Способ получения термостойкого радиопоглощающего покрытия и состав для его нанесения
METHOD FOR CREATING A HEAT-RESISTANT RADAR-ABSORBENT COATING AND COMPOSITION FOR APPLICATION THEREOF

Изобретение относится к лакокрасочным материалам, поглощающим электромагнитное излучение, и может быть использовано для уменьшения отражения металлическими поверхностями электромагнитного излучения, в частности для создания термостойких радиопоглощающих покрытий на нагревающихся деталях (например реактивных двигателей) летательных аппаратов с целью снижения их обнаруживаемости радиолокационными устройствами.
Среди направлений разработок, имеющих целью уменьшение отражающей способности объектов и ослабление отраженных от них электромагнитного излучения (ЭМИ), важнейшее место занимают радиопоглощающие материалы (РПМ) и радиопоглощающие покрытия (РПП). Несмотря на многообразие разработанных к настоящему времени радиопоглощающих материалов и покрытий, задача совершенствования их состава, упрощения и удешевления технологии их приготовления и нанесения, расширения диапазона эффективного поглощения электромагнитных волн, придания специальных качеств (термостойкости, малой плотности и др.) по-прежнему является актуальной.
Известно термостойкое радиопоглощающее покрытие на минеральных волокнах и способ его получения, описанные в патенте на изобретение РФ №2526838, опубл. 27.08.2014, бюл. №24. Согласно описанию к патенту картон из базальтового волокна толщиной ~5 мм и диаметром волокон 4-9 мкм пропитывается в коллоидном растворе, активированного кислотным способом графита. Покрытие обладает термостойкостью до 350°С, характеризуется коэффициентом ослабления от 2 до 15 дБ на частоте 6,8 ГГц при толщине материала ~5 мм. Материал негорюч, недорог и может найти применение при изготовлении безэховых камер, укрытий для людей и техники.
Недостатком данного радиопоглощающего покрытия является невозможность его использования для тонкослойного покрытия сложнорельефных поверхностей сильно нагревающихся деталей летательных аппаратов. Кроме того, при изготовлении такого покрытия толщиной ~1 мм коэффициент ослабления ЭМИ уменьшится до неприемлемо малого уровня, а пористость покрытия станет серьезным препятствием использования его на открытом воздухе из-за высокой гигроскопичности и низкой прочности.
Известна полимерная композиция для получения клеевого и поглощающего ЭМИ СВЧ диапазона покрытия по патенту на изобретение РФ №2373236, опубл. 20.11.2009, бюл. №32, на основе термостойкого эпоксикремнийорганического связующего и наполнителя - порошка сплава железа и алюминия.
Недостатком данного радиопоглощающего покрытия является недостаточная термостойкость материала (до 300°С) для нанесения на сильно нагревающиеся детали летательных аппаратов. Кроме того, при наполнении 75 вес.% порошка сплава железа и алюминия покрытие характеризуется большой плотностью и высоким коэффициентом отражения электромагнитного излучения.
Наиболее близким по технической сути и назначению к заявленному изобретению является радиопоглощающий материал и способ его изготовления по патенту на изобретение РФ №2200749, опубл. 20.03.2003. бюл. №8. Данный материал содержит алкидное связующее и ультрадисперсный порошок карбида ниобия с размером частиц 10-100 нм. Приготовление радиопоглощающего материала включает последовательную загрузку в смеситель связующего и наполнителя и их перемешивание, а перед введением в связующее ультрадисперсный порошок обрабатывают поверхностно-активным веществом, гидрофобизирующими жидкостями в органическом растворителе с применением ультразвука продолжительностью не менее 30 мин.
3
Недостатком указанного материала является низкая термостойкость. Максимальная температура эксплуатации полимерного связующего алкидного типа не превышает 150°С, в то время как температура нагревающихся деталей летательных аппаратов (например реактивных двигателей) может достигать 500°С. Кроме того, карбид ниобия, использованный в форме ультрадисперсного порошка в качестве наполнителя обладает плотностью ~7,8 г/см и склонен к оседанию. Это обстоятельство, равно как и слипание частиц, приводит к ухудшению радиопоглощающих качеств покрытия.
Предлагаемое изобретение направлено на создание термостойкого радиопоглощающего покрытия толщиной 50-150 мкм.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение величины отражения электромагнитного излучения и увеличение термостойкости радиопоглощающего покрытия.
Технический результат достигается тем, что в способе получения термостойкого радиопоглощающего покрытия, заключающемся в подготовке термостойкого радиопоглощающего состава путем смешивания связующего и радиопоглощающего наполнителя, который подвергают воздействию ультразвука, и нанесении на очищенную поверхность с последующим высушиванием, состав получают смешиванием связующего органосиликатной композиции и радиопоглощающего наполнителя - углеродных нанотрубок в составе суспензии на основе растворителя с добавлением ферроцена, после нанесения на поверхность состав подвергают постепенному нагреванию до температуры 500-600°С со скоростью не более 10°С в минуту и выдерживают при этой температуре не менее 3 часов.
Технический результат достигается тем, что в составе для нанесения термостойкого радиопоглощающего покрытия, включающем радиопоглощающее вещество и связующий компонент, связующий компонент представляет органосиликатная композиция, а радиопоглощающий наполнитель - углеродные нанотрубки в составе суспензии на основе растворителя с добавлением ферроцена при следующем соотношении компонентов, масс.ч:
композиция органосиликатная
100;
растворитель
20-30;
углеродные нанотрубки
0,5-1;
ферроцен
1-2.
Кроме того в качестве растворителя использован толуол.
На фигуре представлен образец фрагмента изделия с покрытием, где:
1 - слой радиопоглощающего покрытия толщиной ~100 мкм;
2 - металлическая пластина толщиной 2 мм.
Способ получения термостойкого радиопоглощающего покрытия, заключается в нанесении на поверхность термостойкого радиопоглощающего состава, который получают смешиванием связующего - органосиликатной композиции и радиопоглощающего наполнителя - углеродных нанотрубок в составе суспензии на основе растворителя с добавлением ферроцена при следующем соотношении компонентов, масс.ч.:
композиция органосиликатная
100;
растворитель (толуол)
20-30;
углеродные нанотрубки
0,5-1;
ферроцен
1-2.
Использование углеродных нанотрубок (УНТ) в качестве радиопоглощающего наполнителя приводит к возникновению специфических атомно-молекулярных структур, в которых под воздействием падающей электромагнитной волны возникают флуктуации электронной плотности, значительно снижающие уровень отражаемой в окружающее пространство волны. Наличие случайно ориентированных и равномерно расположенных в объеме полимерного связующего частиц наполнителя в виде нитей диаметром 20-50 нм и длиной до 1000 нм из углерода приводит к образованию множества релеевских рассеивающих структур различных размеров, что приводит к расширению рабочего частотного диапазона материала и росту эффективности поглощения им ЭМИ с частотой 20 ГГц и выше.
Наилучшему диспергированию УНТ в полимерном связующем способствует способ введения их в связующее в виде суспензии в растворителе (например толуоле), которая подвергнута воздействию ультразвука. Экспериментально было установлено, что введение в суспензию ферроцена существенно улучшает радиопоглощающие характеристики покрытия при условии термообработки композиции при температуре выше 500°С. При указанном в данном техническом решении режиме термообработки происходит разложение ферроцена с образованием ультрадисперсного железа. Именно это железо вносит существенный вклад в увеличение радиопоглощающих качеств покрытия. Сочетание с УНТ защищает частицы железа от окисления и стабилизирует параметры РПП. Выбор типа связующего также неслучаен - органосиликатные покрытия способны выдерживать указанные температурные воздействия.
Описанное техническое решение может быть реализовано следующим образом. Первоначально готовится суспензия - смесь толуола с ферроценом и нанотрубками, взятых в указанном выше соотношении. После предварительного перемешивания смеси механической мешалкой смесь подвергают воздействию ультразвука с частотой 25-65 кГц не менее 30 минут.
Полученную смесь вводят в навеску термостойкой композиции органосиликатной (например ОС-82-900 по ТУ 84-725-78) и тщательно перемешивают. Полученную однородную массу наносят кистью или распылением на поверхность изделий не менее чем в 2 слоя с сушкой каждого слоя при комнатной температуре не менее 1 часа. Для придания покрытию максимальных радиопоглощающих качеств и термостойкости изделия с покрытием нагревают до температуры 500-600°С со скоростью не более 10°С в минуту и выдерживают при этой температуре не менее 3 часов. Толщина покрытия составляет 50- 150 мкм.
Оценку величины отражения ЭМИ для РПП производили по ГОСТ Р 50011-92 в диапазоне частот 5-20 ГГц на образцах размером 200×200 мм, изготовленных согласно фигуре.
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 вариантов с составом радиопоглощающего покрытия толщиной ~100 мкм согласно предлагаемой рецептуре, а также с составом согласно прототипу с толщиной радиопоглощающего покрытия ~1 мкм.
Из представленных в таблице характеристик РПП видно, что первые три рецептуры РПП характеризуются существенно меньшим уровнем отражения ЭМИ, чем у прототипа. Это обстоятельство указывает на значительно более высокое поглощение ЭМИ покрытиями составов №1, 2 и 3. Кроме того, сравнение характеристик покрытий составов №1, 2 и 3 позволяет сделать вывод, что исключение из состава РПМ ферроцена или УНТ, как это сделано в составах №2 и 3, приводит к резкому росту уровня отражения ЭМИ в низкочастотной или высокочастотной части диапазона ЭМИ. Следует отметить, что при увеличении содержания ферроцена и УНТ более чем в составе №1, снижается прочность покрытия, растет его пористость, композиция труднее наносится из-за большой вязкости. В связи с этим, состав РПМ, приведенный в предлагаемом техническом решении следует считать оптимальным.
Таким образом представленное техническое решение позволяет получить радиопоглощающее покрытие эффективно работающее в различных диапазонах ЭМИ с высокой термостойкостью до 900°С.