Многослойный композиционный материал для защиты от электромагнитного излучения
Владельцы патента RU 2529494:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)
Изобретение относится к средствам для защиты от электромагнитных полей электротехнических и электронных устройств и биологических объектов и может использоваться для создания электромагнитных экранов и безэховых камер. Композиционный материал для защиты от электромагнитного излучения состоит из полимерной основы с распределенными в ней частицами сплава системы Fe-Cu-Nb-Si-B, отличается тем, что он представляет собой многослойную конструкцию, каждый слой которой выполнен из указанного состава, а содержание частиц сплава в каждом слое составляет 70-90 мас.% и ограничено определенным диапазоном размеров частиц из непрерывного ряда 1-200 мкм с увеличением размерности частиц в каждом последующем слое. Техническим результатом изобретения является увеличение рабочего диапазона частот материала от 100 МГц до 10 ГГц с сохранением низких значений коэффициента отражения и высоких значений магнитной проницаемости. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил., 2 пр.
Композиционный материал относится к средствам защиты от переменных электромагнитных полей в СВЧ диапазоне и может использоваться для обеспечения электромагнитной совместимости электротехнических и электронных устройств, создания безэховых камер для высокоточных измерений, снижения заметности военных объектов, а также для защиты биологических объектов от негативного влияния повышенных электромагнитных полей.
Создание радиопоглощающих экранов является важным направлением развития современной техники, они находят применение в различных областях деятельности человека, в том числе в электронной, электротехнической и военной промышленностях. Диапазон частот приборов, которые требуют использования радипоглощающих материалов, постоянно увеличивается, и, соответственно, растут требования к таким материалам по диапазону рабочих частот при сохранении весовых и габаритных характеристик. Зачастую требуется также дополнительно уменьшать вес и толщину материала ввиду миниатюризации электронных устройств и усовершенствования военной техники.
Согласно источникам [1, 2] материал, обеспечивающий наименьший коэффициент отражения электромагнитной волны, должен обладать одновременно магнитными и диэлектрическими характеристиками. В идеальном случае, чтобы выполнялось равенство Котр=0, необходимым условием является равенство ε′=µ′, где ε′ и µ′ - это действительные части диэлектрической и магнитной проницаемостей материала соответственно. Данное условие следует из формул, приведенных в источниках [1, 2]:
где w - волновое сопротивление материала. Если материал обладает конечной толщиной, то волновое сопротивление вычисляется следующим образом:
где ε=ε′-iε″ - диэлектрическая проницаемость материала;
µ=µ′-iµ″ - магнитная проницаемость материала;
d - толщина материала;
λ - длина волны электромагнитного излучения.
Одним из способов решения задачи создания радиопоглощающего материала, обладающего одновременно магнитными и диэлектрическими свойствами, является получение композиционного материала, включающего в себя компоненты, каждый из которых обладает одним из указанных свойств. Согласно источнику [3] наиболее эффективными для работы при заданной частоте являются частицы наполнителя размером от λ/4 до λ/2.
При этом толщина материала также играет важное значение для обеспечения эффективного радиопоглощения. Согласно источнику [4] наиболее эффективными радиопоглощающими свойствами при прочих равных условиях будет обладать материал толщиной порядка λ/20, где λ - длина волны поглощаемого излучения.
На данный момент известны многослойные композиционные радиопоглощающие материалы на основе полимерной матрицы, обладающей высокой диэлектрической проницаемостью, и различных магнитных и электропроводящих наполнителей (5, 6, 7). Однако данные материалы обладают недостатком в виде узкого диапазона рабочих частот, обусловленного наличием у каждого компонента наполнителя своей определенной резонансной частоты, при которой радиопоглощение наиболее эффективно. И как следствие, недостатком в виде большого количества различных компонентов, добавляемых в материал, что затрудняет и удорожает получение композиционного материала. Помимо этого в патенте РФ №2453953 из-за предполагаемой металлической подложки, входящей в состав материала, резко увеличивается удельная масса композиционного материала.
В качестве прототипа выбран композиционный материал (8) на основе полимерной матрицы и распределенных в ней частиц нанокристаллического сплава Fe-Si-Nb-Cu-B либо сплава Co-Fe-Ni-Cu-Nb-Si-B размером от 1 до 100 мкм. В данном изобретении поглощение электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне осуществляется с применением одного наполнителя вместо нескольких. Эффект поглощения излучения в широком диапазоне частот осуществляется за счет различных по размеру частиц наполнителя.
Согласно источнику [9] магнитные характеристики порошков зависят в значительной степени от размера частиц. В конечном счете, каждый диапазон фракционного состава порошков в резонансном режиме определяет эффективность защиты в определенном частотном спектре.
Однако в патенте, принятом за прототип, речь может идти только об интегральном эффекте, определяемым широким фракционным составом частиц, который не позволяет создавать композиционные защитные материалы, работающие в заранее заданном диапазоне частот. Поэтому обязательным условием создания композиционного защитного материала является его работа в резонансных диапазонах частот.
Техническим результатом изобретения является увеличение диапазона рабочих частот композиционного материала от 100 МГц до 10 ГГц, при которых работает большинство современных электронных устройств, включая сотовые телефоны, микропроцессорные системы и радиолокационные станции, с сохранением коэффициента отражения не более - 10 дБ.
Технический результат достигается за счет того, что композиционный материал для защиты от электромагнитного излучения, состоящий из полимерной основы с распределенными в ней частицами сплава системы Fe-Cu-Nb-Si-B, в соответствии с изобретением представляет собой многослойную конструкцию, каждый слой которой выполнен из указанного состава, а содержание частиц сплава в каждом слое составляет 70-90 мас.% и ограничено определенным диапазоном размеров частиц из непрерывного ряда 1-200 мкм с увеличением размерности частиц в каждом последующем слое.
В частности, композиционный материал может состоять из слоев А-Е со следующими диапазонами размеров частиц сплава в каждом из слоев:
Слой А - 1-15 мкм;
Слой В - 15-35 мкм;
Слой С - 35-50 мкм;
Слой В - 50-100 мкм;
Слой Е - 100-200 мкм.
Кроме того, толщина каждого из слоев А-Е варьируется следующих пределах:
Слой А - 0,1-0,5 мм;
Слой В - 0,5-1,0 мм;
Слой С - 1,0-5,0 мм;
Слой D - 5,0-10,0 мм;
Слой Е - 10,0-30,0 мм.
Экспериментально установлено, что требуемый эффект достигается при содержании частиц в каждом слое, начиная с 70 мас.%. При содержании частиц более 90 мас.% наблюдается резкое снижение прочности материала, поэтому оптимальное содержание частиц в каждом слое составляет 70-90 мас.%.
Использование в композиционном материале частиц размерами 1-200 мкм позволяет достичь оптимального эффекта, так как обеспечивает коэффициент отражения не более - 10 дБ в диапазоне частот от 100 МГц до 10 ГГц. Дальнейшее увеличение размеров частиц приводит к увеличению общего коэффициента отражения материала в данном частотном диапазоне вследствие пластинчатой формы частиц.
Расчеты показывают, что для поглощения электромагнитного излучения определенной частоты необходимо использовать наполнитель определенного фракционного состава.
Благодаря пластинчатой форме частицы большего размера обладают большей отражательной способностью, увеличивающейся с повышением частоты, поэтому необходимо размещать слои в данном композиционном материале в порядке непрерывного увеличения размеров частиц с целью обеспечения максимального поглощения электромагнитного излучения в объеме материала.
Для достижения максимального эффекта поглощения электромагнитного излучения необходимо также подбирать толщину каждого слоя, исходя из значений частоты излучения, на которой планируется радиопоглощение в данном слое. Как уже было отмечено выше, наилучшими радиопоглощающими свойствами при прочих равных условиях будет обладать материал с толщиной порядка λ/20. Согласно этому для работы материала в заявленном диапазоне частот необходимо обеспечить следующие толщины слоев композиционного материала:
Слой А - 0,1-0,5 мм;
Слой В - 0,5-1,0 мм;
Слой С - 1,0-5,0 мм;
Слой D - 5,0-10,0 мм;
Слой Е - 10,0-30,0 мм.
Данная конструкция композиционного материала позволяет управлять диапазоном рабочих частот и эффективностью поглощения электромагнитных волн за счет создания многослойной композиции, каждый слой которой, имея определенную массовую долю ферромагнитного дисперсного материала определенной фракции в диэлектрической матрице, позволяет в резонансном режиме поглощать излучение в заранее заданном диапазоне частот.
Интегральный эффект при взаимодействии всех слоев композита с падающей электромагнитной волной, во-первых, повышает эффективность поглощения и, во вторых, расширяет диапазон рабочих частот.
Композиционный материал, обладающий такой структурой, обеспечивает удовлетворительное поглощение электромагнитных волн в диапазоне частот от 100 МГц до 10 ГГц.
На фиг.1 представлено сравнение интегрального эффекта от наполнителя фракционного состава от 1 до 200 мкм и эффектов от наполнителей, разделенных на фракции определенных диапазонов. Фракционный состав определяется экспериментальным путем для каждой частоты. При этом интегральный эффект всегда ниже резонансного.
На фиг.2 представлен многослойный композиционный материал, состоящий из слоев А-Е, где 1 - полимерная основа слоев, 2 - частицы сплава системы Fe-Cu-Nb-Si-B.
В качестве ферромагнитного дисперсного наполнителя используется сплав АМАГ-200.
Порошки заранее заданной фракции получают методом высокоскоростного размола аморфной или нанокристаллической ленты шириной 20 мм и толщиной 20-30 мкм на установке типа Дези-11. Рассев порошков проводится с помощью классификатора типа ИГ-6УН. Получение смеси металл-полимер для каждого слоя осуществляется на специальных смесителях по типовой методике.
Совмещение однослойных композитов в многослойную структуру осуществляется с помощью специальных колландров, обеспечивающих требуемую механическую прочность композиции.
Измерение коэффициента отражения Котр однослойных и многослойных композиций осуществляется на установке типа Agilent E8363B PNA по типовой методике.
Примеры выполнения заявляемого изобретения представлены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||
| Пример 1 | Пример 2 | ||
| Полимерная основа | силиконовый полимер марки ОПГС | силиконовый полимер марки ЭКП-102Б | |
| Толщина слоев, мм | А | 0,3±0,1 | 0,4±0,1 |
| В | 0,7±0,2 | 0,8±0,2 | |
| С | 4±1 | 3±1 | |
| D | 8±1 | 7±1 | |
| Е | 12±1 | 13±1 | |
| Фракционный состав слоев, мкм | А | 11±3 | 6±3 |
| В | 19±3 | 30±3 | |
| С | 39±3 | 45±3 | |
| D | 55±3 | 90±3 | |
| Е | 105±3 | 190±3 | |
| Массовая доля частиц в слоях, масс.% | 70 | 90 | |
| Котр, дБ | Частота от 2 ГГц до 6 ГГц - не более - 13; | Частота от 500 МГц до 3 ГГц - не более - 15; | |
| Частота от 100 МГц до 2 ГГц и от 6 ГГц до 10 ГГц - не более - 10. | Частота от 100 МГц до 500 МГц и от 3 ГГц до 10 ГГц - не более - 10. |
Источники информации
1. Б.З. Каценеленбаум. Высокочастотная электродинамика. М.: Наука, 1966 г.
2. Б.Ф. Алимин. «Современные разработки поглотителей электромагнитных волн и радиопоглощающих материалов». Зарубежная радиоэлектроника, №2, 1989, С.75-82.
3. Уфимцев П.Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции. М.: Советское радио, 1962, 243 с.
4. К.Н. Розанов. «Фундаментальное ограничение для ширины рабочего диапазона радиопоглощающих покрытий». Радиотехника и электроника. 1999. - Т.44, №5. - С.526-530.
5. Патент РФ №2234176 (С2) от 07.08.2002 г., опубл. 10.08.2004 г.
6. Патент РФ №2453953 (С1) от 14.06.2011 г., опубл. 20.06.2012 г.
7. Патент РК№2772520 (В1) от 11.12.1997 г., опубл. 14.01.2000 г.
8. Патент РФ №2324989 от 19.06.2006 г., опубл. 20.05.2008 г. - Прототип.
9. К.М. Lim, K.A. Lee, M.C. Kim, C.G. Park ″Complex permeability and electromagnetic wave absorption properties of amorphous alloy-epoxy composites″ // Journal of Non-Crystalline Solids 351 (2005) 75-83.
1. Композиционный материал для защиты от электромагнитного излучения, состоящий из полимерной основы с распределенными в ней частицами сплава системы Fe-Cu-Nb-Si-B, отличающийся тем, что он представляет собой многослойную конструкцию, каждый слой которой выполнен из указанного состава, а содержание частиц сплава в каждом слое составляет 70-90 мас.% и ограничено определенным диапазоном размеров частиц из непрерывного ряда 1-200 мкм с увеличением размерности частиц в каждом последующем слое.
2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что многослойная конструкция состоит из слоев А-Е со следующими диапазонами размеров частиц сплава в каждом из слоев:
Слой A - 1-15 мкм;
Слой B - 15-35 мкм;
Слой C - 35-50 мкм;
Слой D - 50-100 мкм;
Слой E - 100-200 мкм.
3. Композиционный материал по п.2, отличающийся тем, что толщина каждого из слоев А-Е варьируется в следующих пределах:
Слой A - 0,1-0,5 мм;
Слой B - 0,5-1,0 мм;
Слой C - 1,0-5,0 мм;
Слой D - 5,0-10,0 мм;
Слой E - 10,0-30,0 мм.
