izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2022-6-46-51izmertech-1612Research ArticleТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯTHERMOPHYSIC MEASUREMENTSСовершенствование методики измерений распределения температуры полимерных композитных листовых материалов при нагреве микроволновым излучениемImprovement of the method of measuring the temperature distribution of polymer composite sheet materials when heated by microwave radiationhttps://orcid.org/0000-0002-4229-0734МамонтовА. В.MamontovA. V.

Александр Владимирович Мамонтов

Москва

Alexandr V. Mamontov

Moscow

niipmt@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9753-7389НефёдовВ. Н.NefedovY. N.

Владимир Николаевич Нефёдов

Москва

Vladimir N. Nefedov

Moscow

26034348@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6941-4725ХриткинС. А.KhritkinS. A.

Сергей Анатольевич Хриткин

Москва

Sergey A. Khritkin

Moscow

3s.khritkin@yandex.ruНаучно-исследовательский институт перспективных материалов и технологийРоссияResearch Institute of Advanced Materials and TechnologyRussian FederationНациональный исследовательский университет «Высшая школа экономики»РоссияNational Research University Higher School of EconomicsRussian Federation202213052023064651Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1612

Рассмотрена актуальная задача снижения энергетических затрат и ускорения технологического процесса тепловой обработки листового полимерного композитного материала. Показано, что для решения поставленной задачи целесообразно использовать микроволновое излучение в качестве источника тепловой энергии. Описаны основные преимущества микроволнового метода тепловой обработки листового полимерного композитного материала по сравнению с традиционными методами. Разработана конструкция микроволновой установки непрерывного действия, в которой энергия электромагнитного поля распространяется перпендикулярно направлению движения материала. Предложенная установка формирует равномерное распределение температуры в объёме листового композитного материала, что позволяет получать изделия с более высокими физико-механическими характеристиками. Для расчёта распределения температуры по толщине листового материала использован метод теории электромагнитного поля, а для распределения температуры материала по длине – метод нагруженных длинных линий, учитывающий изменение диэлектрических параметров композитного материала от температуры. Предложена методика измерения распределения температуры листового полимерного материала. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований распределения температуры по ширине и толщине листового полимерного материала шириной 500 мм, толщиной 30 мм и плотностью 2400 кг/м3 на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц. Показана высокая эффективность применения микроволнового излучения для технологических процессов тепловой обработки листового полимерного композитного материала. Технологии на основе микроволнового излучения будут полезны при тепловой обработке изделий из бетона, пенобетона, а также полимерных композитных материалов на основе углеродных или базальтовых нитей со связующим – термореактивными эпоксидными смолами.

The actual problem of accelerating and reducing the energy costs of the sheet polymer composite material heat  treatment technological process is considered. It is shown that to solve this problem, it is advisable to use the microwave radiation energy as a heating source. The main advantages of the microwave method of the sheet polymer composite material heat treatment in comparison with traditional methods are considered. The design of a continuous-acting microwave installation with transverse interaction has been developed, which forms a uniform temperature distribution in the volume of sheet composite material, which makes it possible to obtain products with higher physical and mechanical characteristics. To calculate the temperature distributions over the width and thickness of the sheet material, the model and the method of loaded long lines  are used, respectively, taking into account the change in the dielectric parameters of the composite material from temperature, and the theory of the electromagnetic field. A method for measuring the temperature distribution of a sheet polymer material is proposed. The results of theoretical and experimental studies of the temperature distribution over the width and thickness of a sheet polymer material with a width of 500 mm and a thickness of 30 mm, a density of 2400 kg/m3 at the frequency of electromagnetic field oscillations of 2450 MHz are presented. The obtained experimental results showed a high efficiency of microwave radiation usage for technological processes of the sheet polymer composite material heat treatment. Technologies that use microwave radiation can be applied for heat treatment of products made of concrete, foam concrete, as well as polymer composite materials based on carbon or basalt filaments, and thermosetting epoxy resins as a binder.

микроволновая установкараспределение температурыполимерный композитный материалволноводзамедляющая системаисточник микроволнового излученияmicrowave installationtemperature distributionpolymer composite materialwaveguideslowing systemmicrowave radiation sourceработа выполнена при поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания FNER-2022-0002.the work was supported by the Russian Ministry of Education and Science, the state task FNER-2022-0002ReferencesКербер М. Л., Виноградов В. М., Головкин Г. С. и др. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: Учебное пособие / Под ред. акад. А. А. Бер- лина. СПб.: Профессия, 2008. 560 с.Kerber M. L., Vinogradov V. M., Golovkin G. S., Polimernye kompozitsionnye materialy: struktura, svoistva, tekhnologiya [Polymer composite materials: structure, properties, technology], ed. A. A. Berlin, St. Petersburg, Professija Publ., 2008, 560 p. (In Russ.)Перепёлкин К. Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты: монография. СПб: Научные основы и технологии, 2009. 380 с.Perepelkin K. E., Armiruyushchie volokna i voloknistye polimernye kompozity: monografi ya [Reinforcing fi bers and fi brous polymer composites: monograph], St. Petersburg, Nauchnye osnovy i tekhnologii Publ., 2009, 380 p. (In. Russ.)Михайлин Ю. А. Специальные полимерные композиционные материалы. СПб: Научные основы и технологии, 2009. 658 с.Mikhailin Yu. A., Spetsial’nye polimernye kompozitsionnye materialy [Special polymer composite materials], St. Petersburg, Nauchnye osnovy i tekhnologii Publ., 2009, 658 p. (In Russ.)Петров М. Г. Анализ прочности и долговечности однонаправленного стеклопластика с позиций кинетической концепции разрушения // Механика композиционных мате- риалов и конструкций. 2003. Т. 9, № 3. С. 376–397.Petrov M. G., Study of strength and durability of uni-directional fi berglass plastics by using the kinetic concept of fracture, Mechanics of composite materials and structures, 2003, vol. 9, no. 3, pp. 376–397. (In Russ.)Михайлин Ю. А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. СПб.: Профессия, 2006. 624 с.Mikhailin Yu. A., Termoustoichivye polimery i polimernye materialy [Heat-resistant polymers and polymer materials], St. Petersburg, Professija Publ., 2006, 624 p. (In Russ.)Колосова А. С., Сокольская М. К., Виткалова И. А., Торлова А. С., Пикалов Е. С. Современные полимерные композиционные материалы и их применение // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 5-1. С. 245–256.Kolosova A. S., Sokol’skaya M. K., Vitkalova I. A., Torlova A. S., Pikalov E. S, Modern polymer composite materials and their application, International Journal of Applied and Fundamental Research, 2018, no. 5-1, pp. 245–256. (In.Russ.)Резник С. В., Румянцев С. А. Математическое моделирование температурного состояния цилиндрических заготовок из полимерных композиционных материалов при СВЧ нагреве // Наука и образование. 2014. № 1. С. 6–21. https://doi.org/10.7463/0114.0658448Reznik S. V., Rumyantsev S. A., A heat mathematical model of polymer composite cylinder during microwave treatment, Nauka i obrazovanie, 2014, no. 1, pp. 6–21. (In Russ.) https://doi.org/10.7463/0114.0658448Михайловский К. В., Резник С. В. Прогнозирование температурных режимов процесса отверждения связующего при получении деталей из полимерных композиционных материалов с помощью микроволнового излучения // Тепло- вые процессы в технике. 2014. Т. 6. № 8. С. 378–384.Mikhailovskii K. V., Reznik S. V., Prediction of the Thermal Regimes of Binder Cure Process for Reception of Parts from Polymeric Composite Materials Using Microwave Radiation, Thermal processes in Engineering, 2014, vol. 6, no. 8, pp. 378–384. (In Russ.)Дворко И. М. Получение полимерных материалов и изделий отверждением термореактивных композиций под действием электрических полей // Пластические массы. 1998. № 8. С. 16–21.Dvorko I. M., Poluchenie polimernykh materialov i izdelii otverzhdeniem termoreaktivnykh kompozitsii pod deistviem ehlektricheskikh polei [Obtaining polymeric materials and products by curing thermosetting compositions under the infl uence of electric fi elds], Plasticheskie massy, 1998, no. 8, pp. 16–21. (In Russ.)Низкоинтенсивные СВЧ-технологии (проблемы и реализации) / Под ред Г. А. Морозова и Ю. Е. Седельникова. М.: Радиотехника, 2003. 112 с.Nizkointensivnye SVCH-tekhnologii (problemy i realizatsii) [Low-intensity microwave technologies (Problems and realizations)], ed. G. A. Morozov, Yu. E. Sedel’nikov, Moscow, Radiotekhnika Publ., 2003, 112 p. (In Russ.)Bolasodun B., Nesbitt A., Wikinson A., Day R., Eff ect Of Curing Method On Physical And Mechanical Properties Of Araldite DLS 772 / 4 4 DDS Epoxy System, International journal of scientifi c and Technology research, 2013, vol. 2, iss. 2, pp. 12–18.Bolasodun B., Nesbitt A., Wikinson A., Day R., Eff ect Of Curing Method On Physical And Mechanical Properties Of Araldite DLS 772 / 4 4 DDS Epoxy System, International journal of scientifi c and technology research, 2013, vol. 2, iss. 2, pp. 12–18.Лаврентьев В. А., Калганова С. Г. Применение энер- гии СВЧ электромагнитных колебаний для воздействия на процесс отверждения эпоксидных смол // Электро- и теплотехнологические процессы и установки: сб. науч. тр. Сара- тов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2005. Т. 2. С.67–70.Lavrent’ev V. A., Kalganova S. G., Primenenie ehnergii SVCH ehlektromagnitnykh kolebanii dlya vozdeistviya na protsess otverzhdeniya ehpoksidnykh smol [Application of microwave energy of electromagnetic waves to infl uence the curing process of epoxy resins], Ehlektro- i teplotekhnologicheskie protsessy i ustanovki, Saratov, Sarat. gos. tekhn. Un. Publ., 2005, vol. 2, pp .67–70. (In Russ.)Гузева Т. А. Совершенствование технологических режимов отверждения заготовок деталей из органопластиков под действием СВЧ излучения / Автореф. дис. канд. техн. наук (МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, 2014).Guzeva T. A., Improvement of technological modes of curing blanks of parts made of organoplastics under the action of microwave radiation, Extented abstract of candidate’s dissertation in Technical Sciences (Bauman Moscow State Technical University, Moscow, 2014). (In Russ.)Калганова С. Г. Влияние СВЧ воздействия электромагнитного поля на кинетику отверждения эпоксидной смолы //Вестник Саратовского государственного технического уни- верситета. 2006. Т. 1. № 1. С. 90–95.Kalganova S. G., Vliyanie SVCH vozdeistviya ehlektromagnitnogo polya na kinetiku otverzhdeniya ehpoksidnoi smoly [Infl uence of microwave exposure to an electromagnetic fi eld on the kinetics of epoxy resin curing], Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2006, vol. 1, no. 1, pp. 90–95. (In Russ.)Пат. № 83380 РФ / Д. А. Лоик, А. В. Мамонтов, В. Н. Нефедов, М. В. Нефедов // Изобретения. Полезные модели. 2009. № 15.Loik D. A., Mamontov A. V., Nefedov V. N., Nefedov M. V., RF Patent no. 83380, Inventions. Utility Models, no. 15 (2009).Мамонтов А. В., Нефедов В. Н., Назаров И. В., Потапова Т. А. Микроволновые технологии: Монография. М.: Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий Московского института электроники и математики (технического университета), 2008, 308 с.M amontov A. V., Nefedov V. N., Nazarov I. V., Potapova T. A., Mikrovolnovye tekhnologii, Monografi ya [Microwave technology], Moscow, Nauchno-issledovatel’skii institut perspektivnykh materialov i tekhnologii Moskovskogo instituta ehlektroniki i matematiki (tekhnicheskogo universiteta) Publ., 2008, 308 p. (In Russ.)Пат. № 2060600 РФ / В. Н. Нефедов, Г. Г. Валеев, С. В. Корнеев, Ю. В. Карпенко // Изобретения. Полезные модели. 1996. № 5.Nefedov V. N., Valeev G. G., Korneev S. V., Karpenko Yu. V., RF Patent no. 2060600, Byull. Izobret., no. 5 (1996).Архангельский Ю. С. Установки сверхвысокочастотного диэлектрического нагрева: учебник. Саратов: Саратовский государственный технический университет, 2010. 279 с.Arkhangel’skii Yu. S., Ustanovki sverkhvysokochastotnogo diehlektricheskogo nagreva [Microwave Dielectric Heating Units], Saratov, Saratovskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet Publ., 2010, 279 p. (In Russ.)Григорьев А. Д. Электродинамика и микроволновая техника. М.: Лань, 2007. 704 с.Grigor’ev A. D., Ehlektrodinamika i mikrovolnovaya tekhnika [Electrodynamics and micrmicrowave technology], Moscow, Lan’ Publ., 2007, 704 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.