CC BY
31Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли
УДК 544.653.1
НАНОСТРУКТУРНЫЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ, СФОРМИРОВАННЫЕ МЕТОДОМ МИКРОПЛАЗМЕННОГО ОКСИДИРОВАНИЯ
А. Е. Рябиков*, Ю. Н. Долгова, А. И. Мамаев, Т. А. Баранова, А. К. Чубенко
Национальный исследовательский Томский государственный университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 36 E-mail: aer000093@mail.ru
Методом микроплазменного оксидирования получены неметаллические неорганические радиопоглощающие покрытия для деталей космических аппаратов. Покрытия сформированы на сплавах алюминия и титана, в электролитах, содержащих ионы переходных металлов. Данные рентгеноструктурного анализа подтверждают наличие наноразмерных фаз металлического железа и кобальта, а также ферритов. Измеренные коэффициенты отражения в диапазоне частот от 680-900 составляют не более 45 %.
Ключевые слова: микроплазменное оксидирование, электромагнитное излучение, магнитоактивные материалы, ферриты, наноструктурные материалы.
NANOSTRUCTURAL NON-METALLIC INORGANIC RADIO-ABSORBING COATINGS FOR SPACE
TECHNOLOGY, GENERATED BY MICRO-ARC OXIDATION METHOD
A. E. Ryabikov*, U. N. Dolgova, A. I. Mamaev, T. A. Baranova, A. K. Chubenko
National Research Tomsk State University 36, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: aer000093@mail.ru
Nonmetallic inorganic coatings on aluminum and titanium alloys were produced by using microplasma oxidation method for parts of space devices. Coatings are formed on alloys of aluminum and titanium, in electrolytes containing ions of transition metals. X-ray diffraction data confirm the presence of nanoscale phases of metallic iron and cobalt, as well as ferrites. The measured reflection coefficient in the frequency range from 680-900 is not more than 45 %.
Keywords: microplasma oxidation, electromagnetic radiation, magnetoactive materials, ferrites, nanostructured materials.
Радиопоглощающие материалы (РПМ) - современный класс материалов, предназначенный бороться с проблемами, возникающими при использовании электромагнитного излучения (ЭМИ). В современном мире высоких технологий ЭМИ используется для функционирования подавляющего числа электронных устройств в различных отраслях и сферах деятельности, в том числе и ракетно-космической отрасли. Для такой наукоемкой отрасли чрезвычайно остро стоит вопрос о помехозащищенности радиоэлектронной аппаратуры, ускорении их работы с применением более мощных частот электромагнитного спектра, а также защите от вредного воздействия ЭМИ операторов, контактирующих с этим оборудованием.
Существование такого спектра проблем делает актуальной задачу разработки эффективных материалов, поглощающих ЭМИ. К настоящему моменту известно множество примеров материалов, обладающих внушительными показателями поглощения в различных частотных диапазонах, различающихся по геометрии, фазовому и элементному составу, способам оформления и т. д. [1]. Однако основной задачей при создании РПМ является формирование материалов,
обладающих минимальным отражением в широкой области электромагнитного спектра.
Последние исследования показали, что формирование РПМ возможно методом микроплазменного оксидирования (МПО). Данный метод активно используется с конца 70-х годов ХХ-го века для обработки изделий из металлов и сплавов вентильной группы (Mg, А1, Т1, Хх и т. д.) [2; 3]. Его ключевой особенностью является локализация высоких энергетических потоков на обрабатываемой детали (аноде), вследствие чего происходит формирование неметаллического слоя, за счет металла основы и компонентов электролита. В настоящее время ведутся разработки в области совершенствования режимов ведения процесса, оборудования, теории метода, в том числе и в ТГУ под руководством профессора А. И. Мамаева [4].
РПМ, полученный данным способом, представляет собой покрытие, состоящее из окисленной формы металла основы (оксид-гидроксид) и компонентов электролита. Таким образом, используя различные составы электролитов, а также параметры обработки (напряжение, длительность импульса, время обработки), возможно получать покрытия, отличающиеся как
Решетневскуе чтения. 2018
качественным, так и количественным составом. Возможность встраивания компонентов электролита в покрытие объясняется пробоем оксидного слоя металла основы и воздействия на электролит, поступающий в каналы пробоя, образующихся плазменных разрядов. За счет этого протекают высокотемпературные химические превращения (в том числе и плазмо-химические), которые позволяют формировать кристаллические оксидные фазы.
В данной работе для достижения высокого уровня поглощения ЭМИ при минимальном отражении в состав базовых электролитов для МПО (силикат и тет-раборат натрия, фосфаты и пирофосфаты щелочных металлов, а также щелочи) вводились добавки, содержащие ионы переходных металлов (Бе, Со, N1, Мп, V) [5]. Как известно, элементы триады железа, а также ряд их соединений с другими переходными металлами, обладают высокими магнитными характеристиками за счет ферро- и ферримагнитного упорядочивания. По данным рентгеноструктурного анализа сформированные в результате МПО покрытия в электролитах, содержащих гексацианоферрат (III) калия и этилендиаминтетраацетатный комплекс кобальта (II), содержали в своем составе наноразмерные включения металлического железа и кобальта, а также фазу сложных оксидов - ферритов. Проведенные исследования радиопоглощения показали, что коэффициент отражения в диапазоне частот от 680-900 ГГц составлял не более 30 % для титанового сплава и не более 45 % для алюминиевого сплава.
Таким образом, благодаря формированию нано-размерных включений магнитоактивных фаз, покрытия, сформированные методом МПО, обладают радиопо-глощающими свойствами в терагерцовой области. Подобные наноразмерные включения формируются, как на титановых, так и алюминиевых сплавах, но в предложенном диапазоне частот наибольший эффект достигается для титановых сплавов (менее 10 %).
Библиографиеские ссылки
1. Латыпова А. Ф., Калинин Ю. Е. Анализ перспективных радиопоглощающих материалов // Вестник Воронежского государственного технического ун-та. 2012. Т. 8, № 6. С. 70-76.
2. Мамаев А. И., Мамаева В. А. Сильнотоковые процессы в растворах электролитов. Новосибирск : Изд-во СО РАН. 2005. 254 с.
3. Butyagin P. I., Khokhryakov Ye. V., Mamaev A. I. Microplasma systems for creating coatings on aluminium alloys // Materials Letters. 2003. Vol. 57, № 11. P.1748-1751
4. Пат. 2637871 Российская Федерация, МПК C25D 11/02, Способ получения радиопоглощающего покрытия на вентильных металлах и их сплавах и покрытие, полученное данным способом / Мамаев А. И., Чубенко А. К., Сусляев В. И. ; заявитель и патентообладатель Мамаев А. И. (RU). № 2015141241 ; заявл. 28.09.2015, опубл. 07.12.2017, Бюлл. № 34. 15 с.
5. Microarc synthesis of nanostructured radiation-absorbing coatings on aluminum and titanium surfaces / T. A. Baranova, A. K. Chubenko, A. E. Ryabikov et al. // IOP Conference series: materials science and engineering. 2017. Vol. 286. 012037. Doi: 10.1088/1757-899X/ 286/1/012037.
Reference
1. Latypova A. F., Kalinin Yu. E. Analysis of promising radio-absorbing materials // Bulletin of the Voronezh State Technical University. 2012. T. 8, № 6. P. 70-76.
2. Mamaev A. I., Mamaeva V. A. High-current processes in solutions of electrolytes. Novosibirsk : Publishing house of the SB RAS. 2005. 254 p.
3. Butyagin P. I., Khokhryakov Ye. V., Mamaev A. I. Microplasma systems for creating coatings on aluminium alloys // Materials Letters. 2003. Vol. 57, № 11. P. 1748-1751.
4. Patent 2637871 Russian Federation, IPC C25D 11/02, Method for obtaining a radio-absorbing coating on valve metals and their alloys and a coating obtained by this method / Mamaev A. I., Chubenko A. K., Sus-lyaev V. I. ; applicant and patent holder Mamaev Anatoly Ivanovich (RU). No. 2015141241; claimed. September 28, 2015, publ. 12/07/2017, Bull. № 34. 15 р.
5. Microarc synthesis of nanostructured radiation-absorbing coatings on aluminum and titanium surfaces / T. A. Baranova, A. K. Chubenko, A. E. Ryabikov et al. // IOP Conference series: materials science and engineering. 2017. Vol. 286. 012037. Doi: 10.1088/1757-899X/286/ 1/012037.
© Рябиков А. Е., Долгова Ю. Н., Мамаев А. И., Баранова Т. А., Чубенко А. К., 2018
