І. Ш. Невлюдов, В. Є. Овчаренко, О. В. Токарєва, І. В. Гурін

АВТОМАТИЗАЦІЯ РЕГУЛЮВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ВИГОТОВЛЕННЯ ВВКМ НА ОСНОВІ КОНТРОЛЯ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Introduction

АВТОМАТИЗАЦІЯ РЕГУЛЮВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ВИГОТОВЛЕННЯ ВВКМ НА ОСНОВІ КОНТРОЛЯ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК. Автоматизація контролю виготовлення ВВКМ через вимірювання діелектричних характеристик у реальному часі. Оптимізація технологічних параметрів для покращення якості та стабільності матеріалів.

Abstract

У роботі розглянуто підходи до автоматизованого контролю технологічних параметрів під час виготовлення вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів (ВВКМ) з використанням вимірювання діелектричних характеристик у режимі реального часу. Досліджено вплив температури, частоти електромагнітного поля, пористості, швидкості термообробки на зміну комплексної діелектричної проникності композиту. Проаналізовано переваги та обмеження використання методу плоского конденсатора, що базується на вимірюванні ємності зразка, поміщеного між плоскими електродами. Зазначено, що для складних гетерогенних матеріалів, таких як ВВКМ, доцільним є застосування моделей ефективного середовища. Використано аналітичні підходи, основані на моделях Максвелла-Вагнера та Максвелла-Гарнета, що дозволяють враховувати мультифазну структуру, неоднорідності, наявність дефектів і міжфазну поляризацію. Показано, що дійсна та уявна складові комплексної діелектричної проникності є чутливими до мікроструктурних змін, і можуть бути застосовані як інформативні параметри для оцінки ступеня графітизації, рівномірності просочення, фазових переходів та вмісту залишкових летких компонентів. Наведено характерні частотні та температурні залежності дійсної та уявної частин комплексної діелектричної проникності для ВВКМ, змодельовані на основі моделі Максвелла-Вагнера. Представлено результати чисельного моделювання ефективної діелектричної проникності з урахуванням пористості згідно з моделлю Максвелла-Гарнета. Показано, що збільшення пористості від 0 до 2 % викликає майже лінійне зниження ефективної діелектричної проникності, що пов’язано зі зменшенням здатності матеріалу до поляризації внаслідок заміщення вуглецевої матриці повітряними включеннями.Обґрунтовано доцільність використання індукційного нагріву для реалізації стабільного температурного градієнта в процесі термообробки, а також застосування СВЧ- зондів для безконтактного локального контролю діелектричних параметрів. Показано, що інтеграція результатів діелектричної діагностики в цифрові системи керування дозволить в реальному часі адаптувати технологічні режими, забезпечуючи точність, стабільність та повторюваність характеристик кінцевого матеріалу. Отриманні результати можуть бути використані як в рамках контролю в реальному часі, так і для верифікації чисельних моделей, застосовуваних при проєктуванні технологічних режимів виготовлення ВВКМ та можуть бути корисними для застосувань у різних галузях промисловості.

Review

This paper addresses a critical aspect of advanced materials manufacturing: the real-time automated control of technological parameters during the production of Carbon-Carbon (C/C) composite materials. The authors propose an innovative approach centered on monitoring dielectric characteristics, a technique offering significant potential for non-invasive, in-situ quality assessment. Given the complex processing and stringent performance requirements of C/C composites, the development of robust and accurate real-time control mechanisms is highly valuable, promising improvements in material consistency, efficiency, and overall quality. The work thoroughly investigates the influence of various processing parameters, including temperature, electromagnetic field frequency, porosity, and heat treatment rate, on the complex dielectric permittivity of C/C composites. A key strength of the study lies in its analytical foundation, which employs effective medium models such as Maxwell-Wagner and Maxwell-Garnett. These models are crucial for accurately representing the multiphase, heterogeneous nature of C/C composites, accounting for non-uniformities, defects, and interfacial polarization effects. The authors demonstrate that both the real and imaginary components of complex permittivity are highly sensitive to microstructural changes, serving as informative indicators for critical parameters like the degree of graphitization, impregnation uniformity, phase transitions, and residual volatile content. Furthermore, numerical simulations based on the Maxwell-Garnett model reveal a near-linear decrease in effective dielectric permittivity with increasing porosity, which the authors attribute to the displacement of the carbon matrix by air inclusions. Practical implementation considerations are also discussed, advocating for induction heating to maintain stable temperature gradients and the use of microwave probes for non-contact local dielectric measurements. The presented research offers a compelling pathway towards integrating advanced diagnostic capabilities into digital control systems for C/C composite manufacturing. By enabling real-time adaptation of technological regimes, this methodology promises to enhance the precision, stability, and repeatability of the final material's characteristics. The findings are not only applicable to immediate process control but also provide valuable data for the verification and refinement of numerical models used in the design of C/C composite manufacturing processes. Consequently, this work holds significant promise for industrial applications across various sectors, contributing to more reliable and efficient production of high-performance C/C materials.

Full Text

Comments

You need to be logged in to post a comment.