Способ получения радиопоглощающего покрытия

 

Изобретение относится к способам получения радиопоглощающих материалов и предназначено для применения в виде покрытия, которое наносится на изделия медицинского, исследовательского, бытового и др. назначения. Способ заключается в нанесении радиопоглощающего материала на защищаемую поверхность в несколько слоев с промежуточной сушкой каждого слоя, причем по крайней мере в один из слоев поглощающего покрытия перед сушкой помещают разрезные кольца из электропроводного материала с различным диаметром. Технической задачей является получение покрытия меньшей толщины и с большим поглощением в более широком диапазоне длин волн. 2 табл., 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к материалам, поглощающим радиоизлучение, и предназначено для применения в виде покрытия, которое наносится на изделие исследовательского медицинского, бытового и др. назначения.

Известны различные способы изготовления материалов и покрытий для поглощения радиоизлучения. По одному из способов [Ю.К.Ковнеристый, И.Ю.Лазарева. А.А.Раваев. Материалы, поглощающие СВЧ-излучение. Наука, М., 1982 г., с. 85] из графита, керметов и т.п. материалов изготавливают геометрические фигуры (например, цилиндры, конусы) различных размеров и закрепляют их на поверхности в определенном порядке. Недостатком такого способа является большой объем и масса поглощающих устройств. Их обычно применяют для поглощения излучения внутри помещения, закрепляя их на стенках и потолках.

По другому способу [Я.А.Шнейдерман, Зарубежная радиоэлектроника, 1972, 7, 1975, 3] вначале изготавливают тканые или пленочные материалы с использованием металлической сетки и закрепляют материал на поверхности. Этот способ применяется, в основном, для экранирования каких-либо поверхностей и для защиты биологических объектов. Недостатком этого способа является большая доля отраженного излучения.

Известен также способ [Ю.К.Ковнеристый, И.Ю.Лазарева, А.А.Раваев. Материалы, поглощающие СВЧ-излучение. Наука, М., 1982 г., с.46, 88], по которому в жидкое полимерное связующее или его раствор вводят дисперсный поглощающий наполнитель (графит, феррит, сегнетоэлектрики, металлические сплавы типа "альсифер" т.п.), а затем полученный жидкий материал наносят на защищаемую металлическую поверхность. Наиболее близким к предлагаемому способу и принятому в качестве прототипа является способ, при котором получают вначале жидкий материал при смешении синтетического клея "Элатон" и порошкообразного феррита или железа, который затем наносят на защищаемую поверхность в несколько слоев с промежуточной сушкой между слоями [патент РФ 2107705, кл. С 09 D 5/32, 1996]. Недостатком указанного способа получения радиопоглощающего покрытия является низкое поглощение в тонких слоях, необходимость нанесения большой толщины покрытия для получения высокого поглощения в диапазоне длин волн более 2 мм. В частности, для длины волны 3 см толщина покрытия должна быть не менее 1 мм.

Высокое поглощение в сочетании с низкой толщиной покрытия является важным при применении покрытий в объектах, где массогабаритные характеристики являются первостепенными. В частности, к таким объектам относятся летательные аппараты, микроэлектронные СВЧ устройства. Поглощающие покрытия большой толщины утяжеляют конструкции летательных аппаратов, ухудшают их аэродинамику, разрушаются при высоких скоростях полета и вибрации конструкции. В микроэлектронных устройствах такие покрытия увеличивают их габариты в несколько раз.

Предлагаемое изобретение направлено на получение радиопоглощающего покрытия, которое имело бы достаточно высокое поглощение при толщинах менее 1 мм в широком диапазоне длин волн (от долей мм до 2-3 десятков см).

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения радиопоглощающего покрытия, заключающемся в нанесении радиопоглощающего материала на защищаемую поверхность в несколько слоев с промежуточной сушкой каждого слоя, по крайней мере в один из слоев поглощающего покрытия перед сушкой помещают разрезные кольца из электропроводного материала толщиной более скин-слоя, с различным диаметром D, удовлетворяющим условию: где С - скорость света; ν_mn - n-й корень Бесселевой функции, удовлетворяющий уравнению _m(x)=0, m=1, 2, ...; f_min - минимальная частота поглощаемого излучения; ε - диэлектрическая проницаемость радиопоглощающего материала; μ - магнитная проницаемость радиопоглощающего материала, при этом величина зазора в каждом из колец и минимальное расстояние между кольцами выбраны так, чтобы при данной мощности излучения не было короткого замыкания в зазоре и между кольцами, и равны 0,1-0,5 мм, после чего производят сушку этого слоя и наносят следующие слои необходимой толщины.

Любые электропроводные, в частности, металлические кольца различного диаметра располагают либо в одном слое (концентрически или рядом), либо в разных параллельных слоях (см. чертеж).

Применение электропроводных разрезных колец позволяет, во-первых, получать тонкие поглощающие слои толщиной менее 1 мм, во-вторых, увеличить радиопоглощение для различного диапазона длин волн без увеличения толщины материала, в-третьих, расширить этот диапазон длин волн.

Электропроводное кольцо, на которое падает электромагнитная волна, аналогично магнитному вектору Герца. В таком случае набор колец, расположенных на поверхности диэлектрического слоя и отстоящих друг от друга на расстоянии L<<λ, представляет собой упорядоченную структуру из осцилляторов, связанных между собой определенным образом, т.е. периодическую структуру с пространственным периодом L. Под действием падающего электромагнитного излучения в каждом единичном объеме, содержащем электропроводное кольцо, наводится электромагнитная волна Н-типа. При этом в соответствии с формулой, чем больше длина волны падающего излучения, тем больше должен быть диаметр колец. Величина KL характеризует изменение фазы при переходе от одного электропроводного кольца к соседнему. В такой среде будет cуществовать волна с волновым числом К с периодом Все возможные колебания будут лежать в интервале Таким образом, мы имеем некоторый спектр частот, а среда обладает дисперсией, которая является существенной, пока L мало по сравнению с длиной волны λ. В такой диспергирующей среде существующая диссипация заставит распределиться излучению по всей поверхности и перейти энергию волны в тепло.

Так, например, при наличии двух типов чередующихся электропроводных колец, диаметр которых D₁ и D₂, расположенных на равных расстояниях друг от друга, возможно образование двух видов волн:
H_2n = H₁e⁽ω^t-2nKL),
H_2n±1 = H₂e^[ω^t-(2n±^1)KL],
где ω - круговая частота;
t - время, с;
n - целое число (0, 1, 2, ...).

Нечетные номера соответствуют кольцам диаметром D₁, a четные - кольцам, диаметр которых D₂.

Такая среда содержит собственные осцилляторы и имеет дисперсионное уравнение четвертой степени. В этом случае получается уже два спектра частот, которые лежат в более высоком и более низком диапазонах частот. Следовательно, общий спектр существенно расширяется по сравнению с первым случаем.

Для снижения отражения падающей электромагнитной энергии кольца необходимо делать разрезными. Тогда наведенная в них энергия будет частично переизлучаться в зазоре и поглощаться в слое покрытия.

Несмотря на довольно широкий спектр собственных частот, резонатор реально взаимодействует только с частотами первых гармоник. Чтобы расширить спектр поглощения, необходимо применять кольца разного диаметра. Они могут располагаться в одной плоскости (например, концентрически одно в другом) либо в разных плоскостях.

Зазор в кольцах и расстояние между ними должны быть такие, чтобы в результате пробоя или туннельного эффекта не образовалось сплошной электропроводной сетки на поверхности, которая в таком случае будет работать уже как отражатель (см. , например, "Электродинамика сетчатых структур", Конторович М.И., Астрахан М.И. и др., Радио и связь, 1987 г.). Поэтому зазор в кольце и расстояние между ними выбирают в пределах 0,1-0,5 мм.

В то же время, если увеличивается расстояние между кольцами, то это снижает концентрацию колец на единицу площади и, как следствие, снижается количество поглощенной энергии.

Толщина скин-слоя d электропроводного материала определяется по формуле

где ω = 2πf;
с - электрическая постоянная, равная скорости света в вакууме;
σ - коэффициент электропроводности;
μ - магнитная проницаемость.

В частности при f=10⁶ Гц для меди d=0,1 мм, а для титана d=0,5 мм; при f=10¹⁰ Гц для меди d=0,001 мм, а для титана d=0,005 мм.

Пример конкретного выполнения предлагаемого способа.

В качестве поглощающего материала применяли клей Элатон с ферритовым наполнителем (состава 96,0% феррит-граната Y₃Fe₅O₁₂ + 4,0% оксида железа Fе₂О₃) в соотношении 100 маc. ч. клея и 300 мас. ч. ферритового наполнителя.

Клей Элатон представляет собой водоэмульсионную композицию на основе бутадиен-стирольного латекса, загустителя и антисептика (ТУ 2385-002-11165336-95). Процесс нанесения поглощающего материала состоит из повторяющихся циклов.

На три металлические поверхности размерами 200х200 мм наносят поглощающий материал на основе феррита толщиной 0,5 мм и производят сушку при температуре 25^oС.

После этого замеряют поглощение электромагнитного излучения образцами. Затем изготавливают разрезные кольца следующим образом.

Вначале, в соответствии с уравнением

рассчитывают собственные частоты объемного резонатора f_min в зависимости от его диаметра D.

Значения собственных частот f_{1n min} открытого объемного резонатора в зависимости от его диаметра D представлены в табл.1.

На оправки из нержавеющей стали диаметром D₁ = 10 мм и D₂ = 3 мм наматывают виток к витку константановую проволоку диаметром 0,2 мм и разрезают по образующей тонкой фрезой или ножницами. Первый образец оставляют без изменения. На поверхность второго и третьего образцов помещают и закрепляют кольца диаметром D₁ = 10 мм, с зазором 0,2 мм, на расстоянии между кольцами 0,2 мм. Затем на поверхность третьего образца дополнительно помещают кольца диаметром D₂ = 3 мм и зазором 0,2 мм, располагая их концентрически в кольцах с диаметром D₁ = 10 мм. После этого наносят слой поглощающего покрытия толщиной 0,5 мм на поверхность трех образцов. После сушки производят измерение поглощения образцов в открытом пространстве, применяя излучающий и приемный рупоры, согласованные по размерам с частотой электромагнитного излучения. Результаты измерения для различных образцов приведены в табл. 2.

Из табл. 2 следует, что применение колец одного диаметра, помещенных в слой поглощающего покрытия, увеличивает поглощение в несколько раз (пункт 2 таблицы) по сравнению с покрытием без колец (пункт 1 таблицы), а введение в слой поглощающего покрытия колец разного диаметра (пункт 3 таблицы) не только увеличивает поглощение, но и расширяет диапазон длин волн, который поглощает покрытие. С увеличением длины волны при постоянной мощности излучения должна наблюдаться тенденция снижения поглощения при прочих равных условиях, т. к. поглощенный квант энергии hf (h - постоянная Планка, f - частота излучения) с уменьшением частоты уменьшается и для поглощения той же мощности излучения в длинноволновой области требуется большее количество резонаторов, чем для коротковолновой области. Поэтому в табл.2 поглощенная мощность уменьшается при увеличении длин волн. Для диаметра D=10 мм поглощенная мощность уменьшается и в коротковолновой области (λ<4 см), т.к. в этой области, в соответствии с формулой, вероятность поглощения энергии кольцами этого диаметра уменьшается. В то же время при введении в слой колец с диаметром D=3 мм поглощение энергии в коротковолновой области резко возрастает, т. к. для колец этого диаметра вероятность поглощения в этой области, в соответствии с расчетной формулой, возрастает. Поглощение в длинноволновой области, в этом случае, не меняется, т.к. вероятность поглощения кольцами с D=3 мм мала и поглощение осуществляется кольцами с D=10 мм.

Таким образом, помещение электропроводных разрезных колец в поглощающий слой увеличивает поглощение электромагнитной энергии без увеличения толщины материала, а применение колец разного диаметра не только увеличивает поглощение, но и расширяет диапазон длин волн поглощаемой энергии.

Формула изобретения

Способ получения радиопоглощающего покрытия, заключающийся в нанесении радиопоглощающего материала на защищаемую поверхность в несколько слоев с промежуточной сушкой каждого слоя, отличающийся тем, что по крайней мере в один из слоев поглощающего покрытия перед сушкой помещают разрезные кольца из электропроводного материала толщиной более толщины скин-слоя, с различным диаметром D, удовлетворяющим условию

где С - скорость света;
υ_mn - n-ый корень Бесселевой функции, удовлетворяющий уравнению J_m(X)= 0, m= 1, 2. . . ;
f_min - минимальная частота поглощаемого излучения;
ε - диэлектрическая проницаемость радиопоглощающего материала;
μ - магнитная проницаемость радиопоглощающего материала;
при этом величина зазора в каждом из колец и минимальное расстояние между кольцами выбраны так, чтобы при данной мощности излучения не было короткого замыкания в зазоре и между кольцами, и равны 0,1÷0,5 мм, после чего производят сушку этого слоя и наносят следующие слои необходимой толщины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2