【摘 要】
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与传统除冰方法相比,微波除冰作为无接触式除冰方法,具有能量利用率高,除冰效果好,环保,经济等优点。目前微波除冰技术的应用主要受限于工程结构的弱吸波性。对此,本文提出表面吸波改性方法,即在工程结构表面涂覆高微波损耗的微波敏感涂层,以提高结构微波升温性能,进而推广微波除冰技术的应用。微波敏感涂层除冰方法的关键在于冰层-涂层界面的热传导,涂层的微波升温性能是其实际应用的最重要的指标,故本研究聚焦于多影响
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与传统除冰方法相比,微波除冰作为无接触式除冰方法,具有能量利用率高,除冰效果好,环保,经济等优点。目前微波除冰技术的应用主要受限于工程结构的弱吸波性。对此,本文提出表面吸波改性方法,即在工程结构表面涂覆高微波损耗的微波敏感涂层,以提高结构微波升温性能,进而推广微波除冰技术的应用。微波敏感涂层除冰方法的关键在于冰层-涂层界面的热传导,涂层的微波升温性能是其实际应用的最重要的指标,故本研究聚焦于多影响因素下的微波敏感涂层升温特性及其响应规律,为涂层参数化设计和应用及除冰设备研发提供依据。首先,本文基于微波除冰原理,规划了可反映涂层微波除冰效率的无冰状态下涂层升温特性指标;研究了微波敏感涂层升温过程机理,提炼了涂层升温特性的影响因素。接着选取炭黑(CB)和四氧化三铁(Fe3O4)为吸波剂,环氧树脂为粘结剂,设计与制备了面向除冰应用的微波敏感涂层。然后采用微波加热物理试验和COMSOL Multiphysics数值模拟相结合的方法,对微波条件(微波功率、加热时间、照射距离、微波频率、入射角度、天线类型)、涂层特性(吸波剂类型、涂层配比、涂层厚度、涂层曲面)、涂层基底(理想介质、透波介质、理想电导体)作用下的升温特性进行深入研究。最后验证了涂层除冰的有效性。得出的主要结论如下:(1)涂层加热效果与微波功率和加热时间呈正相关,也受微波加热路径的影响,相同微波能量,高功率短时间作用下涂层加热效果优于低功率长时间;综合考虑升温速率和加热均匀性,本研究中涂层的最佳照射距离:3cm-5cm;涂层升温速率与微波频率呈正相关,但微波频率的增大也会降低加热均匀性,本文推荐2.45GHz为微波敏感涂层除冰的工作频率;一定入射角度范围内的斜入射对涂层升温特性无明显影响,随着入射角的增大,涂层最高温升值增大,在入射面内沿天线长边方向偏移;喇叭天线相比标准波导天线,在工作距离、加热面积和加热均匀性方面具有明显优势。(2)涂层升温性能与涂层配比(吸波剂含量)呈正相关;涂层厚度在1mm-5mm范围内对涂层升温性能影响较小,实际应用中涂层厚度无需严格控制;涂层曲面形式具有更高的升温速率和更小的影响区面积,并且微波辐射高温区域与待除冰区域重合,因此可以推测微波敏感涂层对于曲面形式结构如拉索、导线有较好的除冰效果;涂层升温性能不仅受吸波剂微波升温性能控制,也与吸波剂的体积填充率有关。(3)涂层基底对微波敏感涂层升温性能有很大影响。不同基底CB涂层升温性能从高到低依次为:理想介质(空气)、透波介质(聚四氟乙烯)和理想电导体(铝制金属);不同基底Fe3O4涂层升温性能从高到低依次为:理想电导体、透波介质、理想介质,其中理想电导体明显高于透波介质和理想介质。实际应用中,Fe3O4涂层可与致密金属网结合形成复合材料,提高升温性能,同时也可增强物理力学性能。
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