ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР, Классификация и виды радиопоглощающих материалов - Разработка композиционного многослойного полимерного радиопоглощающего материала на основе поливинилхлоридных пленок, наполненных диспергированным углеродным волокном

Классификация и виды радиопоглощающих материалов

Радиопоглощающий материал - материал, обеспечивающий снижение уровня отражения электромагнитной волны (ЭМВ) в радиодиапазоне в результате преобразования в нем электромагнитной энергии. В общем случае при взаимодействии с материалом имеет место явление отражения, рассеяния, поглощения, интерференции и дифракции электромагнитных волн. [10]

Универсальной классификации радиопоглощающих материалов не существует. С технологической точки зрения все известные радиопоглощающие материалы можно разделить на две большие группы: наносимые материалы или радиопоглощающие покрытия (РПП) предварительно формируемые или конструкционные радиопоглощающие материалы (РПМ). Различие между покрытиями и материалами в некоторой степени условное и зачастую состав исходных компонентов, предполагаемая структура и их назначение могут совпадать. [3]

Исследованное к настоящему времени большое многообразие РПМ и РПП можно разделить по принципу работы:

    - интерференционные, являющиеся, как правило, узкодиапазонными, в которых гашение отраженной волны обязано интерференции волн, отраженных от передней, внутренних и задней поверхности покрытия; - поглощающие, в основном, широкодиапазонные, в которых поглощение волн обязано как интерференции, так и поглощению энергии в материале за счет присущих ему диэлектрических и магнитных потерь; - рассеивающие, в которых уменьшение отражения энергии в одном направлении обязано ее рассеянию в различных направлениях (под различными углами); - комбинированные, сочетающие все вышеуказанные признаки.

По типу конструкции:

    - слоистые (одно - и многослойные); - конфигурационные, имеющие определенную геометрию наружной или внутренней поверхности, в виде выступающих шипов, пирамид, конусов, отверстий различной формы, волнистости, а так же имеющие ячеисто-клеточную или сотовую структуру. [2]

На Рис. 1-6 представлены фотографии различных видов РПМ и РПП.

кромка переднего горизонтального оперения с нанесенным рпп

Рис. 1. Кромка переднего горизонтального оперения с нанесенным РПП

часть поверхности фюзеляжа летательного аппарата с нанесенным рпп

Рис. 2. Часть поверхности фюзеляжа летательного аппарата с нанесенным РПП

конструкционный рпм для облицовки безэховых камер

Рис. 3. Конструкционный РПМ для облицовки безэховых камер

рпм рассеивающего типа

Рис. 4. РПМ рассеивающего типа

элементы широкополосного рпм

Рис. 5. Элементы широкополосного РПМ

рпм на основе эластичной матрицы, обладающей диэлектрическими и магнитными потерями

Рис. 6. РПМ на основе эластичной матрицы, обладающей диэлектрическими и магнитными потерями

На сегодняшний день разработано большое количество однослойных и многослойных РПП, созданных на основе радиопоглощающих эмалей. Основными компонентами, входящими в состав радиопоглощающей эмали, выступают связующее и наполнитель. В качестве наполнителей используются электропроводящие элементы различных геометрических форм, размеров и проводимости.

Однослойные РПП имеют однородную по толщине структуру и работоспособны в узком частотном диапазоне. Коэффициент широкополосности таких покрытий, при ограничениях по толщине, составляет от 0,1 до 1,0 в зависимости от установленного минимально значения коэффициента отражения в данном частотном диапазоне. И зачастую однослойные РПП не могут обеспечить заданные значения коэффициента отражения ЭМВ в широком диапазоне частот, что приводит к необходимости использования многослойных РПП. [13]

При формировании многослойных РПП последовательно наносятся слои покрытия по принципу уменьшения значений магнитной и диэлектрической проницаемости каждого последующего слоя покрытия в сторону от металлизированной поверхности, на которую они наносятся. К достоинствам таких покрытий можно отнести более высокие значения коэффициента широкополосности, по сравнению с однослойными РПП, и достаточно хорошие физико-механические свойства. В то же время многослойные РПП обладают рядом недостатков, а именно высокой поверхностной плотностью, и, следовательно, массой; необходимостью строго выдерживать толщину каждого наносимого слоя; необходимостью наличия металлизированной поверхности (подложки). [24, 5]

Однако, подобные РПП сложны в реализации, когда речь идет о сложных и труднодоступных элементах конструкций. Поэтому в качестве альтернативы РПП могут быть рассмотрены конструкционные радиопоглощающие материалы.

Конструкционные РПМ можно разделить на: резонансные, нерезонансные магнитные и нерезонансные объемные материалы. Резонансными РПМ обеспечивается частичная или полная нейтрализация отраженного от поверхности ЭМИ частью его, прошедшей по толщине материала. Эффект нейтрализации значителен при толщине материала, равной одной четверти длины волны излучения. [5,28,25]

Нерезонансные магнитные РПМ содержат частицы феррита, распределенные в диэлектрической матрице. Основное преимущество нерезонансных магнитных РПМ состоит в их широкополосности.

Нерезонансные объемные РПМ обычно используются в виде относительно толстых слоев материала, поглощающих большую часть падающего ЭМИ до отражения от металлической подложки. Принцип работы основан на использовании как диэлектрических, так и магнитных потерь.

В общем случае причиной диссипации энергии ЭМВ при ее распространении в РПМ являются процессы поляризации, проводимости и намагничивания.

Процессу поляризации в большей степени подвержены материалы, относящиеся к диэлектрикам. Структура диэлектриков характеризуется наличием связанных заряженных частиц, к которым относятся положительно заряженные ядра и электроны в атомах, молекулах и ионах, а также упруго связанные разноименные ионы, расположенные в узлах ионных кристаллических решеток. Под действием внешнего электрического поля, положительные заряды ориентируются по направлению вектора напряженности электрического поля, а отрицательные в противоположном направлении. Под воздействием электрического поля в материале могут протекать электронная, ионная и дипольная поляризации. Причиной потери энергии высокочастотного электромагнитного поля в диэлектриках являются релаксационные потери, обусловленные замедленными типами поляризации. В том случае, когда частота электрического поля приближается к частотам собственных колебаний электронов или ионов возникают потери, связанные с резонансным поглощением. [18, 4, 32]

К проводникам относятся материалы, значение удельного сопротивления которых лежит в пределах от 10-8 до 10-5 Ом-м. Структура таких материалов представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой находятся ядра атомов со связанными электронами, а промежутки между узлами заполнены - свободными электронами. Свободные электроны переводят энергию, проникающую внутрь материала в результате воздействия внешнего электромагнитного поля, в кинетическую энергию своего направленного движения. Потери энергии внутри проводника связанны с электрическим сопротивлением, которое является следствием рассеяния электронов на дефектах кристаллической решетки и рассеяния электронов на тепловых колебаниях решетки - электрон-фононное взаимодействие.

Эффективное поглощение электромагнитного поля за счет взаимодействия с его магнитной составляющей определяется существованием в материале "молекулярного" магнитного поля. Любое ферромагнитное (антиферромагнитное) тело разбито на домены - малые области однородной самопроизвольной намагниченности и направления намагниченности различных доменов распределены хаотически, что отвечает минимуму свободной энергии системы. Приложение достаточно сильного внешнего магнитного поля ориентирует все домены в одном направлении, что вызывает усиление результирующего поля до 106 раз. В общем случае диссипация энергии магнитной составляющей электромагнитного поля в данных материалах связана с взаимодействием между спинами и кристаллической решеткой - спин-спиновое и спин-решеточное взаимодействие. При слабых полях основную роль играют механизмы потерь, связанные с процессом смещения доменных границ и процессом вращения доменов. [16]

В зависимости от принципа взаимодействия с ЭМВ радиопоглощающие материалы условно можно классифицировать на материалы с диэлектрическими потерями и с магнито-диэлектрическими потерями.

Поведение материальных сред под воздействием внешнего электромагнитного поля характеризуется посредством комплексных величин диэлектрической и магнитной проницаемости:

и, (1.1)

Где Е', е'' - действительная и мнимая часть диэлектрической проницаемости;

µ', µ''- действительная и мнимая часть магнитной проницаемости.

Данные параметры носят название основных электрофизических характеристик среды.

Диэлектрическая и магнитная проницаемости материала в общем случае являются величинами, зависящими от частоты электромагнитного излучения.

Знание комплексных значений диэлектрической и магнитной проницаемости материала позволяет рассчитать коэффициент отражения РПМ по нормали и угловую зависимость коэффициента отражения.

Коэффициент отражения - это безразмерная физическая величина, характеризующая способность тела отражать падающее на него излучение. Зачастую значения коэффициента отражения измеряют на плоских образцах при нормальном падении электромагнитной волны в заданном диапазоне частот.

Количественно коэффициент отражения равен отношению потока излучения, отраженного телом, к потоку, упавшему на тело и выражается в дБ или относительных единицах:

KОтр= ,(1.2)

Где РОтр - отраженная мощность ЭМВ,

РПад - падающая мощность ЭМВ.

Помимо достижения необходимого уровня коэффициента отражения, РПМ должны удовлетворять ряду требований по стойкости к внешним воздействующим факторам, весовым, габаритным и прочностным характеристикам. Таким образом, для достижения всех заданных требований необходим широкий спектр разнообразных материалов и покрытий. Зачастую РПМ при ограничениях по толщине не может обеспечить заданные значения коэффициента отражения ЭМВ в широком диапазоне частот. Расширение частотного диапазона может быть обеспечено за счет плавного или ступенчатого изменения комплексной диэлектрической и магнитной проницаемости по толщине материала (градиента). Добиться такого эффекта возможно либо за счет придания специальных геометрических форм конструкции, либо за счет неоднородности распределения электропроводящего наполнителя в объеме материала - создание многослойного материала. [24, 16, 21]

Внешний слой таких материалов обладает меньшим значением диэлектрической и магнитной проницаемости, следовательно, меньшим отражением от границы раздела сред. У последующих слоев значение диэлектрической проницаемости меняется непрерывно в сторону увеличения вглубь материала. [33]

Похожие статьи




ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР, Классификация и виды радиопоглощающих материалов - Разработка композиционного многослойного полимерного радиопоглощающего материала на основе поливинилхлоридных пленок, наполненных диспергированным углеродным волокном

Предыдущая | Следующая