ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО РАДИОМАТЕРИАЛА
PROTECTIVE COATING BASED ON POLYMER COMPOSITE RADIO MATERIAL

Изобретение относится к области радиопоглощающих материалов и покрытий, а конкретней - к системам защиты от высокочастотного электромагнитного излучения (ЭМИ), и может быть использовано для защиты бытовой, промышленной и научной аппаратуры от высокочастотных электромагнитных полей, а также для снижения вредного воздействия высокочастотного излучения на организм человека.
Уровень техники
На сегодняшний день разработано множество композиционных материалов, которые снижают уровень микроволнового излучения.
Известно радиопоглощающее в широком диапазоне частот покрытие, которое включает в себя трехслойную эластичную пластину на основе резины, наполненной ферритовым порошком с различным содержанием последнего в каждом слое. Способ изготовления радиопоглощающего покрытия включает изготовление каждого слоя пластины, соединение первых трех слоев методом совулканизации, намагничивание четвертого слоя и установку в нем металлических или керамических магнитов, при этом намагничивание четвертого слоя осуществляют методом арочного намагничивания, после чего его приклеивают к пластине из первых трех слоев (Пат. РФ №2256984, H01Q 17/00. Радиопоглощающее покрытие и способ его изготовления).
Недостатком такого покрытия являются: значительная толщина, сложность в изготовлении и значительный вес радиопоглощающего покрытия.
В патенте РФ №2234775 описан способ получения радиопоглощающего покрытия, который включает послойное нанесение на подложку слоев радиопоглощающего материала, содержащего 20-70 масс. % смеси микрошариков, изготовленных из природного граната по плазменной технологии, и связующего вещества с закреплением нанесенного покрытия путем термообработки.
Основным недостатком такого изобретения является применение термообработки. При термообработке необходимо учитывать скорость режимов нагрева и охлаждения, температуру, среду, продолжительность изотермических выдержек. Режимы термической обработки подбирают с учетом фазовых и структурных превращений в материале с целью получения необходимого комплекса свойств. Это долгий и трудоемкий процесс.
Известно изобретение (пат. РФ №2482149), которое состоит из полимерного связующего с наполнителем в виде смеси порошкообразного феррита и карбонильного железа с диаметром частиц сферической формы 10-50 мкм и смеси фуллеренов С-60 и С-70. Недостатком этого изобретения является высокая стоимость используемых материалов.
В патенте РФ №2375395 предложен композиционный материал для поглощения электромагнитных волн на основе магнитодиэлектрического материала, содержащий полимерное диэлектрическое связующее, представляющее собой полиорганосилоксановый олигомер с добавкой катализатора, и магнитодиэлектрический тонкодисперсный наполнитель, выполненный из сплава железо-алюминий.
Недостаток заключается в следующем: покрытие изготовлено из дорогостоящего материала по сложной технологии, включающей измельчение до микропорошка и рассев.
3
Сущность изобретения, описанная в патенте РФ №2275719, заключается в том, что радиопоглощающий материал, изготовленный в виде армированного стеклотканью кольца, содержит углерод технический, а в качестве полимерной основы использован пенополиуретан в приведенном в формуле соотношении. Технический результат заключается в получении радиопоглощающего материала с удельным весом 0,4 г/см, работоспособного в условиях вибрационных нагрузок антенных систем, повышенной влажности, пониженного атмосферного давления и циклического изменения температур.
Недостатками данного материала являются неоднородность (размер пор от 0,1 до 3 мм и не регулируется), ненадежность.
Патент РФ №2369947 описывает изобретение, которое относится к материалам для поглощения электромагнитных волн (ЭМВ). Оно может быть использовано для уменьшения изрезанности или улучшения формы диаграмм направленности (ДН) антенн в антенных устройствах, состоящих из одной или нескольких антенн, размещенных в непосредственной близости с металлической или диэлектрической поверхностью сложной геометрической формы, а также для снижения радиолокационной видимости антенной системы, например самолетного применения. Сущность изобретения заключается в том, что в составе на основе диэлектрика, состоящего из карбонильного железа и полимерного связующего, в качестве полимерного связующего использован эпоксидный эластомер с отвердителем.
Однако данное радиопоглощающее покрытие не пригодно для сверхширокополосных антенн.
Известно устройство (пат. РФ №2169952), которое состоит из ферритовой подложки и нанесенного на него согласующего диэлектрического слоя с углеродным наполнителем. Представляет собой слоистую структуру, состоящую из плоских слоев звукопоглощающего материала различной плотности, причем плотность слоев уменьшается по мере удаления от ферритовой подложки. В качестве звукопоглощающего материала может быть использован неорганический, негорючий материал, например вспененный базальт. 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.
70
В патенте РФ №2355081 представлено описание изобретения, техническим результатом которого является повышение радиопоглощающих свойств материала как по электрической, так и по магнитной составляющей электромагнитного излучения радиоволнового диапазона. Повышение радиопоглощающих свойств материала достигается за счет ввода в полимерный диэлектрический материал, содержащий микрогранулы, матрицы которых являются прозрачными для излучения радиоволнового диапазона и содержат вещества, поглощающие электрическую и магнитную составляющие радиоволнового излучения, при этом каждый вид микрогранул содержит только одно радиопоглощающее вещество, выбранное из группы, содержащей феррит, медь, фуллерен С, равномерно распределенное во всем объеме материала матрицы в форме нанокластеров. Недостатком этого изобретения является сложность изготовления.
Патент РФ №2231877 описывает изобретение, относящееся к радиотехнике. Технический результат заключается в получении эластичного поглощающего состава, химически инертного в замкнутом герметичном объеме СВЧ-микроблоков с большим коэффициентом поглощения в диапазоне частот до 18 ГГц, работоспособного в условиях вибрационных нагрузок и интервале температур от -60 до +200°С. Сущность изобретения заключается в том, что поглотитель содержит карбонильное железо, а в качестве полимерного связующего использованы низкомолекулярный каучук и катализатор №68 (компаунд "Виксинт ПК-68").
Недостатками данного изобретения являются высокий коэффициент отражения на частотах от 20 до 100 ГГц и нестабильность поглощающих характеристик из-за окисления железа при длительной эксплуатации во влажной среде.
В патенте США №5661484 описано устройство для поглощения излучения радаров. Покрытие имеет 2 типа электропроводных немагнитных прямолинейных волокон, отличающихся друг от друга значениями диэлектрической проницаемости (ДП). Для получения требуемых значений ДП были подобраны длина, диаметр и объем волокон. Одни волокна изготовлены из графита марки Т300 или AS-4 с малым диаметром и обладают относительно высоким электрическим сопротивлением. Вторые волокна изготовлены из металлов - нержавеющей стали, Ni, Cu и покрыты графитом. В качестве связующего можно использовать резину или полимеры. Такой поглощающий материал имеет комплексную диэлектрическую проницаемость. Это позволяет изобретению поглощать ЭМВ в широком диапазоне. Недостатком такого покрытия является высокая цена и сложность технологии его получения.
В патенте США №6231794 описан радиопоглощающий материал, который состоит из пористого эластичного материала, например полиуретана, который покрыт слоем пористого эластичного материала с распределенными в нем проводящими частицами, например частицами графитовой пудры или частицами углеродного материала, смешанными с металлическими частицами. Материал получается эластичным, имеет толщину не более 2,5 мм.
Однако недостатком такого поглощающего покрытия является малая механическая прочность, что сужает область его применения.
Известен материал, который используется для ослабления отражения сигналов радара (пат. США №5817583). Между двумя слоями полимера размещена ткань, полости между нитями ткани заполнены материалом, ослабляющим отражение электромагнитной волны (ЭМВ). В качестве материала, ослабляющего отражение ЭМВ, могут быть использованы гранулы углерода, углеродное волокно с малой длиной волокон, карбонильное железо, ферриты, металлизированные микросферы. Достоинством такого материала является гибкость, тканью можно покрывать изделия любых форм. Но существенным недостатком изобретения является сложность изготовления такого покрытия.
В патенте США №5617095 описано устройство, которое является широкополосным поглотителем ЭМИ. Поглотитель содержит металлическую пластину, на которой располагается ферритовая пластина. На поверхности ферритовой пластины установлены несколько разделенных промежутками конических элементов из феррита или композиционного материала на основе феррита.
Недостатками данного решения являются недостаточно широкий частотный диапазон, большой вес и технологическая сложность изготовления.
В патенте США №5135959 описан радиопоглощающий материал на основе сложных полиамидных пен с равномерной плотностью. В пене содержатся радиопоглощающие компоненты (частицы железа, феррита, углерода).
Низкая влагостойкость приводит к изменению свойств материала и сокращению сроков эксплуатации.
В патенте РФ №2380867 описан композиционный материал для защиты от электромагнитных полей радиочастотного диапазона, который позволяет увеличить поглощение электромагнитного излучения при сохранении тех же значений отражения. В композиционный радиопоглощающий материал, содержащий порошкообразный феррит и полимерное связующее, введены углеродные нанотрубки, а сам ферритовый порошок выбран в качестве основы в виде бариевого гексагонального феррита, легированного ионами скандия, с дисперсностью от 5 до 50 мкм.
Главным недостатком является то, что материал эффективно работает в диапазоне частот от 12 ГГц до 22 ГГц, однако в низкочастотной области СВЧ излучения (ниже 12 ГГц) данный материал теряет свои поглощающие свойства.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство, описанное в патенте на полезную модель РФ №128790 (прототип).
Защитный экран для снижения микроволнового излучения сотового телефона выполнен из параллельных слоев материалов с различными свойствами и включает поглотитель электромагнитных волн, отражатель электромагнитных волн и защитно-декоративное покрытие суммарной толщиной около 2,5 мм. Поглотитель выполнен из материала на основе связующего, содержащего смесь порошка микроволновых ферритов и углеродных наноструктур при массовом соотношении приблизительно 9:1 в суммарном количестве 48÷52 мас. %. Отражатель выполнен из неметаллического материала на основе связующего, содержащего углеродные наноструктуры в количестве 10÷15 мас. %. В качестве порошка микроволновых ферритов использован порошок гексаферрита с размером частиц 1÷5 мкм, а в качестве связующих - полимерные связующие (полиметилметакрилат, силикон, эпоксидная смола).
Основным недостатком защитного экрана является то, что он работает в узком диапазоне частот от 400 МГц до 3,5 ГГц. Недостатком является и то, что в качестве основы композиционного материала использованы 2 материала: феррит и углеродные нанотрубки. Кроме того, защитный экран представляет собой многослойную структуру, что увеличивает вес защитного покрытия, усложняет и удорожает технологию его изготовления.
Технической задачей заявленной полезной модели является создание защитного покрытия, значительно расширяющего область защиты от микроволнового излучения, обладающего меньшей массой и толщиной, а также обеспечивающего простоту изготовления, стабильность и технологическую воспроизводимость защитных свойств, без применения в его составе тяжелых ферритов.
Поставленная задача решена следующим образом.
Защитное покрытие для снижения уровня воздействия электромагнитного излучения представляет собой полимерный композиционный материал, в основе наполнителя которого лежат многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ) и связующее - эпоксидная смола. Многостенные углеродные нанотрубки содержатся в следующей концентрации, мас. %:
многостенные углеродные нанотрубки
2-8
полимерное связующее - эпоксидная смола
остальное до 100
Оптимальные защитные свойства имеют порошки многостенных углеродных нанотрубок со средним диаметром 9,4 нм либо со средним диаметром 18,6 нм. Защитное покрытие заявленного состава наносят в один слой толщиной 2,8 мм. При нанесении более толстого слоя защитные свойства улучшаются.
Эпоксидная смола имеет высокую прочность клеевого соединения, незначительную влагопроницаемость в отвержденном виде, высокую физико-механическую прочность и устойчивость к абразивному износу. Используемые типы эпоксидных смол, отвердителей и их концентрации приведены в таблице 1. У многостенных углеродных нанотрубок плотность значительно ниже, чем у феррита или металлов, благодаря чему достигается существенное снижение весовых характеристик покрытия.
Многостенные углеродные нанотрубки необходимы в гораздо меньших концентрациях для модификации свойств материалов. Кроме того, покрытия, содержащие МУНТ, имеют высокие коэффициенты отражения и поглощения. При этом композиционные материалы легко обрабатывать, они имеют более высокую прочность, улучшенные электромагнитные характеристики. Изменение концентрации наполнителя в композиционных материалах изменяет характеристики защитного покрытия. Состав исследованных композитов приведен в таблице 2.
Для исследования были выбраны два типа многостенных углеродных нанотрубок (см. табл. 3): МУНТ-А, средний диаметр нанотрубок D=9,4 нм; МУНТ-В, средний диаметр нанотрубок D=18,6 нм.
Для создания образцов использовали следующую схему. Наполнитель и связующее в требуемых пропорциях (по массе) были взвешены на весах Shimadzu AUX-320 (погрешность ~ 0,5 мг), компоненты смешали, смесь перемешали до однородного состояния с использованием ультразвукового диспергатора и магнитной мешалки. Процесс полимеризации длился в течение 12 часов. Готовую смесь помещали в специальную форму. Конечный композит имел толщину 2,8 мм.
На фиг. 1, 2 показаны результаты измерения коэффициентов прохождения (Т) композитов на основе многостенных углеродных нанотрубок.
На фиг. 3, 4 показаны результаты измерения коэффициентов отражения (R) композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок.
На графиках частотных зависимостей коэффициентов отражения имеются максимумы. При увеличении концентрации наполнителя они смещаются в область более низких частот, с 12 ГГц до 4 ГГц для МУНТ-А и с 7 ГГц до 1 ГГц для МУНТ-В. Зависимость коэффициента отражения от концентрации в общем случае является нелинейной. Коэффициент отражения композиционного материала, содержащего МУНТ-В, больше. Вероятно, это связано с большей длиной многостенных нанотрубок и наличием значительного содержания примесей, и, следовательно, с более высокими значениями теплопроводности материала.
На фиг. 5, 6 показаны результаты расчетов коэффициентов поглощения (А) композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок. Коэффициент поглощения (А) рассчитан по известной формуле:
Т+R+А=100%
Устройство работает следующим образом.
Защитное покрытие основано на способности мелкодисперсных составляющих (МУНТ) поглощать падающее излучение. Это осуществляется за счет потерь на проводимость и различных квантово-электрических эффектов, возникающих при воздействии на многостенную углеродную нанотрубку высокочастотным электромагнитным излучением.
Пример осуществления.
В лабораторных условиях были изготовлены восемь различных составов композиционного материала. Описанное защитное покрытие наносят на изделие одним слоем толщиной 2,8 мм. Измерение коэффициентов отражения и прохождения электромагнитного излучения от защитного покрытия производилось волноводным методом, с использованием коаксиальной измерительной ячейки. Экспериментально полученные результаты приведены в таблицах 4, 5.
Как видно из таблиц 4 и 5, коэффициент поглощения нелинейно зависит как от концентрации МУНТ, так и от частоты. На более низких частотах СВЧ диапазона композиты с многостенными нанотрубками диаметром D=18,6 нм имеют лучшие поглощающие свойства. А после 12 ГГц более высоким коэффициентом поглощения обладают композиты с многостенными нанотрубками диаметром D=9,4 нм.
Результаты опытов, приведенные на фиг. 1, 2, показывают, что для получения материала с требуемым коэффициентом поглощения излучения необходимо обеспечить концентрацию МУНТ в области 2-8 мас. %.
Рабочий диапазон излучения полезной модели в настоящее время широко используется для создания электронного оборудования самого различного назначения, поэтому исследованные композиты перспективны для использования в электронных устройствах СВЧ диапазона. Композитные покрытия заявленного состава могут быть использованы для электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, для защиты биологических объектов от влияния микроволнового радиоизлучения, производимого научной и бытовой техникой, и т.д. С увеличением толщины композиционных материалов эффективность экранирования электромагнитного излучения увеличивается.
Техническим результатом является более широкий диапазон экранирования электромагнитного излучения, уменьшение массы и толщины защитного покрытия, снижение уровня электромагнитного излучения в более широком диапазоне частот. Использование в композите МУНТ (без феррита) позволяет упростить технологию изготовления защитного покрытия и снизить конечную стоимость его производства.