РАДИОПОГЛОЩАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ

Полезная модель относится к области радиоэлектроники, в частности к радиопоглощающим материалам (РПМ), предназначенным для защиты от электромагнитного излучения (ЭМИ) в диапазоне частот от 2 ГГц до 100 ГГц.
Радиопоглощающее покрытие (РПП) предназначено для:
- решения на новом уровне задачи электромагнитной совместимости (ЭМС) в СВЧ приборах;
- снижения заметности военной техники в радиодиапазоне;
- обеспечения совместной работы нескольких радиолокационных и радиопередающих станций на одном транспортном средстве;
- защиты биологических объектов от ЭМИ в СВЧ-диапазоне;
- оборудования безэховых помещений, предназначенных для научных исследований или производственных испытаний.
Общими требованиями к таким поглощающим материалам, в дальнейшем радиопоглощающим покрытиям (РПП) являются обеспечение высокого уровня ослабления отраженного сигнала, широкий частотный диапазон работы, простота конструкции, малый удельный вес и толщина покрытия.
Известен электромагнитный поглощающий материал и способ его изготовления, представленный в патенте ФРГ №2234175, сущность которого заключается в совмещении в одном материале экранирующих и теплоизолирующих свойств при оптимальном соотношении между его плотностью и прочностью. Материал представляет собой гранулят, состоящий из смеси углеродного и ферритового порошка и связующего в виде стекла (кварцевого порошка). Технология изготовления материала является керамической, применяют экструзию и литье. Поглощающие свойства в широком диапазоне не превышают 2 дБ, а в узком диапазоне (до 5 ГГц) достигают 10 дБ.
2
К недостаткам данного аналога следует отнести низкую поглощающую способность, большой удельный вес на единицу площади, превышающий 10 кг/м, сложность технологии получения ввиду многокомпонентного состава и, как следствие, неконтролируемый состав.
3
Известен электромагнитный поглощающий материал (патент РФ №2167840), состоящий из смеси 0,30-0,45 или 0-55-0,75 мольных долей титаната стронция и 0,70-0,55 или 0,45-0,25 мольных долей соответственно соединений с общей формулой BiMO, где М выбирается из группы элементов, включающей хром, марганец, железо. Материал имеет высокие значения действительной части диэлектрической проницаемости и высокие диэлектрические потери в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне. Однако материал не является эластичным, для эффективного поглощения должен иметь значительную толщину и может применяться только в виде плиток.
В патенте РФ №2107705 описан радиопоглощающий материал, предназначенный для нанесения на различные изделия исследовательского, медицинского, бытового и др. назначения. Радиопоглощающий материал содержит в качестве полимерного связующего синтетический клей Элатон на основе латекса, в качестве магнитного наполнителя - порошкобразный феррит или карбонильное железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: синтетический клей «Элатон» на основе латекса 80-20; порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80. Материал пригоден для нанесения на поверхности различной геометрии, однако имеет недостаточную эффективность поглощения радиоволн.
Известен радиопоглощающий материал (патент США N6231794), включающий первый слой пористого эластичного материала, например полиуретана, покрытый вторым слоем пористого эластичного материала с распределенными в нем проводящими частицами, например частицами графитовой пудры или частицами углеродного материала, смешанными с металлическими частицами. Эластичный радиопоглощающий материал имеет толщину не более 2,5 мм, однако его механическая прочность оказывается недостаточно высокой, что сужает его область применения.
В патенте РФ №2228565 описано радиопоглощающее покрытие, включающее основу из, по меньшей мере, одного слоя переплетенных арамидных высокомодульных нитей с нанесенной на нити вакуумным напылением пленкой из гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него ферромагнитными кластерами при следующем соотношении компонентов, мас.%: ферромагнитные кластеры 50-80; гидрогенизированный углерод - остальное.
К недостаткам данного радиопоглощающего покрытия можно отнести ограничение рабочей частоты снизу (от 6 ГГц).
Известно электромагнитное радиопоглощающее покрытие (патент РФ №2363714) состоящее из нескольких слоев высокомодульной арамидной ткани с напыленнными пленками феррита с вкрапленными в него наноразмерными кластерами металлов Ni и Co и гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него наноразмерными кластерами металлов Ni и Co.
Данное радиопоглощающее покрытие представляет собой легкий материал, удовлетворяющий требованиям радиопоглощения до 10 дБ в диапазоне частот 2-40 ГГц. Материал стоек к внешним воздействиям. Технология его изготовления включает операцию ионно-плазменного напыления, является успешно разработанной и экологически чистой. Недостатком данного РПМ является использование в конструкции ферритовых пленок и меньший частотный диапазон.
Наиболее близким аналогом, который выбран в качестве прототипа является конструкция РПП, представленная в патенте на полезную модель №84161, приоритет от 24.12.2008.
К недостаткам данного РПМ можно отнести использование большого количества слоев тонких пленок для создания окон прозрачности, а также значение модуля коэффициента отражения менее 10 дБ.
2
Целью заявляемой полезной модели является создание технологии производства радиопоглощающих покрытий с расширенным частотным диапазоном (2-100 ГГц) и повышенной эффективностью поглощения (≤10дБ) при одновременном уменьшении толщины покрытия (<2,5 мм) и приведенной удельной массы (<1,5 кг/м) за счет уменьшения количества слоев ткани.
Поставленная задача достигается тем, что радиопоглощающее покрытие, состоит из 2-5 слоев гетероструктур, нанесенных на подложки из арамидных волокон методом ионно-плазменного магнетронного напыления, скрепленных между собой радиопорозрачным материалом. Пленочная гетероструктура состоит из нескольких слоев пленок гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d-металлов.
Гетероструктуры содержат от 2 до 8 слоев пленок с градиентом концентраций аморфного гидрогенизированного углерода и наночастиц 3d-металлов между слоями.
Содержание частиц 3d-металлов в пленке варьируется от 0 мас.% до 95 мас.% в зависимости от режима напыления обеспечивает плавное согласование волновых сопротивлений слоев по толщине покрытия, начиная от верхнего слоя (согласующего со свободным пространством), до последнего, поглощающего слоя. Для этого слои в гетероструктурах чередуются таким образом, чтобы концентрация ферромагнитных кластеров в пленках соседних слоев была разной - в одном низкая (0-30 мас.%), во втором высокая (80-95 мас.%).
Радиопоглощающий материал получают способом, включающим вакуумное распыление мишеней из графита и 3d-металлов (Ni, Со) в аргон-водородной среде.
В качестве радиопрозрачного материала может быть применен клеящий состав на основе резиновой или эпоксидной смеси.
Микроволновое поглощение исследовалось в диапазоне частот 2-100 ГГц для случая нормально падающего электромагнитного (ЭМ) излучения. Определялись действительные и мнимые части диэлектрической (ε', ε'') проницаемости и коэффициенты потерь ЭМ волны при отражении (R):R=-10·lg(WR/W)dB, где W, WR - мощности соответственно падающей и отраженной волн. Для поглощения ЭМ излучения гранулированной структурой необходимо иметь большие значения ε'' и, а также волновой импеданс Z=[(µ'+iµ'')/(ε'+iε'')]1/2 должен быть близок к единице. Как было установлено авторами, заявляемое покрытие имеет большие значения ε', ε''.
Предполагаемую полезную модель иллюстрируют:
Фиг.1 - конструкция гетероструктуры
Фиг.2-фиг.6 - частотные зависимости модуля коэффициента отражения ЭМ волны от РПП, приведенные соответственно в примерах 1-5.
На фиг.1 приведена иллюстрация тонкопленочной гетероструктуры в поперечном сечении, где 1 - переплетенные арамидные волокна, 2 - пленка аморфного гидрогенизированного углерода с частицами 3d-металла, 3 - пленка аморфного гидрогенизированного углерода без частиц 3d-металла, 4 - наночастицы 3d-металла.
Примеры исполнения:
Пример №1
2
-1
2
Радиопоглощающее покрытие было выполнено в виде гетероструктуры толщиной 4 мкм, состоящей из 8 слоев пленок аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d-металла (Ni) напыленной на подложку из арамидной ткани. Изменение концентраций 3d-металла между слоями гетероструктур варьировалось от 0 мас.% до 95 мас.%. Процесс напыления проводился при содержании в рабочем газе 80% Ar и 20% Н при рабочем давлении в камере 10 мТорр, плотности ионного тока 10 А/см, скорости движения паллеты 30 мм/сек, и скорости роста пленки 20 нм/мин.
Результаты измерений модуля коэффициента отражения, удельного веса и толщины покрытия представлены в таблице.
Пример №2
2
-1
2
Радиопоглощающее покрытие было выполнено из 2 слоев арамидной ткани с напыленными на них гетероструктурами, склеенных между собой радиопрозрачным материалом. Гетероструктуры толщиной 4 мкм, состояли из 8 слоев пленок аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d-металла (Ni) различного состава. Изменение концентраций 3d-металла между слоями гетероструктур варьировалось от 1 мас.% до 95 мас.% в зависимости от режима напыления. Процесс напыления проводился при содержании в рабочем газе 80% Ar и 20% Н при рабочем давлении в камере 10 мТорр, плотности ионного тока 10 А/см, скорости движения паллеты 30 мм/сек, и скорости роста пленки 20 нм/мин.
Результаты измерений модуля коэффициента отражения, удельного веса и толщины покрытия представлены в таблице.
Пример №3
2
-1
2
Радиопоглощающее покрытие было выполнено в виде 2 слоев арамидной ткани с напыленными на них гетероструктурами, склеенных между собой радиопрозрачным материалом. Гетероструктуры толщиной 4 мкм, состояли из 4 слоев пленок аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d-металла (Ni) различного состава. Изменение концентраций 3d-металла между слоями гетероструктур варьировалось от 1 мас.% до 95 мас.% в зависимости от режима напыления. Процесс напыления проводился при содержании в рабочем газе 80% Ar и 20% H при рабочем давлении в камере 10 мТорр, плотности ионного тока 10 А/см, скорости движения паллеты 30 мм/сек, и скорости роста пленки 20 нм/мин.
Результаты измерений модуля коэффициента отражения, удельного веса и толщины покрытия представлены в таблице.
Пример №4
2
-1
2
Радиопоглощающее покрытие было выполнено в виде 4 слоев арамидной ткани с напыленными на них гетероструктурами, склеенных между собой радиопрозрачным материалом. Гетероструктуры толщиной 4 мкм, состояли из 4 слоев пленок аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d-металла (Ni) различного состава. Изменение концентраций 3d-металла между слоями гетероструктур варьировалось от 1 мас.% до 95 мас.% в зависимости от режима напыления. Процесс напыления проводился при содержании в рабочем газе 80% Ar и 20% H при рабочем давлении в камере 10 мТорр, плотности ионного тока 10 А/см, скорости движения паллеты 30 мм/сек, и скорости роста пленки 20 нм/мин.
Результаты измерений модуля коэффициента отражения, удельного веса и толщины покрытия представлены в таблице.
Пример №5
2
-1
2
Радиопоглощающее покрытие было выполнено в виде 2 слоев арамидной ткани с напыленными на них гетероструктурами и 3 слоев арамидной ткани с однопленочной структурой, склеенных между собой радиопрозрачным материалом. Гетероструктуры толщиной 4 мкм, состояли из 8 слоев пленок аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d-металла (Ni) различного состава. Толщина гетероструктуры - 4 мкм, толщина пленки аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d-металла (Ni) - 0,5 мкм. Изменение концентраций 3d-мeтaллa между слоями гетероструктур варьировалось от 0 мас.% до 95 мас.% в зависимости от режима напыления. Процесс напыления проводился при содержании в рабочем газе 80% Ar и 20% H при рабочем давлении в камере 10 мТорр, плотности ионного тока 10 А/см, скорости движения паллеты 30 мм/сек, и скорости роста пленки 20 нм/мин.
Результаты измерений модуля коэффициента отражения, удельного веса и толщины покрытия представлены в таблице.
Таблица.
Результаты измерений модуля коэффициента отражения, толщины и приведенной удельной массы
№ примера
Диапазон частот, ГГц
Модуль коэффициента отражения, дБ
Толщина РПМ, мм
Приведенная удельная масса, кг/м<sup>2</sup>
1
2-100
-5-18
0,2
0,2
2
2-100
-5-15
0,5
0,2
3
2-100
-8-22
0,5
0,4
4
2-100
-10-30
1,1
0,6
5
2-100
-12-30
2,1
1,0