一种提高复合材料微波固化电磁场分布均匀性的方法
【专利摘要】一种提高复合材料微波固化电磁场分布均匀性的方法，其特征是通过改变谐振腔内部壁面形貌的方法来提高谐振腔体内的微波分布均匀性，谐振腔体内部壁面采用非光滑表面，或者在谐振腔表面放置反射球，使谐振腔内部壁面相邻各点法向切线均不平行。微波源发射的微波入射到上述密闭的谐振腔中，由于反射方向不一致，密集的微波束经过谐振腔内部壁面的反射变得分散。复合材料构件放置在上述密闭的谐振腔内，微波照射到复合材料制件表面时，复合材料构件表面吸收的微波更加均匀。本发明解决了由于微波源辐射不均匀而产生的电磁场分布不均匀问题，提高了复合材料构件温度分布均匀性，降低了复合材料制件的变形量，提高了制件的性能。
【专利说明】 一种提高复合材料微波固化电磁场分布均匀性的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合材料固化技术，尤其是一种利用微波加热对复合材料进行固化的技术，具体地说是一种提高复合材料微波固化电磁场分布均匀性的方法。
【背景技术】
[0002]微波具有加热速度快、温度易于控制、能耗低、选择性加热、能够对大型并且较厚的复杂结构件进行加热等优点，已在工业领域和生活领域得到广泛地应用。
[0003]然而微波加热物体具有不均匀性的缺点，这是限制微波加热发展的主要瓶颈。影响微波加热均匀性的因素有两个，一种是被加热物体本身的物理性质，如介电性能。另一种是谐振腔内电磁场分布的均匀性。提高谐振腔内电磁场分布的均匀性，传统的做法有金属旋转扇页和多个微波输出口等方法。但这些方法均无法有效提高腔体内微波分布均匀性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有的微化固化复合材料时因谐振腔内电磁场分布不均匀而影响固化效果的问题，根据麦克斯韦电磁场理论即微波照射到金属表面时，大部分微波均被反射，反射角等于入射角，并且剩余能量在穿透金属过程中指数衰减，发明一种通过改变谐振腔内部壁面的形貌来提高微波分布均匀性的方法。
[0005]本发明的技术方案是:
一种提高复合材料微波固化电磁场分布均匀性的方法，其特征在于:谐振腔体内部壁面采用非光滑表面，或者在谐振腔表面放置反射球，使谐振腔内部壁面相邻各点法相切线均不平行；微波源发射的微波入射到上述密闭的谐振腔中，由于反射方向不一致，密集的微波束经过谐振腔内部壁面的反射变得分散；复合材料构件放置在上述密闭的谐振腔内，微波照射到复合材料制件表面时，复合材料构件表面吸收的微波更加均匀，降低了复合材料制件的变形量。
[0006]谐振腔内部壁面采用非光滑表面，表面不平整度不小于微波波长的1/10 ;非光滑表面采用能够几乎全反射入射微波的材料，其排布方式为对称分布结构或非对称分布结构。
[0007]反射球的最小曲率半径不小于入射微波波长的1/2 ;反射球由轻质材料内层和金属涂层两部分组成，反射球采用半球结构，半球的球面指向谐振腔，半球的平面紧贴庇振腔壁。
[0008]在反射球内镶嵌带磁性的吸附块；反射球通过磁性块吸附在谐振腔的壁面上；反射球表面金属涂层与谐振腔内部壁面电导通，谐振腔壁面接地，将感应电荷导出。
[0009]反射球的排布和调节方法如下:当谐振腔内的电磁场场强波峰与波谷之间相差值不小于3000V/m时，调节反射球的位置和大小来改善微波场分布均勾性；当微波场强与腔体内平均场强相比低于10%时，到其区域中心距离最近壁面的反射球总数减少10%以上，当微波场强与腔体内平均场强相比低于20%时，到其区域中心距离最近壁面的反射球总数减少20%以上，依此类推，其他壁面的反射球数量不变；当微波场场强依旧低于平均微波场场强时，更换曲率半径小于微波波长1/4的反射球；当微波场强与腔体内平均场强相比高10%左右时，到其区域中心距离最近壁面的反射球增加10%以上，当微波场强与腔体内平均场强相比高20%左右时，到其区域中心距离最近壁面的反射球增加20%以上，依此类推，其他壁面的反射球数量不变；当微波场场强依旧高于平均微波场场强时，更换曲率半径更大的反射球，反射球曲率大于微波波长的1/4。
[0010]本发明的有益效果是:
本发明能够提高整个微波谐振腔体内微波的均匀性。
[0011]本发明能够实现复杂曲面和结构的复合材料构件在微波固化过程中的温度分布均匀性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明的谐振腔内部反射球放置截面示意图。
[0013]图2是本发明的谐振腔内部非光滑壁面示意图。
[0014]图中:1是谐振腔内部壁面，2是反射球，3是谐振腔，4是非光滑表面。
【具体实施方式】
[0015]下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0016]如图1-2所示。
[0017]一种提高复合材料微波固化电磁场分布均匀性的方法，其关键是使谐振腔体内部壁面I采用图2所示的非光滑表面4，或者是采用图1所示的方法，在谐振腔内部壁面I放置反射球2，使谐振腔内部壁面I相邻各点法向切线均不平行。微波源发射的微波入射到上述密闭的谐振腔3中，由于反射方向不一致，密集的微波束经过谐振腔内部壁面I的反射变得分散。复合材料构件经过真空加压后放置在上述密闭的谐振腔3内，当微波照射到复合材料构件表面时，复合材料构件表面吸收的微波更加均匀。
[0018]上述的微波场来源于一功率线性可调的微波发生源，其微波的频率范围包括:300MHz至300GHz。谐振腔内部壁面I采用的非光滑表面4，表面不平整度不小于输入微波波长的1/10。非光滑表面4采用能够全反射入射微波的材料(如金属涂层)。
[0019]本发明的反射球2的最小曲率半径不小于入射微波波长的1/2。反射球2采用两部分组成，分别为内部的轻质材料的半球(如泡沫半球体、塑料半球体)和外部的导电涂层。反射球也可采用空心或者实心的金属半球。反射球2的形状也可采用其他表面各点法线方向变化的几何体。为了便于反射球在谐振腔3中的定位，可在反射球2内镶嵌带磁性的连接块。反射球通过磁性连接块吸附在谐振腔的壁面I上。反射球2表面金属涂层与谐振腔内部壁面I电导通。反射球2之间紧密排布。具体实施时，反射球2也可通过粘贴、焊接在金属板上等方法放置在谐振腔内部壁面I上，通过更换导电板来实现更换反射球2。基于麦克斯韦电磁场理论，反射角等于入射角。同时谐振腔内，随着孔隙的增加，微波照到谐振腔内部壁面I的概率增大，反射更为集中，靠近的微波场强更强。在反射球2半径小于微波波长时，随着反射球2的曲率半径越大，电磁波的反射角与入射角夹角越大，分散程度越高，靠近的微波场强越弱。
[0020]当谐振腔内的电磁场场强波峰与波谷之间相差值不小于3000V/m时，可通过调节反射球的位置和大小来改善微波场的分布均匀性。当检测到某一处的微波场强与腔体内平均场强相比低10%左右时，到其区域中心距离最近壁面的反射球总数减少10%以上，低20%，减少20%以上，依此类推，其他壁面的反射球数量不变。当微波场场强依旧低于平均微波场场强时，可通过更换曲率半径小于微波波长1/4的反射球来解决上述问题。当检测到某一处的微波场强与腔体内平均场强相比高10%左右时，可将到其区域中心距离最近壁面的反射球增加10%以上，高20%，增加20%以上，依此类推，其他壁面的反射球数量不变。当微波场场强依旧高于平均微波场场强时，更换曲率半径更大的反射球，采用反射球曲率大于微波波长的1/4的反射球来解决以上问题。反射球可以为非均匀分布方式。
[0021]实例。
[0022]本实例米用的微波频率为2450 ±30MHz。微波发生源与微波传输线相连，微波传输线的另外一端与微波辐射天线相连。微波通过微波辐射天线辐射到四边形谐振腔3。其中，谐振腔3边长lm。反射球2半径为4cm。反射球2内芯采用耐高温塑料半球体，如聚酰亚胺半球体，通过电镀的方法在聚酰亚胺所有表面镀上一层金属膜，本实例中采用铜为金属膜，聚酰亚胺半球体内镶嵌具有导电性的磁性材料，本实例中采用钕铁硼为磁性材料。反射球的横截面与磁性材料的一个面平行，反射球通过磁性材料吸附在谐振腔的壁面上，反射球2横截面紧靠在谐振腔内部壁面I上以防止微波损耗。反射球2紧密排布在谐振腔内部壁面I上。当微波场的场强波峰与波谷之间相差3000V/m时，调节反射球2的位置和大小来进一步改善微波场分布均勾性。调节微波分布均勾性的方法如下:在微波场强低于平均微波场场强1500 V/m时，其距离最近的壁面区域上，减少5个反射球。当微波场场强依旧低于平均微波场场强1500V/m时，更换曲率半径为1/10波长的反射球。反射球曲率半径范围为微波波长的1/10。在微波场强高于平均微波场场强1500 V/m时，其距离最近的壁面区域，增加5个反射球2。随后调节反射球2之间的空隙，空隙范围为微波波长的1/8至2。当微波场场强依旧高于平均微波场场强1500V/m时，更换曲率半径为1/2波长的反射球。经实验验证，此种方法获得的电磁场分布均匀性较未采用反射球的方法提高了 50%以上。
[0023]对于腔体非光滑壁面，本实例采用2.45GHz微波，壁面的两相邻凸起处之间的距离为1/4波长3cm，凸谷与凹谷的高度相差1/6波长，2cm。分布方式为对称分布。经计算和实验验证，此种方法获得的电磁场分布均匀性较未采用非光滑壁面的方法提高了 40%以上。
[0024]以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
[0025]本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用相同技术加以实现。
【权利要求】
1.一种提高复合材料微波固化电磁场分布均匀性的方法，其特征在于:谐振腔体内部壁面采用非光滑表面，或者在谐振腔表面放置反射球，使谐振腔内部壁面相邻各点法相切线均不平行；微波源发射的微波入射到上述密闭的谐振腔中，由于反射方向不一致，密集的微波束经过谐振腔内部壁面的反射变得分散；复合材料构件放置在上述密闭的谐振腔内，微波照射到复合材料制件表面时，复合材料构件表面吸收的微波更加均匀，降低了复合材料制件的变形量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于:谐振腔内部壁面采用非光滑表面，表面不平整度不小于微波波长的1/10 ;非光滑表面采用能够几乎全反射入射微波的材料，其排布方式为对称分布结构或非对称分布结构。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于:反射球的最小曲率半径不小于入射微波波长的1/2 ;反射球由轻质材料内层和金属涂层两部分组成，反射球采用半球结构，半球的球面指向谐振腔，半球的平面紧贴庇振腔壁。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于:在反射球内镶嵌带磁性的吸附块；反射球通过磁性块吸附在谐振腔的壁面上；反射球表面金属涂层与谐振腔内部壁面电导通，谐振腔壁面接地，将感应电荷导出。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于:反射球的排布和调节方法如下:当谐振腔内的电磁场场强波峰与波谷之间相差值不小于3000V/m时，调节反射球的位置和大小来改善微波场分布均匀性；当微波场强与腔体内平均场强相比低于10%时，到其区域中心距离最近壁面的反射球总数减少10%以上，当微波场强与腔体内平均场强相比低于20%时，到其区域中心距离最近壁面的反射球总数减少20%以上，依此类推，其他壁面的反射球数量不变；当微波场场强依旧低于平均微波场场强时，更换曲率半径小于微波波长1/4的反射球；当微波场强与腔体内平均场强相比高10%左右时，到其区域中心距离最近壁面的反射球增加10%以上，当微波场强与腔体内平均场强相比高20%左右时，到其区域中心距离最近壁面的反射球增加20%以上，依此类推，其他壁面的反射球数量不变；当微波场场强依旧高于平均微波场场强时，更换曲率半径更大的反射球，反射球曲率大于微波波长的1/4。
【文档编号】B29C35/08GK104494028SQ201410780209
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】李迎光, 李楠垭, 程永波, 吴晓春 申请人:南京航空航天大学