РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИОПОГЛОЩАЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ
RADIO ABSORBING MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING RADIO ABSORBING COATING

Изобретение относится к области получения радиопоглощающих покрытий и может быть использовано для уменьшения отражения металлическими поверхностями электромагнитного излучения с целью зашиты летательных аппаратов от обнаружения радиолокационными устройствами, а также для защиты людей от СВЧ излучения и помехозащищенности электронного оборудования.
С развитием средств радиолокационного обнаружения стала актуальной задача защиты объектов от обнаружения. Кроме того актуальна и задача защиты персонала от СВЧ излучения и задача совместимости (помехозащиты) электронных устройств. Наиболее часто для решения таких задач используются радиопоглощающие материалы (РИМ). Такие материалы преобразуют энергию электромагнитного излучения (ЭМИ) в другие виды энергии, чаще в тепловую. Одной из важнейших задач при создании РИМ является требование высокого коэффициента поглощения и одновременно низкого отражения ЭМИ в широком диапазоне длин волн.
В работе В.Л. Богуш, Т.В. Борботько, Л.В. Гусинский, Л.М. Лыньков, А.Л. Тамело «Электромагнитные излучения. Методы и средства защиты» Минск, Бестпринт, 2003 приведены сведения о свойствах радиопоглощающих покрытий (РПП), методах их изготовления с различным подходом к выбору используемых материалов для обеспечения наименьшего отражения от внешней поверхности экрана, обращенной к источнику ЭМИ, требуется реализовать плавный переход волновых характеристик от воздуха к рабочему материалу экрана, то есть сгладить границу раздела сред. Подобного эффекта добиваются, когда слои РПМ, содержащие поглощающие наполнители (сажа, графит, карбонильное железо и др.) располагают в порядке возрастания их плотности по мере удаления от внешней поверхности. Увеличения плотности РПМ можно добиться изменением послойно гранулометрического состава микрошариков, а также введением микросфер или микропеношариков в состав отдельных слоев.
РИМ переменного состава, характеризующиеся разной плотностью наружных и внутренних слоев называются градиентными и изготавливаются послойно. Такие материалы обладают широкополосностью и низким уровнем отражения ЭМИ. К настоящему времени разработано большое количество градиентных РПМ разнообразною состава.
В патенте РФ на изобретение №2169952 (опубликован 27.06.2001. индекс МПК H01Q 17/00) заявлено радиопоглощающее и звукопоглощающее устройство, представляющее собой слоистую структуру, состоящую из плоских слоев материала различной плотности, причем плотность их уменьшается по мере удаления от ферритовой подложки. Согласующие диэлектрические слои могут быть выполнены с различным содержанием углеродного наполнителя. Это устройство работает в широком диапазоне частот, но имеет большой вес из-за большой толщины ферритовой подложки, равной 65 мм, и характеризуется высокой трудоемкостью изготовления.
В патенте РФ №2500704 (опубликован 10.12.2013. индекс МПК H01Q 17/00, C09D 5/12) предлагается изготавливать поглотители ЭМИ в виде двух слоев разного состава, где один слой содержит в качестве поглощающего наполнителя порошок карбонильного железа, а второй слой - смесь карбонильного железа с углеродными волокнами. Недостатком данного технического решения является высокая трудоемкость формирования покрытия из-за необходимости готовить разные составы для разных слоев и наносить слои поочередно. Кроме того высокие значения плотности и диэлектрической проницаемости материалов слоев приводят к значительному отражению ЭМИ на границе раздела воздуха с РПМ.
В качестве прототипа может быть выбрано техническое решение, описанное в патенте РФ №2502766 (опубликован 27.12.2013, индекс МПК C09D). В данном техническом решении повышение физико-технических характеристик РПП достигается за счет нового состава композиционного РПМ. включающего мелкодисперсный наполнитель и связующее вещество, в котором наполнитель представляет собой микрошарики, изготовленные из природного граната по плазменной технологии. При этом РПП изготавливается в виде слоев РПМ. нанесенных на металлическую подложку. Слои наносятся распылением с последующей сушкой каждого слоя. Связующее вещество рекомендуется дополнять мелкодисперсными частицами кобальта. Четырехстопный образец такого РПП размером 150×150 мм и толщиной в верхнем слое 50 мкм, во втором 100 мкм. в третьем 200 мкм, в четвертом 500 мкм показал поглощение -10дб в полосе частот от 30 до 65 ГГц. При этом состав материала каждого слоя по всем слоям одинаков и однороден. Недостатком данного технического решения является большая сложность и продолжительность формирования РПП из-за его многослойности. Кроме того, одинаковая у всех слоев высокая плотность и диэлектрическая проницаемость материала приводит к росту уровня отражения ЭМИ от поверхности РПП.
Задачей предлагаемого изобретения является создание радиопоглощающего материала, обеспечивающего получение однослойного радиопоглощающего покрытия с бесступенчато изменяющейся величиной плотности и диэлектрической проницаемости и обладающего низким уровнем отражения электромагнитною излучения.
Технический результат - повышение технологичности изготовления РПП, высокие радиопоглощающие свойства покрытия.
Технический результат достигается тем, что в способе получения радиопоглощающего покрытия путем приготовления радиопоглощающего материала и нанесения его на поверхность с последующим отверждением, радиопоглощающий материал получают путем смешивания связующего вещества и наполнителей с отличающимися величинами плотности, самопроизвольно распределяющимися в слое покрытия в процессе отверждения, при этом в качестве наполнителей используют полые полимерные микросферы, железо карбонильное, и углеродные нанотрубки.
Технический результат достигается тем, что в радиопоглощающем материале, включающем связующее вещество и радиопоглощающий наполнитель, в качестве наполнителя использованы полые полимерные микросферы, углеродные нанотрубки и мелкодисперсное карбонильное железо, при следующем соотношении массовых частей компонентов (масс. ч.):
связующее вещество
100
железо карбонильное
50-150
полые полимерные микросферы
5-10
углеродные нанотрубки
0,5-1
На фигуре представлен образец фрагмента изделия с покрытием, где:
1 - слой радиопоглощающего материала;
2 - металлическая пластина.
Для реализации предлагаемого технического решения в качестве связующего вещества может быть использован любой низковязкий, подходящий по физико-механическим, свойствам компаунд, например «Виксинт ПК-68» ТУ 38.1035088-81, состоящий из низкомолекулярного каучука и катализатора отверждения. В качестве наполнителей использовались железо карбонильное марки Р-10 ГОСТ 13610-79, углеродные нанотрубки «Таунит-М» ТУ 2166-001-77074291-2012 и полые полимерные микросферы марки БВ-01 ТУ6-05-221 -258-87. На каждые 100 частей связующего вещества берут наполнители в следующих количествах: железо карбонильное от 50 до 150 частей, полые полимерные микросферы от 5 до 10 частей и углеродные нанотрубки от 0,5 до 1 части по массе.
Компоненты РПМ смешиваются в емкости с помощью механического миксера в течение 5-10 минут, а полученная композиция немедленно заливается в выставленную горизонтально по уровню форму слоем толщиной 3 мм. Возможна заливка слоями других толщин или нанесение композиции на горизонтальную поверхность изделий слоем ~1 мм при помощи кисти. В процессе отверждения - во время сохранения текучести композиции, происходит перераспределение частиц наполнителей в объеме слоя материала. Так легкие полимерные микросферы концентрируются у внешней стороны слоя РПМ, а тяжелые металлические частицы - у металлической пластины. Углеродные нанотрубки присутствуют во всей толще слоя материала. Таким образом за один прием формируется слой эффективного радиопоглощающего материала градиентного типа, не имеющий резких границ раздела в толще слоя, обладающий малыми значениями плотности и диэлектрической проницаемости поверхностных слоев и бесступенчатым ростом этих величин у нижних слоев. Низкое значение величины диэлектрической проницаемости поверхностного слоя РПМ позволяет минимизировать явление отражения ЭМИ от поверхности. Плавный рост величины диэлектрической проницаемости с увеличением глубины проникновения ЭМИ в РПМ способствует наиболее эффективному поглощению излучения.
По приведенной выше технологии были изготовлены экспериментальные образцы по следующей рецептуре: на каждые 100 грамм компаунда «Виксинт ПК-68» брали наполнители в следующих количествах: железо карбонильное 100 грамм, полые полимерные микросферы 7 грамм и углеродные нанотрубки 0,7 грамм.
Размеры образцов 200х200 мм. Толщина отлитых в заливочной форме пластин РПМ ~3 мм. Крепление пластин РПМ к металлическим листовым заготовкам производилось с помощью клея-герметика «Эласил 11-01».
Для сравнения эффективности поглощения ЭМИ РПМ градиентного типа по сравнению с обычными были изготовлены экспериментальные образцы, по описанной выше технологии, той же рецептуры, только в процессе отверждения заливочную форму каждые 3-5 минут переворачивали. чтобы препятствовать перераспределению частиц наполнителей в объеме слоя материала и формированию градиентного РПМ.
Оценку величины отражения ЭМИ для изготовленных по описанной выше технологии РПП производили по ГОСТ 30381-95 в диапазоне частот 5 - 20 ГГц.
В таблице 1 представлены результаты измерения величины отражения при нормальном падении ЭМИ с частотами 5, 10 и 20 ГГц от образцов, представленных на фигуре, для двух описанных выше вариантов с одинаковым составом радиопоглощающего покрытия, отличающихся распределением частиц - однородным и градиентным.
Таблица 1. Величина отражения ЭМИ от частоты для двух вариантов РПП %.
Тип РПМ
Толщина РПП, мм
Величина отражения ЭМИ, % на частоте
5 ГГц
10 ГГц
20 ГГц
Градинтный
~3 мм
12
8
10
Однородный
~3 мм
26
18
16
Из представленных в таблице характеристик РПП видно, что градиентный РПП характеризуются существенно меньшим уровнем отражения ЭМИ, чем у образца с однородным распределением частиц наполнителей. Это обстоятельство указывает на значительно более высокую эффективность взаимодействия данною РПП с ЭМИ. Представленное техническое решение позволяет получить радиопоглощающее покрытие эффективно работающее в различных диапазонах ЭМИ с минимальным уровнем отражения.
Таким образом изобретение обеспечивает максимальную технологичность, так как материал готовится и наносится в один прием, а также минимальную величину отражения падающего электромагнитного излучения за счет новою состава композиционною РПМ. включающею низковязкое связующее вещество, в котором распределены три вида наполнителей с сильно различающейся плотностью.