КОНСТРУКЦИОННЫЙ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ
STRUCTURAL RADAR ABSORBING MATERIAL

Изобретение относится к области конструкционных радиопоглощающих материалов, которые используются для обеспечения электромагнитной совместимости бортовой аппаратуры, защиты персонала от электромагнитного излучения в СВЧ диапазоне.
В настоящее время существует множество радиопоглощающих материалов в виде покрытий, напыляемых или приклеиваемых на защищаемые объекты или изделия. При их применении увеличивается вес изделия, что приводит к ограничению толщины и диапазона частот эффективного действия. Кроме того, возникает опасность уноса (отклеивания) покрытия в процессе эксплуатации.
Известен конструкционный материал, поглощающий электромагнитное излучение, представляющий собой многослойную структуру, имеющую в своем составе поглощающие диэлектрические слои, пропитанные полимерным связующим. Поглощающие слои содержат наполнитель в виде диполей из углеродсодержащих волокон и располагаются между диэлектрическими слоями на основе кевлара, пластика или вспененного полиуретана (пат. EP №0742095).
Данная структура материала обеспечивает уровень ослабления ЭМИ более чем на 20 дБ в дискретных частотных диапазонах в пределах от 5 до 26 ГГц и обладает механической прочностью (прочность при растяжении 15 МПа, модуль упругости - 2,5 ГПа).
Известен также трехслойный радиопоглощающий материал диэлектрического типа, включающий слои с разной диэлектрической проницаемостью, возрастающей от внешнего слоя к внутреннему, наполненному электрически проводящими частицами (пат. US №6111534).
Материал эффективен в диапазонах частот 8-18 ГГц, 35 ГГц и 94 ГГц. В качестве поглощающего наполнителя (электрически проводящих частиц) используются гранулы углерода, диаметром меньше 0,1 мм. Количество его не превышает по массе 10% и обеспечивает ослабление электромагнитной энергии отраженной волны более 10 дБ в указанных частотных диапазонах. Кроме того, данный материал имеет прочность на сжатие около 100 МПа.
Недостатком известных технических решений является низкая механическая прочность радиопоглощающих материалов, которая не позволяет изготавливать из них детали и элементы изделий для обеспечения электромагнитной совместимости бортовой аппаратуры, защиты персонала от электромагнитного излучения в СВЧ диапазоне.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является конструкционный радиопоглощающий материал, состоящий из собранных в плоский пакет внешнего конструкционного слоя, тонкого электропроводящего слоя, согласующего диэлектрического слоя и металлического экрана, при этом электропроводящий слой расположен между конструкционным и согласующим диэлектрическим слоем, а с другой стороны согласующего диэлектрического слоя расположен металлический экран (пат. РФ №2367069).
Недостатком прототипа является то, что слои, обеспечивающие прочностные характеристики, не используются как радиопоглощающие, а электропроводящий и согласующий (диэлектрический) слои не являются конструкционными, при этом электропроводящий слой не может обеспечить эффективность в широкой полосе частот. Так, при толщине 14 мм данная структура эффективна только в диапазоне длин волн 3,32-8,62 см (перекрытие всего в 2,6 раза).
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение прочностных характеристик радиопоглощающего конструкционного материала при расширении диапазона длин волн, в котором сохраняются радиотехнические характеристики.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предлагается конструкционный радиопоглощающий материал, включающий последовательно расположенные внешний конструкционный слой, диэлектрический слой и металлический экран, в котором диэлектрический слой является конструкционным и представляет собой градиентную структуру из стеклопластика, содержащего поглощающий наполнитель в виде науглероженного волокна, при этом диэлектрическая проницаемость увеличивается от внешнего конструкционного слоя к металлическому экрану.
Поглощающий наполнитель выполнен из науглероженного рубленого волокна в виде диполей с отношением длины волокна к диаметру 200÷1000.
Содержание поглощающего наполнителя в каждом пакете составляет не более 1% по объему.
Диэлектрический слой включает, по крайней мере, два пакета из конструкционных монослоев стеклопластика с различным содержанием поглощающего наполнителя.
Внешний конструкционный слой дополнительно содержит поглощающий наполнитель.
В качестве металлического экрана используют электропроводящую ткань или ткань с электропроводящим покрытием.
В отличие от прототипа, в предлагаемом изобретении диэлектрический слой является конструкционным и выполнен в виде градиентной структуры из нескольких пакетов монослоев из стеклопластика, содержащего в качестве наполнителя науглероженное волокно, что позволяет значительно увеличить прочность на разрыв и получить удовлетворительные радиотехнические характеристики в широком диапазоне частот радиопоглощающего материала. В качестве поглощающего наполнителя используются распределенные по объему длинномерные резистивные элементы (диполи с отношением длины к диаметру порядка сотен). Правильно выбранные отношение длины к диаметру науглероженного волокна, толщины структуры и объемного распределения наполнителя по слоям обеспечивают наиболее полное поглощение электромагнитной энергии в материале и уровень отражения электромагнитных волн от материала, равный примерно уровню отражения на границе раздела воздух - материал в широком диапазоне частот. Применение одного электропроводящего слоя (в прототипе) за счет интерференции может обеспечить величину уровня отражения менее, чем на границе раздела, но в очень узкой полосе частот, вне этой полосы уровень отражения будет значительно выше, чем на границе раздела. При отношении длины диполей к их диаметру порядка сотен коэффициент деполяризации очень мал и благодаря этому необходимая их концентрация также очень мала (не более 1% по объему). При такой концентрации конструкционные свойства слоев не ухудшаются.
Примеры осуществления.
Конструкционный радиопоглощающий материал, состоящий из внешнего конструкционного слоя, диэлектрического слоя и металлического экрана, получали методом прессования.
Внешний конструкционный слой состоял из 14 монослоев стеклоткани Т-60 (ТУ 6-48-057-86904-111-92), пропитанной связующим ВСЭ-1212 (ТУ 1-595-12-1068-2009), и имел толщину 2,3 мм.
Диэлектрический слой состоял из трех пакетов с разным содержанием поглощающего наполнителя и толщиной.
В качестве поглощающего наполнителя использовали науглероженные волокна (ТУ 1-595-19-1022-2007) - «Углен-ЦШЭ» и «Углен-9» длиной 5 мм.
Пакет №1 (отсчет номеров пакетов от металлического экрана) состоял из 10-ти монослоев стеклоткани Т-60 (ТУ 6-48-057-86904-111-92), пропитанной связующим ВСЭ-1212 (ТУ 1-595-12-1068-2009), и равномерно распределенного в нем поглощающего наполнителя «Углен-9» в количестве 0,16 об.%. Толщина пакета составляла 1,77 мм.
Пакет №2 состоял из 19-ти монослоев стеклоткани Т-60 (ТУ 6-48-057-86904-111-92), пропитанной связующим ВСЭ-1212 (ТУ 1-595-12-1068-2009), и равномерно распределенного в нем поглощающего наполнителя «Углен-ЦШЭ» в количестве 0,27 об.%. Толщина пакета составляла 3,23 мм.
Пакет №3 состоял из 24-х монослоев стеклоткани Т-60 (ТУ 6-48-057-86904-111-92), пропитанной связующим ВСЭ-1212 (ТУ 1-595-12-1068-2009), и равномерно распределенного в нем поглощающего наполнителя «Углен-ЦШЭ» в количестве 0,10 об.%. Толщина пакета составляла 4,1 мм.
Полученные слои соединяли с металлическим экраном в соответствии с фигурой 1 и подвергали прессованию.
В качестве металлического экрана использовали металлизированную стеклоткань Э-0,1Н (ТУ-11-501-79).
Общая толщина материала в результате составила 11,4 мм.
В таблице 1 приведены значения коэффициентов отражения предложенного материала и прототипа.
Из таблицы 1 видно, что предлагаемый материал в отличие от слаборезонансного прототипа имеет удовлетворительные радиотехнические характеристики в широком диапазоне частот (длин волн), имеет преимущество по прочности на разрыв не менее чем в 2 раза, частотному диапазону в 2,3 раза и толщине в 1,2 раз при величине коэффициента отражения не выше - 10 дБ.
Таблица 1
Частота, ГГц
Длина волны, см
Коэффициент отражения, дБ
Прочность на разрыв, МПа
Толщина, мм
Предлагаемый материал
Прототип
Предлагаемый материал
Прототип
Предлагаемый материал
Прототип
2,0
15
-10,8
-6,0
не менее 300
не более 130
11,4
14,0
3,0
10
-10,8
-9,0
4,0
7,5
-11,4
-15,0
5,0
6,0
-10,2
-14,0
6,0
5,0
-10,0
-14,0
7,5
4,0
-11,7
-14,0
10,0
3,0
-13,1
-7,0
12,0
2,5
-10,0
-5,0
Предлагаемое изобретение позволит обеспечить электромагнитную совместимость бортового радиоэлектронного оборудования летательных аппаратов и защиту от электромагнитного излучения.
Высокие прочностные характеристики конструкционного радиопоглощающего материала позволяют использовать его для изготовления конструктивных узлов и элементов.