CC BY
51
ВИАМ/2013-Тр-07-02
УДК 678.84
КОНСТРУКЦИОННЫЙ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ТРЕХСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЫ С СОГЛАСУЮЩИМ СЛОЕМ
А.А. Беляев А.С. Агафонова Е.А. Антипова Е.Д. Ботаногова
Июль 2013
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) - крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационно-космической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Труды ВИАМ», №7, 2013 г.
УДК 678.84
А.А. Беляев, А.С. Агафонова, Е.А. Антипова, Е.Д. Ботаногова
КОНСТРУКЦИОННЫЙ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ТРЕХСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЫ С СОГЛАСУЮЩИМ СЛОЕМ
Исследованы радиотехнические характеристики конструкционных радиопоглощающих материалов трехслойной конструкции с согласующим слоем на поверхности. Исследовано влияние внешней силовой оболочки на радиотехнические характеристики. Описан принцип согласования входного слоя материала с помощью согласующего слоя на основе микросферотекстолита. Приведены результаты расчетов радиотехнических характеристик и экспериментов, подтверждающих правильность расчетов. Приведены прочностные характеристики микросферотекстолита.
Ключевые слова: конструкционный радиопоглощающий материал,
микросферотекстолит, силовые оболочки, согласующий слой, коэффициент отражения.
А.А. Beljaev, A.S. Agafonova, E.A. Antipova, E.D. Botanogova
CONSTRUCTIONAL RADIO ABSORBING MATERIAL OF THREE-LAYER STRUCTURE WITH A MATCHING LAYER
Given article is devoted research of radio engineering characteristics of a three-layer design constructional radio absorbing materials with a matching layer on a surface. Influence of an external power layer on radio engineering characteristics is investigated. The principle of matching the of material input layer with the help согласующего a layer on a basis of glass sintactic material is described. Results of calculations of radio engineering characteristics and the experiments proving calculations are resulted. Are resulted power characteristics of glass sintactic material.
Key words: constructional radio absorbing material, glass sintactic material, power layers, a matching layer, reflection ratio.
В соответствии со стратегическими направлениями развития материалов и технологии их переработки на ближайшие 20 лет [1] большое внимание в работах института будет уделено композиционным и функциональным материалам [2] и их применению в авиа- и ракетостроении. В последнее время наблюдается тенденция к замене металлических материалов узлов и панелей изделий на конструкционные композиционные диэлектрические материалы. Особую роль в качестве основы таких материалов играют стеклопластики. В работе [3] подчеркнуто их преимущество по сравнению с новыми композиционными материалами (например, на углеродной основе) - возможность многофункциональности использования и регулировки физикомеханических и диэлектрических характеристик в широких пределах. В работах [4-6] продемонстрирована их стойкость к эксплуатационным факторам.
Помимо высоких прочностных характеристик стеклопластики обладают (в отличие от углепластиков) хорошими изоляционными свойствами (удельное сопротивление составляет ~1016 Ом-м) и сравнительно невысокой диэлектрической проницаемостью (относительная диэлектрическая проницаемость стеклопластиков, как правило, не более 5). Это дает широкие возможности применения стеклопластиков в качестве основы конструкционных радиопрозрачных и конструкционных радиопоглощающих материалов (КРПМ) [7]. КРПМ необходимы для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры. Радиопоглощающие свойства обычно достигаются введением в стеклопластик высокоомного микропровода или углеродсодержащих наполнителей [8], в том числе углеродных наночастиц [9]. В КРПМ радиопоглощающие свойства обеспечивают вышеперечисленные наполнители практически без увеличения массы и искажения контура узлов изделия, при этом используется вся толщина материала, благодаря чему диапазон частот эффективного действия у КРПМ в несколько раз больше, чем у радиопоглощающих покрытий, толщина которых ограничена требованиями к весовым характеристикам.
На основании расчетов, проведенных в соответствии с работой [10], показано, что диапазон длин волн (частот) радиопоглощающих покрытий при толщине 1-2 мм составляет не более ±20% от центральной длины волны (частоты). У КРПМ диапазон длин волн может перекрывать всю сантиметровую и часть дециметровой области. В случае изготовления из КРПМ нагруженных элементов изделий, его выполняют в виде монолитного стеклопластика, в связующее которого введены углеродсодержащие элементы, - например, науглероженное вискозное волокно. В случае изготовления из КРПМ деталей, испытывающих небольшие механические нагрузки (облицовочных
панелей, внутренних перегородок, материалов для полов безэховых камер), целесообразно применять КРПМ трехслойной структуры, состоящей из внешней и внутренней силовых оболочек на основе стеклопластика и облегченного заполнителя [11], - например, разреженного волокна или сотопласта, в соты которого введены легкие заполнители с примесью науглероженного волокна. При толщине такого облегченного КРПМ порядка нескольких сантиметров и средней плотности 500-600 кг/м3, материал эффективен в диапазоне сантиметровых и дециметровых длин волн.
У КРПМ на основе монолитного стеклопластика снижение коэффициента отражения ограничено величиной относительной диэлектрической проницаемости стеклопластика порядка 4-5, и в широком диапазоне длин волн коэффициент отражения не ниже значения
которое находится в пределах (-8,5^-10 дБ), где 8ст - относительная диэлектрическая проницаемость стеклопластика. У КРПМ на основе трехслойной структуры толщиной, равной половине максимальной длины волны диапазона, коэффициент отражения можно снизить до -15^-19 дБ в широком диапазоне длин волн при условии, что толщина внешней силовой оболочки Ы и минимальная длина волны диапазона (Хшь) удовлетворяют соотношению
При дальнейшем уменьшении длины волны коэффициент отражения будет расти и
Исходя из требований к прочностным характеристикам внешняя силовая оболочка обычно не должна быть тоньше 0,5 мм, а по требованию к диапазону, в котором коэффициент отражения не должен быть выше -10 дБ, максимальная частота может достигать 40 ГГц (минимальная длина волны 7,5 мм). В диапазоне длин волн 15-7,5 мм (частота 20-40 ГГц) коэффициент отражения, обусловленный наличием внешней силовой оболочки толщиной 1,0 мм, может достигать -4 дБ, т. е. задача перекрытия диапазона частот 1-40 ГГц (длины волн 30-0,75 см) для КРПМ трехслойной конструкции сводится в основном к «просветлению» внешней силовой оболочки.
В данной работе рассматривается КРПМ трехслойной конструкции с внутренней силовой оболочкой толщиной 2 мм и внешней силовой оболочкой толщиной 0,5 мм.
(1)
(2)
Ы I &
достигнет максимального значения ~(-4 дБ) при условии * ст = 0,25 .
Оболочки выполнены из стеклопластика на основе стеклоткани Т-10-80 и связующего ЭДТ-69Н. Облегченный заполнитель толщиной 100 мм выполнен на основе стеклосотопласта ССП-1-8Т с размером ячейки 8 мм. Ячейки стеклосотопласта заполнены связующим ЭДТ-69Н, смешанным со стеклянными микросферами МС-А9 (группа Б2). Плотность заполняющей ячейки смеси составляет 280-320 кг/м3, относительная диэлектрическая проницаемость: 1,5-1,6. В смесь связующего с
микросферами введено небольшое количество (до 1% по объему) науглероженного волокна типа «Углен». По толщине заполнитель разбит на четыре слоя, отличающиеся между собой концентрацией науглероженного волокна (содержание волокна оптимизировано).
С помощью расчетных методов проведено исследование влияния внешней силовой оболочки на радиотехнические характеристики КРПМ и исследование возможности компенсации отражений, вносимых внешней силовой оболочкой, с помощью согласующего слоя, расположенного на входе КРПМ. В диапазоне длин волн, удовлетворяющих условию (2), т. е. при длинах волн >3 см (частотах <10 ГГц) достижим коэффициент отражения порядка -17^-19 дБ. При частотах >10 ГГц коэффициент отражения будет возрастать. Возрастание происходит из-за скачков диэлектрической проницаемости на двух поверхностях раздела: внешней силовой оболочки с легким заполнителем и внешней силовой оболочки с наружным пространством. При выполнении условия (2), напряженности полей отраженных волн, возникающих на двух поверхностях раздела, складываются с разностью фаз, близкой к 180 град, и гасят друг друга. При несоблюдении условия (2) разность фаз волн, отраженных двумя поверхностями, приближается к 360 град, и напряженности полей отраженных волн складываются. Изнутри структуры КРПМ этот скачок диэлектрической проницаемости можно уменьшить путем повышения диэлектрической проницаемости заполнителя трехслойной структуры на участке, граничащем с внешней силовой оболочкой. Это достигается повышением содержания науглероженного волокна в заполнителе вблизи границы с внешней силовой оболочкой. При этом произойдет некоторое увеличение коэффициента отражения в низкочастотной области диапазона. Снаружи скачок диэлектрической проницаемости сглаживается с помощью согласующего слоя, расположенного на внешней поверхности, имеющего диэлектрическую проницаемость 8сс^/8~ ~2,0-2,2 и толщину порядка четверти длины волны в материале этого слоя на самой высокой частоте (в данном случае толщина ~1,5 мм).
Этот слой выполняется из микросферотекстолита на основе стеклопластика, в связующее которого введено от 40 до 70% стеклянных полых микросфер.
Диэлектрическую проницаемость согласующего слоя можно регулировать содержанием микросфер в связующем микросферотекстолита и соотношением суммарной толщины слоев стеклоткани и слоев смеси связующего с микросферами. В работах [12, 13] показано, что, хотя предел прочности при сжатии у
микросферотекстолита в 4-5 раз меньше, чем у монолитного стеклопластика, его величина достаточна, чтобы обеспечить прочность, требуемую для ненагруженных деталей.
В табл. 1 приведены результаты экспериментального исследования
диэлектрической проницаемости смеси связующего и микросфер при различном объемном содержании микросфер на частоте 9,43 ГГц в волноводной линии Р1-28.
Таблица 1
Диэлектрическая проницаемость смеси связующего с микросферами
Объемное содержание микросфер, % 70 50 40
Относительная диэлектрическая проницаемость 1,78 1,95 2,40
В табл. 2 приведены электродинамические и прочностные характеристики микросферотекстолита, в связующее которого на основе смолы ЭД-22 с отвердителем П0-300 введено 50% стеклянных микросфер МС-А9 (группа Б2). В качестве армирующего материала использовали два наружных слоя стеклоткани Т-10-80, толщина пакета 2,3 мм.
Таблица 2
Электродинамические и прочностные характеристики* микросферотекстолита
Относительная Предел прочности, МПа
диэлектрическая проницаемость при растяжении при изгибе при сжатии
1,95-2,05 74-84 227-245 86-89
2,00 77 232 87
* В числителе - минимальные и максимальные значения, в знаменателе - средние.
В табл. 3 приведены рассчитанные достижимые коэффициенты отражения структуры КРПМ без внешней оболочки, с внешней силовой оболочкой толщиной 0,5 мм и с внешней силовой оболочкой, согласованной изнутри и снаружи. Расчеты проводили с использованием формул, приведенных в работах [5, 6].
Коэффициенты отражения КРПМ трехслойной структуры
Частота, Значения коэффициента отражения
ГГц при расчете без при расчете с при расчете по результатам
внешней силовой наличием внешней измерений
оболочки силовой оболочки толщиной 0,5 мм с наличием внешней силовой оболочки толщиной 0,5 мм и согласующего слоя
1,Q -24,99 -20,03 -12,52 -1Q,1Q
1,5 -19,97 -22,42 -12,QQ -11,б
2,Q -15,3б -13,61 -1Q,29 -1Q,3
2,5 -19,54 -17,37 -12,15 -Ю,б
3,Q -16,6Q -14,10 -11,1Q -12,7
4,Q -15,22 - -15,75 -14,4
6,Q -2Q, 15 -15,95 -12,85 -12,4
8,Q -1б,52 -17,08 -12,29 -1Q,8
1Q,Q -22,83 -14,66 -13,54 -15,5
15,Q -17,9Q -12,36 -12,31 -12,Q
2Q,Q -18,QQ -10,95 -11,54 -11,2
25,Q -2Q,43 -9,06 -11 ,Q5 -1Q,4
3Q,Q -21,13 -7,64 -11,15 -12,3
4Q,Q -18,6Q -6,29 -12,37 -13,5
Видно, что внешняя силовая оболочка значительно ухудшает радиотехнические характеристики КРПМ в верхней части частотного диапазона. Применение согласующего слоя улучшает радиотехнические характеристики в верхней части частотного диапазона. При этом ухудшаются характеристики в низкочастотной области, но остаются в обычно необходимых пределах - не выше -1Q дБ, что, как правило, достаточно для обеспечения электромагнитной совместимости. Проведенная экспериментальная оценка коэффициентов отражения изготовленного образца КРПМ с помощью анализатора цепей типа Agilent N523QC и антенн Пб-23 и Пб-б9 подтвердили правильность расчетов.
Авторы выражают благодарность к.т.н. А.М. Романову за помощь и консультации при написании данной статьи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработкина на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231— 242.
3. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики — многофункциональные композиционные материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 253—260.
4. Кириллов В.В., Кавун Н.С., Деев И.С. и др. Исследование влияния тепловлажностного воздействия на свойства эпоксидных стеклопластиков //Пластические массы. 2008. №9. С. 14—17.
5. Давыдова И.Ф., Каблов Е.Н., Кавун Н.С. Термостойкие негорючие полиимидные стеклотекстолиты для изделий авиационной и ракетной техники //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2009. №9. С. 2—11.
6. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Термостойкие герметичные стеклотекстолиты //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2011. №11. С. 18—20.
7. Беляев А.А., Кондрашов С.В., Лепешкин В.В., Романов А.М. Радиопоглощающие материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 348—352.
8. Агафонова А.С., Беляев А.А., Кондрашов Э.К., Романов А.М. Особенности формирования монолитных конструкционных радиопоглощающих материалов на основе композитов, наполненных резистивным волокном //Авиационные материалы и технологии. 2013. (в печати).
9. Po Chul Kim, Dai Gil Lee Composite sandwich constructions for absorbing the electromagnetic waves //Composite Structures. 2009. №87. Р. 161—167.
10. Розанов К.А. Фундаментальные ограничения для ширины рабочего диапазона радиопоглощающих покрытий //Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. №5. С. 526—530.
11. Кондрашов Э.К., Постнов В.И., Петухов и др. Исследование свойств трехслойных панелей на модифицированном связующем ФПР-520Г //Авиационные материалы и технологии. 2009. №3. С. 19—23.
12. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики в конструкциях авиационной и ракетной техники //Стекло и керамика. 2012. №4. С. 36—42.
13. Долматовский М.Г., Соколов И.И. Особенности разрушения сотовых панелей со сферопластиками //Авиационные материалы и технологии. 2008. №4. С. 19-25.
