Радиопоглощающие материалы

ДЛЯ БЕЗЭХОВЫХ КАМЕР,

ИХ ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Краткий обзор РПМ

Неметаллические материалы, обеспечивающие поглощение или пропускание электромагнитного излучения радиочастотного диапазона (105 — 1012 Гц) при минимальном его отражении. Распространяясь в объеме этих материалов, электромагнитное излучение (ЭМИ) создает переменное электрическое поле, энергия которого преобразуется в тепловую энергию практически полностью - в радиопоглощающих и минимально - в радиопрозрачных материалах.

Радиопоглощающие материалы. В радиопоглощающих материалах и конструкциях наряду с диэлектрическими и магнитными потерями имеют место дисперсия, дифракция, интерференция и полное внутреннее отражение радиоволн, вызывающие дополнительно ослабление энергии ЭМИ вследствие рэлеевского рассеяния, сложения волн в противофазе и др. Изделия из таких материалов поглощают потоки электромагнитной энергии плотностью 0,1-8,0 Вт/см²; интервал рабочих температур — 60 — 1300°С; уровень отраженного излучения 0,001-5%.

Основу радиопоглощающих материалов составляют органические или неорганические (гл. обр. оксиды и нитриды) вещества, в которые в качестве активной поглощающей компоненты вводят порошки графита, металлов и их карбидов.
Градиентные радиопоглощающие материалы характеризуются многослойной структурой, обеспечивающей заданное изменение диэлектрической проницаемости в толще материала. Наружный слой изготовляют из твердого диэлектрика с диэлектрической проницаемостью e, близкой к 1 (напр., из фенольного пластика, упрочненного кварцевым стекловолокном), последующие - из диэлектриков с более высокой e (напр., эпоксидной смолы с e 5 или той же смолы с наполнителем с e 25, или связанной воды с e 80) и порошка поглотителя (например, графитовой пыли). Описанная структура способствует минимальному отражению радиоволн от поверхности и увеличению их поглощения по мере проникновения в глубь материала.

Градиентные Радиопоглощающие материалы (наиболее обширный класс) имеют многослойную структуру с плавным или ступенчатым изменением комплексной диэлектрической проницаемости по толщине (обычно по гиперболическому закону). Их толщина сравнительно велика и составляет > 0,12—0,15 l_макс, где l_макс — максимальная рабочая длина волны. Внешний (согласующий) слой изготавливают из твёрдого диэлектрика с большим содержанием воздушных включений (пенопласт и др.), с диэлектрической проницаемостью, близкой к единице, остальные (поглощающие) слои — из диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью (стеклотекстолит и др.) с поглощающим проводящим наполнителем (сажа, графит и т.п.).
Интерференционные радиопоглощающие материалы обычно состоят из подложки и чередующихся диэлектрических и проводящих слоев. В качестве подложки используют металлическую пластину или неметаллический материал с e 100 и тангенсом угла диэлектрических потерь tgd, близким к 1. Диэлектрический слой, являющийся связующим, содержит в себе поглотитель (например, оксиды Fe), проводящий слой металлизированного волокна. Такая структура обеспечивает сдвиг фазы отраженной в материале волны почти на 180° и ее гашение.
Рассеивающие радиопоглощающие материалы обеспечивают многократное отражение и рассеяние волн. Изделия из них чаще всего полые пирамидальные конструкции из пенополистирола, внутренние стенки которых покрыты графитом, или трубы из стеклопластиков, покрытые снаружи слоем SiC.
Керамические материалы представляют собой, как правило, плотноспеченные материалы из оксидов металлов с низким электрическим сопротивлением [напр., Ti₃O₄ и (AlTi)₂O₃] или оксидов и нитридов В и А1 с добавкой металлов (W, Mo, Ti, Zr, Hf) или их карбидов. Обладают высокими теплопроводностью, механической прочностью и термостойкостью. Для экранирования от радиоизлучений высокой интенсивности изготовляют многослойные материалы из микросфер оксида А1 и титаната Ва, соединенных между собой алюмофосфатным цементом. К группе керамических материалов относят также плотный пиролитический углерод.

Ферритовые материалы, отличающиеся большими магнитными потерями, характеризуются высокой поглощающей способностью, что позволяет использовать их в виде облегченных элементов, например тонкослойных (до 0,2 мм) покрытий из FeO·Fe₂O₃ или МnО·Fe₂O₃ с эпоксидным связующим, или плиток, смонтированных на металлическом листе и защищенных стеклотканью или слоем пластмассы.

Радиопоглощающие материалы применяют в виде покрытий металлических поверхностей самолетов, танков, ракет и кораблей с целью их радиолокационной маскировки, для защиты людей от воздействия радиоизлучений высокой интенсивности, создания радиогерметичных безэховых испытательных камер, поглотителей энергии в электронных приборах, обеспечения радиосовместимости частей аппаратуры.

Радиопоглощающие материалы, неметаллические материалы, состав и структура которых обеспечивают эффективное поглощение (при незначительном отражении) электромагнитной энергии в определённом диапазоне длин радиоволн. Радиопоглощающие материалы используют для уменьшения эффективной отражающей поверхности наземных и морских объектов и летательных аппаратов с целью их противолокационной маскировки, для оборудования испытательных камер, в которых исследуются антенные устройства, для поглощения электромагнитной энергии в оконечных и др. поглощающих элементах СВЧ устройств и т.д.

При взаимодействии электромагнитного излучения с радиопоглощающим материалом в последних имеют место поглощение (диэлектрические и магнитные потери), рассеяние (вследствие структурной неоднородности радиопоглощающие материалы) и интерференция радиоволн.

Немагнитные радиопоглощающие материалы подразделяют на интерференционные, градиентные и комбинированные. Интерференционные радиопоглощающие материалы состоят из чередующихся диэлектрических и проводящих слоев. В них интерферируют между собой волны, отразившиеся от электропроводящих слоев и от металлической поверхности защищаемого объекта.

Эффект поглощения создает порошок углерода пропитанный парафином. Условно к градиентным Радиопоглощающие материалы относят также материалы с рельефной внешней поверхностью (образуемой выступами в виде шипов, конусов и пирамид), называемые шиловидными Радиопоглощающие материалы; уменьшению коэффициента отражения в них способствует многократное отражение волн от поверхностей шипов (с поглощением энергии волн при каждом отражении). Комбинированные радиопоглощающие материалы — сочетание радиопоглощающие материалы градиентного и интерференционного типов. Они отличаются эффективностью действия в расширенном диапазоне волн. Группу магнитных радиопоглощающие материалы составляют ферритовые материалы, характерная особенность которых — малая толщина слоя (1—10 мм).

Различают радиопоглощающие материалы широкодиапазонные (l_макс/l_мин > 3—5), узкодиапазонные (l_макс/l_мин ~ 1,5—2,0) и рассчитанные на фиксированную (дискретную) длину волны (ширина диапазона < 10—15% l_р); l_мин и l_р — минимальная и рабочая длины волн. Обычно Радиопоглощающие материалы отражают 1—5% электромагнитной энергии (некоторые — не более 0,01%) и способны поглощать потоки энергии плотностью 0,15—1,50 Вт/см² (пенокерамические — до 8 Вт/см²). Интервал рабочих температур Радиопоглощающие материалы с воздушным охлаждением от —60 до 650°С (у некоторых до 1315°С).

Широко применяются в технике слабых токов смешанные ферриты (например, соединение из цинкового и никелевого ферритов), а также ферриты-гранаты, кристаллическая структура которых одинакова с природными гранатами. Для них характерно исключительно высокое электрическое сопротивление и практическое отсутствие скин-эффекта. Ферриты-гранаты применяются при очень высоких частотах (если невелики диэлектрические потери).

Радиопоглощающий материал (РПМ) предназначен для применения при создании полностью или частично безэховых камер, испытательных зон, и различных устройств.

Ферритовый радиопоглощающий материал.
Представляет собой пластины (рис. 4.1.), изготовленные из специального феррита низкой проницаемости, с исключительно высокими стабильными характеристиками.

Различают два типа данного материала:

- пластины феррита(100x100 или 200х200 мм.), предназначенные для монтажа на диэлектрик;

- сборные панели(300х300мм.), представляющие собой ферритовые пластины, наклеенные на диэлектрик.

Как показывает опыт, наиболее прак­тичным вариантом являются сборные панели, так как не требуют дополни­тельных затрат на ди­электрик и монтаж, а также подгонку раз­меров. Панели стан­дартны, имеют малый допуск по линейным размерам и сверхнизкую трудоемкость монтажа. По соотноше­нию цена/качество сборные панели также предпочтительней. Рабочий диапазон данного материала лежит от 20МГц до 1ГГц.

 

Пенный радиопоглощающий материал. Представляет собой материал, выполненный на базе пенополиуретана с добавлением необходимых присадок и включений.

Обычно выполняется в виде пирамид или конусов, расположенных перпендикулярно либо под углом к поверхности монтажа. Выполняется также виде плоских матов различной толщины. Высота пирамид 50-3000 мм, рабочий диапазон от 30МГц до 160ГГц.

Радиопоглощающие материалы, неметаллические материалы, состав и структура которых обеспечивают эффективное поглощение (при незначительном отражении) электромагнитной энергии в определённом диапазоне длин радиоволн. РПМ используют для уменьшения эффективной отражающей поверхности наземных и морских объектов и летательных аппаратов с целью их противолокационной маскировки, для оборудования испытательных камер, в которых исследуются антенные устройства, для поглощения электромагнитной энергии в оконечных и др. поглощающих элементах СВЧ устройств и т.д.

При взаимодействии электромагнитного излучения с РПМ в последних имеют место поглощение (диэлектрические и магнитные потери), рассеяние (вследствие структурной неоднородности РПМ) и интерференция радиоволн. Немагнитные РПМ подразделяют на интерференционные, градиентные и комбинированные. Интерференционные РПМ состоят из чередующихся диэлектрических и проводящих слоев. В них интерферируют между собой волны, отразившиеся от электропроводящих слоев и от металлической поверхности защищаемого объекта. Градиентные РПМ (наиболее обширный класс) имеют многослойную структуру с плавным или ступенчатым изменением комплексной диэлектрической проницаемости по толщине (обычно по гиперболическому закону).

Их толщина сравнительно велика и составляет > 0,12—0,15 l_макс, где l_макс — максимальная рабочая длина волны. Внешний (согласующий) слой изготавливают из твёрдого диэлектрика с большим содержанием воздушных включений (пенопласт и др.), с диэлектрической проницаемостью, близкой к единице, остальные (поглощающие) слои — из диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью (стеклотекстолит и др.) с поглощающим проводящим наполнителем (сажа, графит и т.п.). Условно к градиентным РПМ относят также материалы с рельефной внешней поверхностью (образуемой выступами в виде шипов, конусов и пирамид), называемые шиловидными РПМ; уменьшению коэффициента отражения в них способствует многократное отражение волн от поверхностей шипов (с поглощением энергии волн при каждом отражении). Комбинированные РПМ — сочетание РПМ градиентного и интерференционного типов. Они отличаются эффективностью действия в расширенном диапазоне волн. Группу магнитных РПМ составляют ферритовые материалы, характерная особенность которых — малая толщина слоя (1—10 мм).

Различают РПМ широкодиапазонные (l_макс/l_мин > 3—5), узкодиапазонные (l_макс/l_мин ~ 1,5—2,0) и рассчитанные на фиксированную (дискретную) длину волны (ширина диапазона < 10—15% l_р); l_мин и l_р — минимальная и рабочая длины волн. Обычно РПМ отражают 1—5% электромагнитной энергии (некоторые — не более 0,01%) и способны поглощать потоки энергии плотностью 0,15—1,50 вт/см² (пенокерамические — до 8 вт/см²). Интервал рабочих температур РПМ с воздушным охлаждением от —60^о до 650°С (у некоторых до 1315°С).

Углеродопласты, карбопласты, углепластики - пластмассы, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна (в виде непрерывного жгута, ленты, мата или короткого рубленого волокна). Связующими для таких материалов служат синтетические полимеры, например эпоксидные, полиэфирные, феноло-формальдегидные смолы, полиимиды, кремнийорганические полимеры (полимерные углеродопласты), синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные углеродопласты), и так называемый «пиролитический углерод» (пироуглеродные углеродопласты).

Изделия из углеродопласты можно формовать всеми способами, применяемыми при переработке слоистых пластических масс. Наиболее распространён следующий метод: углеродный наполнитель пропитывают расплавом или раствором связующего (например, в спирте, в углеводородах), подсушивают, получая полуфабрикат (препрег), из которого выкраивают заготовки, собирают из них по форме изделия пакет и прессуют, как правило, на гидравлических прессах, в автоклавах или пресс-камерах (удельное давление не должно превышать 2,0— 2,5 Мн/м², или 20—25 кгс/см², из-за высокой хрупкости углеродного волокна).

Препрег в виде пропитанной ленты или жгута используют также при получении изделий намоткой. Коксованные углеродопласты получают пиролизом полимерных углеродопласты при 300—1500°С или 2500—3000°С. При изготовлении пироуглеродных углеродопласты наполнитель, не пропитанный связующим, выкладывают по форме изделия, помещают в печь, в которую пропускают обычно метан. При 1100 °С и остаточном давлении 2,6 кн/м²(20 мм рт. см.) он разлагается, и образующийся «пиролитический углерод» осаждается на углеродных волокнах, связывая их.

Углеродопласты характеризуются сочетанием высокой прочности и жёсткости с малой плотностью, низкими температурным коэффициентом линейного расширения (благодаря чему при повышенных температурах углеродопласты имеют хорошую стабильность размеров) и коэффициент трения, высокими тепло и электропроводностью, износостойкостью, устойчивостью к термическому, химическому и радиационному воздействию. Углеродопласты превосходят др. слоистые пластики (например, стеклопластики, асбопластики) и металлы по статической и динамической выносливости, имеют высокую вибропрочность (например, усталостная прочность при изгибе углеродопласты на основе эпоксидного связующего более 400 Мн/м², или 40 кгс/мм², вибропрочность 480 Мн/м², или 48 кгс/мм²). Углеродопласты обладают высокой анизотропией свойств. Пироуглеродные и коксованные углеродопласты отличаются также хорошими абляционными свойствами. Однако ударная прочность углеродопласты меньше, чем, например, у стеклопластиков.

Углеродопласты — важные композиционные материалы, используемые в авиастроении (обеспечивают снижение массы деталей фюзеляжа, крыла, оперения самолёта на 15—50%). Из Углеродопласты изготавливают детали самолётов скоростной авиации и космических летательных аппаратов, спортинвентарь (например, лыжи), химическое оборудование; углеродопласты используют в судо- и автомобилестроении. Коксованные и пироуглеродные углеродопласты применяют для внешней теплозащиты возвращаемых космических аппаратов, для внутренней теплозащиты элементов ракетных двигателей (сопла, камеры сгорания).

Особенности РПМ для БЭК

Все радиопоглощающие материалы, в том числе и РПМ для БЭК, должны обладать двумя непременными качествами: во-пер­вых, обеспечивать поглощение электромагнитной энергии за счет активных потерь в толще материала, во-вторых, обеспечивать ма­лые, отражения электромагнитного поля от поверхности.

По характеру поглощения РПМ делятся на материалы с ди­электрическим поглощением (за счет омических потерь) и ферри­ты, у которых поглощение идет за счет магнитных потерь.

Для эффективного поглощения толщина диэлектрического ма­териала обычно бывает около четверти длины волны [3]. Это ог­раничение не создает трудностей при разработке радиопоглоща­ющих материалов для камер сантиметрового и дециметрового ди­апазонов волн, и в этих диапазонах материалы с диэлектричес­ким поглощением широко используются для покрытия рабочей поверхности безэховых камер. Определенные трудности возника­ют при разработке и использовании материалов этого типа для метровых волн. По-видимому, максимальная длина волны, на ко­торой могут быть реализованы РПМ с диэлектрическим поглоще­нием, примерно 5 ¸ 6 м, при этом толщина радиопоглощающего покрытия около 2 м близка к предельной, так как в ряде случаев существенно уменьшает полезный объем камеры. Среди всех ма­териалов с диэлектрическим поглощением, выпускаемых фирмой «Эмерсон Ко», только один материал HPY-72 в виде пирамид вы­сотой до 1,8 м предназначен для длин волн до 6 м [59].

Радиопоглощающие материалы с магнитными потерями лише­ны этого недостатка. Так как пучность магнитного поля находится непосредственно на металлической подложке, то магнитные матери­алы могут эффективно поглощать и при толщинах, много меньших длины волны. Поэтому они удобны для поглощения волн метрового диапазона. Фирма «Эмерсон и Ко» выпускает магнитные материа­лы NZ-1, NZ-2, которые при дюймовой толщине работают до длин волн 6...8 м [59].

Остановимся более подробно на вопросе обеспечения малых коэффициентов отражения от радиопоглощающего материала.

Мы видели ранее, чем большинство измерений, проводимых в БЭК, требует рабочей безэховости —60...—45 дБ. Такая безэховость может быть достигнута применением либо РПМ с уровня­ми отражения того же порядка малости, либо гладких листовых РМП с коэффициентом отражения на несколько порядков боль­ше, но способных формировать в основном зеркальную компонен­ту отраженного поля с малым диффузным рассеянием. Для листо­вых РПМ с коэффициентом отражения —17... 15 дБ в разделе 3 приведены методы расчета рабочей поверхности с рассеивающими конфигурациями, позволяющими обеспечить необходимую безэховость. Показано, что дифракционное поле, определяющее пре­дельно достижимый уровень помех в безэховой зоне, определяет­ся угловой характеристикой R(q) френелевского коэффициента отражения от поглощающего материала. Выигрыш в безэховости от профилирования поверхности камеры тем больше, чем при больших углах падения угловая характеристика коэффициента от­ражения от поглощающего материала имеет минимум.

Посмотрим теперь, как в радиопоглощающих материалах ре­шается проблема согласования со свободным пространством и как у различных типов РПМ формируется отраженное поле.