ПОГЛОТИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН И РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ELECTROMAGNETIC WAVE ABSORBER AND RADAR ABSORBENT MATERIAL FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к области радиотехники, в частности, к материалам для поглощения электромагнитных волн и конструкциям поглотителей, изобретение предназначено для поглощения электромагнитного излучения в наземной, морской, авиационной и космической технике, что позволяет повысить скрытность объектов и уменьшить вероятность их обнаружения радиолокаторами, может быть использовано для создания покрытий, поглощающих электромагнитные волны (ЭМВ) сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, уменьшающим величину мощности отраженного сигнала электромагнитной волны радиолокатора в широком диапазоне частот и в качестве защитного материала для уменьшения радиолокационной заметности объектов различных типоразмеров и конфигурации в зоне облучения электромагнитными волнами, излучаемыми радиолокаторами в диапазоне СВЧ 5-20 ГГц.
Одним из направлений в создании поглотителей электромагнитных волн и радиопоглощающих материалов для их изготовления является создание электродинамических материалов на основе синтеза слоистой структуры, обладающей заданными электрофизическими свойствами, например, заданным уровнем отражения радиоволн в некотором диапазоне частот. При этом желательно, чтобы такая структура обладала минимальной толщиной и массой.
Известен синтетический диэлектрический материал широкополосного поглощения и отражения (радиопоглощающий материал), описанный в изобретении по патенту US 5298903, кл. H01Q 17/00, содержащий синтетический материал с распределенными в нем эллипсовидными релеевскими отражателями с максимальным линейным размером, меньшим наименьшей длины волны в заданном частотном диапазоне. Релеевские частицы представляют собой изолятор, покрытый тонкой металлической оболочкой. Толщина материала выбрана больше максимальной длины волны рабочей полосы в синтетическом материале.
К недостаткам данного материала можно отнести большую трудоемкость нанесения металлизационного слоя на изоляторы, высокую стоимость его изготовления и сложность нанесения на защищаемый объект.
Наиболее близким по технической сути и назначению к заявляемому радиопоглощающему материалу является материал, описанный в патенте (RU 2107705 C1, кл. C09D 5/32; C08K 3/10, опубл. 27.03.98). В нем в качестве полимерного связующего использован синтетический клей «Элатон», а в качестве наполнителя - порошкообразные феррит или карбонильное железо в соотношении, мас.%: «Элатон» - 80-20; магнитный наполнитель 20-80.
Используемый в прототипе радиопоглощающий материал (РПМ) обеспечивает поглощение ЭМВ в ограниченном частотном диапазоне, преимущественно на верхних частотах диапазона работы радиолокационных станций (РЛС), имеет неравномерное поглощение, в начале диапазона слабое на уровне 5-9 дБ и несколько большее на верхних частотах 15-20 дБ.
Известен поглотитель электромагнитных волн (ЭМВ) (патент US 5561428, кл. H01Q 17/00), включающий в себя полимерное связующее и наполнитель, который выполнен в виде ориентированных произвольным образом нитей, образующих трехмерную пористую структуру, при этом на часть нитей нанесен проводящий слой.
К недостаткам этого поглотителя нужно отнести сложность нанесения проводящего слоя на нити и формирования из нитей равномерной трехмерной нитевой структуры наполнителя.
К основным недостаткам таких поглотителей относятся: большой вес и габариты (толщина), малая степень поглощения электромагнитных волн, а также высокий коэффициент отражения. Последнее связано с отсутствием плавного затухания ЭМВ при их прохождении через поглотитель.
Известен также многослойный поглотитель ЭМВ, выполненный трехслойным: крайние слои выполнены из диэлектрических материалов, а расположенный между ними средний слой из электропроводящего материала (а.с. №1786567, кл. H01Q 17/00, заявл. 07.05.90, опубл. 07.01.93).
Недостатком известного поглотителя является сравнительно высокий коэффициент отражения из-за неплавного согласования диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов с диэлектрической проницаемостью внешней окружающей среды (воздуха) и неэффективное поглощение ЭМВ во всем диапазоне длин волн.
В качестве прототипа выбран сверхширокодиапазонный поглотитель электромагнитных волн, состоящий из закрепленых на металлической подложке: слоя диэлектрического материала, выполненного на основе радиопоглощающего пеностекла, слоя магнитного материала выполненного из радиопоглощающего никель-цинкового феррита (патент РФ №2110122, приоритет от 11.03.1997 г, опубл. 27.04.1998 г). При этом общая толщина поглотителя составляет большую величину и колеблется в зависимости от варианта конструктивного исполнения от 210 до 365 мм.
Недостатком прототипа является использование магнитного материала из радиопоглощающего никель-цинкового феррита, который имеет значительную массу (8-15 кг/м2), высокую стоимость, низкую механическую прочность и термостойкость, поэтому его нельзя применять в миниатюрных радиоэлектронных устройствах. Также к недостаткам данного технического решения следует отнести низкие значения удельного затухания во всех слоях поглотителя, высокий уровень отражения ЭМВ, особенно в верхней части частотного диапазона поглощаемых электромагнитных волн. Таким образом, существенно ограничены области применения данного поглотителя, в частности, исключено его использование для защиты биологических объектов, для радиомаскировки бронетехники, автотранспорта, летательных аппаратов и кораблей легких классов.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение вероятности обнаружения защищаемых объектов и их распознавания, за счет расширения диапазона частот от 5 до 20 ГГц поглощаемых электромагнитных волн от стационарных и мобильных радиолокаторов и снижения уровня мощности отраженного сигнала. А также, уменьшение веса, толщины и стоимости поглотителя электромагнитных волн.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном радиопоглощающем материале, содержащем полимерное связующее и порошкообразный наполнитель, наполнитель выполнен двухкомпонентным - из дискретных углеродных волокон (ДУВ) и порошкообразного карбонильного железа (КЖ). В качестве полимерного связующего использована эпоксидная смола, при следующем соотношении компонентов, мас.%: эпоксидная смола 85-15, дискретные углеродные волокна и порошкообразное карбонильное железо 15-85. Смесь из дискретных углеродных волокон и карбонильного железа состоит в следующем соотношении компонентов, мас.%: дискретные углеродные волокна 40-10, порошкообразное карбонильное железо 60-90.
Дискретные углеродные волокна использованы в виде ориентированных произвольным образом нитей размером 10-50 мкм, а карбонильное железо использовано в виде частиц сферической формы с диаметром 10-20 мкм.
Использование дискретных углеродных волокон приводит к возникновению в композиционном материале специфических атомно-молекулярных структур, в которых возникают флуктуации диэлектрической проницаемости, приводящие к значительному увеличению рассеивания СВЧ мощности в композиционном материале.
Наличие случайно ориентированных и случайно расположенных в объеме полимерного связующего частиц наполнителя различных размеров, различной диэлектрической и магнитной проницаемостью, приводит к образованию рассеивающих структур различных размеров, что, в свою очередь, приводит к расширению рабочего частотного диапазона предлагаемого материала.
Поставленная задача достигается тем, что в известном поглотителе электромагнитных волн, состоящем из диэлектрического и радиопоглощающего материалов и металлической подложки, диэлектрический материал выполнен в виде пластины из алюмооксидной керамики, на внешнюю поверхность которой нанесена полимерная диэлектрическая пленка, за ним расположен радиопоглощающий материал, состоящий из двух слоев, первый слой выполнен из смеси полимерного связующего и наполнителя из порошкообразного карбонильного железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- связующее - 80-20
- наполнитель - 20-80,
а второй слой представляет собой смесь полимерного связующего и наполнителя, состоящего из порошкообразного карбонильного железа и дискретных углеродных волокон в соотношении, мас.%:
- дискретные углеродные волокна - 40-10
- порошкообразное карбонильное железо - 60-90
при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- связующее - 85-15
- наполнитель - 15-85,
при этом второй слой наносится на металлическую подложку. Изобретение пояснено следующими чертежами:
На фиг.1 и фиг.2 представлены диаграммы зависимости ослабления уровня СВЧ мощности и уровня отражаемой волны в диапазоне частот 5-20 ГГц при использовании РПМ из композиционного наполнителя разного состава. На фиг.1 наполнитель выполнен из порошкообразного карбонильного железа, а на фиг.2 из карбонильного железа и дискретных углеродных волокон. Измерения и испытания проводились согласно методике, описанной в ГОСТ Р 50011-92.
На фиг.3 представлена схема устройства измерения отражения ЭМВ, где:
- П - отражающая пластина;
- А - рупорная антенна;
- H01, H02 - ответвители;
- В1, В2 - вентили;
- ФВ - перестраиваемый фазовращатель;
- АТТ - перестраиваемый аттенюатор;
- Д - делитель;
- Г - генератор;
- ИМ - измеритель мощности.
На фиг.4 изображен в разрезе поглотитель электромагнитных волн и, входящий в его структуру, как составная часть, радиопоглощающий материал. Кроме того, иллюстрируется механизм прохождения ЭМВ сквозь слоистую структуру поглотителя и последующее отражение ЭМВ от каждого слоя в окружающее пространство. Поглотитель содержит первый внешний слой диэлектрического материала 1, второй слой диэлектрического материала 2, первый слой радиопоглощающего материала 3, второй слой радиопоглощающего материала 4 и металлическую подложку 5.
Внешний слой диэлектрического материала 1 выполнен из полимерной диэлектрической пленки полиэтилентерефталата (ГОСТ 24234-80) толщиной 0,2 мм, второй слой диэлектрического материала 2 выполнен в виде пластины из алюмооксидной керамики толщиной 10 мм. Первый слой радиопоглощающего материала 3 толщиной 2 мм представляет собой полимерное связующее на основе эпоксидной смолы и наполнителя из порошкообразного карбонильного железа. Второй слой радиопоглощающего материала 4 толщиной 2 мм, представляет собой полимерное связующее на основе эпоксидной смолы с распределенными в нем проводящими частицами карбонильного железа с добавлением дискретных углеродных волокон. Вся слоистая структура соединена с металлической подложкой 5, которая выполнена из броневой стали толщиной 2 мм.
Измерения радиопоглощающих свойств проводились в два этапа. На первом этапе исследовались радиопоглощающие свойства калиброванных образцов в виде колец, изготовленных из составов на основе эпоксидной смолы, эпоксидной смолы с различной концентрацией КЖ, эпоксидной смолы с различной концентрацией ДУВ эпоксидной смолы с различной концентрацией КЖ и ДУВ в коаксиально-волноводном тракте, а на втором этапе исследовались радиопоглощающая и радиоотражающая способности выбранных составов слоев на основе эпоксидной смолы с различной концентрацией КЖ и ДУВ, нанесенного в одном случае на металлическую панель 200×200 мм и во втором случае на 16 штук керамической бронеплитки размером 50×50×10 мм, которые затем присоединялись металлической панели размером 200×200 мм.
Коэффициент отражения показывает долю энергии, переизлученной в направлении источника ЭМВ. Величина ослабления электромагнитной энергии оценивает отношение уровней падающей электромагнитной энергии и в области пространства за образцом. Процессы отражения электромагнитных волн от границы раздела двух сред с различными электромагнитными характеристиками и поглощения энергии ЭМВ в объеме материала за счет различных механизмов характеризуют эффективность экранирования электромагнитного излучения.
Исследование экранирующих свойств полученных композиционных материалов на основе эпоксидной смолы с различной концентрацией ДУВ и эпоксидной смолы с различной концентрацией КЖ и ДУВ производили в диапазоне 5…20 ГГц с использованием панорамного измерителя коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) и ослабления и волноводного измерительного тракта.
КСВН связан с коэффициентом отражения Котр следующим соотношением:
КСВН=1+Котр/1-Котр.
Приведенные характеристики получены для двухслойного материала толщиной 4 мм, включающего 1-й 2-ой слои одинаковой толщины, равной 2 мм. При измерении коэффициента отражения СВЧ сигнала поглощающий слой нанесен на металлическую основу. Наполнитель выполнен двухслойным: первый слой 2 мм состоит из эпоксидной смолы и смеси дискретных углеродных волокон и порошкообразного карбонильного железа при следующем соотношении компонентов, мас.%: эпоксидная смола - 25, дискретные углеродные волокна - 10, порошкообразное карбонильное железо - 65 соответственно, второй слой 2 мм из эпоксидной смолы и порошкообразного карбонильного железа при соотношении компонентов, мас.%: эпоксидная смола - 20, порошкообразное карбонильное железо - 80 соответственно.
Измерения осуществлялись в диапазоне частот 5-20 ГГц. Анализ результатов измерений был проведен по экспериментально полученным значениям коэффициентов передачи и отражения исследуемых РПМ. При измерениях за образцами устанавливалась металлическая панель. Получено, что предложенная конструкция поглотителя в диапазоне частот 5-20 ГГц ослабляет электромагнитное излучение на частоте, равной 5 ГГц, на величину -6…-12 дБ при значении коэффициента отражение равном -0,8…-4 дБ а на частоте 20 ГГц ослабляет электромагнитное излучение коэффициент на величину -26…-40 дБ при значении коэффициента отражение равном -3,2…-1,8 дБ.
На графиках (фиг.1 и фиг.2) приведены полученные частотные зависимости коэффициентов отражения исследуемых образцов радиопоглощающих материалов в диапазоне частот 5-20 ГГц.
Измерение коэффициента отражения предложенной конструкции поглотителя в диапазоне частот 5-20 ГГц проводилось следующим образом:
Изготовленная из исследуемого материала квадратная пластина размером 200×200 мм устанавливается перпендикулярно оси облучающей ее рупорной антенны, которая одновременно является и приемной антенной отраженной волны от квадратной пластины. Расстояние от пластины до антенны составляет 50-60 см. Специальным устройством обеспечивается возможность плавного измерения этого расстояния. Тип используемой антенны - П6-12.
Излучаемая антенной волна отражается от пластины, затем от антенны (из-за рассогласования последней с пространством) и пластины один, два, три и так далее до бесконечности раз, формирует суммарную волну, принимаемую антенной. СВЧ сигнал, принятый антенной, будет иметь амплитуду
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>α</mi><mi>k</mi></mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>α</mi><mi>k</mi><mi>ρ</mi><mi>β</mi><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ϕ</mi><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>p</mi><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>x</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
,
где U - амплитуда излучаемого антенной сигнала,
2
ρ - коэффициент отражения волны от антенны (по мощности),
α - для мощности излучаемой антенной волны, попадающей на пластину,
k - искомый коэффициент отражения пластины (по амплитуде),
β - доля мощности отраженной от пластины волны, падающая в антенну,
Δр - приращение фазы при отражении волны от антенны,
Δх - приращение фазы при отражении волны от пластины,
<mrow><mi>φ</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>l</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mo>,</mo></mrow>
l - расстояние от излучателя антенны до пластины, λ - длина волны.
min
max
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>β</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>α</mi><mi>k</mi></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>α</mi><mi>k</mi><mi>β</mi><mi>ρ</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>β</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>α</mi><mi>k</mi></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>α</mi><mi>k</mi><mi>β</mi><mi>ρ</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
Из приведенных выражений следует, что при плавном измерении расстояние от антенны до пластины на λ/2 амплитуда принятого сигнала пробегает весь набор значении от A
до A
min
max
min
max
С помощью аппаратуры, подключенной к антенне, измеряемые величины V и V пропорциональны соответственно A и A. В результате будем иметь два соотношения
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>M</mi><mfrac><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>β</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>α</mi><mi>k</mi></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>α</mi><mi>β</mi><mi>ρ</mi><mi>k</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>M</mi><mfrac><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>β</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>α</mi><mi>k</mi></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>α</mi><mi>β</mi><mi>ρ</mi><mi>k</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
и
o
Далее пластина, изготовленная из исследуемого материала, заменяется на пластину с такими же размерами, сделанную из материала с известным коэффициентом отражения k. Обычно это металлическая пластина, коэффициент отражения которой принимается равным единице.
Описанным выше способом для этой пластины получаем два соотношения
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>M</mi><mfrac><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>β</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>α</mi><msub><mi>k</mi><mi>o</mi></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>α</mi><mi>β</mi><mi>ρ</mi><msub><mi>k</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>M</mi><mfrac><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>β</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>α</mi><msub><mi>k</mi><mi>o</mi></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>α</mi><mi>β</mi><mi>ρ</mi><msub><mi>k</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
и
Соотношения (1) и (2) решается относительно неизвестного k в виде
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mi>o</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>v</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>v</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>v</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>v</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>v</mi><mi>o</mi></msub><msub><mrow /><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>v</mi><mrow><mi>o</mi><mi>min</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
max
min
omax
omin
По формуле (3) производится расчет коэффициента отражения к исследуемого материала по данным измерений V, V, V, V.
max
min
omax
omin
Схема устройства измерения величины V, V, V, V представлена на фиг.3.
Для разделения излучаемого через антенну сигнала, облучающего пластину и принимаемого сигнала, используются направленные ответвители и вентили. Через выход 1 направленного ответвителя Н01 принимаемый антенной сигнал поступает на измеритель мощности ИМ. В качестве величины V, пропорциональной амплитуде принимаемого сигнала, берется корень квадратный из измеренного значения мощности.
Для исключения влияния на результаты измерения сигнала, идущего на излучения, который вместе с принимаемым сигналом может проходить на выход 1 направленного ответвителя Н01, в устройстве имеется компенсационный канал, включающий в себя выход 2 направленного ответвителя Н02, перестраиваемый аттенюатор АТТ и перестраиваемый фазовращатель ФВ. На делители Д сигналы измерительного и компенсационного каналов складываются, после чего поступает на измеритель мощности ИМ.
Компенсация проникающего через измерительный канал измеряемого сигнала осуществляется при убранной отражающей пластине путем установки такого затухания и поворота фазы сигнала в компенсационном канале, при котором измеритель мощности показывает нуль мощности.
Измерения коэффициентов отражения известных материалов флана и оргстекла с известными по справочникам и техническим условиям характеристиками, проведенные изложенным способом, дали результаты, практически совпадающие с теоретическими расчетами.
Приведенные характеристики получены для заявляемого многослойного РПМ суммарной толщиной примерно 14 мм.
При измерении коэффициента отражения СВЧ сигнала поглощающий слой нанесен на металлическую основу. Наполнитель выполнен двухслойным: первый слой 2 мм состоит из эпоксидной смолы и смеси дискретных углеродных волокон и порошкообразного карбонильного железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:, эпоксидная смола - 25, дискретные углеродные волокна - 10, порошкообразное карбонильное железо - 65 соответственно. Второй слой толщиной 2 мм наносится на 1-й слой и состоит из эпоксидной смолы и порошкообразного карбонильного железа при соотношении компонентов, мас.%: эпоксидная смола - 20, порошкообразное карбонильное железо - 80 соответственно.
Использование в качестве полимерной связующей основы эпоксидной смолы, например, марки ЭД-20 (ГОСТ 24709-81) позволяет наносить радиопоглощающий материал и на керамическую основу. При этом получаются покрытия из тонкослойного радиопоглощающего материала с высокими поглощающими свойствами, со значением ослабления СВЧ сигнала 5-10 дБ/мм, которые можно использовать для создания радиопоглощающих антирадарных панелей, в том числе для передвижных объектов и транспортных средств.
Примеры осуществления изобретения:
Радиопоглощающий материал приготавливается путем механического смешивания компонентов непосредственно перед нанесением его на покрываемую поверхность. Сначала все компоненты, входящие в состав РПМ, взвешиваются, затем смесь наполнителей из ДУВ и КЖ высыпается в эпоксидную смолу и перемешивается с помощью пропеллерной мешалки, после чего в полученную композицию добавляется отвердитель, снова смесь тщательно перемешивается в пропеллерной мешалке и затем готовый состав наносится на керамическую бронеплитку, помещенную в специальную литьевую форму. После того как этот 1-й слой застынет, его поверхность фрезеруется для обеспечения заданной толщины 2 мм. Потом аналогичным способом приготавливается рецептура смеси для 2-го слоя, которая далее наносится методом литья в той же форме на отфрезерованную поверхность 1-го слоя. В результате получается РПМ суммарной толщиной 4 мм.
В зависимости от необходимого значения снижения уровня или мощности отражаемой электромагнитной волны приготовляют соответствующие соотношения компонентов наполнителя.
Состав рецептур представлен ниже.
Рецептура 1-го слоя
Соотношение компонентов, мас.%:
эпоксидная смола 85-15
наполнитель в виде смеси дискретных углеродных волокон и порошкообразного карбонильного железа 15-85, смесь из порошкообразного карбонильного железа и дискретных углеродных волокон изготавливается при следующем соотношении компонентов, мас.%:
дискретные углеродные волокна 40-10,
порошкообразное карбонильное железо 60-90
Рецептура 2-го слоя
Соотношение компонентов, мас.%:
эпоксидная смола 80-20
порошкообразное карбонильное железо 20-80
Поглотитель с нанесенными по указанным рецептурам слоями может быть использован в составе различных конструкций военной техники и специальных устройств, где требуется обеспечить поглощение ЭМВ повышенной эффективности.
У предлагаемой конструкции поглотителя по мере проникновения ЭМВ из окружающего пространства вовнутрь, в направлении от наружного слоя к внутренним слоям, возрастают значения величин диэлектрической проницаемости радиопоглощающих слоев, удельное сопротивление слоев из полимерного связующего и порошкообразных наполнителей из карбонильного железа и из смеси дискретных углеродных волокон и карбонильного железа. При этом радиопоглощающие и отражающие свойства поглотителя зависят от расстояния между слоями и от величин проницаемостей, связанных с величиной тангенса угла потерь и с величинами удельных сопротивлений поглощающих материалов.
От толщины слоев зависит вес поглотителя, дифракционное рассеяние падающего излучения, интерференционное гашение излучения и эффективность переотражения радиоволн между слоями. Конструкция поглотителя технологична, имеет небольшой вес и позволяет обеспечивать поглощение в широкой полосе частот при использовании необходимого количества поглощающих слоев. Таким образом, при послойном распределении необходимых величин проницаемостей, с учетом их частотной дисперсии, создаются условия для вхождения ЭМВ в материал с минимальным отражением. При дальнейшем движении ЭМВ к металлу возрастают ее поглощение, показатель преломления, рассеяние и сжатие, но продолжает снижаться отражение.
Сопоставимый анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный поглотитель ЭМВ отличается от известного тем, что диэлектрический материал выполнен составным в виде пластины из алюмооксидной керамики с нанесенной на внешнюю сторону полимерной диэлектрической пленкой, радиопоглощающий материал выполнен из 2-х слоев, причем 1-й слой, находящийся за диэлектрическим материалом представляет собой полимерное связующее и порошкообразный наполнитель из карбонильного железа, а 2-ой слой, находящийся между 1-ым слоем и металлической подложкой, представляет собой полимерное связующее и порошкообразный наполнитель из смеси дискретных углеродных волокон и карбонильного железа, которые обладают большой величиной тангенса угла потерь, достигающей нескольких десятков единиц, что необходимо для эффективного затухания радиоволн в широкой полосе частот.
Предложенная конструкция поглотителя обладает небольшим весом и высокой эффективностью снижения коэффициента отражения.
Поглотитель работает следующим образом.
Прямая электромагнитная волна (волна В1) поступает в наружный слой из диэлектрического материала в виде полимерной диэлектрической пленки 1, граничащей с воздухом и имеющей небольшую величину диэлектрической проницаемости (фиг.4), при этом волна немного отражается от передней поверхности (волна В2). Далее волна поступает в диэлектрический материал в виде пластины из алюмооксидной керамики 2, имеющей несколько большую величину диэлектрической проницаемости, чем у полимерной диэлектрической пленки. Достигая границы раздела между керамикой 2 и радиопоглощающим материалом 3, волна частично отражается (волна В4), а большая часть проникает в первый слой радиопоглощающего материала 3, состоящего из полимерного связующего на основе эпоксидной смолы и порошкообразного наполнителя из карбонильного железа, претерпевает небольшое затухание из-за дифракционного рассеяния, интерференции, поглощения и переотражения (волны В4-1 и В4-2). Далее электромагнитная волна поступает во второй радиопоглощающий материал 4 в виде полимерного связующего и порошкообразного наполнитель из смеси дискретных углеродных волокон и карбонильного железа. Достигая границы раздела между слоем радиопоглощающего материала 4 и металлической подложкой, волна частично отражается (волна В5-1), а часть ее по мере проникновения во второй слой радиопоглощающего материала 4 переотражается от металлической подложки и выходит наружу (волна В5-2).
Такое комплексное рассеяние энергии происходит на границе каждого поглощающего слоя, как радиопрозрачного, так и изолирующего слоя, но с разной интенсивностью. Чем ближе поглощающий слой к металлу, тем больше интенсивность рассеяния, поскольку последующие слои выполнены из материалов с уменьшающимися величинами удельных сопротивлений и нарастающими величинами диэлектрических проницаемостей. В связи с этим комплексное рассеяние энергии радиоволн в поглотителе возрастает почти до полного их затухания.
Таким образом, конструкция поглотителя за счет многослойное™ и применения сочетания карбонильного железа и дискретных углеродных волокон эффективна в широком диапазоне длин волн и минимальна по толщине и весу по сравнению с прототипом. Этому способствует применение в поглощающих покрытиях слоев из материалов с уменьшающимися величинами удельных сопротивлений и нарастающими величинами диэлектрических проницаемостей. Внешняя полимерная диэлектрическая пленка выполнена из полиэтилентерефталата, величина диэлектрической проницаемости которого составляет 2,54-4,0, а у следующей за ней на пути проникновения ЭМВ пластины из алюмооксидной керамики величина диэлектрической проницаемости равна 8,0-10,0.
Радиопоглощающий материал, находящийся за диэлектрическим материалом, представляющий собой полимерное связующее и порошкообразный наполнитель из карбонильного железа, имеет малую величину удельного сопротивления, а 2-ой слой, находящийся между 1-ым слоем и металлической подложкой и представляющий собой полимерное связующее и порошкообразный наполнитель из смеси дискретных углеродных волокон и карбонильного железа, так же имеет малую величину удельного сопротивления.
Часть падающей на материал из пространства СВЧ-энергии электромагнитной волны поглощается путем преобразования в энергию теплового движения молекул материала наполнителя, а часть хаотично переотражается в пространство. В переотражении многократно участвуют все частицы наполнителя, распределенные в полимерной основе, являющие элементарными излучателями с широкими диаграммами направленности. Переотражение электромагнитной волны является не зеркальным, а диффузно рассеянным. Поглотитель, содержащий диэлектрические волокна, полимерное связующее и расположенные в отдельных слоях поглощающие элементы, например порошок карбонильного железа и дискретные углеродные волокна, концентрация которых возрастает в направлении от наружного слоя к металлу позволяют обеспечить минимальное отражение и максимальное поглощение ЭМВ.
Использование изобретения обеспечивает снижение заметности защищаемого объекта в радиолокационном диапазоне электромагнитных волн (ЭМВ). Производство и использование заявляемого материала не накладывает жестких требований к безопасности персонала и технологическому оборудованию, т.к. все используемые материалы не токсичны.
Использование дискретных углеродных волокон приводит к возникновению в композиционном материале специфических атомно-молекулярных структур, в которых возникают флуктуации диэлектрической проницаемости, приводящие к значительному увеличению рассеивания СВЧ мощности в композиционном материале на основе разности диэлектрической проницаемости.
Использование порошкообразного карбонильного железа приводит к образованию в композиционном материале нерегулярных структур, в которых возникают флюктуации магнитной проницаемости, также приводящие к рассеиванию СВЧ мощности на основе разности магнитной проницаемости.
Использование дискретных углеродных волокон позволяет в разы увеличить поглощающие свойства РПМ. Использование порошкообразного карбонильного железа значительно снижает отражение электромагнитных волн от РПМ.
Использование двухслойного или многослойного поглотителя из тонких слоев композиционных материалов позволяет создать структуры РПМ с поглощением СВЧ мощности - 40 дБ и малой величиной собственного коэффициента отражения в РПМ толщиной несколько миллиметров.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в создании РПМ, который уменьшит мощность отраженного сигнала ЭМИ (отраженной электромагнитной волны от объекта) в направлении облучающего радиолокатора на 10-30 дБ (в зависимости от требуемой величины снижения) по отношению к уровню или мощности сканирующей электромагнитной волны радиолокатора и снижении вероятности обнаружения или классификации объектов, расширении диапазона частот от 5 ГГц до 20 ГГц поглощения ЭМИ и обеспечении достаточности поглощения ЭМИ в диапазоне частот 5-20 ГГц.
Кроме того, использование в конструкции поглотителя пластины из алюмооксидной керамики дополнительно обеспечивает пулестойкость конструкции, что позволяет за счет этой технической характеристики расширить область применения предлагаемого поглотителя, в частности для различной военной техники.