一种提高微波谐振腔电磁场分布均匀性的方法及谐振腔结构与流程

本发明涉及一种复合材料成型技术，尤其是一种复合材料微波成型技术，具体地说是一种能提高微波谐振腔电磁场分布均匀性的方法及微波谐振腔结构。

背景技术：

先进复合材料具有比强度和比模量高、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能好和整体成型性好等许多优异特性，飞机上大量应用复合材料不仅可以明显地减轻飞机的结构重量，提高飞机的性能，还可以大大减少零部件数量，简化工装、利于进行大部件组装，加快制造周期。应用部位由次承力结构向主承力结构过渡，目前复合材料已广泛用于各种操纵面、机翼和机身等主承力部位。复材在复杂曲面构件上的应用越来越多，如进气道、机身段、压力隔框等。构件向整体成型、共固化方向发展，可以明显减少零件、紧固件和模具的数量，大幅度地减少装配工序，是复合材料结构减重的重要措施，也是降低成本的一种有效方法。

目前，先进复合材料的主要成型工艺是热压罐固化工艺。将复合材料与成型模具封装后送入热压罐中，加温加压固化成型。热压罐固化工艺以热传导方式加热复合材料，复合材料内部的温差大；罐体内所有材料包括气体介质均需加热至高温，能耗高，固化周期长、效率低。微波固化复合材料工艺是一种极有潜力替代热压罐的工艺技术，能内外同时均匀加热复合材料，加热速度快。微波固化过程中，只加热复合材料，罐内其他材料与气体介质均不加热，能耗低，固化周期短，效率高。

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。然而微波谐振腔的四周均为金属材料，传输过程中微波会在金属壁面反射。入射波与反射波通过叠加进一步形成驻波。在加热过程中，固定驻波的波节和波腹会在被加热对象上形成温度的冷点和热点，从而导致被加热对象温度分布不均，200mm尺寸零件的局部温差甚至高达到60℃，从而成为限制微波加热发展的主要瓶颈。为解决上述问题，现有的做法是采用多路微波源、模式搅拌器等方法以避免在某一区域形成固定的冷点和热点分布。然而，多路微波源虽然一定程度上改善微波场的均匀性，但是由于微波源的数目受微波谐振腔尺寸和成本的限制，只能一定程度改烧原有的电磁场，无法有效提高电磁分布均匀性。模式搅拌器通过反射微波以避免形成单一的电磁场分布，与多路微波源的改善原理相同，同样无法提高谐振腔内电磁场的均匀性。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的微波谐振腔由于微波反射而导臻加热温度均匀性差，影响加热效果和材料性性的问题，发明一种能提高微波谐振腔电磁场分布均匀性的方法，同时设计一种能提高微波谐振腔电磁场分布均匀性的微波谐振腔体。

本发明的技术方案之一是：

一种能提高微波谐振腔电磁场分布均匀性的方法，其特征是通过在微波谐振腔体中设置带孔隔离边界，将微波谐振腔体分隔成强电磁场区域与弱电磁场区域，弱电磁场区域的电磁场由强场区域的电磁场在两者的边界多次反射后，经由带孔隔离边界上的孔入射到弱电磁区域；隔离边界孔上形成微波源，数量巨大的微波源之间相互耦合和干涉后加热放置于弱电磁场区域的加热对象，极大地减小了冷点与热点的区域尺寸，从而提高微波谐振腔内电磁场分布均匀性；冷点与热点表征了腔体中不均匀的电磁场分布，冷点为驻波的波节，热点为驻波的波腹。

为了进一步提高均匀性可在强电磁场区域增加模式搅拌器以增加电磁场在强电磁场区域与边界的反射。

所述的带孔隔离边界采用不透波耐高温材料。

所述的不透波耐高温材料为金属材料或由轻质材料内层和金属表层组成的材料。

所述的带孔隔离边界表面形状为平面或复杂曲面；带孔隔离边界可以为单个边界或由多个单个边界组合成成的多边形腔体；带孔隔离边界的位置要求不平行于最近的微波谐振腔体壁面，其与微波谐振腔体壁面的距离要求最小值为1/4个波长，最大值为4个波长；带孔隔离边界在微波谐振腔内的固定方法采用与壁面、支撑柱或铰链的焊接、铆接、螺纹连接类的机械连接或胶接、电磁吸附类的非机械连接；采用的支撑柱或铰链类连接材料为非金属材料；带孔隔离边界上孔的形状为矩形，腰型，圆形和十字型；带孔隔离边界上的开孔尺寸随着与微波辐射天线的距离增大而增大，且孔的直径或长度不小于腔体内电磁场波长的1/4，孔与孔之间最短距离同样不小于电磁场波长的1/4；孔的排布方向可单一方向排布也可以多向排布。

在微波谐振腔体外壁面上设置多路微波天线装置；微波发生装置发射微波，并经过辐射天线或微波谐振腔体接触位置的耦合装置向腔体内部馈入微波，其功率可单独控制也可组合控制；微波频率范围为300mhz～300ghz；微波频率可固定不变或按照20mhz以上的范围线性或非线性变化；微波天线装置可以为波导裂缝天线，杆状天线、圆环天线、螺线天线、喇叭天线或微带天线中的一种或多种。

本发明的技术方案之二是：

一种能提高微波谐振腔电磁场分布均匀性的微波谐振腔体，其特征是它包括多边形外腔体2，微波天线装置1安装在所述的外腔体2上，在外腔体2中设有由带孔隔离边界组成的内腔体3，加热对象安装在内腔体3中；微波天线装置1发射的微波在内腔体3和外腔体2之间经多次反射后经由带孔隔离边界上的孔形成微波源入射到内腔体3中的弱电磁区域加热放置于弱电磁场区域的加热对象；数量巨大的微波源之间相互耦合和干涉后，极大地减小了冷点与热点的区域尺寸。

在外腔体2和内腔体3之间设有模式搅拌器以增加电磁场在强电磁场区域与边界的反射。

所述的带孔隔离边界采用不透波耐高温材料，所述的不透波耐高温材料为金属材料或由轻质材料内层和金属表层组成的材料。

所述的带孔隔离边界表面形状为平面或复杂曲面；带孔隔离边界可以为单个边界或由多个单个边界组合成成的多边形腔体；带孔隔离边界的位置要求不平行于最近的微波谐振腔体壁面，其与微波谐振腔体壁面的距离要求最小值为1/4个波长，最大值为4个波长；带孔隔离边界在微波谐振腔内的固定方法采用与壁面、支撑柱或铰链的焊接、铆接、螺纹连接类的机械连接或胶接、电磁吸附类的非机械连接；采用的支撑柱或铰链类连接材料为非金属材料；带孔隔离边界上孔的形状为矩形，腰型，圆形和十字型；带孔隔离边界上的开孔尺寸随着与微波辐射天线的距离增大而增大，且孔的直径或长度不小于腔体内电磁场波长的1/4，孔与孔之间最短距离同样不小于电磁场波长的1/4；孔的排布方向可单一方向排布也可以多向排布。

本发明的有益效果：

本发明提出一种新的思路解决微波谐振腔内电磁场不均匀的难题，显著提高了腔体内电磁场的均匀性。实现加热件整体温差不超过3摄氏度的优良均温性，温度均匀性提高20倍以上。

附图说明

图1是本发明的谐振腔体结构示意图。

图2是本发明的内腔体壁面上通孔示意图。

图中：1为天线装置、2为外腔体、3为内腔体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-2所示。

一种能提高微波谐振腔电磁场分布均匀性的方法，通过在微波谐振腔体中设置带孔隔离边界，将微波谐振腔体分隔成强电磁场区域与弱电磁场区域，弱电磁场区域的电磁场由强场区域的电磁场在两者的边界多次反射后，经由带孔隔离边界上的孔入射到弱电磁区域；隔离边界孔上形成微波源，数量巨大的微波源之间相互耦合和干涉后加热放置于弱电磁场区域的加热对象，极大地减小了冷点与热点的区域尺寸，从而提高微波谐振腔内电磁场分布均匀性；冷点与热点表征了腔体中不均匀的电磁场分布，冷点为驻波的波节，热点为驻波的波腹。为了进一步提高均匀性可在强电磁场区域增加模式搅拌器以增加电磁场在强电磁场区域与边界的反射。所述的带孔隔离边界采用不透波耐高温材料如金属材料或由轻质材料内层和金属表层组成的材料。所述的带孔隔离边界表面形状为平面或复杂曲面；带孔隔离边界可以为单个边界或由多个单个边界组合成成的多边形腔体；带孔隔离边界的位置要求不平行于最近的微波谐振腔体壁面，其与微波谐振腔体壁面的距离要求最小值为1/4个波长，最大值为4个波长；带孔隔离边界在微波谐振腔内的固定方法采用与壁面、支撑柱或铰链的焊接、铆接、螺纹连接类的机械连接或胶接、电磁吸附类的非机械连接；采用的支撑柱或铰链类连接材料为非金属材料；带孔隔离边界上孔的形状为矩形，腰型，圆形和十字型；带孔隔离边界上的开孔尺寸随着与微波辐射天线的距离增大而增大，且孔的直径或长度不小于腔体内电磁场波长的1/4，孔与孔之间最短距离同样不小于电磁场波长的1/4；孔的排布方向可单一方向排布也可以多向排布。在微波谐振腔体外壁面上设置多路微波天线装置；微波发生装置发射微波，并经过辐射天线或微波谐振腔体接触位置的耦合装置向腔体内部馈入微波，其功率可单独控制也可组合控制；微波频率范围为300mhz～300ghz；微波频率可固定不变或按照20mhz以上的范围线性或非线性变化；微波天线装置可以为波导裂缝天线，杆状天线、圆环天线、螺线天线、喇叭天线或微带天线中的一种或多种。

具体到图1、2而方，本发明的关键是在外腔体2内部放置一层由图2所示的壁面组合而成的内腔体3。内腔体3将整个腔体分为电磁场强的区域和电磁场弱的区域。微波从外腔体2上的天线装置1入射到内腔体3壁面上，密集的微波束经由内外腔体壁面多次反射变得分散，随后分散的微波经由内腔体3壁面上的孔入射到弱电磁场区域，并加热被加热对象。

本实例采用的微波固化频率为2450±30mhz。被加热对象为玻璃纤维增强树脂基复合材料，尺寸为500mm*500mm。本实例中天线装置1采用裂缝天线。内外腔体2截面采用正七边形，且外腔体2两壁面的交线正对内腔体3的一个壁面。外腔体2的边长为1m，内腔体2的边长为0.8m。内外腔体的中心轴相差不超过5mm。内腔体3上孔型采用圆角矩形孔，如图2所示。其长宽各为3cm与1cm。相邻圆角矩形孔中心距均不小于6cm。此外，越远离外腔体2上的天线装置1，圆角矩形孔的尺寸越大,最远处圆角矩形孔长、宽各为6cm与2cm。

微波发生源与微波传输天线相连，微波传输线的另外一端与裂缝天线相连，微波由微波发生源产生，通过裂缝天线辐射至外腔体2内。最终经过内腔体3上的孔隙辐射到玻璃纤维增强树脂基复合材料。实验结果表明，相比原有的腔体设计方法，玻璃纤维增强树脂基复合材料表面最大温差从原有的25℃降低为3℃，显著提高了材料微波加热的温度均匀性。

实施例二。

如图1-2所示。

一种能提高微波谐振腔电磁场分布均匀性的微波谐振腔体，它包括多边形外腔体2，如图1所示，微波天线装置1安装在所述的外腔体2上，在外腔体2中设有由图2所示的带孔隔离边界组成的内腔体3，加热对象安装在内腔体3中；微波天线装置1发射的微波在内腔体3和外腔体2之间经多次反射后经由带孔隔离边界上的孔形成微波源入射到内腔体3中的弱电磁区域加热放置于弱电磁场区域的加热对象；数量巨大的微波源（成百上千个）之间相互耦合和干涉后，极大地减小了冷点与热点的区域尺寸。具体实施时，还可在外腔体2和内腔体3之间设置搅拌器以增加电磁场在强电磁场区域与边界的反射效果。所述的带孔隔离边界应采用不透波耐高温材料，如金属材料或由轻质材料内层和金属表层组成的材料。带孔隔离边界表面形状可为平面或复杂曲面；带孔隔离边界可以为单个边界或由多个单个边界组合成成的多边形腔体；带孔隔离边界的位置要求不平行于最近的微波谐振腔体壁面，其与微波谐振腔体壁面的距离要求最小值为1/4个波长，最大值为4个波长；带孔隔离边界在微波谐振腔内的固定方法采用与壁面、支撑柱或铰链的焊接、铆接、螺纹连接类的机械连接或胶接、电磁吸附类的非机械连接；采用的支撑柱或铰链类连接材料为非金属材料；带孔隔离边界上孔的形状为矩形，腰型，圆形和十字型；带孔隔离边界上的开孔尺寸随着与微波辐射天线的距离增大而增大，且孔的直径或长度不小于腔体内电磁场波长的1/4，孔与孔之间最短距离同样不小于电磁场波长的1/4；孔的排布方向可单一方向排布也可以多向排布。

本发明的工作原理是：

在微波谐振腔体中设置多个强电磁场区域与弱电磁场区域，不同区域被带孔隔离边界分隔开，弱电磁场区域的电磁场由强场区域的电磁场在两者的边界多次反射后馈入。隔离边界数量巨大的孔隙转换为新的微波源，发射微波。孔隙微波源相互耦合与干涉，使得原有谐振腔内的冷点与热点尺寸和相互的间隔距离大大缩小，显著提高了谐振腔内电磁场的均匀性。

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。

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。