and the amount of their removal from the focus of the mirror is determined based on the dimensions, curvature of the profile and thickness of the product. The product and the antenna mirror report a relative longitudinal discrete movement with a step determined by the size of the sum of the total radiation pattern, and the mirror is given a swinging motion in the cross-sectional plane of the product by an amount that compensates for the error in the discrepancy between the shape of the total radiation pattern and the surface of the product. When processing products with variable profile thickness, the maximum thickness section is located at the top of the main lobe of the total radiation pattern.

Технический результат заявляемого решения заключается в создании равномерно распределенной по поверхности объекта любой кривизны профиля напряженности СВЧ электромагнитного поля, обеспечивающей равномерное поглощение мощности излучения обрабатываемым материалом во всех точках его поперечного сечения за счет того, что огибающая линия суммарной диаграммы направленности излучения зеркала антенны формируется эквидистантной профилю поперечного сечения обрабатываемого изделия. При этом обработка всей поверхности обеспечивается пошаговым смещением диаграммы направленности вдоль изделия.The technical result of the proposed solution is to create uniformly distributed over the surface of the object of any curvature of the microwave electromagnetic field intensity profile, ensuring uniform absorption of radiation power by the processed material at all points of its cross section due to the fact that the envelope line of the total radiation pattern of the antenna mirror is formed equidistant to the transverse profile section of the workpiece. In this case, the processing of the entire surface is provided by a step-by-step shift of the radiation pattern along the product.

Изобретение поясняется чертежами: Фиг. 1 - Схема осуществления способа; Фиг. 2 - Схема проведения эксперимента, где L1, L2, Li - расстояния от среза антенны до обрабатываемого образца; Фиг. 3 - Зависимость температуры обрабатываемого образца от расстояния до среза рупора излучающей антенны при времени воздействия 2 минуты; Фиг. 4 - Сравнительная диаграмма распределения температур на противоположной облучению стороне образца при использовании способа-прототипа и предлагаемого способа, обр. 1 - обработка по способу-прототипу, обр. 2 - обработка по предлагаемому способу.The invention is illustrated by drawings: FIG. 1 - Scheme of the method; FIG. 2 - Scheme of the experiment, where L 1 , L 2 , L i - the distance from the cut-off of the antenna to the sample being processed; FIG. 3 - Dependence of the temperature of the sample being processed on the distance to the horn of the radiating antenna at an exposure time of 2 minutes; FIG. 4 - Comparative chart of temperature distribution on the opposite side of the sample when using the prototype method and the proposed method, arr. 1 - processing by the method prototype, arr. 2 - processing by the proposed method.

Обозначения на фигурах:Designations on the figures:

1 - зеркало антенны, 2 - блок рупорных облучателей, 3 - единичный рупорный облучатель, 4 - единичный лепесток электромагнитного поля, 5 - обрабатываемое изделие, 6 - огибающая линия суммарной диаграммы направленности;, 7 - плоский образец, 8 - тепловизор, 9 - криволинейный образец, 10 - усредненная кривая, 11 - экспериментальный график.1 - antenna mirror, 2 - block of horn feeds, 3 - single horn feed, 4 - single lobe of the electromagnetic field, 5 - workpiece, 6 - envelope line of the total radiation pattern ;, 7 - flat sample, 8 - thermal imager, 9 - curvilinear sample, 10 - averaged curve, 11 - experimental graph.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Изделие из отвержденного полимерного композиционного материала с окончательно сформированными размерами и формой устанавливают в рабочей зоне специальной СВЧ технологической установки, для этого размещают несколько излучающих рупорных систем, расстояние между которыми выбирают таким, чтобы распределение суммарной поверхностной мощности было наиболее близко к равномерному при заданной геометрии антенны и расстояния от нее до поверхности обрабатываемого объекта. При этом вертикальная плоскость, проходящая через ось излучающего зеркала антенны установки, должна располагаться в одной из конечных зон изделия. Источник питания антенны генерирует электромагнитное поле частотой 433, 915, 2450 МГц. Наиболее рационально использовать частоту 2450 МГц, применяющуюся в большинстве промышленных и бытовых СВЧ установках.The product from the cured polymer composite material with finally formed dimensions and shape is installed in the working area of a special microwave process unit. To do this, several radiating horn systems are placed, the distance between which is chosen so that the distribution of the total surface power is closest to uniform with a given antenna geometry and distance from it to the surface of the object. In this case, the vertical plane passing through the axis of the radiating mirror of the antenna of the installation should be located in one of the end zones of the product. The antenna power source generates a 433, 915, 2450 MHz electromagnetic field. The most efficient use of the frequency of 2450 MHz, used in most industrial and domestic microwave installations.

В соответствии с анализом кривизны профиля поперечного сечения изделия определяют форму суммарной несимметричной диаграммы направленности антенны с требуемым распределением амплитуд и фаз, выбирают форму зеркала. После формирования диаграммы направленности поворачивают зеркало так, что огибающая диаграммы направленности оказывается эквидистантной контуру поперечного сечения изделия. Суммарную диаграмму направленности создают путем наложения индивидуальных остронаправленных диаграмм направленности рупорных антенн, которые располагают в составе линейного облучателя так, что первый рупор находится в фокусе зеркала, а последующие вынесены из фокуса в поперечном направлении, при этом их количество выбирают по размерам поперечного сечения обрабатываемого изделия с учетом формы диаграммы направленности, интенсивность возбуждения каждого рупора и величину их выноса из фокуса зеркала определяют исходя из размеров, кривизны профиля и толщины изделия. Подводят зеркало к изделию на расстояние 150-200 мм, соответствующее напряженности электромагнитного поля, обеспечивающей уровень мощности излучения 2-2,5 Вт/см3, не приводящей к разогреву изделия до температуры возможных деструктивных изменений для данного материала (обычно не выше 35-40°С). При этом выдерживают зеркало в данном положении необходимое время (2-5 минут), определяемое экспериментально для каждой группы полимерных композиционных материалов. После выдержки изделию и зеркалу антенны сообщают относительное продольное дискретное перемещение с шагом, определяемым размерами вершины суммарной диаграммы направленности, а зеркалу сообщают качательное движение в плоскости поперечного сечения изделия на величину, обеспечивающую компенсацию погрешности несовпадения формы суммарной диаграммы направленности и поверхности. Процесс повторяют до момента покрытия зонами воздействия всей поверхности обрабатываемого изделия.In accordance with the analysis of the curvature of the cross-sectional profile of the product, determine the shape of the total asymmetric antenna pattern with the required distribution of amplitudes and phases, choose the shape of the mirror. After the formation of the radiation pattern, the mirror is rotated so that the envelope of the radiation pattern turns out to be equidistant to the product cross-section contour. A total radiation pattern is created by superimposing individual highly directional radiation patterns of horn antennas, which are arranged as part of a linear feed so that the first horn is in the focus of the mirror, and the next ones are taken out of focus in the transverse direction, and their number is chosen according to the cross-sectional dimensions of the workpiece taking into account the shape of the pattern, the intensity of excitation of each horn and the amount of their removal from the focus of the mirror is determined based on the size, cr profile curvature and thickness. They bring a mirror to the product at a distance of 150-200 mm, corresponding to the intensity of the electromagnetic field, providing a radiation power level of 2-2.5 W / cm 3 , which does not cause the product to heat up to the temperature of possible destructive changes for this material (usually not higher than 35-40 ° C). At the same time, the mirror is kept in this position for the necessary time (2-5 minutes), determined experimentally for each group of polymer composite materials. After exposure, the product and the antenna mirror are reported with a relative longitudinal discrete movement with a step determined by the dimensions of the sum of the total radiation pattern, and the mirror is given a swinging motion in the product cross-sectional plane by an amount that compensates for the error in the discrepancy between the shape of the total radiation pattern and the surface. The process is repeated until the moment of covering with the zones of influence of the entire surface of the product being processed.

При обработке изделия с переменной толщиной профиля участок с максимальной толщиной располагают в вершине главного лепестка суммарной диаграммы направленности.When processing products with variable profile thickness, the maximum thickness section is located at the top of the main lobe of the total radiation pattern.

Форма диаграммы направленности может быть определена путем компьютерного моделирования профиля обрабатываемой поверхности совместно с рассмотрением положений рупорных облучателей и геометрической формы зеркала.The shape of the radiation pattern can be determined by computer modeling of the profile of the surface to be processed together with consideration of the positions of feed horns and the geometric shape of the mirror.

Пример реализации способа.An example implementation of the method.

Для осуществления способа использовали рупорную СВЧ технологическую установку с частотой генерируемого электромагнитного поля 2450 МГц, потребляемой мощностью 1200 Вт и лабораторную установку, в которой использовали 3 излучающих рупора, подключенных к отдельным источникам, обеспечивающим мощность излучения каждого рупора около 100 Вт. Для формирования суммарной диаграммы направленности использовали зеркало в форме сегмента параболического цилиндра в виде листа алюминиевого сплава АМг6 толщиной 2 мм с полированной до шероховатости Ra=0,16 мкм отражающей поверхностью. Рупорные облучатели располагали на равном расстоянии 100 мм друг от друга на штативах. В соответствии с теоретически определенной для данных условий формой суммарной диаграммы направленности изготовили образец криволинейной формы с размерами 500×500×5 мм. В качестве матрицы использовали смолу эпоксидную ЭД-20 с отвердителем ПЭПА. В качестве наполнителя использовали углеродное волокно производства ООО «Балаково карбон продакшн» (г. Балаково Саратовской обл.) в концентрации по объему (70-80)%. В связи с высокими значениями излучаемой мощности, не позволяющими установить регистрирующие параметры электромагнитного поля непосредственно перед рупором, напряженность СВЧ электромагнитного поля оценивали косвенно по температуре нагрева образца. Температуру определяли при помощи тепловизора модели FLIR Е40 (США), устанавливаемого за образцом на расстоянии 1 м, в непрерывном режиме записи тепловых полей в течение 2-х минут. Предварительно показания в опорных точках калибровали при помощи пирометра Testo 830-Т1 (Германия). По записанным термограммам определяли температуру по длине образца, начиная от фокальной плоскости зеркала. Время устанавливали при помощи таймера установки.For the implementation of the method used horn microwave process installation with a frequency of generated electromagnetic field of 2450 MHz, power consumption of 1200 W and a laboratory installation, which used 3 emitting horn connected to separate sources, providing radiation power of each horn about 100 watts. To form a total radiation pattern, a mirror in the shape of a parabolic cylinder segment was used in the form of an AMg6 aluminum alloy sheet with a thickness of 2 mm with a reflective surface polished to a roughness of Ra = 0.16 μm. Horn irradiators were placed at an equal distance of 100 mm from each other on tripods. In accordance with the shape of the total radiation pattern theoretically determined for these conditions, a sample of a curvilinear shape with dimensions of 500 × 500 × 5 mm was fabricated. As a matrix, epoxy resin ED-20 with a hardener PEPA was used. Carbon fiber produced by LLC Balakovo Carbon Production (Balakovo, Saratov region) was used as a filler in a concentration by volume (70-80)%. Due to the high values of the radiated power, which do not allow to establish the recording parameters of the electromagnetic field directly in front of the horn, the intensity of the microwave electromagnetic field was estimated indirectly from the sample heating temperature. The temperature was determined using a thermal imager model FLIR E40 (USA), installed behind the sample at a distance of 1 m, in a continuous recording mode of thermal fields for 2 minutes. Preliminary readings at reference points were calibrated using a Testo 830-T1 pyrometer (Germany). The recorded thermograms determined the temperature along the length of the sample, starting from the focal plane of the mirror. The time was set using the set timer.

Предварительно для оценки влияния кривизны профиля обрабатываемого объекта на результаты СВЧ воздействия применяли изменение расстояния от поверхности плоского образца до среза излучающего рупора, которое измеряли при помощи штангенциркуля с точностью измерений 0,1 мм. За фиксируемый параметр принимали среднюю температуру на передней и задней поверхностях образца. Результаты определения температуры в зависимости от расстояния во время предварительных опытов представлены в табл. 1 и на фиг. 3.Previously, to assess the effect of the curvature of the profile of the object being processed on the results of the microwave exposure, the distance from the surface of the flat sample to the section of the radiating horn was used, which was measured using calipers with a measurement accuracy of 0.1 mm. The average temperature on the front and rear surfaces of the sample was taken as the fixed parameter. The results of determining the temperature depending on the distance during the preliminary experiments are presented in table. 1 and in FIG. 3

Видно, что при изменении расстояния от поверхности образца до излучающего рупора на 50 мм температура образца изменяется практически в 2 раза, при изменении расстояния на 200 мм - в 3 раза. При размерах большинства силовых конструкций и элементов обшивки летательных аппаратов в несколько метров изменения в 50-100 мм вполне вероятны, что при использовании обработки по способу-прототипу приведет к двухкратному уменьшению поглощенной мощности СВЧ электромагнитного поля и соответствующей неоднородности воздействия, что не позволит адекватно модифицировать структуру изделия для требуемого уровня упрочнения. Расстояние до среза зеркала в самой ближней зоне образца приняли равным 50 мм.It can be seen that when the distance from the sample surface to the radiating horn changes by 50 mm, the sample temperature changes almost 2 times, and when the distance changes by 200 mm, it changes 3 times. With the dimensions of most of the power structures and elements of aircraft trim in a few meters, a change of 50-100 mm is quite likely that using the prototype method will result in a twofold decrease in the absorbed microwave power of the electromagnetic field and the corresponding inhomogeneity of the impact, which will not allow adequate modification of the structure products for the required level of hardening. The distance to the cutoff of the mirror in the nearest zone of the sample was assumed to be 50 mm.

Figure 00000001
Figure 00000001

Результаты измерения температуры криволинейного образца при использовании в качестве зеркала сегмента параболического цилиндра, формирующего требуемую диаграмму направленности, представлены в табл. 2The results of measuring the temperature of a curvilinear sample when using as a mirror a segment of a parabolic cylinder that forms the desired directivity pattern are presented in Table. 2

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Видно, что изменение температуры образца составило в принятых условиях эксперимента не более 20%, что показывает в 2,1 раза большую равномерность воздействия по сравнению со способом-прототипом.It can be seen that the change in the sample temperature was not more than 20% in the accepted experimental conditions, which shows a 2.1 times greater impact uniformity compared with the prototype method.

Для оценки возможности обработки протяженных изделий изготовили криволинейный образец длиной 1000 мм. Обработку осуществляли путем периодического перемещения образца на 250 мм при помощи винтовой передачи после его выдержки перед зеркалом антенны в течение 2-х минут. Обеспечивалось перекрытие зон облучения на (10-20) мм. После испытаний на растяжение образцов, вырезанных из различных областей, установлены значения максимальной нагрузки, соответствующей моменту разрушения образца, от 980 до 1100 Н. Таким образом, разброс значений составил 12,2%, что является хорошим показателем. Сравнительные испытания на растяжение образца, обработанного путем его перемещения относительно рупорной излучающей антенны показали разброс значений максимальной разрушающей нагрузки от 750 до 1200 Н, что составило 60%.To assess the possibility of processing extended products, a curvilinear sample with a length of 1000 mm was fabricated. Processing was carried out by periodically moving the sample to 250 mm using a helical gear after holding it in front of the antenna mirror for 2 minutes. The overlap of irradiation zones by (10–20) mm was ensured. After tensile tests of specimens cut from different areas, the values of the maximum load corresponding to the moment of specimen failure were set from 980 to 1100 N. Thus, the spread of values was 12.2%, which is a good indicator. Comparative tensile tests of the sample processed by moving it relative to the horn radiating antenna showed a variation of the values of the maximum breaking load from 750 to 1200 N, which amounted to 60%.

Тем самым решается поставленная проблема - обеспечивается равномерное воздействие СВЧ электромагнитного поля на армированные углеродным волокном полимерные композиционные материалы в составе окончательно сформированных и обработанных крупногабаритных изделий любой сложности формы, обеспечивающее требуемые параметры технологического воздействия, когда невозможно технически использовать известные камерные СВЧ технологические установки.Thus, the problem posed is solved - a uniform effect of the microwave electromagnetic field on carbon fiber-reinforced polymer composite materials is ensured as part of the finally formed and processed large-sized products of any form complexity, ensuring the required parameters of the technological impact when it is impossible to technically use the well-known chamber microwave technological installations.

Claims (4)

1. Способ упрочнения в СВЧ электромагнитном поле крупногабаритных изделий сложной формы из армированных углеродным волокном полимерных композиционых материалов, при котором размещают несколько излучающих рупорных систем, расстояние между которыми выбирают таким, чтобы распределение суммарной поверхностной мощности было наиболее близко к равномерному при заданной геометрии антенны и расстояния от нее до поверхности обрабатываемого объекта, отличающийся тем, что на основании анализа профиля поперечного сечения обрабатываемого изделия определяют форму суммарной несимметричной диаграммы направленности антенны с требуемым распределением амплитуд и фаз, выбирают форму зеркала, после формирования диаграммы направленности поворачивают зеркало так, что огибающая диаграммы направленности оказывается эквидистантной контуру поперечного сечения изделия.1. The method of hardening in a microwave electromagnetic field of large-sized products of complex shape made of carbon fiber-reinforced polymer composite materials, in which several radiating horn systems are placed, the distance between which is chosen so that the distribution of the total surface power is closest to uniform with a given antenna geometry and distance from it to the surface of the object being processed, characterized in that, based on the analysis of the cross-section profile of the object being processed Ia determine the shape of the asymmetric total antenna pattern with a desired distribution of amplitudes and phases selected form the mirror after beamforming mirror is rotated so that the envelope of the radiation pattern is equidistant cross-sectional contour of the product. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что суммарную диаграмму направленности создают путем наложения индивидуальных остронаправленных диаграмм направленности рупорных антенн, которые располагают в составе линейного облучателя так, что первый рупор находится в фокусе зеркала, а последующие вынесены из фокуса в поперечном направлении, при этом их количество выбирают по размерам поперечного сечения обрабатываемого изделия с учетом формы диаграммы направленности, интенсивность возбуждения каждого рупора и величину их выноса из фокуса зеркала определяют исходя из размеров, кривизны профиля и толщины изделия.2. The method according to p. 1, characterized in that the total radiation pattern is created by superimposing individual highly directional radiation patterns of horn antennas, which are arranged in the linear feed so that the first horn is in the focus of the mirror, and the subsequent horns are taken out of focus in the transverse direction, however, their number is chosen according to the size of the cross-section of the workpiece, taking into account the shape of the radiation pattern, the intensity of the excitation of each horn and the magnitude of their removal from the focus mirror la is determined based on the size, curvature and thickness profile. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изделию и зеркалу антенны сообщают относительное продольное дискретное перемещение с шагом, определяемым размерами вершины суммарной диаграммы направленности, а зеркалу сообщают качательное движение в плоскости поперечного сечения изделия на величину, обеспечивающую компенсацию погрешности несовпадения формы суммарной диаграммы направленности и поверхности изделия.3. The method according to p. 1, characterized in that the antenna product and the mirror are informed by a relative longitudinal discrete movement with a step determined by the size of the sum of the total radiation pattern, and the swinging movement in the cross sectional plane of the product is reported to the mirror by an amount that compensates for the error of the total shape mismatch radiation patterns and product surfaces. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при обработке изделия с переменной толщиной профиля участок с максимальной толщиной располагают в вершине главного лепестка суммарной диаграммы направленности.4. The method according to p. 1, characterized in that when processing products with variable profile thickness, the area with the maximum thickness is placed at the apex of the main lobe of the overall radiation pattern.
RU2018124761A 2018-07-05 2018-07-05 Method of hardening large-size products of complex shape in shf electromagnetic field of reinforced with carbon fiber polymer composite materials RU2694462C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018124761A RU2694462C1 (en) 2018-07-05 2018-07-05 Method of hardening large-size products of complex shape in shf electromagnetic field of reinforced with carbon fiber polymer composite materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018124761A RU2694462C1 (en) 2018-07-05 2018-07-05 Method of hardening large-size products of complex shape in shf electromagnetic field of reinforced with carbon fiber polymer composite materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2694462C1 true RU2694462C1 (en) 2019-07-15

Family

ID=67309324

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018124761A RU2694462C1 (en) 2018-07-05 2018-07-05 Method of hardening large-size products of complex shape in shf electromagnetic field of reinforced with carbon fiber polymer composite materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2694462C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2742147C1 (en) * 2020-07-24 2021-02-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Microwave unit for processing articles from dielectric materials with large volumes and surfaces
CN115416144A (en) * 2022-07-27 2022-12-02 西安公路研究院有限公司 Stretchable concrete curing device based on microwave heating
RU2801661C1 (en) * 2022-12-19 2023-08-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий имени героя Method of electrophysical influence on the metal melt in the process of crystallization

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5338611A (en) * 1990-02-20 1994-08-16 Aluminum Company Of America Method of welding thermoplastic substrates with microwave frequencies
RU27270U1 (en) * 2002-07-22 2003-01-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Таганрогский научно-исследовательский институт связи" MIRROR ANTENNA SYSTEM WITH A WIDE SCAN SECTOR OF DIRECTION DIAGRAM
US20030183972A1 (en) * 2002-03-28 2003-10-02 Jan Weber Method and apparatus for extruding polymers employing microwave energy
RU2446047C2 (en) * 2006-05-26 2012-03-27 Пера Инновейшн Лимитед Method and device for production of moulded products
RU2541871C2 (en) * 2013-07-09 2015-02-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Ultra-wideband multi-beam mirror antenna
RU2015148439A (en) * 2015-11-10 2017-05-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) METHOD FOR FORMING A THREE-DIMENSIONAL PRODUCT IN A MICROWAVE ELECTROMAGNETIC FIELD

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5338611A (en) * 1990-02-20 1994-08-16 Aluminum Company Of America Method of welding thermoplastic substrates with microwave frequencies
US20030183972A1 (en) * 2002-03-28 2003-10-02 Jan Weber Method and apparatus for extruding polymers employing microwave energy
RU27270U1 (en) * 2002-07-22 2003-01-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Таганрогский научно-исследовательский институт связи" MIRROR ANTENNA SYSTEM WITH A WIDE SCAN SECTOR OF DIRECTION DIAGRAM
RU2446047C2 (en) * 2006-05-26 2012-03-27 Пера Инновейшн Лимитед Method and device for production of moulded products
RU2541871C2 (en) * 2013-07-09 2015-02-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Ultra-wideband multi-beam mirror antenna
RU2015148439A (en) * 2015-11-10 2017-05-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) METHOD FOR FORMING A THREE-DIMENSIONAL PRODUCT IN A MICROWAVE ELECTROMAGNETIC FIELD

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2742147C1 (en) * 2020-07-24 2021-02-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Microwave unit for processing articles from dielectric materials with large volumes and surfaces
CN115416144A (en) * 2022-07-27 2022-12-02 西安公路研究院有限公司 Stretchable concrete curing device based on microwave heating
RU2801661C1 (en) * 2022-12-19 2023-08-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий имени героя Method of electrophysical influence on the metal melt in the process of crystallization

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mgbemena et al. Accelerated microwave curing of fibre-reinforced thermoset polymer composites for structural applications: A review of scientific challenges
RU2694462C1 (en) Method of hardening large-size products of complex shape in shf electromagnetic field of reinforced with carbon fiber polymer composite materials
RU2312470C2 (en) Microwave resonator for thermal processing of materials, device for thermal processing of materials, method for operation of microwave resonator and thermally processed product
CN101484292B (en) Method of and apparatus for producing formable products
Li et al. Tooling design and microwave curing technologies for the manufacturing of fiber-reinforced polymer composites in aerospace applications
WO2016062787A2 (en) A process for producing a composite article
Schlimbach et al. Out-of-autoclave curing process in polymer matrix composites
US9486945B2 (en) Method and device for curing a thermosetting polymer
Collinson et al. Novel composite curing methods for sustainable manufacture: A review
RU2687939C1 (en) Method of reinforcing reinforced with carbon fiber polymer composite materials
RU2684378C1 (en) Method of increasing efficiency of hardening carbon-fiber reinforced polymer composite material with microwave radiation and ultrasound
Oshima et al. Experimental characterization of cracking behavior initiating from microdefects in cross-ply CFRP laminates
Xu et al. Electromagnetic performance and impact damage of the microstrip antennas integrated in cylindrical three dimensional woven composite structures
Tran et al. Characterization of Novel Magnetically Loaded Flocked Carbon Fiber Microwave Absorber
CN107187074B (en) Reduce the method for the U-shaped product deformation of composite material
RU2687930C1 (en) Method of reinforcing reinforced with carbon fiber polymer composite materials
US20200114545A1 (en) Method for Reprocessing Fiber-Composite Parts to Form Preform Parts
US9242394B2 (en) Method for heating a fiber/plastic composite material
RU2787880C1 (en) Method for strengthening reinforced polymeric composite materials
Zlobina et al. Studying the reinforcing microwave modification of aeronautical-purpose structural components made of composite materials
Manral et al. Advances in curing methods of reinforced polymer composites
Hendlmeier et al. A comparison of compression molded and additively manufactured short carbon fiber reinforced polyamide‐6 samples and the effect of different infill printing patterns
Zlobina Investigation of elastic deformations of cured CFRP structures with embedded cellular metallic elements subjected to a microwave electromagnetic field
Zlobina et al. Strengthening microwave modification of structural elements of composite materials reinforced with synthetic fibers
Zlobina et al. Experimental results of increasing the bending strength of construction glass after microwave radiation exposure