CC BY
331
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 537.874:678.742.2
РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НАПОЛНЕННОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
В. А. БАННЫЙ
Государственное научное учреждение «Институт механики металлополимерных систем им. В. А. Белого НАН Беларуси», г. Гомель
И. В. ЦАРЕНКО
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»,
Республика Беларусь
Введение
Интенсивное развитие современной радио- и электронной техники, в частности, систем СВЧ, обострило проблему глобального электромагнитного загрязнения, которое отрицательно влияет на человека и препятствует эффективной работе радиотехнического оборудования. Не менее важными являются проблемы радиолокационной маскировки военных объектов, а также обеспечения электромагнитной безопасности стратегических объектов, например, систем управления АЭС от внешних электромагнитных излучений (ЭМИ) [1]—[3]. Радиопоглощающие материалы (РПМ) и электромагнитные экраны на их основе являются одним из средств решения этих проблем. Среди РПМ свою нишу занимают материалы на основе наполненного полиэтилена [4], [5]. Они привлекают технологичностью и малой удельной массой. Разработка высокоэффективных и дешевых РПМ, перерабатываемых в изделия с помощью высокопроизводительных технологий, остается актуальной научнотехнической задачей. Так как полимерное связующее является радиопрозрачным, то для достижения требуемого коэффициента отражения электромагнитных волн (ЭМВ) и ослабления их энергии в заданном диапазоне частот при минимальных толщине слоя и массе РПМ необходимо осуществить поиск функциональных модификаторов связующего и оптимизировать состав и структуру композитов.
Цель работы - исследование радиопоглощающей способности термопластичных композиционных материалов, содержащих различные функциональные наполнители, и оптимизация состава и структуры РПМ.
Методика эксперимента
Экспериментальные образцы РПМ изготавливали методом термического прессования из порошкообразных смесей полиэтилена высокого давления (ПЭ, ГОСТ 16803-070) и наполнителей - магнитно-мягкого феррита (ММФ, ТУ 6-09-5111-84, марка 2500 НМС, размер частиц 100-200 мкм), карбонильного железа (Бе, ТУ 6-09-300-78), никеля (N1, ГОСТ 9722-78), меди (Си, ГОСТ 4960-75), технического углерода, металлизированных стеклосфер (диаметр 200-500 мкм). Диаметр частиц Бе, N1 и Си составлял 3-10 мкм. Степень наполнения варьировали от 25 до 75 мас. %. Также сформированы радиопоглощающие слоистые пластики, армированные электропроводящими тканями (Бусофит ТР3/2).
Радиофизические параметры полимерных наполненных РПМ оценивали рефлек-тометрическим методом, используя измерители панорамные Р2 (рис. 1). Коэффициент отражения (К) и ослабление (5) энергии СВЧ-излучения регистрировали в диапазоне частот 2,0-27,0 ГГц при нормальном падении на образец ЭМВ.
Величину К измеряли путем анализа отраженного от поверхности РПМ СВЧ-сигнала. Для определения величины К анализировали электромагнитные параметры стоячей волны, образующейся в волноводе в результате интерференции нормально падающей на образец и отраженной ЭМВ [6], [7]. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВн) связан с модулем комплексного коэффициента отражения РПМ соотношением К (%) = (КСВн - 1) х 100 / (КСВн + 1).
<1“□
Рис. 1. Схема установки для измерения коэффициента отражения (R) РПМ в волноводе при нормальном падении ЭМВ : 1 - генератор СВЧ; 2 - соединительные кабели; 3 - индикатор КСВн; 4 - исследуемый образец; 5, 7 - детекторы отраженной и падающей волн; 6 - волновод; 8 - коаксиально-волноводный переход
Структуру композитных РПМ изучали с применением растровой электронной микроскопии (микроскоп LEO 982).
Результаты и их обсуждение
Выявлены зависимости параметра R от степени наполнения РПМ функциональным наполнителем (рис. 2). При увеличении концентрации наполнителя (ответственного за электрические и магнитные потери) от 4 до 40-60 мас. % величина R, как правило, снижается. При дальнейшем повышении содержания наполнителя R возрастает [8]. Причина в том, что полимерные связующие композитных РПМ радио-прозрачны. После наполнения их ферромагнетиками при взаимодействии с излучением возрастают электрические и магнитные потери в материале и снижается коэффициент отражения РПМ. Однако дальнейший рост степени наполнения приводит к повышению R из-за рассогласования волновых сопротивлений экрана и атмосферы [1]. При высоком наполнении нарушается обязательное требование согласования волнового сопротивления РПМ (полевого импеданса для распространяющихся волн) с волновым сопротивлением пространства [1], [4], [6]. На границе раздела сред (им-педансной поверхности) создаются условия, неблагоприятные для проникновения волны в глубь РПМ, поэтому отраженная составляющая ЭМВ увеличивается.
Рис. 2. Коэффициенты отражения (К) нормально падающей плоской ЭМВ частотой 8 (1),
10 (2) и 12 (3) ГГц в зависимости от степени наполнения (С) образцов РПМ толщиной 3 мм. Состав образцов - ПЭ + наполнитель Бе
Этого недостатка можно избежать, формируя материал градиентного типа, который задает плавное либо ступенчатое возрастание диэлектрических и магнитных потерь в направлении распространения ЭМВ при сведении к минимуму разностей диэлектрических и магнитных проницаемостей воздуха и поглотителя на границе раздела сред [9].
Одним из важнейших параметров РПМ является толщина (И). От нее (при прочих равных условиях) в значительной мере зависят эксплуатационные характеристики РПМ. Однако это не значит, что следует стремиться к максимально возможной толщине радиопоглощающего слоя. Практика применения систем радиозащиты свидетельствует, что во многих случаях увеличение толщины и других геометрических размеров РПМ не приводит к улучшению их рабочих параметров.
Получены зависимости величины К от И образцов материалов при степени их наполнения, близкой к оптимальной (50 мас. %) (рис. 3).
Рис. 3. Коэффициенты отражения (К) нормально падающей плоской ЭМВ частотой 12 ГГц в зависимости от толщины (И) образцов РПМ.
Состав образцов - ПЭ + наполнитель (50 мас. %): 1 - Бе; 2 - ММФ; 3 - N1
Кривые К-И имеют вид постепенно вырождающихся синусоид с периодом, равным Х/4. Положения минимумов коэффициента отражения РПМ на кривых К-И соответствуют (с точностью ±15 %) значениям
И = Х/К + гХ/4,
где К = 10 - при наполнении ПЭ Бе или ММФ и К = 7,5 - при наполнении N1, а 2 -нуль или любое положительное число.
Таким образом, эффект интерференционного гашения энергии ЭМВ выражен наиболее ярко для образцов с низкими диэлектрическими и магнитными потерями. Тем не менее величина интерференционного рассеяния энергии ЭМВ убывает с увеличением толщины образцов (вырождение синусоид Я—И) и, по-видимому, будет пренебрежимо мала при значениях И ^ <х>.
Изготовлены листовые и профильные монолитные широкополосные радиопоглотители на основе композиций термопластов с дисперсными функциональными наполнителями, которые обеспечивают высокий уровень магнитных, диэлектрических и джоулевых потерь при взаимодействии с СВЧ-излучением. Наряду с этим сформированы радиопоглощающие слоистые пластики, армированные электропроводящими тканями, а также полимерные композитные РПМ, наполненные волокнами и/или стеклосферами.
Частотные зависимости Я и £ для экспериментальных образцов РПМ, измеренные в волноводных линиях, представлены на рис. 4, а, б соответственно.
а)
Рис. 4. Частотные зависимости: а - коэффициентов отражения (Я) и б - ослабления (5) энергии нормально падающей плоской ЭМВ (в волноводе) для образцов РПМ толщиной И = 3 мм. Состав образцов: 1 - ПЭ + ММФ (50 мас. %, ё = 50-200 мкм);
2 - ПЭ + ММФ (50 мас. %, ё = 50-200 мкм) + стеклосферы (10 мас. %, ё = 200-500 мкм); 3 - ПЭ + ММФ (50 мас. %, ё = 50-200 мкм) + углеродная ткань Бусофит ТР3/2
Видно, что замена части полимерного связующего стеклосферами и армирование композитного РПМ углеродной тканью улучшает параметры Я и £. Это объясняется, во-первых, увеличением общего количества наполнителя, обеспечивающего магнитные, диэлектрические и джоулевы потери падающего на композит СВЧ-излучения (при соблюдении оптимизированной по критерию минимального отражения ЭМВ степени наполнения); во-вторых, сочетанием разных механизмов потерь и, наконец, улучшением условий рассеяния ЭМИ на структурных неоднородностях композита. Введение в полимерную композицию углеродных волокон разной длины и диаметра позволяет расширить полосу и увеличить коэффициент поглощения РПМ [10].
Структура термопрессованного образца РПМ, состоящего из ПЭ, наполненного ММФ и стеклосферами, была исследована методом РЭМ (рис. 5).
Рис. 5. Электронно-микроскопические изображения композитного РПМ состава:
ПЭ + ММФ (С = 50 мас. %, ё = 160-200 мкм) + стеклосферы (С = 10 мас. %, ё = 200-500 мкм); 1 - ПЭ; 2 - частицы ММФ; 3 - стеклосферы
Видно, что на границе раздела фаз стекло-полимер формируются зоны с пониженной плотностью связующего, а частицы магнитного наполнителя связаны в агрегаты и относительно равномерно распределены в связующем. Высоконаполненные кристаллизующиеся полимеры обычно обладают разрыхленной сферолитной структурой и содержат агрегаты из частиц наполнителя. Наполнители, размер которых велик по сравнению с диаметром ядра сферолита, не могут быть центрами сфероли-тообразования [11], [12], что и наблюдается в нашем случае. Однако на зародышеоб-разование может оказывать влияние сама поверхность частиц наполнителя.
Заключение
Таким образом, для композитных РПМ на основе полиэтилена, содержащего различные функциональные дисперсные наполнители и армированного электропроводящими тканями, установлены оптимальные значения толщины образцов, степени наполнения, при которых ослабление энергии ЭМИ максимально. При рецептурной и структурной оптимизации композитов по критерию ослабления энергии ЭМИ наряду с высокими диэлектрическими и магнитными потерями следует обеспечивать согласование волновых сопротивлений РПМ и «свободного пространства», а также усиление эффекта рассеяния ЭМВ на межфазных границах внутри РПМ.
По технологическим и технико-экономическим критериям наиболее перспективными средствами радиозащиты являются РПМ на основе функционально наполненных термопластов. РПМ относятся к материалам двойного назначения и могут быть
использованы при создании малозаметных объектов, в том числе летательных аппаратов.
Литература
1. Алексеев, А. Г. Композиционные ферромагнетики и электромагнитная безопасность / А. Г. Алексеев, О. М. Гусева, В. С. Семичев. - Санкт-Петербург : НИИХ СПбГУ, 1998. - 296 с.
2. Банный, В. А. Электромагнитная защита военнослужащих и радиолокационная маскировка военных объектов с использованием полимерных радиопоглощающих материалов / В. А. Банный // МГЬБХ-2007 : материалы 3-й Междунар. науч. конф. по военно-техн. проблемам, проблемам обороны и безопасности, использованию технологий двойного применения. - Минск, 2007. - С. 120-121.
3. Банный, В. А. Вопросы обеспечения электромагнитной безопасности АЭС / В. А. Банный // Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации : материалы междунар. науч.-практ. конф. - Гомель, 2008. - Ч. 1. - С. 228-231.
4. Макаревич, А. В. Радиопоглощающие полимерные композиционные материалы в технике СВЧ / А. В. Макаревич, В. А. Банный // Материалы, технологии, инструменты. - 1999. - Т. 4, № 3. - С. 24-32.
5. Банный, В. А. Взаимодействие радиоволн СВЧ диапазона с полимерными гетерогенными системами и разработка электромагнитных экранов на основе полиэтилена : дис. ... канд. техн. наук : 01.04.07 / В. А. Банный / ИММС им. В. А. Белого НАН Беларуси. - Гомель, 2005. - 132 с.
6. Ковнеристый, Ю. К. Материалы, поглощающие СВЧ-излучения / Ю. К. Ковнерис-тый, И. Ю. Лазарева, А. А. Раваев. - Москва : Наука, 1982. - 164 с.
7. Стариков, В. Д. Методы измерения на СВЧ с применением измерительных линий / В. Д. Стариков. - Москва : Совет. радио, 1972. - 145 с.
8. Банный, В. А. Влияние размерных и рецептурных параметров полимерных композиционных материалов на их радиофизические характеристики / В. А. Банный, А. В. Макаревич, Л. С. Пинчук // Докл. АН Беларуси. - 2000. - Т. 44, № 4. -С. 109-111.
9. Методы анализа и расчета радиолокационных характеристик поглотителей электромагнитных волн, кромок и изломов поверхностей сложной геометрической формы / Б. В. Айзикович [и др.] // Зарубеж. радиоэлектроника. - 1994. - № 4-5. -С. 41-53.
10. Гибкие конструкции экранов электромагнитного излучения / Л. М. Лыньков [и др.] ; под ред. Л. М. Лынькова. - Минск : БГУИР, 2000. - 284 с.
11. Тагер, А. А. Физико-химия полимеров / А. А. Тагер. - Москва : Химия, 1968. -536 с.
12. Липатов, Ю. С. Физическая химия наполненных полимеров / Ю. С. Липатов. -Москва : Химия, 1977. - 304 с.
Получено 06.02.2009 г.
