• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Исследование высокоэффективных и экологически чистых микроволновых технологических процессов термообработки композиционных материалов строительной индустрии

2012
Подразделение: Факультет электроники и телекоммуникаций

Целью настоящей научно – исследовательской работы является достижение результатов мирового уровня в области технологий термообработки композиционных строительных материалов, которые обеспечат создание материалов нового поколения, обладающих принципиально лучшими техническими характеристиками по сравнению с существующими.Скорость микроволновых технологических процессов увеличивается в 7-8 раз по сравнению с традиционными технологическими процессами термообработки композиционных материалов, а энергосбережение составляет не менее 45%.В процессе выполнения этой работы осуществляется подготовка и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, формирование эффективных и жизнеспособных научных коллективов.
Методология проекта:
Теоретические исследования проведены с использованием математических аппаратов электродинамики; методов математического моделирования; теории электромагнитного поля; теории электрических цепей и метода эквивалентных схем. Экспериментальные исследования проведены на конкретных конструкциях СВЧ устройств лучевого типа на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью разработанных моделей, сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований, сравнением полученных результатов с результатами, опубликованными ранее в научных публикациях.
Эмпирическая база проекта:
Эмпирическая база проекта была основана на результатах теоретических и экспериментальных исследований, полученных в результате проведения многочисленных научно-исследовательских работ, в частности:
- отчет по проекту: “Анализ  и оптимизация параметров сверхвысокочастотных электродинамических систем для формирования равномерного температурного поля диэлектрических материалов” в рамках аналитической ведомственной целевой программы “Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)”, № гос.регистрации: 01200602334;
-   отчет по НИР: “Разработка методов и средств микроволновых технологий для исследования изотропных структур материалов с различными электрофизическими параметрами” //Отчет РФФИ, № 06-08-01144а  за 2006 – 2008 гг., № гос. регистрации:  0120.0611288.
Основные результаты:
1) Разработаны новые методы построения микроволновых устройств, которые позволяют реализовать равномерное (заданное) распределение температуры по объему обрабатываемых композиционных материалов. Предложенные модели и новые  методы расчета распределения температуры в материалах проведены с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от температуры и влажности. Максимальное отклонение температуры в материале от номинального значения температуры не превышало 8%, а расхождение рассчитанных и измеренных характеристик распределения температуры в материале не превышало 6%; 
2) На конкретных примерах (производство керамических и полимерных материалов,  материалов с малыми диэлектрическими потерями, плавление базальта, производство теплоизоляционных материалов, производство строительных материалов) показано, что технологические процессы с использованием микроволнового излучения позволяют:
  • реализовать экологически чистые технологические процессы, так как эти процессы не содержат продуктов сгорания и, следовательно, позволяют улучшить санитарно-гигиенические условия труда обслуживающего персонала;
  • сократить энергетические затраты на (45-50)%;
  • уменьшить площадь промышленных установок и вес соответственно в 3,6 и 2 раза;
  • скорость технологических процессов увеличивается в 7-8 раз по сравнению с современными традиционными технологическими процессами;
  • повысить управляемость технологическим процессом и создать условия для автоматизации производства (безынерционность процесса нагрева).
Микроволновые технологические процессы оказывают существенное влияние на характеристики получаемых изделий: 
  • при производстве керамических материалов их структура становится более мелкозернистой и более плотной, а прочность на излом возрастает в 1,2 -1,3 раза;
  • процесс полимеризации изделий из стеклопластика происходит мгновенно по всему объему, при этом прочность изделий из стеклопластиковой арматуры увеличивается в 1,5 раза за счет полноты реакции полимеризации. Следует отметить, что стержни большого диаметра  (в работе проведена полимеризация стержней диаметром 40 мм)  можно реализовать с использованием микроволновых технологий, а с использованием традиционных технологий их реализовать невозможно ввиду малой теплопроводности изделия;
  • экспериментальные данные (масса и объём образца, время нагрева до конечной температуры, мощность источника микроволновой энергии) позволили оценить энергетические затраты, приведённые к весу  нагреваемого материала 0,8кВт∙час/кг. Следует отметить, что лучшие зарубежные индукционные установки плавления базальта имеют средние энергетические затраты 2,2 кВт∙час/кг, а электродуговые печи 7,08 кВт∙час/кг;
  • проведена высокоэффективная сушка утеплителя в виде  картона из базальтового волокна толщиной 24 мм с использованием микроволнового излучения.Традиционные технологии  используется для сушки картона для толщин в пределах (4 – 6) миллиметров. Энергетические затраты при микроволновой сушке утеплителя снижены на 45%, по сравнению с сушкой утеплителя по традиционной технологии;
  • для ускорения процесса твердения пенобетонной смеси толщиной 200 мм  ее температура поднималась до (70-80)°С с использованием микроволнового излучения. При температуре пенобетонной смеси (70-80)°С время до её полного твердения составляет примерно 2,5 часа, что повышает оборачиваемость форм до распалубки в 12 раз. При этом не используются дорогостоящие зарубежные добавки для ускорения твердения пенобетонов (эти добавки используются при традиционных технологиях), которые приводят к ухудшению их прочностных характеристик из-за повышения кислотности;

3) Разработан  метод построения новых конструкций СВЧ устройств лучевого типа, который  позволяет получить заданное распределение температуры в объеме композиционного материала за счет суперпозиции излучений от различных типов антенн. В СВЧ устройствах используются излучающие  антенны, как в виде раскрыва прямоугольного волновода, так и антенны,  в виде излучающей щели, прорезанной в середине широкой стенки волновода. Разработана новая концепция построения микроволновых устройств  для формирования равномерного распределения температуры в листовых композиционных материалах в режиме бегущей волны. Предложены  основные  методы формирования равномерного распределения температуры в листовых композиционных  материалах с малыми, средними и высокими диэлектрическими потерями, которые связаны с изменением параметров секций электродинамических систем в направлении распространения бегущей волны. Разработан метод построения  СВЧ устройств  равномерного распределения температуры в листовых диэлектрических материалах толщиной (d≥0,3·λ),  основанный на том, что  в качестве нагревательных элементов СВЧ устройства используются секции волноводных и замедляющих систем  с поперечным взаимодействием и   принципа суперпозиции характеристик распределения температуры по толщине материала; Разработана модель и метод расчета СВЧ устройств  с поперечным взаимодействием для термообработки листовых материалов толщиной (d≥0,3·λ), малой теплопроводности, при этом максимальное отклонение рассчитанной температуры от номинального значения по толщине материала не превышает 6%; Метод расчета основан на том, что значение мнимой части относительной диэлектрической проницаемости материала (фактора потерь) линейно зависит от изменения температуры, как в направлении оси z, так и в направлении оси у, что подтверждено  результатами экспериментальных исследований на частоте колебаний электромагнитного поля  2450 МГц.

Разработан метод  построения  СВЧ устройств  равномерного распределения температуры в композиционных   материалах в виде стержней и труб диаметром (Ø ≥0,3∙λ),  основанный на том, что  в качестве нагревательных элементов СВЧ устройства используются секции волноводных и замедляющих систем  с продольным взаимодействием и   принципа суперпозиции характеристик распределения температуры по поперечному сечению материала;

Разработана модель и метод расчета СВЧ устройств  термообработки   стержней и труб диаметром  (Ø ≥0,3∙λ)  малой теплопроводности с продольным взаимодействием, при этом максимальное отклонение рассчитанного значения  температуры от номинального значения по поперечному сечению материала не превышает 6 %;

Разработано СВЧ устройство равномерного нагрева стержней и  труб с малыми диэлектрическими потерями, отличительная особенностью которого  состоит в том, что в качестве второй секции СВЧ устройства используется   секция на основе двумерно-периодической замедляющей системы.
Представлено решение актуальной научной задачи  в области создания высокоэффективных  СВЧ устройств, формирующих равномерное распределение температуры в  стержневых материалах, диаметром  (Ø ≥  0,33∙λ) и трубах, диаметром  (Ø  ≥ 0,5∙λ)  с низкой теплопроводностью  и различными  диэлектрическими потерями;

4) Разработаны новые методы построения микроволновых устройств, которые позволяют реализовать равномерное (заданное) распределение температуры по объему обрабатываемых композиционных материалов. Предложенные модели и новые  методы расчета распределения температуры в материалах проведены с учетом зависимости диэлектрических параметров материала от температуры и влажности. Максимальное отклонение температуры в материале от номинального значения температуры не превышало 8%, а расхождение рассчитанных и измеренных характеристик распределения температуры в материале не превышало 6%.  Такие показатели, судя по зарубежным публикациям, соответствуют, а для большинства технологических процессов превосходят, лучшие результаты зарубежных исследований.  В экспериментальных исследованиях использованы микроволновые устройства, которые защищены патентами, а результаты отражены в рецензируемых  журналах, например, «Измерительная техника», который входит в перечень журналов, утвержденный ВАК, для публикаций основных положений докторских диссертаций  и в Указатель цитируемой литературы – Science Citation Index (SCI), выпускаемый Американским Институтом научной информации (ISI).  Журнал  переводится в США. Перевод и издание журнала на английском языке под названием «Мeasurement Technique» осуществляется издательством Springer.  Журнал “Метрология” является ежемесячным приложением к журналу «Измерительная  техника».

В рамках выполнения проекта и по тематике проекта были защищены 4 диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 «Антенны, СВЧ устройства и их технологии». Защиты диссертаций состоялись в Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете) в диссертационном совете  Д 212.133.06.  Кандидатские диссертации были защищены участниками проекта:

  • Захаровой С.С.  на тему: «Разработка методов моделирования и исследование свойств излучателей на основе синхронных спиралей» 01.06.2010;
  • Нефедовым М.В. на тему: «Исследование и разработка СВЧ устройств лучевого типа для термообработки материалов» 17.03.2011;
  • Кухаренко А.С. на тему: «Микроволновые частотно-селективные устройства СВЧ на резонансных отрезках металлодиэлектрических замедляющих систем» 26.05.2011;
  • Королевым Д.С. на тему: «Метод контроля параметров эмиссионных материалов СВЧ устройств в процессе их производства и эксплуатации» 20.10.2011г.


Участниками проекта были получены 4 патента на Изобретение и 1 патент на полезную модель:

  • Патент РФ на Изобретение № 2392705, «Антенна бегущей волны»/ Елизаров А.А., опубл. БИ № 17,  2010
  • Патент РФ на Изобретение № 2392706, «Логопериодическая антенна»/ Елизаров А.А., опубл. БИ № 17, 2010
  • Патент РФ на Изобретение № 2408109, «Мультипольный умножитель СВЧ»/ Елизаров А.А., опубл. БИ № 36,  2010
  • Заявка на Изобретение № заявки 2011126297 «Способ СВЧ дезинсекции материалов и/или изделий из шерсти»/ Мамонтов А.В., Нефедов В.Н., Потапова Т.А. (Патент на Изобретение № 2477147,  опубл. 10.03.2013 Бюл. № 7).
  • Патент РФ на Полезную модель № 100867 «Сверхвысокочастотное устройство для термообработки объемных диэлектрических материалов»/ Мамонтов А.В., Нефедов В.Н., Нефедов М.В., Савченко И.М., опубл. БИ № 36,  2010

Участниками проекта опубликовано  40 статей,  из которых 22 статьи опубликовано в рецензированных журналах ВАК (Труды НИИР; Радиотехника и электроника; Метрология; Электронная техника. Серия1. СВЧ – техника; T-Comm. Телекоммуникации и транспорт; Технологии ЭМС; Измерительная техника; Компоненты и технологии).

Область применения:
1)  Полученные научные и научно-технические результаты  могут быть использованы в различных отраслях народного хозяйства, где необходим высокоэффективный, равномерный и экологически чистый нагрев  композиционных материалов. К таким технологическим процессам относятся: обеззараживание материалов;  производство теплоизоляционных  и строительных материалов.  К наиболее перспективным областям, где более широко используются предложенные   СВЧ устройства,  относятся: медицина, сельское хозяйство и производство строительных  и конструкционных материалов, научные исследования;
2) На конкретных примерах (производство керамических и полимерных материалов,  материалов с малыми диэлектрическими потерями, плавление базальта, производство теплоизоляционных материалов, производство строительных материалов из бетона и пенобетона с различными наполнителями) показано, что технологические процессы с использованием микроволнового излучения имеют реальные перспективы внедрения в рамках программы «Модернизации промышленности»;
3) Оценка  влияния полученных результатов проекта на развитие и внедрение высокоэффективных  микроволновых технологических процессов производства материалов с более высокими эксплуатационными характеристиками, а также  разработка новых технических решений, позволяющих  заменить  малоэффективные традиционные технологии термообработки материалов   на высокоэффективные микроволновые технологии, будет определяться технической политикой, проводимой правительством РФ.   
4)  Внедрение микроволновых технологий в различные отрасли  промышленности позволит реализовать бесшумные, высокоэффективные, экологически чистые и  энергосберегающие технологии, которые создают комфортные условия для работы обслуживающего персонала, занимают малые площади. 
5) В настоящее время коммерциализация результатов проекта  не предусмотрена.
6) На основе полученных результатов интеллектуальной деятельности (РИД) могут быть реализованы микроволновые установки  для создания заданного распределения температуры в композиционных материалах. В настоящее время в России не используются микроволновые технологии, а рынок сбыта подобных установок за рубежом не проводился.
Научные семинары и конференции, на которых обсуждались результаты проекта:
  • Труды РНТОРЭС им. А.С. Попова.  М. 2010;  
  • Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, 2010 г.; 
  • IVEC, Monterey, California, USA 18-22 May, 2010; 
  • Конференция молодых ученых ВЭИ, Москва, 16-18 ноября, 2010;  
  • VIII Курчатовская молодежная научная школа, Москва ИЯИ им. Курчатова.22-25 ноября, 2010; 
  • Материалы международной научно-технической конференции “Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий” (ИНФО-2011, г. Сочи); Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ,  2011 г.; 
  • Материалы XVIII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов. “Вакуумная наука и техника” под редакцией проф.  Д.В. Быкова, 2011”, 15-24 сентября 2011г, город Судак. Украина; 
  • IVEC, Bangalore India, 19-25 February, 2011;
  • Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, посвященная 50-летию МИЭМ, 2012 г.; 
  • V Троицкая конференция “Медицинская физика и инновации в медицине” ТКМФ-5. 4-8 июня 2012 года, г.  Троицк. Московская область. 2012; 
  • Международная научно-техническая конференция “Инновационные информационные технологии”. Прага. 2012; 
  • Всероссийская конференция “Микроэлектроника СВЧ”. Санкт – Петербург – 2012. 
Прикреплённые файлы:
Заключительный отчет по проекту - Отчет по НОЦ-6-й этап, 2012 г..doc (82525.5 Kb)
Коды по классификатору Elibrary:
29.00.00 Физика
44.00.00 Энергетика
47.00.00 Электроника. Радиотехника
59.00.00 Приборостроение
90.00.00 Метрология

Публикации по проекту:


Мамонтов А. В., Нефедов В. Н., Тув А. Л., Языков Д. А. Исследование возможности плавления базальта с помощью СВЧ-энергии // Измерительная техника. 2012. № 9. С. 49-50.
Мамонтов А. В., Назаров И. В., Нефедов В. Н., Потапова Т. А. Воздействие микроволнового излучения на многослойные биологические ткани // Медицинская физика. 2012. № 4. С. 87-93.
Нефедов В. Н., Мамонтов А. В., Нефедов М. В., Савченко И. М., Назаров И. В. Микроволновый метод создания равномерного распределения температуры в объемных диэлектрических материалах // Метрология. Ежемесячное приложение к научно-техническому журналу «Измерительная техника». 2010. № 12. С. 36-42.
Мамонтов А. В., Назаров И. В., Нефедов М. В., Нефедов В. Н., Савченко И. М. Термообработка листового теплоизоляционного материала с использованием микроволнового излучения // Метрология. Ежемесячное приложение к научно-техническому журналу «Измерительная техника». 2010. № 11. С. 38-42.
Федеральная Целевая Программа:
Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы