книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности

по меньшей, чем прочность вторых. Исследование образ­ цов, нагревавшихся в формах из плексигласа, обнаружи­ ло некоторое увеличение пористости, обусловленное вы­ ходом водяного пара. Чтобы оценить эффективность исследуемого процесса СВЧ-обработки, необходимо про­ вести эксперименты при повышенном давлении и понижен­ ной частоте.

111. Применения метода

Используя СВЧ-нагрев, позволяющий провести про­ цесс твердения всего за 2 чару можно непосредственно на

строительной площадке оценивать по контрольным образ­

5.1.14.РАСКАЛЫВАНИЕ БЕТОНА

Уо т с о н

1.Введение

Свозрастанием темпов строительства дорог и зданий увеличилось количество бетонных и кирпичных соору­ жений, подлежащих сносу. Назрела потребность а каком-

использовались рупорные облучатели с большой аперту­ рой. Для раскалывания бетона по существу пригодно то же самое оборудование,'но облучатели конструируют так, чтобы получить интенсивный локальный нагрев. Для этой цели можно использовать рупорный облучатель типа усеченного параболоида с апертурой в форме узкой по­ лоски. Если распилить волновод под углом 12— 15° к его оси, то получится устройство, позволяющее передавать СВЧ-энергию в бетон при малом уровне отражений от поверхности, т. е. в условиях хорошего согласования. Во многих^мощных установках СВЧ не уделяется должного внимания защите оператора. В данном оборудовании пре­ дусматриваются две защитные меры. Во-первых, в апер­ турных плоскостях волновода в месте распила и рупор­ ного облучателя закрепляют тонкую медную сетку, кото­ рая эффективно препятствует выходу излучения через зазор между краями апертуры и нагреваемым материа­ лом. Во-вторых, при поверхностном взрыве на бетоне облучатель может подняться,* а излучение попасть не­ посредственно на обслуживающий, персонал. Чтобы этого не произошло, на кромке облучателя устанавливают кон­ цевой микровыключатель так, что, как только облучатель поднимают от поверхности бетона, срабатывает цепь блокировки и отключается источник питания маг­ нетрона..VI

IV. Применения

При работе с источником мощностью 2 кет бетонная плита размером 1,5 X 1,5 м и толщиной 23 см была

расколота пополам после двух периодов облучения дли­ тельностью по 3 мин каждый. Бетонный придорожный камень дал поперечную трещину через 3 мин. Если же

СВЧ-установка оставалась включенной в течение 15 мин, то под облучающим щелевым волноводом в раска­

ленном расплавленном бетоне образовывался кратер диа­ метром 2,5 см и глубиной также 2,5 см.

СВЧ-генератор был смонтирован на тележке и пода­ вал энергию через рупорный облучатель (фиг. 1) на бе­ тонную плиту толщиной см п площадью 38 мг. После СВЧ-нагрева в течение 4 час плита раскололась на две

N05 211 апб 218, МиИагё ГСасПо Уа1уе Со. Ый., МйсИат, Зиггеу, Еп§1апс1, 1960.

3.^ а 1 5 о п А., АррПсаИоп Гог Ы§И ро\уег гтсгспуауез (о ЬиПсПп§ гезеагсН, СопГ. Оез1дп Ше М1сго\уауе Уа!уез, Ос1оЬег 1963,

рр.121—122. 1пз1. о'Г Е1ес1. Еп^гз., Ьопбоп, 1963.

4. Н а 5 1 е 6 ,1. В., 3 Иа Ь М. А. М1сго\уауе аЬзогрИоп Ьу \уа1ег ш ЬиПсИпб та1епа1з, ВгИ. 1. Арр1. РЬуз., 15, рр. 825—836

(Ли1у 1964).

5. М а 1е 1 М. А., С Иа Ъ о \у з к 1 А. 3., Ш а I з о п А., брит, пат. заявка 56858/66.

6.1.15.СВАРКА ПЛАСТМАСС

Уа й т

1.Введение

Вэтом разделе рассматриваются основы процесса СВЧ-сварки пластмасс, в общих чертах излагается фи­

зика сварки и особое внимание уделяется роли частоты и времени в процессе сплавления листов пластика. Затем более подробно описан один конкретный случай примене­ ния и упомянуты другие случаи, которые служат иллю­ страцией разнообразия материалов и сварочного обо­ рудования, успешно использовавшегося на практике.

СВЧ-нагрев обладает рядом специфических преиму­ ществ перед диэлектрическим ВЧ-нагревом, которые обу­ словлены не только более высокой скоростью нагрева при меньших напряжениях, но также возможностью осуществлять локальный нагрев в нужном месте. Име­ ются определенные различия в используемом оборудо­ вании.

Описываемые ниже примеры дают некоторое представ­ ление о потенциальном значении СВЧ для сварки пласт­ масс, но для более широкого понимания вопроса, особен­ но в отношении к одному из классов применений, жела­ тельно познакомиться с физикой процесса сварки.

Обычно, когда речь идет о сварке пластмасс, рассма­ тривают тепловой процесс, а именно активацию поверх­ ности раздела нагревом. Сюда предположительно могут войти полимеризация двух основных .типов, испарение летучих растворителей или рассеяние пластификаторов, в том числе пластизолей, и сплавление с применением дополнительно подводимых клеев или без них.

Первый тип полимеризации — это аддиционная поли­ меризация, примером которой может служить разрыв двойных поперечных углеродных связей ненасыщенных полиэфиров. Этот тип полимеризации плохо управляется СВЧ-энергией. Полимеризация второго типа — конденса­ ционная, примером которой может служить процесс получения алкидных, фенольных и эпоксидных смол и полиуретанов. Процесс полимеризации этого типа хорошо управляется СВЧ-энергией.

Тепловая энергия может выделяться в основном соеди­ няемом материале, в слое клея или в специальных добав­ ках, содержащих такие хорошо поглощающие СВЧ-энер- гию наполнители, как уголь, ферриты или сегнетоэлектрики, и такие очень хорошо поглощающие растворители, как вода, спирты, кетоны и амиды.

К процессу сварки пластмасс, несомненно, надо отне­ сти соединение пленок и листового материала, сварива­ ние блоков, гранул или частиц (спекание), стержней и труб, ниток и пряжи, тканых и нетканых материалов, бумаги, войлока и пенопласта.

Хорошо известно, что для получения соединения в области шва должны быть созданы в течение некоторого времени повышенные температура и давление. Во мно­ гих случаях бывает важно, чтобы время выполнения опе­ рации и создаваемое давление были небольшими. Обычно это ограничение выражают через величину погружения электрода в материал и через связанные с этим параметром концентрацию механических напряжений и уменьшение толщины.

Важно также, чтобы после сваривания пластик сохра­ нил свои основные свойства.I.

II. Сварка

Ниже мы будем рассматривать случай сваривания двух пленок или листов пластика без применения раство­ рителей, клеев или каких-либо других дополнительных компонентов. Однако излагаемый материал справедлив и для общего случая соединения пластиков. Цель нашего изложения состоит в том, чтобы показать значение часто­ ты и времени при выполнении операции сварки.

Пластмассы представляют собой полимеры, и, следо­ вательно, их гигантские молекулы состоят из сотен и даже многих тысяч атомов. Обычно в их основе лежит углерод, молекулы могут иметь'форму^цепей с разветвлениями или без них или же форму двухили4трехмерных структуре поперечными связями. Пластмассы^с цепными молекула­ ми можно растворять и расплавлять^ и их называют термо­ пластмассами. Пластмассы, в молекулах которых имеют­ ся поперечные связи, в растворителях только набухают и теряют свои качества лишь при весьма высоких темпера­ турах, так и не расплавляясь. Эти пластмассы часто на­ зывают термореактивными. „Ч

Как правило, полимеры ниже некоторой характеристи­ ческой температуры стеклования ведут себя подобно стек­ лу, а выше этой температуры — подобно каучуку. С лю­ бой стороны от характеристической температуры полимеры могут быть либо аморфными и прозрачными, как стекло, либо кристаллическими и непрозрачными, как керамика, либо обладать промежуточными свойствами. Вопреки рас­ пространенным представлениям, кристаллы полимеров часто ведут себя точно так же, как кристаллы минералов, в том смысле, что дают свои дифракционные картины при рентгеноструктурном анализе и обладают регулярными геометрическими формами с характерными углами, кото­ рые можно наблюдать и фотографировать. Степень кри­ сталлизации этих материалов сильно зависит от предшест­ вующей температурной обработки, и кристаллы могут расти или_ растворяться при температурах, меньших тем­ пературы "размягчения.

Молекулы полимеров могут располагаться в случайном порядке, как это имеет место при застывании отливки из расплава или растворителя или при свободной полимери­ зации, либо они могут быть ориентированы в одном на­ правлении (или в одной плоскости) под действием механи­ ческого растяжения или поперечных сил. Полимеры со случайной ориентацией молекул способны неупруго растя­ гиваться, и их легко удлинить в 10 раз. Полностью ориен­ тированные полимеры имеют большую прочность, и их легче разорвать, чем растянуть. При температурах, близ­ ких к температуре размягчения, эта полная ориентация

молекул, которая определяет желательные прочностные свойства, разрушается.

При повышенных температурах длинные цепочки мо­ гут распадаться на более короткие, как, например, при крекинге нефти. Могут также происходить окисление или другие химические изменения материалов.

Само собой разумеется, что при сварке пластмасс же­ лательно не допустить ухудшения полезных свойств ма­ териалов. Обычно это означает, что в процессе сварки температура пластмассы должна быть минимальной везде, кроме непосредственной зоны шва.

Цель дальнейшего изложения сводится к тому, чтобы показать, как достичь требуемого температурного распре­

менем нагрева и температурным распределением. Каким способом производится нагрев пока не имеет значения. На фиг. 1 показано семь различных случаев. Первый сле­ ва график характеризует распределение генерируемой (подводимой) тепловой энергии, на втором графике по­ казано распределение температуры после кратковремен­ ного нагрева (при котором возникает очень небольшой тепловой поток), на третьем графике дано распределение температуры после длительного нагрева, в результате которого достигается установившийся режим. Во всех случаях сделаны следующие допущения: средняя точка каждого графика — это граница раздела двух тонких листов материала, а левая и правая граничные точки графика — поверхности этих листов. Считается, что пер­ воначально пластик по всей толщине имеет одинаковую температуру и обе поверхности также поддерживаются при этой начальной температуре. В конце каждого цикла нагрева на границе раздела существует температура, тре­ буемая для сварки. Высоту кривой подводимого тепла в каждом случае регулируют так, чтобы в конце цикла нагрева достигалась требуемая для сварки температура. Следовательно, кривые левых графиков отражают лишь форму действительных кривых подводимого тепла. Тепло­ проводность считается здесь независящей от температуры. Ширина свариваемых листов (в зоне сварки) достаточно

1

велика по сравнению с их толщиной, чтобы можно было тепловой поток считать одномерным. Все эти допущения реальны, так как при использовании СВЧ можно полу­ чить скорости нагрева, выражаемые десятками тысяч