Полиэфирный нетканый материал, поглощающий в СВЧ-диапазоне
POLYESTER NONWOVEN MATERIAL ABSORBING IN MICROWAVE RANGE

Изобретение относится к области радиофизики и предназначено для поглощения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, причем его структура и свойства адаптированы для использования в средствах экипировки и создания элементов носимой одежды для маскировки человека в СВЧ-диапазоне.
Известны различные материалы, предназначенные для поглощения электромагнитного излучения и маскировки в СВЧ-диапазоне от средств наблюдения обнаружения и целеуказания.
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 №2037931, 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 тина может составить до 7-12 дБ в диапазоне длин волн от 0,3 до 4,0 см.
Известно радиопоглощающее устройство (патент на полезную модель №101132 МПК F16J 12/00, 2010), состоящее из пакета слоев, в котором, по крайней, мере один из слоев выполнен в виде нанесенной на тканевую положку пленки гидрогенезированного углерода с атомами металла, отличающееся тем, что на месте, по крайней мере, одного из других слоев установлена сетка из диэлектрического материала с нанесенной на нее пленкой из гидрогенезированного углерода с атомами металла, причем в зависимости от места расположения сетки в общем пакете концентрация металла в пленке гидрогенезированного углерода может меняться от 1 до 100%. Недостатком указанного материала являются: наличие множества слоев (не менее 6 по примеру 1 из описания к патенту); трудоемкость изготовления; отсутствие воздухо- и паропроницаемости, что делает невозможным его использование в элементах экипировки военнослужащего; отсутствие данных о массогабаритных свойствах.
Известен способ получения радиопоглощающего покрытия (по патенту на изобретение России №2 618 493, МПК H01Q 17/00, 2016), согласно которому при получении радиопоглощающего покрытия на защищаемую поверхность наносят радиопоглощающий материал в несколько слоев, при этом по крайней мере в одном из слоев создаются разрезные кольца из электропроводного материала толщиной более толщины скин-слоя. Причем создание разрезных колец осуществляют методом магнетронного напыления через металлическую маску, окна в которой имеют форму и размеры, соответствующие форме и размерам разрезных колец, а режим напыления выбирают из заданной толщины слоя электропроводного материала. Технический результат заключается в повышении технологичности способа изготовления радиопоглощающего покрытия, имеющего высокое поглощение в широком диапазоне длин волн (от долей мм до 2-3 десятков см). Недостатком указанного изобретения является использование структур типа разрезных колец, которые представляют собой резонансные структуры, сильно поглощающие падающие электромагнитные волны только в узком диапазоне частот, расположение которого определяется геометрическим размерами разрезных колец. Таким образом, для обеспечения поглощения электромагнитных волн в широкой полосе, нужно использовать разрезные кольца различных размеров, подбирая границы размеров специальным образом под нужный диапазон частот. Кроме того, характеристики отраженных волн от подобных структур будут сильно зависеть от угла падения, что также является недостатком подобных структур. Также, недостатками являются: наличие множества слоев; трудоемкость изготовления; отсутствие воздухо- и паропроницаемости, что делает невозможным его использование в элементах экипировки военнослужащего; отсутствие данных о массогабаритных свойствах.
Из патента на полезную модель №161081 (МПК H01Q 17/00, В82В 1/00) известно радиопоглощающее покрытие, представляющее собой градиентную структуру из наноструктурированных пленок, включающую от 2 до 10 слоев, одним из слоев которой является частотно-селективная структура (ЧСС), состоящая из пленки аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d-металла (a-C:H(Ni)), нанесенной в форме квадратов размером 10-50 мм с расстоянием между квадратами 10-50 мм на гибкую подложку. Слои соединены между собой по клеевой технологии материалом с низкой диэлектрической проницаемостью. Наноструктурированные пленки на основе аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d-металла (a-C:H(Ni)) получены методом ионно-плазменного магнетронного напыления. Радиопоглощающее покрытие является механически и термически стойким и обеспечивает повышение эффективности защиты от электромагнитного излучения в диапазоне частот 0,5-37,5 ГГц. Недостатками указанного решения являются: наличие множества слоев; трудоемкость изготовления; отсутствие воздухо- и паропроницаемости, что делает невозможным его использование в элементах экипировки военнослужащего; отсутствие данных о массогабаритных свойствах.
2
Известно радиопоглощающее покрытие (патент на изобретение №2370866, МПК: H01Q 17/00, 2008), включающее основу по из меньшей мере двух слоев переплетенных рядов нитей, скрепленных радиопрозрачным материалом, с нанесенной на каждый слой вакуумным распылением пленкой из гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него частицами ферромагнитного материала, при этом направление переплетенных рядов нитей одного слоя тканого материала составляет с направлением переплетенных рядов нитей смежного слоя угол 60-120°, а содержание частиц ферромагнитного материала составляет от 5 мас. % в пленке, нанесенной на наружный слой переплетенных рядов нитей, до 85 мас. % в пленке, нанесенной на слой переплетенных рядов нитей, прилегающий к защищаемой поверхности. Недостатком указанного покрытия является его значительный вес (не менее 1 кг/м), а также отсутствие данных о паропроницаемости и воздухопроницаемости, что делает его непригодным для использования в средствах экипировки военнослужащего. Кроме того, наличие множества слоев в составе покрытия делает процесс его изготовления чрезвычайно трудоемким и дорогостоящим.
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: H01Q 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: H01Q 17/00, 1992, заключающийся в формировании поглощающих электромагнитное излучение элементов на пучках гибких волокон и закреплении их на сетевой опоре (основе). 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 одного слоя материала составляет не менее 200 г/м. 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
Технической проблемой данного технического решения является создание такого радиопоглощающего материала, адаптированного для использования в средствах экипировки военнослужащего, который мог бы преодолеть указанные выше недостатки существующего аналога и обеспечил снижение количества слоев материала до одного, уменьшение значения величины поверхностной плотности до не более 100 г/м, а также снижение множества стадий при производстве за счет того, что поглощающее электромагнитные волны покрытие наносится в течение одного технологического процесса, при этом величина ослабления коэффициента отражения была бы не хуже "минус" 10 дБ в полосе частот от 10 ГГц до 37,5 ГГц.
2
Технический результат, достигаемый в предложенном изобретении, состоит в снижении количества слоев материала до одного, снижении поверхностной плотности материала до не более 100 г/м, при уровне ослабления отраженного сигнала не хуже "минус" 10 дБ в полосе частот от 10 ГГц до 37,5 ГГц.
Поставленная задача решается тем, что на нетканый материал из диэлектрических полиэфирных волокон с использованием магнетронного распыления наносится поглощающее покрытие, при этом параметры технологического процесса нанесения поглощающего покрытия с помощью магнетронного распыления подобраны таким образом, что на одной стороне нетканого материала диэлектрические полиэфирные волокна характеризуются минимальной плотностью покрытия поглощающим слоем, в то время как противоположная сторона нетканого материала покрыта поглощающим слоем с максимальной плотностью. Таким образом, сторона нетканого материала с диэлектрическими полиэфирными волокнами с минимальной плотностью покрытия поглощающим слоем лучше согласована с свободным пространством, и электромагнитная волна при падении на указанную сторону материала не испытывает значительного отражения.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема полиэфирного нетканого материала, поглощающего электромагнитное излучение в СВЧ-диапазоне, где цифрами обозначены:
1 - сторона полиэфирного нетканого материала с минимальной плотностью покрытия поглощающим слоем;
2 - сторона полиэфирного нетканого материала с максимальной плотностью покрытия поглощающим слоем.
2
2
Изобретение согласно предлагаемому решению содержит один слой диэлектрических полиэфирных волокон, при этом на поверхность волокон посредством магнетронного распыления наносят поглощающее покрытие таким образом, что с одной стороны полиэфирного нетканого материала формируют поглощающее покрытие с максимальной плотностью, а на противоположной стороне полиэфирного нетканого материала формируют поглощающее покрытие с минимальной плотностью, при этом поверхностная плотность готового поглощающего полиэфирного нетканого материала не превышает 100 г/м, а значение величины паропроницаемости готового поглощающего полиэфирного нетканого материала не ниже 3 кг/мсут.
Полиэфирный нетканый материал для поглощения электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне изготавливают следующим образом. Технологический процесс основан на методе магнетронного распыления с использованием установки для магнетронного напыления «RobvacVSM300». Установка для магнетронного напыления «RobvacVSM300» предназначена для нанесения металлического покрытия на слой нетканого материала из диэлектрических полиэфирных волокон. Принцип действия установки основан на методе магнетронного распыления на постоянном токе. Метод относится к группе катодного вакуумного распыления, где распыляемая мишень является катодом. Вакуум в камере создается за счет двухступенчатой системы откачки, состоящей из форвакуумного и турбомолекулярного насосов. В данном методе распыление материала мишени (катода) осуществляется за счет бомбардировки последней ионами инертного газа (аргона), ускоренными в электрическом поле, создаваемым высоковольтным источником питания. Распыляемая мишень расположена над кольцевым магнитом. Полюса магнита расположены таким образом, что образуется область скрещенного магнитного и электрического полей, которая является ловушкой для свободных электронов. Электроны под действием силы Лоренца начинают циклировать в прикатодной области, тем самым увеличивая вероятность ионизации аргона и скорость распыления мишени соответственно. Ускоренные ионы аргона выбивают атомы с поверхности мишени, которые в свою очередь осаждаются на подложке, которая в данном случае представляет собой нетканый материал из диэлектрических полиэфирных волокон.
Нанесение поглощающего СВЧ-излучение покрытия на полиэфирный нетканый материал осуществляют методом магнетронного напыления, который включает в себя следующие стадии:
1. Запуск установки ROBVAC VSM-300, установка мишени размером 256×115 мм, толщиной 10 мм из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.
2
2. Загрузка в вакуумную камеру подложки из нетканого материала на основе диэлектрических полиэфирных волокон (поверхностная плотность не более 80 г/м) размером 800×340 мм. Подложка закрепляется на подложкодержатель с помощью канцелярских зажимов таким образом, чтобы материал подложки не провисал.
3. Откачка установки до базового давления.
4. Процесс напыления включает в себя следующие стадии:
а) установка вакуумного затвора между турбомолекулярным насосом и напылительной камерой;
б) напуск в вакуумную камеру инертного газа;
в) запуск вращения подложки для обеспечения наибольшей равномерности покрытия по толщине;
г) включение высоковольтного источника питания, входящего в состав установки. Напыление осуществляется в режиме стабилизации по току при следующих параметрах: ток разряда 600 мА, время напыления 240 с. Таким образом получают сторону полиэфирного нетканого материала с максимальной плотностью поглощающего покрытия (обозначена цифрой 2 на фиг. 1).
д) отключение высоковольтного блока, вращения подложки, прекращение подачи в вакуумную камеру инертного газа, перевод вакуумного затвора в открытое положение.
5. Напуск воздуха в вакуумную камеру, снятие подложки с подложкодержателя.
6. Подложка переворачивается на другую сторону, далее проводят напыление на обратную сторону, повторяя шаги 2-5 и изменяя лишь время напыления - 120 с. Таким образом получают сторону полиэфирного нетканого материала с минимальной плотностью поглощающего покрытия (обозначена цифрой 1 на фиг. 1).
2
2
В результате вышеприведенных действий получается полиэфирный нетканый материал с двусторонним напылением. Поверхностная плотность полиэфирного нетканого материала материал с двусторонним напылением не превышает 100 г/м. Значение величины паропроницаемости получаемого полиэфирного нетканого материала не ниже 3 кг/мсут.
Изобретение работает следующим образом.
Электромагнитная волна СВЧ-диапазона падает на поверхность предлагаемого полиэфирного нетканого материала со стороны, которая характеризуется минимальной плотностью поглощающего покрытия. Так как диэлектрические полиэфирные волокна, входящие в состав полиэфирного нетканого материала, характеризуются значением диэлектрической проницаемости близким к 1, то отсутствует резкая граница в значениях диэлектрической проницаемости между свободным пространством (воздух) и поверхностью предлагаемого полиэфирного нетканого материала, а, следовательно, при падении электромагнитной волны из свободного пространства на данный полиэфирный нетканый материала не происходит формирования отраженной от поверхности полиэфирного нетканого материала электромагнитной волны. Распространяясь внутри предлагаемого полиэфирного нетканого материала, электромагнитная волна СВЧ-диапазона испытывает затухание за счет потерь, вызванных проводимостью поглощающего покрытия диэлектрических полиэфирных волокон, которое сформировано за счет магнетронного распыления стальной мишени. Достигнув противоположной стороны полиэфирного нетканого материала электромагнитная СВЧ-диапазона встречает на своем пути слой из диэлектрических полиэфирных волокон, который характеризуется максимальной плотностью поглощающего (проводящего) покрытия, при этом часть энергии электромагнитной волны переходит в токи проводимости, а другая часть отражается и распространяется в обратном направлении, снова проходя через всю толщу полиэфирного нетканого материала, испытывая значительное затухание при этом.
Были проведены экспериментальные исследования по измерению поглощения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона предлагаемого полиэфирного нетканого материала. В проведенных исследованиях в качестве меры поглощения электромагнитного излучения проводилось измерение величины ослабления коэффициента отражения электромагнитной волны в диапазоне частот 8,2-40,0 ГГц от металлической поверхности, покрытой предлагаемым полиэфирным нетканым материалом, поглощающим в СВЧ-диапазоне. Измерения были проведены с использованием следующего оборудования:
- Векторный анализатор цепей Keysight PNA N5227A
- Рупорные антенны Pasternack Inc. РЕ 9856/SF-20, РЕ 9854/SF-20, РЕ 9852/2F-20, РЕ 9850/2F-20
- СВЧ кабели Maury Microwave SC-35-MM-48 (2 шт.), SC-292-MF-48 (2 шт.)
- СВЧ переходы 7809F1/7809F2
- Электронный калибровочный модуль Keysight N4691B
- Механический калибровочный набор Maury Microwave 8770CK/31
- Металлический столик для размещения образцов
- Штатив с держателем рупорных антенн (4 шт.)
- Тарированные ключи для равномерного и одинакового затягивания СВЧ разъемов.
После прогревания векторного анализатора цепей Keysight PNA N5227A с использованием тарированных ключей подключают необходимые коаксиальные кабели к измерительным портам прибора в соответствии с необходимым частотным диапазоном.
После подключения необходимых коаксиальных кабелей к измерительным портам векторного анализатора цепей Keysight PNA N5227A задают необходимые параметры измерений: частотный диапазон, мощность исследуемого сигнала, тип развертки и количество точек развертки, полоса промежуточной частоты (ПЧ).
Далее осуществляют калибровку на коаксиальных концах подключенных кабелей. После проведения процедуры калибровки рупорные антенны закрепляются на штативах так, чтобы выходное отверстие рупора было направлено на плоскую металлическую поверхность. Расстояние между рупором антенны и металлической поверхность должно быть достаточным, чтобы свободно разместить на металлической поверхности образец полиэфирного нетканого материала толщиной до 3 мм, не изменяя при этом положения рупора. После того, как осуществлено необходимое для проведения измерений размещение рупоров антенн, к ним подключают коаксиальные кабели с использованием тарированных ключей.
На векторном анализаторе цепей переходят в режим измерения коэффициента отражения на соответствующих портах. Для исключения влияния отраженных волн от других поверхностей, кроме металлической поверхности лабораторного столика, где будет размещаться материал для измерений, осуществляют корректировку измерения коэффициента отражения посредством перехода во временную область (Time Domain).
Металлическую поверхность, на которой предполагается размещать испытуемый образец полиэфирного нетканого материала, протирают сухой ветошью. Для подготовки к измерениям испытуемый образец полиэфирного нетканого материала обрезают так, чтобы размер образца превышал размер рупора антенны. Подготовленный образец полиэфирного нетканого материала размещают на металлической поверхности исследовательского столика непосредственно под рупором антенны. После размещения образца на металлической поверхности под рупором измерительной антенны с помощью векторного анализатора цепей производят измерения ослабления коэффициента отражения.
В основу расчета коэффициента отражения электромагнитной волны положен принцип раздельного выделения падающей и отраженной электромагнитных волн, который заключается в следующем. Сигнал, пропорциональный мощности СВЧ-излучения, падающей на испытуемый образец, выделяется направленным ответвителем падающей электромагнитной волны, входящим в состав измерительного тракта тестового порта векторного анализатора цепей. Сигнал, отраженный от испытуемого образца, выделяется направленным ответвителем отраженной электромагнитной волны, входящим в состав измерительного тракта тестового порта анализатора цепей.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что для полиэфирного нетканого материала обеспечивается ослабление коэффициента отражения от металлической поверхности не хуже "минус" 10 дБ в диапазоне частот 8,2-40,0 ГГц. Результаты проведенных экспериментальных исследований приведены на фиг. 2, где цифрами обозначены:
3 - уровень ослабления отраженного сигнала, равный "минус" 10 дБ;
4 - зависимость уровня ослабления отраженного сигнала от частоты полиэфирным нетканым материалом, изготовленным согласно предложенному решению.