СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИОПОГЛОЩАЮЩЕГО МАТЕРИАЛА И РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ, ПОЛУЧЕННЫЙ ЭТИМ СПОСОБОМ
METHOD OF MAKING RADAR ABSORBENT MATERIAL AND RADAR ABSORBENT MATERIAL MADE USING SAID METHOD

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к поглотителям электромагнитных волн (ЭМВ), в том числе в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, биологической защиты от влияния радиоизлучений, создаваемых различными научными и бытовыми приборами, снижения радиолокационной заметности различных объектов и т.д.
Известны различные материалы для поглощения ЭМВ и технологии их получения. Предложены тканые или пленочные материалы, изготовленные с использованием металлической сетки для защиты биологических объектов или экранирования поверхности (Я.А.Шнейдерман. Радиопоглощающие материалы. Зарубежная радиоэлектроника, 1975, № 2, с.93-113; 1975, № 3, с.71-92).
Основным недостатком этих материалов является большая доля отраженного излучения и высокая цена.
Известны материалы, состоящие из дисперсного поглощающего наполнителя, включающего порошки графита, сажи, феррита, сегнетоэлектриков, металлических сплавов, связанных жидким полимером (Ю.К.Ковнеристый, И.Ю.Лазарева, А.А.Раваев. Материалы, поглощающие СВЧ-излучение. М.: Наука, 1982, с.46, 88-121). При его изготовлении смесь компонентов вводят в жидкое полимерное связующее и полученный жидкий материал наносят на защищаемую поверхность.
2
Основными недостатками этого технического решения являются сложные составы композиции и технология изготовления, предусматривающая равномерное смешение очень разнородных по плотности компонентов. Кроме того, толщина покрытия из этого материала должна быть тем больше, чем выше мощность электромагнитного излучения, а это повышает весовые характеристики покрытия (вес 1 м поглотителя ЭМВ).
Известен магнитный материал, поглощающий ЭМВ, состоящий из мелкодисперсных (0.5-20 мкм) сферических частиц железа или покрытых магнитным материалом стеклянных шариков (≈80 вес.%) и диэлектрической связки - силиконовой композиции (≈20 вес.%) (US 4173018, 1979). Частицы железа первоначально диспергируют в жидкой связке, причем для создания однородной композиции проводят механическую обработку в мельнице в течение 8 часов.
Существенными недостатками технического решения являются значительный вес и хрупкость материала, а также сложная и длительная технология его изготовления.
Подобному составу, состоящему из карбонильного железа (50-90%), компонента на основе платины и полимера на основе силоксана (US 5764181, 1998), присущи те же недостатки и дополнительно высокая стоимость. Кроме того, при его изготовлении используют вредные вещества (толуол, гептан и др.).
0.5
2.5
4
3
4
2
4
Известен материал с низким коэффициентом отражения электромагнитных волн, имеющий состав LiFeO-FeO-CdFeO (US 3662368, 1972).
Основным недостатком материала является сложность композиции, кроме того, он предложен в качестве дополнительного слоя, минимизирующего коэффициент отражения основного материала.
Известен радиопоглощающий материал, содержащий магнитный наполнитель - порошкообразный феррит или карбонильное железо (20-80 мас.%) и синтетический клей «Элатон» на основе латекса (80-20 мас.%) (RU 2107705, 1998).
Основной недостаток материала обусловлен широким распределением по размерам частиц магнитного наполнителя, что приводит к значительным трудностям при нанесении на криволинейные поверхности, особенно в случае, когда они пересекаются под углом. Кроме того, он обнаруживает высокое отражение в тонких слоях, которые вообще трудно создать, так как размер частиц наполнителя превышает 20 мкм.
Известен радиопоглощающий материал из наполнителя, в качестве которого использован нанопорошок магнитного сплава НК-29 (Ni - 29.13%; Со - 17.51%; Fe - остальное) и связующее - поливинилбутироль (RU 2294948, 2006).
Основным недостатком этого материала, из которого изготавливают многослойное покрытие, является необходимость дополнительной обработки в магнитном поле. Кроме того, высокий коэффициент поглощения достигается при размещении колец из константановой проволоки между слоями, что усложняет материал и технологию его изготовления.
Известен радиопоглощающий материал, который состоит из наполнителя, в качестве которого использован ультрадисперсный порошок карбида ниобия со средним размером частиц 10.0-100.0 нм и полимерное алкидное связующее при следующем соотношении компонентов, мас.%: алкидное связующее - 50-90, указанный наполнитель - 10-50 (RU 200749, 2000).
Основным недостатком этого технического решения является довольно сложный способ изготовления материала, включающий обработку ультразвуком с применением вредных веществ, например декана или толуола.
0.5
0.5
2
16
27
Наиболее близким техническим решением является материал, состоящий из наполнителя - порошка оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой и эпоксидной смолы в качестве связки при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошок феррита - оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой Ba(СоZn)FeO - 91; эпоксидная смола - 9 и способ его получения (Yi Yang, Baoshan Zhang, Weidong Xu et. al. Microwave absorption studies of W-hexaferrite prepared by coprecipitation / mechanical milling. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2003, 265, p.119-122). Порошок оксидного гексагонального ферримагнетика готовят методом химической конденсации (соосаждением) из исходных реагентов - нитратов железа, бария, кобальта и цинка. Соосажденный прекурсор высушивают замораживанием, затем смешивают с хлоридом натрия (NaCl) в соотношении 1:4, подвергают механической обработке в мельнице со стальными шарами в течение 20 часов, затем прокаливают при 1200°С в течение 2 часов и многократно промывают деионизированной водой для удаления NaCl. Полученный порошок феррита смешивают с эпоксидной смолой в указанном выше соотношении, при этом полученный материал имеет следующие характеристики отражения электромагнитных волн: коэффициент отражения ЭМВ R - (-13 дБ) при частоте 9.5 ГГц и толщине слоя материала 0.003 м; интервал частот (Δf) на уровне R=-7 дБ при толщине слоя материала 0.003 м - 4.6 ГГц.
Основные недостатки этого технического решения состоят в том, что материал обладает высоким коэффициентом отражения электромагнитных волн и узким интервалом полосы частот, при этом его получают, используя большое число операций, включающих химические и механические (диспергирование) способы.
Задачей предлагаемого изобретения является понижение коэффициента отражения ЭМВ и расширение интервала частот материала, состоящего из порошка оксидного гексагонального ферримагнетика, смешанного с полимерным связующим - эпоксидной смолой, а также упрощение способа получения материала.
Задача решается тем, что после изготовления любым способом, например спеканием из оксидов, порошка гексагонального ферримагнетика с W-структурой его подвергают механической обработке в механоактиваторе в течение 30-300 секунд при факторе энергонапряженности 20-40 g, а затем смешивают с полимерным связующим, например, эпоксидной смолой при следующем соотношении компонентов, мас.%:
полимерное связующее - эпоксидная смола
9-30
оксидный гексагональный ферримагнетик
с W-структурой
70-91
Механическая обработка оксидного гексагонального ферримагнетика при факторе энергонапряженности ниже 20 g и продолжительности обработки менее 30 с не приводит к заметному изменению коэффициента отражения электромагнитных волн и интервала частот (таблица 1). Кроме того, при временах механической обработки меньше 30 с возможны нестабильности в работе механоактиватора. Увеличение фактора энергонапряженности выше 40 g и продолжительности обработки порядка 300 с приводит к росту энергозатрат при получении материала, при этом коэффициент отражения и интервал частот электромагнитных волн уменьшаются (таблица 1).
Количественное соотношение магнитного наполнителя и связующего определяется следующими соображениями. При концентрациях магнитного наполнителя 65-75 мас.%, продолжительности механической обработки 30 с и энергонапряженности 30 g коэффициент отражения электромагнитных волн R у предлагаемого материала близок к таковому для прототипа, однако интервал частот (Δf=5.09-7.20 ГГц при R=7 дБ) существенно выше (Δf=4.6 ГГц). Дальнейшее понижение содержания магнитного наполнителя приводит к повышению коэффициента отражения R и сужению интервала частот по сравнению с прототипом (таблица 2). При содержании магнитного наполнителя, равном 91 мас.%, коэффициент отражения R намного ниже, а интервал частот шире, чем у прототипа. Дальнейшее повышение содержания магнитного наполнителя приводит к существенным технологическим трудностям, обусловленным значительной агломерацией частиц наполнителя в процессе смешения. Их преодоление резко удорожает способ.
Радиопоглощающий материал получают следующим образом.
0.5
0.5
2
16
27
Порошок оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой (гексаферрит Ba(CoZn)FeO), полученный промышленным способом - спеканием из смеси оксидов (Рабкин Л.И., Соскин С.А., Эпштейн Б.Ш. Технология ферритов. М-Л.: Госэнергоиздат, 1968, с.76), подвергают механической обработке в планетарной мельнице в течение 30 или 60 с при факторе энергонапряженности 30 g.
По данным рентгеноструктурного анализа (дифрактометр Shimadzu XRD 6000), обработанных с использованием программы полнопрофильного анализа POWDER CELL 2.5, размер областей когерентного рассеяния (размер зерен) составляет 90-120 нм. Полученный порошок смешивают с полимерным связующим - эпоксидной смолой в соотношениях, указанных в таблицах 1 и 2.
Измерения комплексных магнитной и диэлектрической проницаемостей проводят на универсальном широкополосном комплексе на основе векторного анализатора цепей PNA 8363 В фирмы Agilent Technologies. В качестве измерительной ячейки используют резонаторы, построенные из волноводных элементов стандартных измерительных линий.
Коэффициент отражения для однослойного поглотителя рассчитывают по формуле (Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. Наука, 1973, с.15-17):
где
Полученные результаты в сравнении с таковыми для прототипа представлены в таблицах 1 и 2. Коэффициент отражения R при частоте 7.1-8.3 ГГц в 2.5-3.0 раза ниже, а интервал частот Δf заметно шире, чем эти характеристики для радиопоглощающего материала, выбранного в качестве прототипа.
Таким образом, полученный материал по сравнению с прототипом имеет более низкие коэффициенты отражения, больший интервал частот и может быть использован для создания эффективных радиопоглощающих покрытий.
Способ получения полностью исключает применение химических методов и дорогостоящих реагентов и включает только термическое воздействие и механическую обработку. Кроме того, при получении характеристик отражения электромагнитных волн, близких к таковым у прототипа, уменьшается содержание магнитного наполнителя для заданной толщины слоя.
2
Следовательно, при использовании предлагаемого технического решения улучшаются все основные характеристики поглощения электромагнитных волн: увеличивается максимальное значение модуля коэффициента отражения в пределах рабочего диапазона частот, который становится шире, а также снижаются толщина и вес поглотителя площадью 1 м.
Таблица 1
Влияние энергонапряженности и продолжительности механической обработки на коэффициент отражения и интервал частот электромагнитных волн для материала, содержащего 80 мас.% феррита и 20 мас.% эпоксидной смолы (толщина слоя 0.003 м)
№
Режим механической обработки
Частота, f<sub>min</sub>, ГГц*
Коэффициент отражения R<sub>min</sub>, дБ**
Интервал частот Δf, ГГц на уровне R=-7дБ
Энергонапряженность, g
Продолжительность механической обработки, t, с
1
-
-
10.20
-7.2
0
2
15
30
10.10
-7.0
0
3
20
30
9.18
-18.0
4
30
30
9.51
-30.8
8.7
5
30
60
9.76
-20.3
7.9
6
30
300
9.06
-12.3
5.4
7
40
30
9.51
-17.0
8
40
300
9.60
-12.0
9
50
300
8.30
-5.2
*f<sub>min</sub> - частота, при которой коэффициент отражения имеет минимальное значение
** R<sub>min</sub> - минимальный коэффициент отражения на частоте f<sub>min</sub>
Таблица 2
Зависимость коэффициента отражения и интервала частот от содержания магнитного наполнителя при различной продолжительности механической обработки (толщина слоя d=0.003 м, энергонапряженность 30 g)
Содержание наполнителя, мас.%
Частота, f<sub>min</sub>, ГГц*
Коэффициент отражения, R<sub>min</sub>, дБ**
Интервал частот, Δf, ГГц на уровнеR=-7 дБ
1
2
3
4
Без механической обработки
91
9.06
-10.96
5.67
90
9.31
-9.92
5.09
Продолжительность механической обработки 30 с
91
5.05
-23.82
11.05
90
5.62
-28.39
10.68
85
7.09
-40.76
9.72
80
9.51
-30.78
8.72
75
10.59
-16.11
7.20
65
11.10
-10.67
5.09
Продолжительность механической обработки 60 с
91
6.19
-26.46
10.30
90
6.77
-29.39
9.89
85
8.30
-30.15
8.92
80
9.76
-20.29
7.90
75
10.52
-13.57
6.30
65
10.91
-9.60
4.20
Продолжительность механической обработки 150 с
91
7.09
-20.81
7.90
90
7.53
-19.66
7.51
85
8.42
-15.96
6.56
1
2
3
4
80
9.06
-12.31
5.41
Продолжительность механической обработки 300 с
91
7.53
-16.35
6.30
90
7.91
-15.01
5.86
85
8.49
-12.21
4.90