Устройство для поглощения электромагнитного излучения

Полезная модель относится к устройствам для поглощения электромагнитного излучения, уменьшающим величину и/или мощность отраженного сигнала от электромагнитной волны в широком диапазоне частот, и может быть использована в качестве защитного приспособления для уменьшения радиолокационной заметности объектов различных типоразмеров и конфигураций.
Известен радиопоглощающий материал, предназначенный для нанесения на покрываемую поверхность, содержащий полимерное связующее и магнитный наполнитель в виде порошкообразного феррита или железа в определенном соотношении компонентов (RU 2107705, 1998).
Известен антирадарный материал, предназначенный для нанесения на покрываемую поверхность, содержащий полимерное связующее и порошкообразный наполнитель, в качестве которого использована трехкомпонентная смесь, составленная в определенном соотношении компонентов (RU 2300832, 2007). В известном техническом решении трехкомпонентная смесь включает феррит, карбонильное железо в виде частиц сферической формы и смесь фуллеренов С-60 и С-70 в определенном соотношении компонентов.
Общим существенным недостатком известных технических решений является использование магнитоэлектрических материалов в качестве радиопоглощающего материала, что позволяет снизить радиолокационную заметность в узком диапазоне поглощаемых частот (от 8 до 13 ГГц), но одновременно повышает заметность в инфракрасном спектре за счет повышения температуры нанесенного на покрываемую поверхность радиопоглощающего материала при переходе части электромагнитной энергии в тепловую. Кроме того, с повышением температуры свыше 100°С происходит значительное снижение поглощения электромагнитной энергии.
Известен радиопоглощающий материал, предназначенный для нанесения непосредственно на поверхность защищаемого объекта и/или на гибкую электропроводящую основу, содержащий полимерное связующее, наполнитель в виде смеси порошкообразного феррита и карбонильного железа, выполненной в виде частиц сферической формы, смеси фуллеренов С-60 и С-70 и углеродных нанотрубок, выполненных в виде многослойных распрямленных трубок определенного диаметра при заданном соотношении компонентов (RU 2482149, 2013). Недостатком известного технического решения является узкий диапазон поглощаемых частот (от 2 до 20 ГГц), и снижение радиопоглощающих свойств с повышением температуры нанесенного на покрываемую поверхность радиопоглощающего материала.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемой полезной модели является устройство для поглощения электромагнитного излучения, содержащее подложку с нанесенным на ее поверхность радиопоглощающим материалом, включающим составленные в определенном соотношении полимерное связующее и порошковый наполнитель в виде многокомпонентной смеси, частицы которой имеют сферическую форму (RU 162226, 2016). В известном техническом решении в качестве порошкового наполнителя используют трехкомпонентную смесь из частиц сферической формы определенного гранулометрического состава, причем в качестве компонентов используют карбид циркония, оксид циркония и астрален. Известное техническое решение обеспечивает снижение вероятности обнаружения или классификации объекта в расширенном диапазоне поглощаемых частот (до 40 ГГц). Существенным недостатком известного технического решения является снижение уровня и/или мощности отражаемой волны при рабочей температуре материала выше 65°С.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в необходимости повышения эффективности поглощения электромагнитного излучения при рабочей температуре радиопоглощающего материала устройства свыше 65°С.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели, заключается в обеспечении эффективного поглощения электромагнитного излучения при температурах радиопоглощающего материала до 500°С.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для поглощения электромагнитного излучения, содержащем подложку с нанесенным на ее поверхность радиопоглощающим материалом, включающим составленные в определенном соотношении полимерное связующее и порошковый наполнитель в виде многокомпонентной смеси, частицы которой имеют сферическую форму, радиопоглощающий материал дополнительно включает вискеры монокристалла карбида кремния, а многокомпонентная смесь содержит карбид кремния, карбид молибдена, карбид вольфрама, дисилицид молибдена, силицид вольфрама при следующем соотношении компонентов материала, мас.%:
полимерное связующее
25-35
карбид кремния
35-40
карбид молибдена
6-10
карбид вольфрама
3-5
дисилицид молибдена
5-10
силицид вольфрама
3-5
вискеры монокристалла карбида кремния
8-10,
причем диаметры частиц многокомпонентной смеси составляют:
карбид кремния
от 10 до 15 мкм
карбид молибдена
от 10 до 15 мкм
карбид вольфрама
от 5 до 10 мкм
дисилицид молибдена
от 3 до 5 мкм
силицид вольфрама
от 1 до 3 мкм,
а вискеры монокристалла карбида кремния выполнены в виде двух типоразмеров: диаметром 5 мкм и длиной 300 мкм, и диаметром 1 мкм и длиной 10 мм при их весовом соотношении 2:1.
Существенность отличительных признаков полезной модели подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая полезную модель, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата.
Предложенное техническое решение поясняется последующим подробным описанием устройства для поглощения электромагнитного излучения со ссылкой на фигуру, где на графике представлена зависимость снижения уровня и/или мощности отражаемой волны электромагнитного излучения от температуры в диапазоне частот от 10 до 40 ГГц.
Устройство для поглощения электромагнитного излучения содержит подложку с нанесенным на ее поверхность радиопоглощающим материалом, включающим составленные в определенном соотношении полимерное связующее и порошковый наполнитель в виде многокомпонентной смеси, частицы которой имеют сферическую форму. Радиопоглощающий материал дополнительно включает вискеры монокристалла карбида кремния. Многокомпонентная смесь содержит карбид кремния, карбид молибдена, карбид вольфрама, дисилицид молибдена, силицид вольфрама при следующем соотношении компонентов материала, мас.%:
полимерное связующее
25-35
карбид кремния
35-40
карбид молибдена
6-10
карбид вольфрама
3-5
дисилицид молибдена
5-10
силицид вольфрама
3-5
вискеры монокристалла карбида кремния
8-10
Диаметры частиц многокомпонентной смеси составляют:
карбид кремния
от 10 до 15 мкм
карбид молибдена
от 10 до 15 мкм
карбид вольфрама
от 5 до 10 мкм
дисилицид молибдена
от 3 до 5 мкм
силицид вольфрама
от 1 до 3 мкм
При этом вискеры монокристалла карбида кремния выполнены в виде двух типоразмеров: диаметром 5 мкм и длиной 300 мкм, и диаметром 1 мкм и длиной 10 мм при их весовом соотношении 2:1.
В качестве полимерного связующего могут быть использованы теплостойкие полифункциональные эпоксидные смолы на основе новолаков, аминофенолов, диаминодифенилметана, дициклопентадиена промышленных марок ЭНФБ (ТУ 1-596-36-2005), УП-2227 (ТУ 6-05-241-416-90), ЭДТ-69Н (ТУ 1-595-12-584-2006).
Для обеспечения технического результата процентное содержание компонентов радиопоглощающего материала имеет решающее значение.
Использование в указанных пределах соответственно карбида и силицида вольфрама обеспечивает работоспособность радиопоглощающего материала в диапазоне частот от 10 до 40 ГГц при температурах до 500°С. Использование карбида кремния, карбида и дисилицида молибдена повышает трещиностойкость и адгезионные свойства радиопоглощающего материала. Использование вискеров монокристалла карбида кремния повышает прочность и ударную вязкость радиопоглощающего материала. Снижение нижних пределов содержания перечисленных компонентов не обеспечивает достижения технического результата, а использование их в пределах выше указанных не обеспечивает дальнейшего повышения эффективности устройства при повышении температуры более 500°С и приводит к удорожанию радиопоглощающего материала. Кроме того, увеличение содержания карбида и силицида вольфрама приводит к повышению хрупкости и снижению адгезионных свойств радиопоглощающего материала.
Радиопоглощающий материал изготавливают путем смешивания компонентов непосредственно перед нанесением его на покрываемую поверхность подложки устройства. В зависимости от необходимого значения снижения уровня и/или мощности отражаемой электромагнитной волны, составляют соответствующее соотношение компонентов материала.
Устройство для поглощения электромагнитного излучения работает следующим образом.
Применяемые в радиопоглощающем материале соединения и структуры различного гранулометрического состава способствуют снижению коэффициента отражения в результате эффекта интерференции и дифракции. Кроме того, возможность снижения уровня и/или мощности отражаемой внешней поверхностью электромагнитной волны связана с использованием материалов с высокими значениями диэлектрической и магнитной проницаемости, в результате чего в верхних слоях создаются периодические, так называемые киральные проводящие структуры, кооперативно взаимодействующие с электромагнитным излучением. Диаграмма направленности распространяющейся энергии при этом должна быть двумерной и лежать в плоскости отражающего материала. При этом для снижения отражения от плоских проводящих элементов, площадь, занимаемая такими структурами, должна быть минимальной, чему в полной мере соответствует геометрическая структура вискера монокристалла карбида кремния, являющаяся аналогом сверхнаправленной антенны с большой радиационной добротностью.
Для оценки радиопоглощающих свойств были проведены испытания устройства для поглощения электромагнитного излучения с нанесенным на его подложку радиопоглощающим материалом при различных соотношениях его компонентов, мас.% (см. таблицу №1):
Для определения снижения уровня и/или мощности отражаемой электромагнитной волны на подложку наносился слой радиопоглощающего материала толщиной 2,0 мм в соответствии с указанными выше рецептурами 1-3.
Экспериментальные исследования предлагаемого устройства осуществлялись в диапазоне частот электромагнитного излучения от 10 до 40 ГГц. На фигуре представлен график, который отображает зависимость снижения уровня и/или мощности отражаемой волны электромагнитного излучения от температуры в диапазоне частот от 10 до 40 ГГц.
Результаты испытаний устройства, радиопоглощающий материал которого соответствует рецептурам 1-3, представлены ниже (см. таблицу №2). Для сравнения в таблице №2 приведены данные испытаний радиопоглощающего материал известного технического решения (RU 162226, 2016) при рабочей температуре от 50°С до 65°С.
Анализ известных и полученных в результате экспериментальных исследований данных показал следующее:
- в диапазоне частот от 10 до 18 ГГц и при температуре рабочей поверхности от 300°С до 500°С предпочтительным является использование рецептуры 1;
- в диапазоне частот от 18 до 40 ГГц и при температуре рабочей поверхности от 300°С до 500°С предпочтительным является использование рецептуры 2.
Также результаты испытаний устройства, радиопоглощающий материал которого соответствует рецептурам 1-3, показали, что в диапазоне частот излучения от 18 до 25 ГГц достигается максимальное снижение уровня и/или мощности отражаемой внешней поверхностью электромагнитной волны, которое составляет:
- 25 дБ (рецептура 1), 27 дБ (рецептура 3) и 29 дБ (рецептура 2) при температуре от 50°С до 100°С, что аналогично данным известного технического решения (RU 162226, 2016), указанного в качестве наиболее близкого аналога (от 24 до 29 дБ при температуре от 50°С до 65°С);
- от 33 дБ (рецептура 1) до 37 дБ (рецептура 2) при температуре 500°С.
Таким образом, устройство для поглощения электромагнитного излучения позволяет обеспечить эффективное поглощение электромагнитного излучения при температурах радиопоглощающего материала до 500°С в указанном диапазоне частот.