Aplicatiile cu microunde

Aplicatiile cu microunde

1. Introducere

In mare parte datorita succesului uimitor al cuptorului cu microunde in domeniul casnic, procesarea cu microunde este considerata de catre cei neavizati un panaceu pentru toate aplicatiile practice de incalzire. Energia microundelor este presupusa sa ofere o modalitate de a imbunatatii eficienta procesarii, de a incalzi rapid si omogen si chiar realizarea unor proprietati a materialelor care nu pot fi obtinute prin metodele clasice. Totusi, asa cum s-a demonstrat in sectiunile anterioare ale acestei lucrari nu toate materialele si procesele pot beneficia de procesarea cu microunde. Chiar si la materialele si procesele la care incalzirea cu microunde este o optiune din punct de vedere tehnic, trebuie evaluate considerentele tehnice si economice suplimentare, pentru a afla daca aceasta alternativa este cea mai buna. Acest capitol ofera exemple de studii realizate in aplicarea microundelor la procesarea materialelor. Prin exemplele date se vor intari observatiile facute in capitolele anterioare privitoare la alegerea echipamentului, la proiectarea si evaluarea procesului si la criteriile de aplicare.

S-au gasit putine domenii in care energia cu microunde sa aiba o aplicatie generala, comerciala. Includem aici procesarea produselor alimentare, chimia analitica si incalzirea si vulcanizarea cauciucului. Procesarea mancarii si fabricarea cauciucului implica o procesare continua si un volum relativ mare de lucru. Aplicatiile chimiei analitice este un domeniu mai extins si implica o procesare in grup, repetitiva si un volum mare; adesea procesare cuprinde etape intermediare lungi de uscare si reactii care pot fi reduse utilizand incalzirea cu microunde.

S-a depus mai mult efort pentru a cerceta posibilitatea utilizarii microundelor in procesarea ceramicelor, polimerilor, compusilor (matricea de ceramice si polimeri), pudrelor si mineralelor. S-au facut cercetari si pentru procesele cu plasma (modificarea suprafetei, infiltrarea vaporilor chimic, procesarea pudrei), pentru procesarea si sinteza chimica si remedierea pierderilor. In ciuda efortului considerabil care s-a depus pentru dezvoltarea procesului cu microunde, se poate vorbi de o slaba aplicatie industriala, lucrurile aflandu-se inca in faza de laborator. Cateva dintre problemele principale care au ingreunat aplicatia industriala a procesarii cu microunde sunt:

costul echipamentului

aplicabilitatea limitata

variatia proprietatilor dielectrice in functie de temperatura

ineficienta inerenta a puterii electrice

O mare marte din acest studiu a fost intreprins fara abordarea proiectului sistemului interdisciplinar initial de procesarea si evaluarea economica pe care s-a pus accentul in aceasta teza. Discutarea acestor rezultate in lumina acestei abordari multidisciplinare va servi la scoaterea in evidenta a limitelor in ceea ce priveste aptitudinile si aducerea la scara si va duce la identificarea proceselor promitatoare si a cercetarilor necesare.

Se va discuta o gama larga de aplicatii. Se insista mult pe procesarea ceramicilor, a polimerilor si procesarii cu plasma, iar aceasta lucrare va contribui la identificarea aplicatiilor promitatoare pentru dezvoltarea viitoare si va ajuta procesatorilor sa evite posibilele greseli. Vor fi reanalizate si aplicatiile inovatoare si importante in industria chimica, in procesarea mineralelor si in tratarea deseurilor.

2. Ceramicele si materialele compozite matriciale ceramice

Utilizarea energiei cu microunde in procesarea ceramicilor si a materialelor compozite matriciale ceramice a constituit tema pentru numeroase cercetari. Materialele si procesele care au fost investigate sunt prezentate in tabelul 5.1.

Tabelul 5.1. Exemple de cercetari si dezvoltari in procesarea cu microunde a ceramicilor

Potentialele avantaje ale proceselor cu microunde in comparatie cu cele traditionale in cazul tratarii ceramicii includ durata de procesare redusa, produse si uniformitatea produselor imbunatatite si capacitatea de a sintetiza materiale noi (Sutton, 1989). S-au publicat numeroase articole despre aplicarea microundelor la tratarea ceramicelor (Sutton, 1989, 1993). In acest capitol se vor analiza doua domenii importante ale procesarii - sinterizarea si procesarea pulberii - cu ajutorul avantajelor descrise mai sus; se vor face comentarii despre lectiile ce trebuie invatate din munca desfasurata pana acum in aceste domenii si vor sugera aplicatii promitatoare pentru viitor. Sinterizarea cu microunde starneste interes datorita lucrarilor extinse de cercetare efectuate si datorita numeroaselor materiale ceramice care au fost analizate. Procesarea cu microunde a pulberilor de ceramica este un domeniu relativ nou care promite aplicatii largi in procesarea si sinteza cu microunde.

3. Sinterizarea

Incalzirea cu microunde a fost cunoscuta ca mijloc de a sinteriza ceramicile inca din 1970. Au fost gasite numeroase procedee de tratare cu microunde a unor ceramici oxidice si neoxidice, de la materiale cu pierderi mici cum ar fi Al₂O₃ la materiale cu pierderi relativ mari ca si SiC, TiB₂ si B₄C. Avantajele observate la sinterizarea cu microunde in detrimentul sinterizarii traditionale includ incalzirea mult mai uniforma, proprietati mai bune ale produsului, procesarea unei cantitati mai mari de material ce are ca rezultat o instalatie de marime mai mica si o mai mare eficienta energetica. Se presupune in general ca odata ce a fost propagata energia microundelor in solid, este nevoie de mult mai putin timp pentru a incalzi zona la temperatura de sinterizare necesara pentru a difuza caldura dinspre exterior, mai ales pentru portiuni mari sau pentru portiunile mari formate din parti mici. Sinterizarea rapida obtinuta poate duce la o granulatie mai mica la o anumita densitate, si in consecinta si proprietatile mecanice se imbunatatesc. Chiar daca s-au demonstrat si alte aplicatii avantajoase ale procesarii cu microunde obtinerea potentialului observat al acestei tehnologii nu atinge un nivel prea mare la scara de productie.

4. Oxizii

Berteaud si Badot (1976) au cercetat sintetizarea aluminei si a zirconiului si amestecarea siliciului la 2.45 GHz intr-o cavitate monomod dreptunghiulara. Ei au observat numeroase posibile avantaje ale sinterizarii cu microunde, inclusiv eficienta termica inalta, procesarea rapida; au descoperit numeroase probleme care au afectat procesul, incluzand aici dificultatea masurarii temperaturii datorate gradientilor temperatura si predilectiei spre o instabilitate termica. Colomban si Badot (1978, 1979) au investigat sinterizarea β-aluminei intr-o cavitate monomod; au observat rapiditatea procesului de sinterizare dar nu si marimea mica a granulatiei la care se asteptau.

Sinterizarea cu microunde a izolatori de bujii din alumina a fost investigata in scopul inlocuirii cuptoarelor de uscare (ardere) cu gaz de dimensiuni mari (de 50 m lungime) cu un echipament mai mic si in scopul reducerii duratei ciclului (Schubring, 1973). Sinterizarea cu microunde s-a dovedit a fi realizabila si reducerea duratei ciclului de la 24 de ore la 3-6 ore. Consumul de energie este la jumatate din cel necesar incalzirii cu gaze, dar costurile energiei sunt mai mari la incalzirea cu microunde datorita costurilor relativ scazute ale gazului fata de cele ale energiei electrice. Desi s-au observat variatii ale densitatii in cele cateva sute de capsule de portelan s-au obtinut proprietati acceptabile. Intr-un studiu similar al sinterizarii feritelor s-au obtinut aceleasi concluzii in ceea ce priveste posibilitatea de realizare a procesului (Krage, 1981). Cu toate acestea nici unul dintre procese nu a fost pus in practica.

Creuzetele mari refractare apte pentru turnare au fost sinterizate cu succes in cavitatea cu microunde (Sutton, 1988). Duratele incalzirii s-au redus semnificativ in comparatie cu cele ale incalzirii traditionale, deoarece adancimea de patrundere mare a microundelor a permis incalzirea chiar si a partilor de grosime mare ale sectiunilor mai mari implicate in proces.

S-a investigat sinterizarea ultra-rapida a tijelor din β-alumina, Al₂O₃ si Al₂O₃/TiC si a tuburilor cu pereti subtiri utilizand un proces de sinterizare rapida a zonei in aplicatoarele monomod (Johnson, 1991). Tijele presate izostatic cu diametrul de 4 mm, alcatuite din pulbere de β-alumina au fost sinterizate la o rata a tranzitiei specimenului de pana la 40mm/min, avand o densitate finala independenta de gradul de tranzitie. Din momentul patrunderii caldurii pana in momentul densitatii finale s-au scurs cam 30s la cea mai inalta rata a tranzitiei. Incercarile de sinterizare a tuburilor din β-alumina cu pereti subtiri, cu diametrul de 15 mm au esuat, deoarece o mica parte a tubului s-ar fi incalzit si ar fi ramas fierbinte cu exceptia restului specimenului, chiar daca tubul se roteste in cavitate. Marimea spotului, cu un diametru de cativa milimetri, este sensibila la puterea aplicata, este stabila in timp si nu se propaga in jurul circumferintei tubului.

S-a folosit o cavitate monomod pentru a sinteriza tijele de α-alumina cu diametrul de 4 mm pana la atingerea unei densitati mari si o granulatie fina (99,8% si, respectiv 2μm; Tian, 1988a). Pentru a evita instabilitatea termica trebuie ca puterea aplicata sa fie controlata cu grija cand ne apropiem de temperatura de sinterizare. S-a observat o incalzire stabila cu densitate mare si granulatie mica, in sinterizarea tijelor din Al₂O₃/TiC cu diametrul de 4 mm (Tian, 1988b). S-a putut evita instabilitatea termica in cazul in care concentratia TiC a fost mai mare de 20% in functie de greutate.

Din mai multe incercari de sinterizare a Al₂O₃ in cavitatile multimod, cele mai reusite sunt experimentele lui Patterson (1991). Specimenele monomod si multimod (cu diametrul de 19 mm si lungimea de 16 mm) au fost sinterizate la o densitate mai mare de 98% cu trei pulberi de alumina diferite. Daca gradul incalzirii e prea mare rezulta o granulatie neuniforma, granulele mai mari fiind in mijlocul specimenului. S-a intreprins un ciclu de incalzire de 60 de minute care are ca rezultat o granulatie uniforma. Se dau putine detalii despre proceduri, despre izolarea termica si despre configuratia cuptorului.

De asemenea, exista rapoarte despre sinterizarea cu mai mult sau mai putin succes a altor cateva materiale oxidice. Cateva dintre aceste rapoarte sunt prezentate in tabelul 5.2. In cele mai multe cazuri, procedeele nu au fost atat de bine descrise incat sa se poata afla daca accelerarea sinterizarii a fost observat.

5. Neoxizii

B₄C si TiB₂ au fost incalziti au succes la temperaturi foarte inalte, folosind Y₂O₃ granulat ca aditiv izolant la tratarea primara a materialelor transparent la microunde (Holcombe si Dykes, 1991 a, b). S-au raportat densitatea marita si proprietatile mecanice imbunatatite ale B₄C sinterizat cu microunde fata de materialul sinterizat in mod traditional. A fost necesara un strat semiconductor pentru a nu permite contaminarea lui TiB₂ cu Y₂O₃.

Tabel 5.2 Rapoartele anumitor sintetizari cu microunde

Tijele de Si₃N₄, cu 90 de piese pentru fiecare tija, sunt sinterizate cu ajutorul unei cavitati cilindrice multimod [Patterson, 1992a]. Piesele sunt aranjate in straturi fixate si izolate unele de celelalte intr-o pulbere de etansare si sunt inchise intr-un cazan cilindric de alumina. Pulberea de etansare, care este formata din 40% SiC, 30% BN si 30% Si₃N₄, este utila in mai multe aplicatii-ofera o sursa de N₂, conductibilitate tehnica buna, si actioneaza ca un absorbitor de O₂ si ca absorbant de microundelor. In jurul cazanului de alumina au fost puse 3 inele conductoare pentru a forma campul de microunde. Temperatura a crescut cu cateva grade in neuniformitate odata cu cresterea lenta a puterii microundelor. La unul din capetele sarcinii incepe o zona cu o temperatura ridicata iar aceasta se raspandeste apoi in toata sarcina. Astfel, dupa 50 de minute temperatura suprafetei este intre 536 - 1190 C iar dupa 140 minute intre 1540 - 1610 C. Dupa optimizarea procesului se obtine o densitate uniforma a partilor. Consumul de energie s-a estimat a fi cu 80% mai redus decat in cazul incalzirii traditionale. In acest caz, caldura electrica este recomandata pentru procesarea traditionala datorita tendintei materialului de a se oxida in gazele de combustibil.