NONWOVEN MULTILAYER MATERIAL FOR ABSORPTION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN THE MICROWAVE RANGE
НЕТКАНЫЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СВЧ ДИАПАЗОНЕ

Изобретение относится к области радиофизики и предназначено для поглощения электромагнитного излучения СВЧ диапазона, причем его структура и свойства отвечают требованиям создания элементов носимой одежды для маскировки человека в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне.
Известны различные материалы, предназначенные для поглощения электромагнитного излучения.
2
Известны маскировочные покрытия с радиорассеивающими свойствами, позволяющими снижать уровень отраженного сигнала от маскируемого объекта не только за счет радиорассеивающих свойств самого покрытия маски (маски-перекрытия), но и за счет искажения геометрической формы объекта, а также экранирования уголковых образований фрагментов объекта. К таким радиорассеивающим покрытиям (РРП) относится, например, "Камуфляжный материал для защиты от радиолокационного наблюдения" по патенту США N 4528229, МПК F41H 3/0, 1985. Указанный камуфляжный материал содержит слоистую основу с ворсом из натурального или синтетического волокна, выполненным в виде петель различной длины, прикрепленных к основе и выступающих в разных направлениях, и нити или винтообразные участки в основе, которые обеспечивают дополнительный эффект рассеивания электромагнитного излучения, попадающего на неэкранированную верхнюю поверхность основы материала покрытия. Указанные покрытия, при наличии соответствующего защитного окрашивания волокон под фон местности, могут использоваться для маскировки объектов в оптическом и радиолокационном (РЛ) диапазонах длин волн. Однако к существенным недостаткам отмеченных РРП следует отнести возможность эффективного их применения только в узком рабочем диапазоне длин волн ввиду сильной зависимости уровня собственных отражений и удельной эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) покрытий от угла наблюдения и длины волны, значительной удельной массы покрытий (от 0.8 до 1.2 кг/м), обусловленной их конструктивными особенностями, а также низкие эксплуатационные показатели.
2
Известны радиопоглощающие покрытия (РПП) градиентного или интерференционного типа, обладающие удельной ЭПР на 1-2 порядка ниже, чем у РРП покрытий (см., например, Палий А.И. Радиоэлектронная борьба М.: Воениздат, 1989, с. 103-109, патент США N 4688040, МПК H01Q 17/00, 1987, патент России №203/931, МПК H01Q 17/00, 1992). К недостаткам таких покрытий также следует отнести значительную удельную массу покрытий (от 1.0 до 2.0 кг/м), относительно невысокий рабочий диапазон, а также нестабильность радиотехнических и физико-механических показателей при различных видах воздействий (климатических, механических, эксплуатационных) в полевых условиях. Так, например, разброс значения коэффициента отражения у РПП интерференционного типа может составить до 7-12 дБ в диапазоне длин волн от 0.3 до 4.0 см.
Известно радиопоглощающее устройство (по патенту России №2084060, МПК H01Q 17/00, 1997). Отмеченное устройство содержит гибкую основу (опору) в виде сети с ячейками размером от 10 до 30 мм и вплетенные в нее гибкие радиопоглощающие элементы. Указанные элементы выполнены в виде лент из полимерного пленочного материала с поверхностным сопротивлением от 30 до 200 Ом. Ширина лент в 1.1-1.3 раза больше размера ячейки сети, а толщина сети с вплетенными лентами составляет от 20 до 50 мм. Несмотря на более простое конструктивное исполнение и расширенный рабочий диапазон по сравнению с другими известными РПП, данное устройство не обеспечивает требуемый стабильный уровень снижения мощности отраженного сигнала в широком радиолокационном диапазоне.
Известны поглотитель электромагнитных волн и способ его изготовления по патенту России №2119216, МПК Н01Q 17/00, 1996. Указанное устройство представляет собой многослойное радиопоглощающее покрытие интерференционного типа, содержащее несколько слоев переменной толщины, между которыми расположены двумерные решетки резонансных элементов. Способ изготовления такого покрытия заключается в последовательном нанесении слоев диэлектрика и размещении между ними электропроводящих элементов. Устройство и способ характеризуются достаточно высокой трудоемкостью изготовления, относительно узким рабочим диапазоном поглощения, а также значительной удельной массой покрытия. Кроме того, указанные устройство и способ могут использоваться преимущественно для снижения заметности стационарных объектов, например сооружений, и не приспособлены для применения в полевых условиях из-за жесткой конструкции покрытия.
Известен способ изготовления радиопоглощающего маскировочного устройства (покрытия), например, по патенту России №2037931, МПК Н01Q 17/00, 1992, заключающийся в формировании поглощающих электромагнитное излучение элементов на пучках гибких волокон и закреплении их на сетевой опоре (основе). Однако указанное радиопоглощающее маскировочное устройство характеризуется сложностью, большой трудоемкостью и недостаточно высокой технологичностью изготовления.
2
Наиболее близкий аналог описан в способе получения нетканого материала для поглощения электромагнитного излучения СВЧ диапазона (патент России №2474628). Изобретение относится к созданию нетканого материала, предназначенного для изготовления защитной одежды и экранов от воздействия СВЧ излучения. Состав и структура материала определяются процессом изготовления, который включает следующие технологические операции: развес волокон с целью получения требуемых концентраций перед смешением различных волокон, подготовка многослойной конструкции диэлектрических и электропроводящих волокон, рыхление волокон в грубом рыхлителе, рыхление волокон в тонком рыхлителе, чесание волокон, аэродинамическое холстообразование, упрочнение нетканого холста иглопробивом, формирование многослойной конструкции из холстов с различным содержанием электропроводящих волокон, дублирование холстов иглопробивом. Получают поглотитель электромагнитного излучения из смески полиэфирных и углеродных волокон. Недостатком указанного материала является значительная удельная масса - величина поверхностной плотности материала составляет не менее 200 г/м, которая обусловлена большим диаметром используемых волокон (не менее 5 мкм). Кроме того, из описания процесса производства следует, что высокая трудоемкость и множество стадий изготовления обуславливают значительную стоимость материала. Также отсутствуют данные о паропроницаемости материала, что не позволяет оценить его возможности применения в качестве элементов носимой одежды.
2
Задачей данного технического решения является создание такого нетканого материала, поглощающего электромагнитное излучение в СВЧ диапазоне, который мог бы преодолеть указанные выше недостатки существующего аналога и обеспечил меньшее значение величины поверхностной плотности (не более 140 г/м) за счет использования, в частности, диэлектрических волокон диаметром не более 500 нм, а также отсутствие множества стадий при производстве за счет того, что поглощающие электромагнитные волны углеродосодержащие элементы встраивались в непосредственно структуру диэлектрических нитей в процессе их электроформования.
Технический результат, достигаемый в предложенном изобретении, заключается в уменьшении величины поверхностной плотности без потерь коэффициента ослабления поверхности. Дополнительный результат состоит в том, что в предлагаемом материале реализован механизм встраивания микро- и наноразмерных углеродосодержащих элементов непосредственно в диэлектрические нити в процессе их электроформования.
Поставленная задача решается, а результат достигается тем, что нетканый материал для поглощения электромагнитного излучения СВЧ диапазона, содержащий полимерные волокна, отличается тем, что в структуру диэлектрических волокон встроены углеродосодержащие элементы размером от 50 до 100 нм, при этом диаметр диэлектрических волокон не превышает 500 нм.
Также диэлектрические волокна изготавливают путем электроформования из раствора одного или нескольких полимеров.
Также полимером является полиакрилонитрил.
Также диэлектрические волокна изготовлены методом бескапилярного электростатического формования.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена электронная фотография получаемого путем электроформования образца нетканого материала, поглощающего электромагнитное излучение в СВЧ диапазоне, где
1 - диэлектрическое волокно;
2 - встроенный в диэлектрическое волокно углеродосодержащий элемент.
2
2
Изобретение согласно предлагаемому решению содержит диэлектрические волокна, получаемые путем электроформования, при этом в структуру волокон встроены микро- и наноразмерные углеродосодержащие элементы размером от 50 до 100 нм, а сам процесс электроформования проводится таким образом, что диаметр получаемых диэлектрических волокон не превышает 500 нм, поверхностная плотность материала не превышает 140 г/м, значение величины паропроницаемости получаемого материала не ниже 5.5 кг/м сут.
Нетканый материал для поглощения электромагнитного излучения в СВЧ диапазоне изготавливают следующим образом. Технологический процесс получения нетканого материала методом электроформования включает следующие основные стадии: приготовление формовочного раствора, подготовка материала подложки, непосредственно процесс электроформования нетканого материала. В качестве исходного сырья для формовочного раствора используют полимер - полиакрилонитрил (ПАН). Приготовление формовочного раствора включает в себя две операции - приготовление взвеси стабилизированных с использованием стабилизатора углеродосодержащих элементов в растворителе и затем растворение ПАН в приготовленной взвеси. В качестве стабилизатора используют олеиновую кислоту. В качестве растворителя используют диметилформамид (ДМФА). Формовочный раствор содержит от 5 до 30 мас. % ПАН, от 1 до 15 мас. % углеродосодержащих элементов и от 0,1 до 7 мас. % олеиновой кислоты в растворителе ДМФА. Размер углеродосодержащих элементов лежит в диапазоне 50-100 нм.
В качестве подложки для электроформования мембраны нетканого материала на основе ПАН используется геотекстиль спанбонд.
Используемая технология электроформования основана на принципе бескапиллярного (бесфорсуночного) электроформования нетканых микро- и нановолокнистых материалов. В основе способа получения нетканых микро- и нановолокнистых материалов лежит принцип образования волокон из раствора полимера под действием электростатического поля высокой напряженности. В качестве формующих электродов используются вращающиеся струнные электроды, погруженные в емкость с раствором полимера с открытой поверхностью. Под действием электрического поля высокой напряженности из тонкого слоя полимерного раствора, создающегося на поверхности электрода при его вращении, формируются многочисленные тонкие струи, которые движутся в направлении осадительного электрода. В процессе дрейфа первоначальных струй под действием электрического поля происходит их последовательное расщепление на более тонкие вторичные, третичные и т.д. При этом интенсифицируется процесс испарения растворителя, струи отверждаются, и образующиеся полимерные волокна беспорядочно осаждаются на подложке (вспомогательный материал), расположенной перед осадительным электродом, формируя нетканый материал.
Материал подложки (вспомогательный материал), протянутый перед осадительным электродом, может двигаться в обоих направлениях со скоростью от 0,13 до 1,56 м/мин, что позволяет формовать слой нетканого волокнистого материала в непрерывном режиме.
Изобретение работает следующим образом.
Электромагнитная волна СВЧ диапазона падает на поверхность предлагаемого нетканого материала. Так как диэлектрические нити, получаемые путем электроформования, характеризуются значением диэлектрической проницаемости близким к 1, то отсутствует резкая граница в значениях диэлектрической проницаемости между свободным пространством (воздух) и поверхностью предлагаемого нетканого материала, а следовательно, при падении электромагнитной волны из свободного пространства на данный нетканый материала не происходит формирования отраженной от поверхности нетканого материала электромагнитной волны. Распространяясь внутри предлагаемого нетканого материала, электромагнитная волна СВЧ диапазона испытывает затухание за счет распределенных в структуре материала углеродосодержащих элементов, которые ослабляют электрическую компоненту электромагнитной волны.
Примеры.
2
1. Приготавливали формовочный раствор 12 мас. % ПАН, 15 мас. % графитовой пудры и 5 мас. % олеиновой кислоты. Проведенные измерения массогабаритных параметров показали, что значение поверхностной плотности не превышает 133 г/м, а толщина материала не превышает 0.84 мм.
2
2. Приготавливали формовочный раствор 10 мас. % ПАН, 10 мас. % технической сажи и 5 мас. % олеиновой кислоты. Проведенные измерения массогабаритных параметров показали, что значение поверхностной плотности не превышает 106 г/м, а толщина материала не превышает 0.74 мм.
Были проведены исследования морфологии нано- и субмикроволокнистых материалов методом электронной микроскопии на сканирующем электронном микроскопе. Нановолокна фиксировались на металлическом носителе с помощью двойного самоклеящегося проводящего слоя, на них осуществлялось напыление проводящего металлического покрытия. Далее исследуемый материал помещали в электронный микроскоп и производили сканирование. Результат исследования для материала по примеру 2 приведен на фиг. 1.
Были проведены экспериментальные исследования по измерению поглощения электромагнитного излучения СВЧ диапазона предлагаемого нетканого материала. В проведенных исследованиях в качестве меры поглощения электромагнитного излучения проводилось измерение величины ослабления коэффициента отражения электромагнитной волны в диапазоне частот 17.4-26.0 ГГц от металлической поверхности, покрытой предлагаемым нетканым материалом. Измерения были проведены с использованием индикатора КСВН и ослабления, генератора качающей частоты и волноводного измерительного тракта. Процесс измерения осуществляли следующим образом. На металлическую пластину наносили нетканый материал, вырезанный точно по размеру сечения тракта волновода. Далее данной металлической пластиной с нанесенным на нее нетканым материалом закрывали открытый конец волновода. Второй открытый конец волновода соединяли с волноводным измерительным трактом. В основу расчета коэффициента отражения электромагнитной волны положен принцип раздельного выделения падающей и отраженной электромагнитных волн, который заключается в следующем. Сигнал, пропорциональный мощности, падающей на испытуемый образец, выделяется направленным ответвителем падающей электромагнитной волны, входящим в состав волноводного измерительного тракта. Сигнал, отраженный от испытуемого образца, выделяется направленным ответвителем отраженной электромагнитной волны, входящим в состав волноводного измерительного тракта.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что для материала по примеру 1 обеспечивается ослабление коэффициента отражения от металлической поверхности от -0.1 до -0.4 дБ в диапазоне частот 17.4-26.0 ГГц. Для материала по примеру 2 установлено, что ослабление коэффициента отражения от металлической поверхности принимает значение от -0.7 до -3.0 дБ в диапазоне частот 17.4-26.0 ГГц. Результаты проведенных экспериментальных исследований приведены на фиг. 2.