Universitatea POLITEHNICA din Bucureti

Facultatea Ingineria i Managementul Sistemelor

Tehnologice

Specializare Ingineria Nanostructurlor si Proceselor Neconventionale

MICRO SI NANOTEHNOLOGII

Masterant:

Grupa: INPN

Anul: I

Anul universitar

2014-2015

Regimuri si materiale prelucrabile a microundelor

1. Introducere

Primele studii n domeniul microundelor au fost determinate de necesitile militare. Eforturile impresionante care au dus la dezvoltarea radarului n timpul celui de-al doilea rzboi mondial au generat o cantitate impresionant de cunotiine despre microunde i despre tehnicile legate de acestea. Multe dintre aceste cunotiine au fost adunate ntr-o serie de volume editate de Laboratorul de Tehnologia Radiaiilor a Institutului Massachusetts n 1948. Posibilitatea utilizrii microundelor n scopul nclzirii materialelor a fost semnalat pentru prima oar n 1946. Mai trziu (n 1952) Raytheon a introdus pe pia cuptorul cu microunde, iar n ultimii treizeci de ani acesta a devenit un lucru absolut necesar pentru mai mult de 60 de milioane de locuine.

n ciuda istoriei lungi i a utilizrii microundelor pe scar larg, rmn neelucidate numeroase aspecte referitoare la acestea i la utilizarea lor. Din acest motiv, n ultimele dou decenii cercettorii i-au concentrat din ce n ce mai mult atenia asupra microundelor i posibilitilor de utilizare a acestora n aplicaii industriale, n multe medii academice acest domeniu devenind chiar o tehnologie industrial nou-nscut. n acest sens, chiar Departamentul Aprrii S.U.A. i Administraia Naional a Aeronauticii i Spaiului au cerut Comisiei Naionale de Avizare a Materialelor s efectueze un studiu amnunit asupra microundelor i utilizrii sau posibilitii utilizrii lor n aplicaii industriale, studiu ce s-a finalizat cu rezultate deosebit de interesante [1].

2. Instalatii de procesare cu microunde

Un cuptor cu microunde este compus din elemente simple. Microundele sunt generate de un magnetron, un tun electronic vid, cu un catod i un anod. Are nevoie de curent continuu de mare voltaj, deci de un transformator. Microundele sunt transferate in cavitatea de ncalzire prin diverse aparate electromagnetice, create s distribuie n mod eficient n interiorul cavitatii. Aceasta permite produselor cu diferite dimensiuni s fie nclzite ct mai uniform posibil. n cavitatea cuptorului este n general destul spaiu pentru cteva lungimi de und (care la 2450 MHz reprezinta 12 cm), producnd un model de unde staionare. Acest model tridimensional are i zone n care densitatea puterii este maxim i zone de minim. ntr-un cuptor bine construit sunt disponibile mai multe astfel de modele. Astfel, n timpul nclzirii ele se pot combina, uniformizand distribuia. n plus, cuptoarele cu microunde conin aparate care ajut direcionarea undelor spre zona central, unde sunt asezate produsele ce trebuie nclzite. Cele mai multe cuptoare folosesc o combinaie de nclzire direct i nclzire prin tipare de unde staionare.

n cuptoarele cu microunde moderne sunt incluse microprocesoare. Unele folosesc un sistem tip tambur; alimentele sunt asezate pe o suprafata ce se roteste incet, permitand acestora s treaca prin zonele de minim i prin cele de maxim ale tiparului cmpului. Sunt din ce n ce mai populare cuptoarele combinate, de exemplu cuptoare convenionale ce au integrate funcii de nclzire prin microunde sau cuptoare cu microunde ce folosesc un curent circulant de aer cald sau cu grtar.

Instalaiile cu microunde se prezint sub form de uscatoare, cuptoare sau decongelatoare, n functie de domeniul de utilizare i de capacitate. Se execut pentru uz casnic la puteri de 600800 W, ct i pentru industrii, la puteri de pn la 5000 kW.

n toate cazurile necesit o protecie deosebit pentru prevenirea de scpri de radiaii, motiv pentru care sunt relativ scumpe.

Pentru standarizarea executiei i a msurilor de protecie a muncii la deservire s-a elaborat de ctre Comisia Electrotehnic Internaional o convenie privind i lungimile de und premise a fi utilizate in scopuri industriale. Conform acesteia se permite utilizarea urmtoarelor frecvene i lungimi de und: 915 MHz; 2450; 5800 i 24125 MHz. Pentru aparatura de laborator sunt premise i alte frecvene, respectiv folosirea curenilor de frecven foarte nalt, din benzile S (26003950 MHz) i X (8200 12500 MHz). n industrie se utilizeaz de preferin frecvena de 2450 MHz.

Majoritatea instalaiilor cu microunde functioneaz pe principiul radiaiilor reflectate la o frecven de 2450 MHz. Ele se compun dintr-un magnetron emitor de radiaii (fig.16), de unde acestea ptrund prin intermediul antenei (2) n ghidul de unde (3). De aici ajung in difuzorul (4) cu reflectorul de radiaii (5). In acesta se introduce produsul (6) supus aciunii microundelor.[2]

Pentru uniformizarea mai bun a cmpului de radiaii din instalaie, se folosesc antene rotative sub form de disc sau de benzi.

Exist i agregate ce funcioneaz la frecvene mai reduse, de pn la 200 MHz, realiznd nclzirea ntre electrozii unui condensator. Ele prelucreaz cu randamente energetice mai bune, respectiv de pn la 65 %, fa de 50 % la cele cu radiaii reflectate. Puterea de ptrundere a radiaiilor este mai mare, putndu-se trata produse cu grosimi de pn la 10 cm, fa de maximum 4 cm realizai la instalaiile cu radiaii reflectate. In schimb, durata de tratare este de cca 10 ori mai lung i condiiile de securitate a muncii sunt mai proaste.

n industria alimentar utilizarea microundelor prezint urmtoarele avantaje:

generarea instantanee, cu posibilitatea transmiterii la distane mari n condiii economice. Ele se propag prin aer si vid, indiferent de presiune i temperatur, chiar i n situia ventilrii. Nu prezint fenomene de poluare;

realizarea unei nclziri rapide a produselor prin care trec, aceasta efectundu-se n mod omogen, n ntreaga mas. Posibilitatea obinerii temperaturii dorite, fr prenclzire i fr inerie termic.

construcie uoara, independent de mrime i de domeniul de utilizare.

posibilitatea tratrii produselor ca atare, fr a fi necesare procese de mrunire.

automatizarea uoar a proceselor de tratare.

eficiena din punct de vedere energetic.

Sunt desigur i cteva limitri, unele strns legate de aceast metod, altele ce pot fi evitate.

Dezavantajele nclzirii prin microunde sunt:

lipsa de control asupra distribuirii temperaturii;

produsul nu se rumenete la suprafa;

compatibil n general cu cantiti mici de alimente.

3. Aplicaii tehnologice

Este cunoscut faptul c spectrul electromagnetic 1. se ntinde de la cteva cicluri pe secund, pentru undele radio pn la sute de cicluri pe secund, pentru undele gamma. n acest spectru microundele ocup partea cuprins ntre 300 MHz i 300 GHz. Frecvenele specifice pentru prelucrare sunt de 0,915 GHz, 2,45 GHz, 5,8 GHz i 24,12 GHz. [1]

Fig. 2 Spectrul electromagnetic i domeniul microundelor

Printre materialele prelucrate cu ajutorul microundelor sunt: ceramicele, compozitele cu matrice polimeric, compozitele ceramice, superaliajele, dar i pietrele preioase i semipreioase. n tabelul 2.12. sunt prezentate unele tipuri de prelucrri aplicate diverselor materiale[1] :

Tabelul 1 Tipurile de prelucrri aplicate diverselor materiale

Prelucrri

Materiale

Gurire

Recoacere

Calcinare

Uscare

Tragere (fibre)

mbinare

Topire

Sinterizare

Sinteza pulberilor

Turnare special

Clincherizare

Ceramice

avansate

x

x

x

x

x

x

Cemeni

x

Compozite

x

x

x

Feroelectrice

x

x

x

Ferite

x

Sticle

x

x

x

x

Minerale

x

x

x

x

Refractare

x

x

x

x

x

Superconductoare

x

x

x

x

x

4. Gurirea

Gurirea este una dintre cele mai importante prelucrri din industrie, ea fiind necesar indiferent de domeniul de aplicaii. De aceea i n domeniul materialelor noi este necesar gurirea n parametrii de productivitate i eficien ct mai buni. Materialele ceramice i compozitele cu matrice ceramic necesit scule speciale pentru gurire deoarece prezint fragiliti foarte ridicate.

O alt problem la gurirea ceramicelor este degajarea de praf, care de multe ori este deosebit de toxic.Una dintre metodele noi de gurire a ceramicelor care simplific procedeul i nltur noxele rezultate este gurirea cu microunde. Schema de principiu a acestei prelucrri este prezentat n fig. 3. La nceputul procesului se nregistreaz o nclzire general a materialului n dreptul antenei. Datorit rcirii controlate, la suprafaa materialului, cldura tinde s se acumuleze n imediata zon de sub suprafa, determinnd astfel o zon sferic fierbinte.[1]

(Pies)

Fig. 3. Schema de principiu a unei instalaii de gurit cu microunde

Datorit faptului c microundele se propag mai rapid prin materialele fierbini, aceast zon devine incandescent i n curnd poate fi strpuns cu uurin de electrod, care are o micare simpl de avans. Astfel, materialul este gurit fr a se utiliza scule cu construcii foarte speciale, fr a fi eliminat praf i fr zgomot.

Schema prezentat descrie o instalaie ce const dintr-un generator de microunde de tip magnetron cu frecvena de 2,45 GHz i cu o putere de 1kW, dou tuburi de ghidare a microundelor (unul rectangular, altul cilindric), o oglind reglabil i un electrod de gurire din tungsten.

Acest electrod poate rezista la gurirea unor materiale cu temperatur de topire pn la 15000C. Pentru a putea face fa i la temperaturi mai ridicate tija este acoperit cu un strat de alumin.

n fig. 4 i 5 sunt prezentate dou cazuri de prelucrare prin gurire cu microunde. n aceste cazuri abaterile de la cilindricitate ale gurilor rezultate sunt apropiate de cele obinute la prelucrarea convenional.[1]

Fig. 4 Punctul incandescent la prelucrarea sticlei prin gurire cu microunde

Fig. 5 Gurirea n alumin de puritate joas: bavurile nu sunt ndeprtate pentru a se observa efectul topirii materialului

5. Sinterizarea

Microundele pot fi utilizate ca surs energetic la sinterizarea mai multor oxizi sau nanoxizi ceramici ca Al2O3, SiC, TiB2 sau B4C. Avantajele rezultate din folosirea microundelor n locul tehnologiilor clasice sunt: nclzire mult mai uniform, proprieti mult mai mbuntite ale produsului, eficien mai ridicat din punct de vedere energetic. Datorit timpului redus de sinterizare se nregistreaz o micorare a dimensiunilor gruntelui la o densitate dat, lucru care duce la mbuntirea caracteristicilor mecanice. La sinterizarea aluminei s-a reuit scderea temperaturii de proces cu aproximativ 4000C odat cu scderea semnificativ a energiei de activare.Acest procedeu a fost testat i n cazul sinterizrii nanoxizilor ca B4C sau TiB2.[1]

6. Sinterizarea hibrid n cmp de microunde

nclzirea cu microunde este un proces prin care materialele se cupleaz cu microundele, absorb volumetric energia electromagnetic i o transform n cldur. Acest aspect este diferit fa de procesul clasic de sinterizare, unde cldura este transferat ntre obiecte prin mecanismele conduciei, radiaiei i conveciei (figura 6) [3]

Figura 6. Modelul de nclzire: (a) convenional i (b) cuptorul cu microunde

Sinterizarea cu microunde prezint numeroase avantaje n comparaie cu cea

convenional precum:

- Procese de difuzie mbuntite;

- Consum redus de energie;

- Rate de nclzire foarte mari;

- Timp de procesare redus;

- Temperaturi de sinterizare mai mici;

- Proprieti fizice i mecanice mbuntite;

- Impact redus asupra mediului.

Transferul energiei direct n interiorul probei i nclzirea volumetric a acesteia, elimin risipa de energie pentru nclzirea simultan a cuptorului, a pereilor acestuia sau a altor componente masive. Astfel se realizeaz o economie important de energie i timp, iar produsele obinute prezint proprieti mecanice mbuntite n comparaie cu cele sinterizate convenional, deoarece nclzirea este mai uniform.

n procesul de sinterizare convenional, pentru a preveni apariia gradientului termic n interiorul compactului la temperaturi mari, este necesar utilizarea unor rate mari mici denclzire, care determin creterea duratei procesului, contribuind astfel la creterea grunilor. Aplicarea unor rate mari de nclzire n sinterizarea convenional ar determina apariia unui gradient de temperatur care ar genera dezordini n interiorul compactului i o microstructur neomogen.

Prin tehnica sinterizrii cu microunde se reduc att timpul ct i energia necesare procesului, deoarece efectele acestui tip de sinterizare i au originile n capacitatea natural a anumitor substane de a absorbi i de a transforma eficient energia electromagnetic (radiaia) n cldur. Dac se genereaz suficient cldur la nivel local, reaciile chimice se iniiaz i se amplific foarte repede, scurtnd astfel timpul de maninere izoterm.

Rata de densificare este puternic influenat de difuzia ionilor ntre particulele pulberii iar rata de cretere a grunilor este determinat de difuzia la limita dintre gruni. Intensitatea cmpului generat de microunde ntre particulele pulberii este de 30 de ori mai mare dect cea a cmpului din exteriorul probei, favoriznd astfel ionizarea la suprafaa particulelor. Energia cinetic a ionilor crete rezultnd o descretere a energiei de activare pentru un salt nainte i o cretere a nlimii barierei de energie pentru un salt napoi. n cele mai multe cazuri, s-a constat o distribuie mai uniform a dimensiunii grunilor i o densitate mai mare a probelor sinterizate n cmp de microunde.

Chandrakanth R.a elaborat compozite hibride de forma Cu-TiC-Gr, prin aliere mecanic urmat de sinterizarea n cmp de microunde. Acesta a urmrit efectul elementelor de ranforsare asupra proprietilor compozitelor i posibilitatea aplicrii tehnologiei de sinterizare hibrid cu microunde asupra acestui sistem de materiale datorit dificultilor ntmpinate la sinterizarea particulelor de TiC cu matricea metalic. Instalaia utilizat n experimentele de sinterizare este prezentat n figura 7 [3]

.

Figura 7. Instalaia de sinterizare cu microunde

7. Prelucrarea pulberilor

Aplicaiile microundelor la sinteza pulberilor ceramice (oxizi i naoxizi) sunt realizri recente i ofer beneficii deosebite, mai ales n ceea ce privete producerea particulelor submicronice cu compoziie controlat. Acest procedeu ofer o deosebit flexibilitate prin faptul c se obin condiii de nclzire volumetric, rapid i selectiv, lucru imposibil de realizat n tehnologiile convenionale.

Una dintre aplicaiile legate de prelucrarea pulberilor este Descompunerea Solgel-ului. n acest sens o soluie de acetat de titan i bariu a fost descompus pentru a se obine un gel uscat, care apoi a fost supus procesului de piroliz pentru ca n final s fie obinut o prob de BaTiO3 incolor. Au fost sintetizate prin acest procedeu i pulberi de SiC prin reducerea carbotermal a siliciului.

De asemenea, au fost obinute carburi ca NbC, TaC sau SiC n timpi foarte scuri (aprox. 20 minute), dup ce nclzirea pulberilor a fost realizat pn la 14000C ntr-un interval de 13 minute.[1]

8. Prelucrarea polimerilor

Polimerii conin grupri care formeaz dipoli foarte puternici (hidroxil, amino, cianai etc.). Principiul de baz n absorbia microundelor de ctre polimeri este reorientarea dipolilor n cmpul electric impus. Astfel, materialele cu cea mai mare mobilitate a dipolilor n cmpul electric vor prezenta cel mai mare potenial de prelucrare cu microunde.

Microundele pot fi utilizate att pentru prelucrarea termoplasticelor ct i pentru prelucrarea polimerilor termorigizi. Iniial polimerii termorigizi sunt lichide cu vscozitate sczut ce sunt injectai n matrie printre fibre de ranforsare. Procesul de baz const din trei etape:

1. prenclzirea componentelor;

2. reacia exoterm;

3. rcirea materialelor.

Aceti polimeri prezint o bun absorbie a microundelor, care crete odat cu nclzirea rinilor.

La aplicarea microundelor se nregistreaz o cretere substanial a cinematicii reaciilor exoterme.

La polimerii termorigizi temperatura trebuie s fie deosebit de bine controlat, deoarece, dac valorile critice sunt depite apar fenomene nedorite de fracturare i oxidare.

La aplicarea microundelor se nregistreaz un timp de prelucrare mai scurt, dar trebuie s se realizeze un control ct mai precis al temperaturii, n vederea meninerii ct mai uniforme a acesteia.[1]

9. Alte prelucrri

Microundele pot fi utilizate i la alte tipuri de prelucrri ale materialelor avansate, principalul fenomen implicat fiind nclzirea deosebit de rapid. Printre aceste procedee trebuie menionate [1]

10. Tratarea n autoclav

La acest tip de prelucrare se apeleaz pentru tratarea compozitelor polimerice cu seciune mare precum i pentru aplicarea compozitelor polimerice pe alte materiale. nclzirea este posibil datorit interaciunii materialului cu cmpul de microunde, rezultnd o nclzire foarte rapid n toat masa materialului.

Datorit acestui aspect, se nregistreaz o uniformizare a tratamentului n paralel cu obinerea unor proprieti fizice i mecanice mai bune dect n cazul tratamentelor clasice.

11. Tragerea

n industria materialelor noi (polimeri, compozite) un procedeu foarte des utilizat este tragerea.

Acest procedeu este folosit pentru obinerea fibrelor polimerice i const n tragerea materialului printr-o matri aflat la temperaturi nalte, realizndu-se astfel i tratarea materialului. Dac aceast matri este nczit cu ajutorul microundelor se nregistreaz o cretere a raportului de tragere de la 20:1 la 35:1 i o cretere corespunztoare a modulului de elasticitate de la 35 40 Gpa la 55 60 Gpa, n cazul polyoximethilen-ei.

Aceast mbuntire a proprietilor se datoreaz orientrii mai apropiate a lanului polimeric de direcia fibrelor.[1]

12. Concluzii

Din studiile efectuate se poate trage concluzia c prelucrarea cu microunde prezint att aspecte avantajoase, care o recomand ca pe o tehnologie de viitor, dar i aspecte negative, care fac ca marea majoritate a productorilor din diversele ramuri ale industriei s fie reticeni nc la implementarea acestor tehnologii.

Viitorul prelucrrilor cu microunde este unul favorabil datorit avantajelor deosebite pe care le prezint, mai ales n cazul aplicaiilor speciale ca cele din industria ceramicelor sau compozitelor. Cele mai multe rezultate pn n acest moment se datoreaz studiilor de laborator i experimentelor. Pentru a putea cuantifica ct mai precis avantajele i dezavantajele utilizrii acestor tehnologii este nevoie nc de timp i investiii.

Unul dintre punctele cele mai puternice ale prelucrrilor cu microunde este acela c permite o foarte uoar modelare a proceselor i, de asemenea, se pot realiza foarte simplu simulri ale acestora, datorit modelului electromagnetic foarte bine pus la punct i deja foarte accesibil pentru aceste practici.Faptul c multe dintre ncercrile de a pune la punct o tehnologie a prelucrrilor cu microunde nu au dat rezultatele scontate este rezultatul interaciunii nc inadecvate dintre cercettori, proiectani, ingineri i specialiti n microunde. Pentru ca ncercrile viitoare s cunoasc succesul trebuie s se constituie echipe multidisciplinare, care s fie instruite ct mai bine n ceea ce nseamn microundele i s se depun eforturi mai susinute n ceea ce privete sistemele de control ale proceselor.

13. Bibliografie

1. Mnanagementul in micro si nanotehnologii

2. http://biblioteca.regielive.ro/download-228699.html

3. http://www.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri%20de%20doctorat/Rezumate/Moraru%28Esanu%29Corina.pdf