專利名稱：被添加物料的感應加熱的制作方法
技術領域：
本發明涉及物料的高頻磁場感應加熱。
背景技術：
各種技術領域需要對物料進行加熱，以便實現物料從初始狀態向顯現具有預期特性的最終狀態的轉變。例如，利用熱量來復原可熱復原的聚合物制品(例如熱裝式管道和模壓零件、熟化膠、熔料或熟化粘接劑)，活化起泡劑，干燥墨水，加工陶瓷，促使聚合，促使或加速催化反應或者對在其它應用領域中的零件進行熱處理。
在整個加熱過程中的效率和效果方面考慮的一個非常重要的因素是物料的加熱速度。在采用紫外線、紅外線、熱空氣、熱液體和火焰加熱的方法中，以及在使用外部熱源的其它實例情況下，要穿過物料中心在物料中形成均勻的熱分布通常是很困難的。在物料的中心沒有充分加熱的情況下，由起始狀態的物料轉變可能會不充分或不均勻。此外，為了在物品的中心達到預期的溫度，可能在表面需要施加過多的熱量，因而這種過高的溫度狀態可能導致物料表面的惡化。此外，加熱以實現到預期狀態的轉變所需延長的時間會降低系統的成本的有效性。在為了改進由物料的表面和其中心的熱傳導而采用導熱填料的情況下，為了形成平滑的溫度梯度，需要大量的可能有害影向主體材料性能的填料。
由于外部加熱存在的這些缺點，體內的或內部的加熱方法是優選的，以便實現快速、均勻和有效的加熱。
與上面討論的外部加熱的方法相對比，各種電磁加熱技術，例如微波、電介質和磁感應方式都能對例如可熱復原的聚合物制品、膠、粘接劑、泡沫劑、墨水和陶瓷等各種非導電物品實現內部加熱。把電磁能間接耦合到物料上并在物料體內部均勻產生熱量。
微波和電介質加熱技術兩者都主要根據在絕緣材料中通過當電偶極子力圖與施加的快速交變電場排列一致所產生的“振動(rattling)”而產生熱量。微波加熱需要將物品顯露于按照高達兆赫或千兆赫頻率變化的電磁場中，在該頻率范圍水的偶極子產生諧振。利用微波加熱的絕緣材料的表面上的水的存在可能導致物料加熱不均勻。電介質加熱采用的頻率為從約27兆赫到很高兆赫的頻率，在該頻率范圍內，大多數介質的電偶極子產生諧振。按這種方式加熱的絕緣材料并不具有本征的溫度控制作用；電偶極子的振蕩持續產生熱量，因此當熱量過多時使物料性能惡化。
磁感應加熱方法采用交變磁場(例如象在感應線圈中產生的那些磁場)以便和置于線圈內部的工件相耦合。導磁或導電物料可以與施加的磁場相耦合，并借此將耦合的電磁能量轉變為熱能。非磁性和非導電的物料對于磁場是可穿透的。因而不能和該磁場相耦合產生熱量。然而，這樣一種材料可以通過在該物料內部均勻散布鐵磁微粒和使該物料顯露于交變的高頻電磁場中，利用磁感應加熱方式對其進行加熱。當置于大約100千赫到大約50兆赫頻率的交變電磁場中時，細小的鐵磁微粒是有效的發熱體。
適于采用感應加熱的物料包括鐵磁和亞鐵磁物料。在本申請中，我們采用如在1951年由R.H.Bozorth的題為“鐵磁學”(BellTelephone Laboratories，Inc及D.Van Nostrand Company.Inc)的出版物中所陳述的關于鐵磁和亞鐵磁材料的定義，該出版物在所有方面皆可結合做為參考。亞鐵磁材料或鐵氧體是鐵磁材料中的一族。對于鐵磁性的詳細分析是在1959年由Smit和Wijn在“鐵氧體”(John Wiley&Son)一文中陳述的，其在所有方面皆可結合作為參考。與鐵磁金屬和金屬合金相比，亞鐵磁性材料通常具有很低的導電性。
鐵磁材料例如鐵、鎳、鈷、鐵合金、鎳合金、鈷合金、坡莫合金以及幾種鋼、以及亞鐵磁性材料例如磁鐵礦、鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體、銅鋅鐵氧體都適合于用作散布在非磁性和非導電的并置于高頻交變磁場中的主體物料中的發熱微粒。盡管導電的非磁性金屬例如銅、鋁和黃銅可以以微粒的形狀用于產生熱量，但它們比磁性材料效率較低，因而不是優選的。
鐵磁材料主要由于感應的渦流和磁滯損耗兩者的綜合而產生熱量。
交變的磁場在由導電材料組成的微粒中感生渦流電流。這些內部循環的電流可以在微粒內部產生熱量。大部分感應的渦流電流限制在由如下公式限定的距微粒表面距離δ的范圍內δ＝(2/ωσμr)1/2其中σ是以1/歐·米為單位的微粒的電導率，ω是以1/秒為單位的施加磁場的角頻率，以及μr是微粒相對空氣的導磁率。當微粒置于交變磁場中時，確定這一距離δ作為微粒的穿透深度。在距離δ處，該電流密度下降到表面電流密度值的1/e，或者約37％。因此，置于頻率為ω的交變電磁場中的、電導率為σ和相對導磁率為μr的鐵磁材料構成的微粒具有的穿透深度由以上公式確定。
尺寸幾倍于微粒穿透深度的導電鐵磁微粒可以是有效的渦流電流發熱體。通過將具有高導磁率和高電導率的微粒置于高頻磁場中可以形成小的穿透深度。例如，把電導率為1.3×107/歐·米，相對導磁率為100(μr＝100×4π×10-7韋伯/安-米)的鎳置于頻率為5兆赫(ω＝2πf＝2π×5×106/秒)的磁場中，穿透深度則為6.2微米。因此，在距微粒表面為6.2微米的微粒的范圍內，感應電流密度限定為大約37％。感應的電流密度的幅值隨渦流電流回路的尺寸因而亦即隨微粒的尺寸的增加而增加。
由于這種微粒的穿透深度大，在較少導電的微粒中的渦流電流損耗是可忽略的。例如，將一種例如具有電導率為0.67/歐·米和相對導磁率為4000的由Ceramic Magnetics(陶質磁體)構成的鐵氧體Mn-67這樣的錳鋅鐵氧體置于5兆赫頻率的磁場中，穿透深度為435微米，為了產生渦流電流損耗，需要大于約1毫米的微粒。這種大的微粒將會有害地改變主體物料的特性，因而不是所希望的。與之相似，將例如具有電導率為1.0×10-7/歐·米和相對磁導率為3000的由Ceramic Magnetics構成的CMD 5005這樣的非導電的鎳鋅鐵氧體置于5兆赫頻率的磁場中，穿透深度為1.3×107微米或13米。
非導電的亞鐵磁體微粒例如鐵氧體微粒或者全部三維尺寸小于穿透深度的導電的鐵磁體微粒其發熱則主要由于磁滯損耗。在微粒的每個磁疇內部的磁偶極子力圖與快速交變的磁場排列一致，從而導致磁疇壁運動。假如偶極子沒有與該磁場同步排列一致，該排列滯后于磁場并遵循一磁滯回線。該磁滯回線代表鐵磁材料對于施加的磁場的響應特性，它的尺寸和形狀取決于鐵磁材料的性質和施加磁場的強度。由磁滯回線環繞的面積代表使該材料經過磁滯循環所需的力。當重復這一循環時，由于磁疇不斷排列使在材料內部產生的耗能過程導致磁能變換為內部熱能，使材料的溫度升高。只要微粒尺寸至少等于一個磁疇，磁滯損耗就并不取決于微粒尺寸。
由分散在非導電的非磁性的主體物料之中的微粒產生的熱量決定于包括如下的設備和顆粒參數的幾個參數設備參數線圈尺寸和幾何形狀線圈電流頻率線圈電流大小(功率)線圈效率微粒參數導磁率電導率磁滯回線的大小和形狀在主體物料中的微粒體積比幾何形狀尺寸與磁場的以及彼此之間的排齊對線圈的接近程度對于給定的頻率、功率、線圈尺寸和幾何形狀，通過認真地選擇微粒特性，可以使包含鐵磁微粒的主體物料的加熱更快。本發明的微粒的高效能在于它能在主體物料中微粒體積百分比低的情況下實現快速加熱，從而不會對主體物料的性能產生有害影響。
當磁性微粒達到或超過稱為居里溫度或居里點的臨界溫度時，它的導磁率急劇下降到接近于1的數值。然后，微粒很大程度上失去對于磁場的響應能力，發熱明顯下降。當微粒的溫度下降低于居里點時，微粒恢復其磁特性并重新發熱。因此，當微粒的溫度低于居里點時，微粒發熱。當微粒的溫度高于居里點時，微粒實質上停止了溫度的上升。因此，微粒能自動調整。這樣，居里點實際上是用于防止主體物料過熱的自動調整手段。
已經公知利用感應來加熱散布到聚合材料中的微粒。作為舉例，有美國專利3620875號、3391846號、3551223號、3620876號、3709775號、3902940號、3941641號、4000760號、4918754號以及5123989號、5126521號；PCT國際公布文件WO90/03090、由E.I.du Pont de Nemours and Company在1972年12月19日公開的保護性的公開文件T905001；日本專利申請S(56)(1981)-55474；S64(1989)4331；以及H3(1991)-45683；以及瑞典專利224547號說明書，它們在所有方面均可結合作為參考。
已經試圖通過選擇其居里點等于或稍大于被加熱微粒的溫度的微粒，來對主體物料的溫度進行調節。這些實例包括美國專利2393541號；3551223號、4555422號；4699743號以及5126521號以及PCT國際公開文件WO90/11082，它們在所有方面均可結合作為參考。
遍及物料體內均勻散布的微粒有利于均勻加熱。在這種方式中，采用感應加熱使得可以進行選擇性地和可控地加熱。選擇性地加熱可以使在將微粒以較高密度置于被加熱的區域內的地區加熱到相對較高的程度。此外，通過利用居里點接近于預期溫度的微粒，可以控制載有鐵磁微粒的利用感應加熱的制品的溫度。
發明概要利用感應加熱可以就地對非導電的物料快速、均勻、選擇性地和以可控方式進行加熱。將用于感應加熱的微粒添加到非導電的非磁性的主體物料中并置于例如那些在感應線圈中產生的高頻交變電磁場中。根據本發明選擇微粒可以更快、更均勻和更有效控制地進行加熱。這些微粒最好具有片狀即薄盤形狀。這些微粒的發熱效率能使得微粒在主體物料中占有體積百分比較小，從而使主體物料所期望的特性實質上保持不變。此外，能夠進行溫度調節以防止主體物料過熱。
一方面，本發明提供發熱制品，其在例如由感應線圈產生的交變磁場中使用，所述制品包含其中散布有微粒的非磁性非導電的主體物料，所述微粒由具有高導磁率和高電導率的鐵磁材料構成，所述微粒具有穿透深度和形狀，該形狀具有正交的第一、第二和第三維的尺寸，其中所述正交的第一和第二維尺寸大于微粒的穿透深度；以及所述正交的第一和第二維尺寸至少5倍于所述正交的第三維尺寸。
微粒的尺寸比較大的正交的第一和第二維尺寸，最好每一個都在大約1微粒和大約300微米之間。
該鐵磁材料包含一種金屬或金屬合金。優選的鐵磁材料的實例包括鎳或鎳合金，例如鎳鋁合金。鎳微粒結構最好包含鎳片。
散布在主體物料中的微粒的百分比按體積計優選在約0.1％到約50％之間，更優選在約0.5％到約10％之間，并且按體積計特別要小于約5％，從而，主體物料的性能基本上不變。主體物料是非導電和非磁性的，例如一種聚合物或陶瓷。
在一優選實施例中，鐵磁微粒的電導率大于約106/歐·米。該微粒的相對空氣的起始導磁率約大于70。
鐵磁材料的居里溫度至少約等于所述被加熱物品的加熱溫度。
該微粒可以由單一的材料構成，或者可以由中心的載體部分和覆蓋層構成。載體材料可以是很多種磁性或非磁性材料中的一種。此外該載體材料可以是很多種導電或非導電材料中的一種。覆蓋層最好是高磁性和高導電的材料，例如上述的鐵磁材料。另外，當中心載體部分由高磁性而導電性很差的材料構成并產生熱量時，覆蓋層可以是非磁性和/或非導電的材料(例如一種氧化物層)以防止中心載體部分的氧化，或是一種結合劑，以有助于微粒和主體物料的混合。
制品被加熱時可以產生形狀、體積或粘度變化。例如該制品可以是可熱復原的制品、泡沫劑、粘接劑或膠。在這些實例中的每一種實例中，鐵磁材料的居里溫度至少大約等于該物料被加熱的溫度。主體物料可以是熔化溫度為Tm的易熔材料。在本情況中，該居里溫度最好至少為主體物料的熔化溫度。
制品可以這樣取向，使得與制品的最大尺寸相平行的一個軸線基本平行于由線圈產生的磁場的磁力線。
根據本發明的另一個方面，本發明提供一種裝置，用于在光纜或電纜中沿纜線形成一個阻礙流體傳輸的阻塞物，該裝置包含一個可熱活化的阻塞結構，位于纜線的附近，所述阻塞結構包含其中散布有微粒的主體物料，所述微粒由具有高導磁率和高電導率的鐵磁材料構成，所述微粒具有穿透深度和形狀，該形狀具有正交的第一、第二和第三維尺寸，其中所述正交的第一和第二維尺寸大于微粒的穿透深度以及所述正交的第一和第二維尺寸至少5倍于所述正交的第三維尺寸；以及覆蓋件，它環繞所述阻塞結構配置。
該阻塞件結構可以包含若干個用于容納纜線的開孔。
覆蓋件可以包含一種其中散布有鐵磁微粒的主體物料，所述微粒由具有高導磁率和高電導率的鐵磁材料構成，所述微粒具有穿透深度和形狀，該形狀具有正交的第一、第二和第三維尺寸，其中所述的正交的第一和第二維尺寸大于微粒的穿透深度，并且其中所述正交的第一和第二維尺寸至少5倍于正交的第三維尺寸。
該覆蓋件最好包含內層和最好為可熱復原的外層。該內層包含一其中散布有鐵磁微粒的主體材料，所述微粒由具有高導磁率和高電導率的鐵磁材料構成，所述微粒具有穿透深度和形狀，該形狀具有正交的第一、第二和第三維尺寸，其中所述正交的第一和第二維尺寸大于微粒的穿透深度，并且其中所述正交的第一和第二維尺寸至少5倍于正交的第三維尺寸。
主體材料最好可以包含易熔的聚合物密封劑或粘接劑。
通過結合附圖對優選實施例所做的詳細介紹將使本發明的其它特點和優點變得更明顯。
圖1是散布在主體物料內部的片狀微粒的斷面圖。
圖2A是用于形成流體阻塞物的裝置的透視圖；圖2B是圖2A中的實施例在安裝之后的斷面圖。
圖3是說明溫度調節作用的溫度-時間曲線圖。
優選實施例的詳述本發明包含一種在高頻交變磁場中使用的制品，在其中產生熱量，借此使制品轉變為不同的狀態或形狀。該制品包含一其間散布有鐵磁微粒的主體物料。主體物料是非導電和非磁性的，并且可以是一種可熱復原的聚合物制品、膠、粘接劑、泡沫劑、墨水或陶瓷。在這些情況的每一種情況中，該制品被加熱以便將制品由其初始狀態轉變到一種新的狀態。在本發明中，通過將制品置于大約100千赫和約50兆赫之間的高頻，最好是在約450千赫和約10兆赫之間的高頻變交磁場中，在制品內部產生感應熱量。要提供一種有效地自動調整加熱的制品，使得在內部快速、均勻和選擇性地加熱，關鍵是對散布在主體物料中的微粒進行選擇。
本發明的首要目的是提供各種微粒，與已有技術比較，它能特別快地加熱。已有技術已經采用大尺寸的金屬球粒或纖維來進行感應加熱。
小的鐵磁微粒的形狀通常多少有點不規則。然而，對本發明來說，它們的總體形狀可以用更精確的幾何形狀近似表示，并且由三個互相垂直或正交的維的尺寸x、y和z來限定。每個微粒有其自身的一組軸線，其中各正交的軸線中的一個取向平行于微粒的最小尺寸。微粒可以是任何一種形狀球形的，其中所有的x、y、z尺寸均相等；棒狀纖維，其中x和y基本上相等而z明顯大于x和y；盤狀片，其中x和y具有近似相同的數量級，通常表示微粒的長度和寬度，其中z表示最小的尺寸，通常稱為微粒厚度。薄片的寬厚比按照較大尺寸x或y除以較小的尺寸z來確定。在本發明中，片狀微粒是優選的實施例。參閱圖1，片狀微粒4被散布到主體物料6中。微粒的兩個較大尺寸x、y的每一個都在約1微米到約300微米之間。這兩個尺寸的每一個還至少約5倍于最小尺寸的數值。為便于說明，對于微粒4＇，在下文介紹時，x＇和y＇認為彼此近似相等。微粒4＇的尺寸如下x＇＝y＇＝d以及z＇＝t。d的數值稱為盤狀片的直徑，t為厚度。
如上所述，由于本發明的微粒利用渦流電流和磁滯損耗兩者來產生熱量，故加熱很快。
在磁滯加熱的情況下，在磁場中的微粒的尺寸、形狀和取向對于發熱速率都不是決定性的。然而，包含微粒的制品相對于磁力線的方向的優選取向會增強磁場強度。例如，球狀微粒隨機地散布在一聚合物棒內部，該棒以它的主軸線平行于磁力線取向時的加熱快于該軸線垂直于磁力線時的加熱。這種加熱提高是由于磁通密度的影響，即沿著磁力線方向借助相鄰球粒的作用，每個球粒都和棒端的球粒一起受益于大量的先前已排列的球粒所受的積累磁通密度的影響。當該棒以它的主要軸線垂直于磁力線取向時，每條磁力線僅貫穿很少數量的球粒，磁通密度的影響被降低，發熱速率也被降低。例如將鐵氧體Mn-67球粒按體積計為5％而混合到低密度聚乙烯中。將長度7毫米、直徑1毫米的模壓棒置入一工作在5兆赫的圓柱形感應線圈中，已經發現，在以其主要軸線平行于磁力線定位的各棒的情況下其加熱比垂直磁力線定位的各棒快兩倍。
本發明的微粒加熱快于上述已有技術中的微粒，原因在于，除了磁滯損耗之外，它們還由于渦流電流損耗而發熱。這是因為它們是導電的，以及還因為對于一指定的所希望的微粒體積和微粒表面面積而言，在某一特定頻率下，它們具有的兩個正交的維的尺寸大于穿透深度，這樣就能夠流有渦流電流。另一方面，纖維只有一維尺寸大于穿透深度，而球粒的三維尺寸之中沒有一個大于穿透深度。在后面的這些情況中，沒有渦流電流，加熱速率和效率都明顯降低了。
申請人已經發現，選擇微粒表面面積對微粒體積的比例可有助于快速均勻地加熱制品。一個重要的研究是將來自鐵磁微粒的熱量傳輸給環繞的主體物料。其每單位體積具有相對大的表面面積的微粒能夠更快地將熱量傳導給環繞的主體物料。表面面積對體積的比隨微粒的形狀變化。對于指定的微粒體積，將球狀、纖維狀以及片狀進行比較，在比S/V(表面面積/體積)方面表現出極大的差別。
對直徑d的球粒，S/V＝6/d。
對于橫截面直徑為d和長度為1的圓柱形纖維，S/V＝2/1＋4/d。
對于盤狀薄片，其中d為直徑，t為厚度S/V＝4/d＋2/t與纖維和球粒相比，對于象薄片這樣的具有高的表面面積對體積之比的微粒來說，對于指定的微粒體積，微粒之間的磁通密度被提高了。要利用球狀微粒或纖維得到大的表面面積對體積之比，需要小的微粒尺寸，比其穿透深度要小得多，因而將不能利用渦流電流產生熱量。例如，二正交維的尺寸約等于15微米、第三正交維的尺寸或厚度約為0.2微米的磁性不銹鋼片具有的表面面積對體積之比S/V＝4/d＋2/t，S/V＝4/15微米2/0.2/微米＝10.3/微米。假設穿透深度為7微米時，這些薄片具有的兩維尺寸比該穿透深度大兩倍，因此當置于交變磁場中時，除了引起磁滯損耗之外，還利用渦流電流加熱。具有相同表面面積對體積之比S/V＝6/d＝10.3/微米的磁性不銹鋼球粒其直徑為0.58微米，遠小于穿透深度，因此不能由于渦流電流產生顯著的熱量。與之相似，具有相同表面面積對體積之比S/V＝4/d－2/1＝10.3/微米的磁性不銹鋼纖維只有比穿透深度大兩倍的一維尺寸。纖維可能具有的最小長度要2倍于穿透深度或14微米，其指定纖維直徑為0.4微米。此外，假如纖維長度大于14微米，則纖維直徑必須小于0.4微米。因此，該纖維只有一維尺寸大于穿透深度的兩倍，故不會由于渦流電流損耗產生顯著的熱量。例如，將直徑6微米、長度1000微米的由Memcor Corporation提供的磁性不銹鋼纖維(按體積計以2％)添加到低密度的聚乙烯中。將該被添加的聚乙烯棒置于工作在5兆赫的交變磁場中，線圈電流有效值為20安，在這種情況下觀察到其加熱速率比也由MemcorCorporation提供的直徑較大(20微米)以及長度為1000微米的磁性不銹鋼纖維要慢約10倍。
采用其正交的兩維尺寸大于正交第三維尺寸的微粒例如薄片還能夠在剪切制品的過程中(例如在添加薄片的熱裝式管道的擠壓和膨脹的過程中)使在制品的表面處的微粒與該制品的表面排列一致。例如，按照2％的體積百分率，加工該包含薄片的制品時可形成顏色均勻的平滑的不透明的表面。按照相同的纖維的體積百分比，可以以視覺方式易于檢測到各個纖維，其表面則是不光滑的。這是因為該優選實施例的薄片對于每個指定的微粒體積，比球粒或纖維具有更大的表面。另外，希望在該制品中的微粒相對于磁力線的取向能對加熱速率產生某些影響。為了增強這種影響，通過將這些微粒置于強的永久磁場中，可以實現在制品內部的微粒彼此之間相對增加微粒排列一致。
希望即使在添加導電的微粒之后，由于制品的主體物料是不導電的，使本發明的制品仍維持是不導電的。因為在本發明中采用的微粒具有高效發熱的特性，故能夠采用低體積百分比的微粒，因此維持了該制品的不導電的本性。采用低體積百分比的微粒的附帶益處是降低成本，這是由于在制品中所需包含的微粒的質量較小。
正如上面討論的，可以利用微粒的居里點來控制微粒的溫度并因此控制制品的溫度。可以選擇具有不同居里點的不同微粒并維持高的微粒電導率和導磁率。本發明快速加熱的微粒使溫度極快地上升到居里點，在居里點微粒自動進行調整。因此，能夠利用本發明的微粒實現非常快的加熱并且能進行極為精確的溫度調整。利用本發明的微粒能夠自行調整由渦流電流和磁滯損耗兩者產生的熱量，這是對已有技術的改進。根據本發明，包含在主體物料中的各材料可以根據它們的居里點進行選擇，并使微粒具有高的寬厚比和高的表面面積對體積之比。所選擇的材料的居里溫度等于或大于該制品被加熱的溫度。按照這種方式，制品的加熱可以精密控制，同時維持快速加熱。使用低體積百分比的微粒也能實現這一點，因此維持主體物料的性能不變。
因為本發明具有高效率，為了實現制品的最終預期狀態轉變所需功率會較小，因此，用于加熱根據本發明構成的制品的實用設備價格低廉，可以做得緊湊、輕便、便攜或者甚至手持，并且可以不需要屏蔽雜散場輻射。
本發明的優選微粒是具有高電導率和高導磁率的鐵磁微粒。這里使用的導磁率是指參照上述在Bozorth的著作中的第6頁上詳細定義的起始導磁率。Bozorth的附錄4介紹了幾種鐵磁材料對空氣的起始導磁率。當在本申請中采用時，高的導磁率定義為約大于20的相對于空氣的起始導磁率，最好約大于70，特別好是約大于100。當在本申請中采用時，高電導率定義為數值約大于104/歐·米的電導率，最好約大于106/歐·米，特別好是約大于107/歐·米。
適用于本發明的鐵磁材料包括鎳、鐵、鈷、某些鎳合金、某些鐵合金、某些鈷合金、鋼、坡莫合金或超透磁合金(鎳鐵鉬超導磁合金)。優選的材料具有高電導率、高磁導率、居里點至少約等于制品被加熱的溫度。這些材料包括僅合有很少百分比的另一種元素例如鋁、銅和鉻的二元鎳合金，以便降低居里點。僅包含很少百分比的另一種元素的鈷和鐵的二元合金的居里點通常遠高于包含相同元素的二元鎳合金的居里點。包含多種元素的鎳合金可以做得具有非常高的導磁率并仍維持高的電導率。例如，超透磁合金，即一種包含鎳、鉬、鐵和錳的合金具有的起始相對導磁率可以為100,000，電導率為1.67×106/歐·米，居里點為400℃。
本發明的導磁導電微粒可以包括一覆蓋層。該覆蓋層可以是非磁性和非導電性的，例如各種結合劑，以便有利于微粒與主體物料均勻混合。另外，該覆蓋層可以是磁性的和非導電性的材料，例如鐵氧體，以便維持微粒/覆蓋層復合體的磁性能以及提供具有不導電的表面的微粒，使得可避免表面氧化。當覆蓋層是氧化物時，也可以避免氧化。
還應當指出，本發明的微粒可以由中心載體部分或心核以及表面層或覆蓋層構成。該中心載體部分可以是磁性的和非導電性的，例如鐵氧體；它可以是非磁性的和導電性的，例如銅或鋁；或者它可以是非磁性和非導電性的，例如云母、石墨、聚合物、玻璃或陶瓷。該覆蓋層最好是高導磁和高導電性的。被包覆的微粒還可以再包括如上所述的覆蓋層，以避免微粒表面的氧化或改進與主體聚合物的混合。
希望在主體物料中保持微粒的低體積百分比，以保證該主體物料的性能。這一體積百分比按體積計最好約在0.1％到50％，尤其在約0.5％到約10％之間，特別最佳是約等于2％。添加微粒百分比超過15％的制品通常并不是優選的，實際上，僅利用具有比較低的寬厚比就可實現。通過利用較小的微粒體積百分比，使主體物料的性能不會受到有害影響。因此，主體物料的機械和電性能基本上不變。
為了提高加熱速率，制品可以包括與發熱的鐵磁微粒一起散布的集中磁通的微粒，例如由Metcal在1991年7月25日申請的PCT國際公開文件WO91/11082(題為“用在交變磁場進行發熱的系統”)所介紹的，該文件在所有方面均可結合作為參考。該集中磁通的微粒最好比發生熱量的鐵磁微粒具有更高的磁性以便將磁力線集中到發生熱量的微粒上。該集中磁通的微粒是鐵磁性的，它可以是非發生熱量型的，或者，其可以是比發生熱量的微粒發生的熱量要少。集中磁通的微粒的居里溫度可以不同于發生熱量的微粒的居里溫度。
盡管該優選實施例是指將優選的片狀的高導磁和高導電的鐵磁微粒散布到可熱活化的主體物料中，以便以感應方式加熱該主體物料，在本發明的保護范圍內，可選擇具有高表面面積對體積之比的微粒，對在整個主體物料內均勻傳輸熱量具有有利的影響。在本發明范圍內的具有高寬厚比和表面面積對體積之比的微粒包括鐵氧體薄片、鐵氧體纖維，或者以鐵氧體包覆的具有高寬厚比和高表面面積對體積之比的云母和/或石墨微粒。
本發明通過利用一種熱活化的材料可以應用在各種場合中，例如由Seaboume等人發明和轉讓給Raychem Limited的美國專利第4972042號(“用于抑制電纜中流體傳輸的阻塞裝置”)，或者由Grzanna等人發明和轉讓給Walter Rose GmbH&Co的美國專利第4693767號(“具有一用于支承進入電纜套管的電纜終端的橫截面呈十字形的器件的電纜套管”)、所述的這兩篇文件在所有方面均可結合作為參考。
下面參閱圖2A和2B，電纜阻塞組件8通常包含一扁平殼體結構10，其具有延伸貫穿的五個端部開通的通道12。每個通道12與一個縫隙14相連通，使得通過將線沿著縫隙14就位并將該線壓入通道就將電線16置入通道12中。根據線和通道的相對尺寸，可以將不同數量的線置入每個通道。如圖2A中所示，所有的縫隙14都位于結構10的同一側。盡管殼體結構10是作為一個扁平體介紹的，在本發明的保護范圍內可有很多形式的殼體結構，只要它們就近線放置，或者環繞線束的各線或者位于線束內部，或者為包含用于容納各線的開孔的各種結構。
各種可熱裝的覆蓋件，或者以先前放在結構10上的套管18的形式，或者以帶20的形式附著到該阻塞結構10以及附著到相鄰的各線部分上。
阻塞結構10是可熱活化的，并且最好由包含散布在其間的如上所述的鐵磁微粒的主體物料構成。根據本發明，覆蓋件18或20還可以通過將鐵磁微粒包含在主體物料的內部的方式構成。
利用感應加熱方式加熱該組件，以便形成如圖2B所示的總成的電纜阻塞件。殼體結構10能夠通過加熱被活化并轉變為可固化的填縫密封物22。例如，結構10可以是可熔的聚合物密封物。在所形成的電纜阻塞件中，線16被完全地包封在熔化并再固化的密封物22中，并且線16和密封物22被封在可熱復原的套管18或帶20中。
或者，覆蓋件18或20可以包含外層和內層，其中內層包含一其間散布有鐵磁微粒的主體物料。外層可以是可熱復原的。
其它的應用可以包括使泡沫劑活化，因此制品的體積增加；使熱固性粘接劑或膠熱化；或者使熱塑性粘接劑熔化，因此制品的粘度發生變化；或者加熱可熱復原的制品，因此該制品的形狀發生變化。
實例1加熱速率為了實驗證明與已有技術的加熱相比較時，利用本發明的微粒可實現更快地加熱，將各種幾何形狀、尺寸、電導率和磁性能的微粒按體積計為5％與由低密度的聚乙烯構成的主體物料相混合。將這樣制備的制品形成直徑為7.9毫米、長度為58毫米的棒。遍及該棒大多數微粒取向是隨機的，但對于薄片和纖維型的，據觀察在靠近壁面處則相當排列一致。被添加的棒的體電阻和絕緣強度基本上維持不變，基本上等于該主體物料的體電阻和絕緣強度。將該棒插入到直徑為11.2毫米、長度為73.0毫米、工作在4兆赫、電流有效值為30安的14匝的螺旋感應線圈中。置于該電磁場中的微粒與該電磁場耦合產生熱量，由此提高制品的溫度。在距制品表面6毫米處利用紅外高溫計測量制品的溫度。在附加到高溫計上的圖形記錄器上畫出溫度時間曲線圖。以8秒的間隔，按照溫度隨時間上升計算加熱速率。
在表I中，對于幾種被測試微粒將制品加熱速率以℃/秒為單位與微粒的較大和較小的維尺寸、寬厚比、以及表面面積對體積之比在一起列表。假設各微粒是由精確的幾何形狀限定的。假設薄片具有盤狀的幾何形狀，盤的直徑是較大維尺寸、盤的厚度是較小維尺寸。因此薄片的寬厚比是按照該較大維尺寸用較小維尺寸來除來確定的。薄片的表面面積對體積之比是按照S/V＝2/t＋4/d確定的，其中t是較小維尺寸或厚度，d是較大維尺寸或直徑。假設纖維具有棒狀幾何形狀，棒的長度為較大維尺寸，棒的直徑為較小維尺寸。纖維的寬長比按照用較小維尺寸除較大維尺寸來確定。纖維的表面面積對體積之比按照S/V＝2/l＋4/d來確定，其中1是較大維尺寸或長度，d是較小維尺寸或直徑。粉末或球狀微粒的寬厚比為1，因為所有維的尺寸都大約相等。表面面積對體積之比按照S/V＝6/d來確定，其中d是球粒的直徑。
表I加熱速率表I所示的加熱速率
證明利用本發明的微粒可以使加熱速率有很大提高，從1#到9#的微粒具有高的電導率、高的起始導磁率和高的寬厚比。2#和3#的鎳纖維加熱非常快，因為它們具有的所有三維尺寸都大于鎳微粒的穿透深度，該穿透深度在4兆赫下和假設相對導磁率為100的情況下為近似等于7.0微米。然而，這些纖維使制品的表面粗糙，并使包括延伸和抗拉模量的某些主體物料性能產生有害的變化。然而本發明的薄片維持了非常平滑的制品表面，并且還維持了主體物料的延伸模量和抗拉模量。
在表I中所示的結果還證明了微粒尺寸對加熱速率的影響。由于具有較大的直徑和每個單位體積的較大的表面面積，30微米×0.4微米鎳片的1#微粒加熱遠快于25微米×1.1微米鎳片的9#微粒。另外，因為它們的直徑遠大于在4兆赫下的鎳微粒的的7.0微米的穿透深度，故，11#的大的120微米的鎳球粒加熱快于19#的小的5微米的鎳微粒。因此，5微米的鎳球粒太小了，以致不能通過渦流電流損耗來產生主要的熱量，因此它們發熱主要由于磁滯損耗。由于磁滯損耗不取決于微粒的尺寸，因此磁滯損耗產生的熱量對于鎳的薄片、纖維和球粒都大體相同。由于主要由渦流電流損耗產生熱量，因此利用大的鎳球粒、纖維和薄片比5微米的鎳球粒加熱速率要快得多。
21#的直徑75微米的鋁球粒其加熱速率要比11#的120微米的鎳球粒以及19#的5微米的鎳球粒要慢得多，這證明了高導磁率對加熱速率的影響。因為鋁是非磁性的(鋁的μr＝1；鎳的μr＝100)，所以鋁加熱不快。此外，由于鋁的非磁性的屬性，與1#和9#的鎳片相比，22#的鋁片加熱也很慢。
5#坡莫合金、6#Metglas以及4#、7#和8#磁性不銹鋼片，盡管比鎳具有更大的磁性，其加熱并不像1#的具有高表面面積對體積之比的鎳片那樣快，這是因為1#鎳片具有較高的電導率和較高的S/V。
在表I中的結果還證明，14#以及16#-18#的鐵氧體微粒加熱并不象本發明的微粒那樣快。
實例2溫度調節準備兩組直徑7.9毫米、長度58毫米的棒，該棒包含熱塑性的聚酰氨粘接劑的主體物料和按體積計為2％的鐵磁微粒。第一組包含表I中的30微米×0.4微米的鎳片的1#微粒，以及第二組包含40微米×0.5微米的鎳鋁合金片，其中在該合金中鎳的重量百分比為大約97％，鋁的重量百分比為大約3％。將各棒置于工作在5兆赫、線圈電流有效值為30安的如實例1中的線圈內部。得到如在實例1中所述的溫度-時間曲線。圖3表示了各溫度時間曲線。含有鎳片的各棒在10秒內達到200℃，在該溫度下粘接劑在很大程度上過熱。含有鎳鋁合金片的各棒的加熱多少要快一些，但在140℃下自行調整，在該溫度下粘接劑呈現預期的粘度。這一溫度維持大約55秒。
實例3制品取向為了實驗證明制品相對于磁力線的取向對加熱速率的影響，準備和放置3個試樣，使得制品的最長維的尺寸或者平行于或者垂直于磁力線。
試樣1將表I中的30微米×0.4微米的鎳片的1#微粒按體積計為2％與低密度的聚乙烯的主體物料相混合，并擠壓形成直徑1.0毫米、長度7毫米的棒。
試樣2將表I中的50微米×500微米的鎳纖維的3#微粒按體積計為5％與熱塑性的聚酰氨粘接劑的主體物料相混合，并擠壓成內徑12.2毫米、壁厚0.3毫米，長度7.0毫米的套管。經觀察，各纖維的排列彼此平行并平行于套管的壁。
試樣3在包含按體積計為2％的如在表I中的30微米×0.4微米的鎳片的1#微粒的低密度的聚乙烯的主體物料進行擠壓、照射和擴展，形成長度25.0毫米、內徑12.2毫米以及壁厚1.0毫米的可熱復原的管道。
用于所有3種試樣的感應線圈是57.0毫米長和38.0毫米直徑的6匝螺線管。它的工作頻率為4兆赫，線圈電流有效值為30安。
表II列出了當這些制品平行和垂直于磁力線時的對于試樣1的棒的膨脹時間、對于試樣2的粘接套管的熔化時間，以及對于試樣3的管道的復原時間。
表II制品取向
在表II中所示的所有的實例中，當制品以它的最長維的尺寸平行于磁力線就位時比當垂直于磁力線就位時加熱要快得多。這是由于各微粒當沿著相同的磁力線互相相鄰地排列一致時，其相互之間所具有的積累的磁通密度影響。如上所述，當以這樣一種方式就位即通過線圈行進的磁力線貫穿更多的微粒時，可以觀察到利用包含鐵氧體球粒的制品會使加熱速率得到類似的提高。
實例4可熱裝式管道在實例4中的可熱裝式管道包含的低密度聚乙烯的主體物料混合有按體積計為2％的如表I中的鎳片的1#微粒。該管道擠壓成為一內徑4.1毫米、在11毫拉德(Mrads)下被照射并將內徑擴展為12.2毫米。該可熱裝式管道長度為25.4毫米。使用的感應線圈為長57.0毫米、直徑38.0毫米的6匝的螺線管，工作頻率為4兆赫，線圈電流有效值為60安。將該管道置于感應線圈的磁場中，在6.5秒之內其產生復原。
如上所述制備的沒有添加鎳片的可熱裝式管道被用作對照物，與之對照可比較包含鎳片的管道的特性。在表III中將對照管道(無鎳片)的某些特性和包含鎳片的管道在置于電磁場之前的特性進行比較。
表III可熱裝式管道
由于微粒占低的體積百分比，被添加的管道的體電阻基本上維持不變。絕緣強度受到降低，但其仍然高于管道使用的大多數場合下所需的絕緣強度。即使在150℃下熱老化288小時之后，被添加管道的最終伸長基本上與未被添加的管道的最終伸長基本相同。在某些應用場合下，可能希望利用雙壁的可熱裝式的管道，其中外層沒有添加微粒，內層包含微粒，或者是它們的各種綜合，其包含幾層，這幾層包含帶或不帶鐵磁微粒的不同的聚合物材料。
實例5熱塑性粘接劑將Union Comp Co.的一種Unirez聚酰氨二聚物熱塑性粘接劑與按體積計為2％的表I中的鎳片的1#微粒相混合并壓成方板。該方板尺寸為25.4毫米×25.4毫米×1.9毫米。使用的感應線圈為57.0毫米長、直徑38.0毫米的6匝螺線管，工作頻率為4兆赫，線圈有效值電流為60安。將各方板置于感應線圈的磁場中，在其中它們在4秒內熔化。
還準備了沒有添加鎳片的具有上述相同尺寸和相同的Unirez聚酰氨二聚物熱塑性粘接劑的方板。在表IV中將該對照物粘接劑方板(無鎳片)的某些特性和包含鎳片的粘接劑方板在置于電磁場中之前的特性進行比較。
表IV熱塑性粘接劑
在表IV中所示的結果表明，當存在鎳片時熱塑性粘接劑的粘度基本上維持不變。
實例6硅膠試樣1在19毫米×25.4毫米的玻璃瓶中將硅膠的部分A和部分B與按體積計為0.5％的表I中的鎳片的1#微粒相混合并置于感應線圈的磁場中，則在17秒被熟化。感應線圈為長57.0毫米、直徑為38.0毫米的6匝螺絲管，其工作頻率為4兆赫，線圈電流有效值為60安。
試樣2以與試樣1的相同方式制備比較用的硅膠試樣2。然而，不是置于感應線圈的磁場中，而是將該試樣在115℃下的熱對流的爐中持續30分進行熟化。
試樣3以與試樣1和2的相同方式制備比較用的沒有添加鎳片的膠試樣3。將該試樣在熱對流的爐中在115℃下持續30分鐘進行熟化。
在表V中表示了試樣1和比較用的試樣2和3的特性。表V的結果表明，在存在鎳片和將含鎳的硅膠置于感應線圈的電磁場中的情況下該硅膠的特性基本上維持不變，并且與常規的熟化技術(30分)相比，其熟化是非常快的(17秒)。
表V硅膠<
>在不脫離僅由如下權利要求限定的本發明的保護范圍的情況下，可以對該優選實施例進行各種改變和改進。
權利要求
1.一種用于在交變的磁場中發生熱量的制品，該制品包含其間散布微粒的主體物料，所述微粒由具有高導磁率和高電導率的鐵磁材料構成，所述微粒具有穿透深度和形狀，該形狀具有正交的第一、第二和第三維尺寸，其特征在于，其中所述正交的第一和第二維尺寸大于微粒的穿透深度；以及所述正交的第一和第二維尺寸至少5倍于所述正交的第三維尺寸。
2.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的正交的第一和第二維尺寸約在1微米到300微米之間。
3.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的制品包含的微粒的數量按體積計約在0.1％到50％之間。
4.如在權利要求3所述的制品，其特征在于，其中所述的制品包含的微粒的數量按體積計約在0.5％到10％之間。
5.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的鐵磁材料具有的居里溫度至少大約等于所述制品被加熱的溫度。
6.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的制品根據加熱而產生形狀變化。
7.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的制品根據加熱而產生體積變化。
8.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的制品根據加熱而產生粘度變化。
9.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的主體物料是一種熔化溫度為Tm的易熔材料。
10.如權利要求9所述的制品，其特征在于，其中所述的鐵磁材料具有的居里溫度至少大約等于所述主體物料的熔化溫度Tm。
11.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的鐵磁材料包含一種金屬或金屬合金。
12.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的鐵磁材料包含鎳片。
13.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的微粒包含中心載體部分和覆蓋層。
14.如權利要求13所述的制品，其特征在于，其中所述的覆蓋層包含高磁性和高導電的材料。
15.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的鐵磁材料的起始導磁率約大于70。
16.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的鐵磁材料的電導率至少約大于106/歐·米。
17.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的制品包含的微粒在數量上按體積計約達5％，因此使得主體物料的性能基本上不變。
18.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的鐵磁材料是鎳合金。
19.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的鐵磁材料是鎳鋁合金。
20.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的微粒均勻地散布在所述主體物料中。
21.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中所述的微粒散布是不均勻的，使得至少一部分所述微粒被集中在主體物料表面的附近。
22.如權利要求1所述的制品，其特征在于，其中的制品這樣取向，使得該制品的平行于最大維尺寸的軸線與磁場的磁力線基本平行。
23.一種用于在電纜中形成阻塞的裝置，以阻礙流體沿電纜傳輸，其特征在于，其包含可熱裝式阻塞結構，其位置接近電纜中的各線而設置，所述阻塞結構包含其間散布有微粒的主體物料，所述微粒由具有高導磁率和高電導率的鐵磁材料構成，所述微粒具有穿透深度和形狀，該形狀具有正交的第一、第二和第三維尺寸，其中所述正交的第一和第二維尺寸大于微粒的穿透深度，以及所述正交的第一和第二維尺寸至少5倍于所述正交的第三維大小；以及覆蓋件，環繞所述阻塞結構而配置。
24.如權利要求23所述的裝置，其特征在于，其中所述的阻塞結構包括具有若干開孔以容納線纜的殼體。
25.如權利要求23所述的裝置，其特征在于，其中所述的覆蓋件包括其間散布有鐵磁微粒的主體物料，所述微粒由具有高導磁率和高電導率的鐵磁材料構成，所述微粒具有穿透深度和形狀，該形狀具有正交的第一、第二和第三維尺寸，其中所述正交的第一和第二維尺寸大于微粒的穿透深度，以及其中所述正交的第一和第二維尺寸至于5倍于所述正交的第三維尺寸。
26.如權利要求23所述的裝置，其特征在于，其中所述的覆蓋件包含內層和外層。
27.如權利要求26所述的裝置，其特征在于，其中所述的內層包含其間散布有鐵磁微粒的主體物料，所述微粒由具有高導磁率和高電導率的鐵磁材料構成，所述微粒具有穿透深度和形狀，該形狀具有正交的第一、第二和第三維尺寸，其中所述正交的第一和第二維尺寸大于微粒的穿透深度，并且其中所述的正交的第一和第二維尺寸至少5倍于所述正交的第三維尺寸。
28.如權利要求27所述的裝置，其特征在于，其中所述的外層是可熱復原的。
29.如權利要求23所述的裝置，其特征在于，其中所述的主體物料由一種易熔的聚合物密封劑構成。
全文摘要
一種用于采用感應加熱就地以快速、均勻、可選擇和可控制的方式加熱非磁性非導電的材料的系統。對此，將主要用于改進感應加熱的微粒添加到主體物料中，并置于例如那些在感應線圈中產生的高頻交變電磁場中。該微粒是具有高導磁率和高電導率的鐵磁材料。當置于交變的磁場中時，這些微粒的發熱效率使得在主體物料中的微粒的體積百分比更小，這樣，制品的預期特性會基本上維持不變。通過選擇微粒的居里點，使該微粒在約等于制品的被加熱溫度時能自動調整，從而可防止制品的過熱。這些微粒最好具有薄片，形狀即薄的盤狀。該形狀具有正交的第一、第二和第三維尺寸，其中正交的第一和第二維尺寸大于微粒的穿透深度并至少5倍于正交的第三維尺寸。
文檔編號B29C35/08GK1121385SQ94191845
公開日1996年4月24日 申請日期1994年3月21日 優先權日1993年4月20日
發明者Y·蒙諾沃卡斯 申請人:雷伊化學公司