一种微波动态分区加热方法技术

一种微波动态分区加热方法，其特征是在被加热材料表面放置多个可调电磁共振单元，利用微波辐照上述“可调电磁共振单元+被加热材料”层叠结构，通过施加外部激励控制每个可调电磁共振单元的工作频率，实现对被加热材料的微波动态分区加热。本发明专利技术可以实现像素级别的热操控精度，单个像素点大小为可调电磁共振单元的结构尺寸。结构尺寸。结构尺寸。

【技术实现步骤摘要】
一种微波动态分区加热方法


[0001]本专利技术涉及一种微波加热方法，尤其是一种分区加热方法，具体地说是一种微波动态分区加热方法。

技术介绍

[0002]微波是频率为300M至300GHz的电磁波，微波加热技术相较于传统电加热技术同时具有非接触加热、温度响应迅速、升温速率快以及能耗低等突出优势。实现高精度的微波动态分区加热在材料分区成型、热显示、可穿戴设备等领域具有重要作用，甚至能够催生新的材料热处理技术。
[0003]目前实现微波分区加热有两类方法，通过控制高导电材料本身电磁性能或者控制微波波束。对于控制材料电磁性能的方法，文献(可参考Carbon 2021；174:518
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523)报导了一种在基材表面喷涂具有不同吸波率的石墨烯溶液，从而对基材进行固定分区的微波差异化加热。然而，石墨烯溶液在微波加热过程中的吸波率无法控制，因而无法对基材进行动态分区加热。对于控制波束的方法，公开号CN210112318U的中国专利提出了通过设计相控阵天线，通过控制馈入腔体中微波的相位，基于相位叠加原理，实现在材料表面不同位置电磁波能量的分布控制。然而，微波腔体内部电磁波处于谐振状态，使得波束定向控制面临极大挑战。
[0004]申请人前期利用介质层、亚波长高导电图案组成电磁共振单元，利用大功率微波辐射“电磁共振单元+被加热材料”层叠结构，实现了被加热材料的高效加热(授权号CN112455048B)。进一步，通过事前设计出不同频率响应特性的电磁共振单元，再采用多种对应频率的微波对上述层叠结构加热，也实现了区域固定的差异化加热效果，但同样无法实现动态分区的微波加热效果。在此基础上，申请人经过大量理论分析、仿真设计和实验研究后，提出通过在电磁共振单元内部或外部引入可感受外界激励的可调单元，构成可调电磁共振单元，进而实现了仅在单频微波下就对被加热材料进行微波动态分区加热的效果。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有的微波加热存在加热控制，尤其是分区加热管制不便的问题，专利技术一种微波动态分区加热方法。
[0006]本专利技术的技术方案是：
[0007]一种微波动态分区加热方法，其特征是，在被加热材料表面放置多个可调电磁共振单元，利用微波辐照上述“可调电磁共振单元+被加热材料”层叠结构，通过施加外部激励控制每个可调电磁共振单元的工作频率，实现对被加热材料的微波动态分区加热。
[0008]所述可调电磁共振单元由可调单元和电磁共振单元组成。
[0009]所述可调单元是指在外部激励下电磁性能会发生显著变化的材料或结构。
[0010]更具体地，所述可调单元是指在外部激励下电阻(R)和/或电感(L)和/或电容(C)参数会发生显著变化的材料或结构，其通过物理或化学方法安装在电磁共振单元内部或外
部。
[0011]所述可调单元和高导电几何图案接触，搭接截面上高导电图案宽度w1和截面上有源器件宽度w2满足以下关系：
[0012]0<w2≤w1≤2w2。
[0013]所述电磁共振单元由介质层与附着于介质层上的亚波长高导电图案构成。
[0014]所述介质层由介电常数小于16、介电损耗小于5的一种或多种介电材料制作；所述高导电图案是指由电导率不低于103S
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‑1的材料制造而成的图案。
[0015]所述微波的频率不低于430MHz且不高于6000MHz。
[0016]所述微波的功率密度不低于5mW/cm2。
[0017]本专利技术的有益效果：
[0018]1.本专利技术可以实现像素级别的热操控精度，单个像素点大小为可调电磁共振单元的结构尺寸。
[0019]2.本专利技术所设计的可调电磁共振单元的吸波率可以在(0％，100％)区间内连续调控。
[0020]3.本专利技术仅需要单频微波加热系统即可实现。
附图说明
[0021]图1是本专利技术所用装置示意图。
[0022]图2是本专利技术的可调电磁共振单元示意图。
[0023]图3是本专利技术所设计的可调电磁共振单元在不同电磁波入射角和方向角下的吸波性能：(a)可调电磁共振单元排布示意图；(b)极化敏感性；(c)入射角敏感性。
[0024]图4是所制造的可调电磁共振单元以及其吸波性能：(a)多个可调电磁共振单元；(b)吸波性能测试系统；(c)不同控制电压下吸波性能仿真结果；(d)不同控制电压下吸波性能测试结果。
[0025]图5是碳纤维复合材料时空维度微波动态分区加热实验结果：(a)三个区域的温度曲线；(b)不同阶段的三个区域的控制电压；(c)不同时刻材料上温度分布红外图；(d)不同时刻材料上能量损耗仿真结果。
[0026]图6是数字化显示的实验结果。
[0027]图中：1磁控管，2微波传输线，3微波谐振腔体，4载物台，5被加热材料，6介质层，7亚波长高导电图案，8可调单元，9导线，10直流电源。
具体实施方式
[0028]下面将结合本专利技术实施例的附图对本专利技术的方法方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通方法人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护范围内。
[0029]如图1所示。
[0030]一种微波动态分区加热方法，关键是在被加热材料5表面放置介质层6、附着于介质层上的亚波长高导电图案7以及可调单元8。将上述层叠结构以及用于支撑的载物台4放
置于微波加热腔体3中进行加热。同时，通过导线9将直流电源10与可调电磁共振单元连接以提供控制电压，其原理图如图1所示。
[0031]在本专利技术中，作为具体的实施例，所述的被加热材料以碳纤维复合材料进行介绍，但被加热材料绝不仅限于碳纤维复合材料。介质层由聚合物、聚合物复合材料、陶瓷、陶瓷复合材料、铁氧材料、铁电材料、铁磁材料中的一种或多种制作。优选地，选用玻纤复材，聚酰亚胺，聚四氟乙烯等介电性能良好的材料。作为具体的实施例，所述的介质层以柔性良好的聚酰亚胺薄膜进行介绍，但介质层材料绝不仅限于聚酰亚胺。亚波长高导电图案由电导率不小于103S
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‑1的材料制作，优选电导率在105S
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‑1以上的材料，如铜、铝、银、金、锌等金属。作为具体的实施例，所述的亚波长高导电图案以铜进行介绍，但绝不仅限于铜。亚波长高导电图案形式可以是椭圆形、扇形、方形以及一些组合结构，图案的形式并不是本专利技术的核心，通过对于介质层材料、厚度和亚波长高导电图案的材料、形状、尺寸、排布方式的合理设计，都可以最终获得期待中的波阻抗或者波阻抗分布。作为具体的实施例，本专利技术采用的亚波长高导电图案如图2所示。
[0032]所述可调单元可以由电阻(R)和/或电感(L)和/或电容(C)参数随控制信号可控变化的器件组成。作为具体的实施例，所述的可调控制元件以变容二极管(电容随控制电压变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微波动态分区加热方法，其特征在于：在被加热材料表面放置多个可调电磁共振单元，利用微波辐照上述“可调电磁共振单元+被加热材料”层叠结构，通过施加外部激励控制每个可调电磁共振单元的工作频率，实现对被加热材料的微波动态分区加热。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述可调电磁共振单元由可调单元和电磁共振单元组成。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述可调单元是指在外部...

【专利技术属性】
技术研发人员：李迎光，周靖，李迪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：