Радиопоглощающие и радиопрозрачные материалы

Привет, Вы узнаете о том , что такое радиопоглощающие материалы, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое радиопоглощающие материалы, радиопрозрачные материалы , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.

РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ И радиопрозрачные материалы , неметаллические материалы, обеспечивающие поглощение или пропускание электромагнитного излучения радиочастотного диапазона (10⁵ — 10¹² Гц) при минимальном его отражении. Распространяясь в объеме этих материалов, электромагнитное излучение (ЭМИ) создает переменное электрическое поле, энергия которого преобразуется в тепловую энергию практически полностью - в радиопоглощающих и минимально - в радиопрозрачных материалах.

Радиопоглощающие и радиопрозрачные материалы являются важными компонентами в различных областях, связанных с радиоволнами и электромагнитным излучением.

радиопоглощающие материалы : Радиопоглощающие материалы обладают способностью поглощать электромагнитные волны определенной частоты или диапазона частот. Они обычно содержат в себе специальные добавки или компоненты, которые позволяют им поглощать и преобразовывать энергию электромагнитных волн в тепло. Радиопоглощающие материалы широко используются в различных приложениях, включая:

• Радиолокационные системы и антенны: они помогают снизить отражение радиоволн и уменьшить эхо-сигналы.
• Электромагнитная совместимость (EMC): они поглощают нежелательные электромагнитные помехи и уменьшают их влияние на электронные устройства.
• Шумоподавление: радиопоглощающие материалы используются для поглощения нежелательных шумов и звуков.

Радиопрозрачные материалы: Радиопрозрачные материалы, наоборот, обладают свойством пропускать радиоволны через себя без их значительного ослабления или отражения. Они позволяют проходить электромагнитному излучению определенной частоты или диапазона частот без изменений. Радиопрозрачные материалы находят применение в следующих областях:

• Радиосвязь: они используются в антеннах и коммуникационных системах для передачи и приема радиоволн.
• Солнечные батареи: радиопрозрачные материалы могут пропускать солнечное излучение, не препятствуя его преобразованию в электрическую энергию.
• Оптические приборы: некоторые радиопрозрачные материалы также обладают оптической прозрачностью и могут использоваться в оптических приборах, например, в линзах или светофильтрах, кожухах радаров и антенн.

Обратите внимание, что существует множество материалов, которые могут быть как радиопоглощающими, так и радиопрозрачными в зависимости от конкретной частоты или диапазона частот. Например, металлы, такие как алюминий и медь, являются радиопоглощающими для большинства частот, но могут быть радиопрозрачными для определенных диапазонов. Также существуют специальные композитные материалы, которые могут обладать комбинированными свойствами радиопоглощения и радиопрозрачности в определенных диапазонах частот.

Радиопоглощающие материалы.

Радиопоглощающие материалы (РПМ) - материалы (конструкции), обеспечивающие максимально возможное преобразование энергии электромагнитного излучения в другой вид энергии (в конечном счете, в тепло).
Используются для подавления переотражений радиосигнала, обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронного оборудования, при разработке и испытаниях электро- и радиоаппаратуры, для снижения заметности и для других подобных задач.

В радиопоглощающих материалах и конструкциях наряду с диэлектрическими и магнитными потерями имеют место дисперсия, дифракция, интерференция и полное внутр. отражение радиоволн, вызывающие дополнит. ослабление энергии ЭМИ вследствие рэлеевского рассеяния, сложения волн в противофазе и др. Изделия из таких материалов поглощают потоки электромагн. энергии плотн. 0,1-8,0 Вт/см²; интервал рабочих температур — 60 — 1300°С; уровень отраженного излучения 0,001-5%.

Основу радиопоглощающих материалов составляют органические или неорганические (главным образом оксиды и нитриды) вещества, в которые в качестве активной поглощающей компоненты вводят порошки графита, металлов и их карбидов.

Основы механизма поглощения электромагнитной волны

Для лучшего понимания того, как энергия ЭМВ рассеивается, рассмотрим падение плоской однородной волны на слой материала (см. рис. 1.21).

Рис. 1.21. Отраженный и переданный сигнал.

Будет присутствовать падающая, отраженная и прошедшая волны. Волновое сопротивление материала Z отлично (меньше) от волнового сопротивления свободного пространства Z₀, что приведет к рассогласованию и появлению отраженной волны.

Часть энергии проникнет в образец. Скорость распространения волны в слое v меньше скорости света c. Длина волны λ_d в материале короче длины волны λ_n в свободном пространстве, в соответствии с приведенными ниже уравнениями.

Поскольку в материале всегда имеются какие-либо потери, будет присутствовать некоторое ослабление или вносимое затухание. 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 (рис. 1.22).

Рис.1.22. Механизмы поляризации в диэлектриках в зависимости от частоты.

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. 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. В зависимости от принципа взаимодействия с ЭМВ радиопоглощающие материалы условно можно классифицировать на материалы с диэлектрическими потерями и с магнитодиэлектрическими потерями . Поведение материальных сред под воздействием внешнего электромагнитного поля характеризуется посредством комплексных величин диэлектрической и магнитной проницаемости:

Диэлектрическая проницаемость описывает взаимодействие материала с электрическим полем E и является комплексной величиной.

Комплексная диэлектрическая проницаемость ε состоит из действительной части ε′ , которая представляет запас энергии, и мнимой части ε′′, которая представляет потери.

Действительная часть диэлектрической проницаемости показывает, сколько энергии внешнего электрического поля сохранено в материале.

Мнимая часть диэлектрической проницаемости называется коэффициентом потерь и показывает уровень рассеяния или потерь внешнего электрического поля в материале. Мнимая часть диэлектрической проницаемости всегда больше нуля и обычно гораздо меньше, чем действительная часть диэлектрической проницаемости. Если комплексную диэлектрическую проницаемость представить в виде простой векторной диаграммы (рис. 1.23), то действительная и мнимая компоненты будут сдвинуты по фазе не 90°. Суммарный вектор повернут на угол ? относительно действительной оси. Относительные потери материала определяются отношением потерянной энергии к запасенной.

Рис. 1.23. Тангенс угла потерь.

Тангенс угла потерь или tg δ определяется как отношение мнимой части диэлектрической проницаемости к действительной. D обозначает коэффициент потерь, а Q называется добротностью. Тангенс угла потерь или tg δ называют тангенсом дельта, тангенсом угла потерь или коэффициентом потерь. Иногда к материалам, используемым в СВЧ электронных приборах, применяют термин «добротность», который является обратной величиной от тангенса угла потерь. Для материалов с очень малыми потерями (поскольку tg δ ≈ δ), тангенс угла потерь можно заменить самими углом, выраженным в миллирадианах или микрорадианах.

Магнитная проницаемость описывает взаимодействие материала с магнитным полем. Комплексная магнитная проницаемость состоит из действительной части, представляющей запасенную энергию, и мнимой части, представляющей потерянную энергию. 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 (1).

Рис. 1. Классификация РПМ

Классификация радиопоглощающих материалов по характеру взаимодействия с электромагнитной волной

Согласно классификации РПМ, по характеру взаимодействия с электромагнитной волной, они подразделяются на рассеивающие, интерференционные, поглощающие и комбинированные.

Поглощающие покрытия

Поглощающие покрытия представляют собой структуру с плавно или ступенчато изменяющейся по толщине диэлектрической проницаемостью. Тип таких покрытий преобразует энергию электромагнитной волны в другие виды энергии, такие как тепловую, за счет диэлектрических и магнитных потерь. При радиолокационном облучении молекулярные структуры этих материалов возбуждаются, в результате чего энергия зондирующего сигнала преобразуется в тепло. Следует, что радиопоглощающий материал, способствует уменьшению амплитуды отраженного сигнала. Такие покрытия хорошо поглощают электромагнитную энергию, если она согласованна с открытым пространством, т.е волновое сопротивление Z на внешней границе покрытия равно сопротивлению открытого пространства Z₀=377 Ом. Для того, чтобы уменьшить паразитные отражения, необходимо плавное изменение Z в материале (не резкое). Поглощающее покрытие должно слабо отражать падающие волны и поглощать их энергию. Если волна падает на плоскую гладкую поверхность, которая покрыта радиопоглощающим материалом, нормально, то коэффициент отражения равен:

Волна не будет отражаться (R=0) при ε= μ. Для этого внешний слой материала должен иметь диэлектрическую проницаемость воздуха (ε≈1) Материал состоит из двух компонентов: основы (связующего вещества) и наполнителя, который изменяет электрическую и магнитную проницаемость покрытия. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Основными компонентами являются пластмассы, полимерные смолы, пенопласты, различные каучуки. В качестве наполнителя выступают ферриты, порошковое железо, графит. Поглощающие покрытия можно разделить на 4 основные группы:

• – широкополосные
• – узкополосные
• – гибридные
• – радиопоглощающие краски

К широполосным относятся углеродистые соединения. Их использование наиболее продуктивно в специально разработанных поглощающих конструкциях. Узкополосные РПМ применяются в многослойных покрытиях, внутренняя поверхность которых образованна металлическим отражающим слоем. Такие покрытия настроены на определенную длину волны. Оптимальная толщина – четверть длины волны.

Градиентные радиопоглощающие материалы характеризуются многослойной структурой, обеспечивающей заданное изменение диэлектрич. проницаемости в толще материала. Наружный слой изготовляют из твердогсдиэлектрика с диэлектрич. проницаемостью е, близкой к 1 (например, из фенольного пластика, упрочненного кварцевым стекловолокном), последующие - из диэлектриков с более высокой e (напр., эпоксидной смолы с e5 или той же смолы с наполнителем с e 25) и порошка поглотителя (например , графитовой пыли). Описанная структура способствует миним. отражению радиоволн от пов-сти и увеличению их поглощения по мере проникновения в глубь материала.

Интерференционные радиопоглощающие материалы обычно состоят из подложки и чередующихся диэлектрических и проводящих слоев. В качестве подложки используют металлич. пластину или неметаллич. материал с e100 и тангенсом угла диэлектрич. потерь tgδ, близким к 1. Диэлектричесий слой, являющийся связующим, содержит в себе поглотитель (например., оксиды Fe), проводящий слой-металлизир. волокна Такая структура обеспечивает сдвиг фазы отраженной в материале волны почти на 180° и ее гашение.

Поглощение ЭМЭ происходит в результате наложения несовпадающих по фазе колебаний и гашения в результате резонанса при интерференции. Резонанс достигается благодаря интерференции волн, отразившихся от внешней поверхности и поверхности, на которую нанесено покрытие. Толщина таких покрытий равняется четверти длины волны или кратная нечетному числу четвертей волны, вследствие чего колебания, отраженные от поверхностей, находятся в противофазе и отраженная волна ослабляется. Падающая волна, многократно отражаясь от двух сред, также частично поглощается покрытием

Рис. 1.18. Принцип работы интерференционного узкодиапазонного материала.

1 - слой диэлектрика с определенными значениями и ?;

2 - стенка конструкции.

Толщина интерференционного покрытия выбирается из следующего условия:

(3)

где λn – длина ЭМВ в воздухе;

n – 0, 1, 2, 3…;

ε, μ диэлектрическая и магнитная проницаемость покрытия.

Рассеивающие радиопоглощающие материалы обеспечивают многократное отражение и рассеяние волн. Изделия из них-чаще всего полые пирамидальные конструкции из пенополистирола, внутренние стенки которых покрыты графитом, или трубы из стеклопластиков, покрытые снаружи слоем SiC.

Рассеивающие радиопоглощающие материалы создают многократное отражение и рассеяние радиоволн. Изделия из таких материалов чаще всего представляют собой полые пирамидальные конструкции из пенополистропила, внутренние стенки которых покрыты графитом, или труб из стеклопластиков, которые снаружи покрыты слоем карбида кремния. Рассмотрим механизм согласования шиловидных РПМ в коротковолновой части диапазона волн. Пусть поверхность пирамидального материала покрыта плоским радиопоглощающим материалом градиентного или интерференционного типа, чем обеспечивается отсутствие поля внутри пирамид и «зеркальный» характер отражения от поверхности граней пирамид (рис. 1.19). Плоская волна падает на пирамидальный материал под углом θ к нормали его основания. Каждые две рядом стоящие пирамиды образуют клиновидную поглощающую полость с углом при вершине a. В результате N последовательных отражений плоская волна углубляется в полость, а далее выходит из нее, теряя при каждом отражении интенсивность .

Рис. 1.19. Пирамидальный РПМ.

ADM – это серия поглотителей клиновидной формы, выполненных в виде блоков углеродсодержащего пенополиуритана. Поглотители серии ADM предназначены для систем сверхвысокочастотных измерений, таких как компактные антенные полигоны и безэховые камеры, используемых для измерения диаграмм направленности антенны и эффективной площади отражения. При углах падения больше 50° клиновидная форма поглотителей ADM создает отраженную волну.

Классификация по типу материала

Керамические материалы представляют собой, как правило, плотноспеченные материалы из оксидов металлов с низким электрич. сопротивлением [напр., Ti3O4 и (AlTi)2O3] или оксидов и нитридов В и А1 с добавкойметаллов (W, Mo, Ti, Zr, Hf) или их карбидов. Обладают высокими теплопроводностью, мех. прочностью и термостойкостью. Для экранирования от радиоизлучений высокой интенсивности изготовляют многослойные материалы из микросфер оксида А1 и титаната Ва, соединенных между собой алюмофосфатным цементом. К группе керамич. материалов относят также плотный пиролитич. углерод.

Рис. 1.5. Элементарная ячейка корунда: 1 – атом кислорода; 2 – атом Al в корунде или Fe в ильмените; 3 – атом Al ( Cr, Fe) в корунде или Ti в ильмените

Рассмотрим результаты взаимодействия двух материалов: корунда и ильменита с высокочастотным излучением.

На рис. 1.5 показана в упрощенном виде элементарная ячейка радиопрозрачного материала (корунда Al₂O₃) и радиопоглощающего материала (ильменита (Ti,Fe)₂O₃). В кристаллической структуре корунда имеются две различные позиции атомов алюминия. Радиопоглощающий материал возникает при гетеровалентном замещении: Al³⁺→Ti⁴⁺(Nb⁵⁺) и Al³⁺→Me²⁺(Fe, Mn, Mg) , в результате чего формируется магнитная подрешетка, способная активно взаимодействовать с ЭМИ.

Исследование прохождения электромагнитного излучения в диапазоне частот 8–26 ГГц показало , что коэффициент пропускания в среднем составляет около 60 %. Вместе с тем, были обнаружены узкие окна пропускания, через которые проходит до 90 % энергии. На рис. 1.6 приведены спектры отражения и пропускания корундовой керамики в диапазоне частот 8–12 ГГц

Рис. 1.6. Спектры отражения и пропускания корундовой керамики.

Появление тонкой структуры, включающей интенсивные полосы пропускания, объясняется нелинейными эффектами взаимодействия ЭМВ со спинами магнитно - активных ядер. Так отметить, что исследованная корундовая керамика обладает высокими прочностными характеристиками. Прочность на изгиб составляет более 250 МПа. Испытания на ударную динамическую прочность показали, что этот материал можно использовать для изготовления систем индивидуальной бронезащиты (СИБ).

Ферритовые материалы, отличающиеся большими магн. потерями, характеризуются высокой поглощающей способностью, что позволяет использовать их в виде облегченных элементов, например тонкослойных (до 0,2 мм) покрытий из или с эпоксидным связующим, или плиток, смонтированных на металлич. листе и защищенных стеклотканью или слоем пластмассы.

Ферритовые материалы представляет собой пластины (рис. 4.1.), изготовленные из специального феррита низкой проницаемости, с исключительно высокими стабильными характеристиками.

Различают два типа данного материала:

• - пластины феррита(100x100 или 200х200 мм.), предназначенные для монтажа на диэлектрик;
• - сборные панели(300х300мм.), представляющие собой ферритовые пластины, наклеенные на диэлектрик.

Как показывает опыт, наиболее практичным вариантом являются сборные панели, так как не требуют дополнительных затрат на диэлектрик и монтаж, а также подгонку размеров. Панели стандартны, имеют малый допуск по линейным размерам и сверхнизкую трудоемкость монтажа. По соотношению цена/качество сборные панели также предпочтительней. Рабочий диапазон данного материала лежит от 20МГц до 1ГГц.

Полимерные материалы Разработанные радиопоглощающие материалы на основе полимерных, удельная проводимость которых на 2 меньше, чем проводимость волокон стали, представляют собой однородную неупорядоченную дисперсную систему, в которой полимерная матрица является дисперсионной средой, а частицы наполнителя – дисперсной фазой

Рис. 1.8. Структура радиопоглощающего материала.

На рисунке 1.8 показана структура радиопоглощающего материала. Радиопоглощающий материал состоит из полимерного диэлектрического связующего 1, содержащего в качестве порошкового наполнителя микрогранулы различных типов. Матрицей микрогранул может быть любое твердое вещество, прозрачное для электромагнитного излучения радиоволнового диапазона. Микрогранулы 2 содержат вещество, способное поглощать электрическую составляющую радиоволнового излучения, причем это вещество равномерно распределено в объеме микрогранулы в форме нанокластеров. Микрогранулы 3 содержат вещество, способное поглощать магнитную составляющую радиоволнового излучения, причем это вещество равномерно распределено в объеме микрогранулы в форме нанокластеров. Микрогранулы 4 состоят целиком из вещества, прозрачного для излучения радиоволнового диапазона, и не содержат каких-либо радиопоглощающих компонентов.

Распределение поглощающего вещества в объеме микрогранулы в форме нанокластеров приводит к возникновению в материале специфических атомно молекулярных структур, в которых под воздействием электромагнитной волны 5 возникают флуктуации электронной плотности, что значительно повышает уровень поглощения электромагнитной волны. Наличие случайно ориентированных и равномерно расположенных в объеме диэлектрического полимерного связующего микрогранул различных типов, в том числе микрогранул, не содержащих поглощающего вещества, приводит к образованию различных размеров рассеивающих структур и зон 6, где происходит сложение волн в противофазе, что приводит к расширению рабочего частотного диапазона предлагаемого материала и повышает уровень поглощения электромагнитной волны.

Из дисперсных наполнителей наиболее доступным является аморфный углерод (технический углерод, сажа), которого позволяет эффективно задействовать электрические, механические, и оптические свойства матрицы полимера. Использование данног наполнителя повышает и микроволновое поглощение. По сравнению с магнитными ферритами, частицы сажи имеют более высокий рабочий частотный диапазон, вплоть до 1 TГц, что объясняется малостью размеров (~ 10 нм) и высокой плотностью (~ 2 г/cм³). Однако полоса их поглощения достаточно узкая.

Так капсулированный нанокомпозит полианилин/сажа при соотношении 3:1 имеют максимальное поглощение 40 дБ при ширине 3 ГГц в пределах X–зоны. Добавление 6 % аморфного углерода в стеклянноэпоксидную матрицу дает максимальную абсорбцию 32 дБ в Х-диапазоне и пропускной способности поглощения 2.7 ГГц . Увеличение проводимости при дополнении сажи в малых концентрациях связывается с явлением туннелирования.

Материалы на основе сложных органических соединений

Сложные органические вещества обладают РП свойствами. Группа радиопоглощающих полимеров с ретиноловыми основания основаниями Шиффа включает родопсин, который также присутствует в светочувствительных палочках сетчатки глаза. При попадании света, атомы химических веществ данного класса испытывают небольшую временную перестройку, в ходе поглощения молекулами света, в которые они входят. В результате происходит преобразование световой энергии в тепловую. Некоторые из изучаемых молекул оказались хорошими поглотителями в диапазоне радиоволн, но оказались недостаточно эффективными в оптическом диапазоне. Нельзя не отметить, что при использовании основания Шиффа одинаковая по сравнению с ферритами радиолокационная заметность достигается при меньшей массе материала ( в 10 раз)

Периодическая слоистая структура полупроводник-ферромагнетик

Рассмотрим периодическую структуру, которая состоит из чередующихся n слоев ферромагнетика и полупроводника, которая находится в вакууме в однородном внешнем магнитном поле, которое направленно по нормали к поверхности структуры (Рис.1.2).

Положим, что четный слой слоистой периодической структуры является изотропным ферродиэлектриком с проницаемостями ε = const, μ(ω), а нечетный - полупроводником с проницаемостями ε(ω),μ = const. Пусть из вакуума на первый слой структуры (полупроводник) нормально падает плоская монохроматическая электромагнитная волна с частотой ω. Расчеты, произведенные в работе [Анзулевич А.П. Расчет коэффициентов отражения и поглощения, изменения фазы волны при отражении и прохождении электромагнитной волны для многослойных сред полупроводник-ферромагнетик: дисертация д-ра
техн. наук: защищена 14.06.2009.], показывают, что при увеличении частоты релаксации коэффициент отражения и его пики при частотах магнитного резонанса уменьшаются. Подобным образом ведут себя пики изменения фазы волны при отражении. Коэффициент прохождения в данном случае увеличивается. Увеличение количества слоев при неизменной релаксации ведет к увеличению коэффициентов отражения и поглощения вблизи резонанса. Увеличение количества слоев оказывает влияние на изменение фазы волны, но только при прохождении. На высоких частотах максимальное и минимальное значения коэффициента отражения изменяются в широких пределах и определяются размерными резонансами. Точно так же ведет себя и изменение фазы волны при отражении на высоких частотах. Для структур с количеством слоев n = 6 , толщиной одного слоя d = 10⁻⁴ см и при высоких частотах 10 ⁷ − 10 ¹² Гц достигается максимальное, 50% поглощение ЭМВ и достаточно низкий коэффициент отражения (Рис 1.3).

Рис.1.3. Частотная зависимость коэффициентов отражения R, поглощения D ЭМВ через структуру с параметрами:

γ = 10⁴ с ⁻¹ - частота релаксации намагниченности,

ω_p = 10¹² c ⁻¹ - плазменная частота,

ω_s = 10¹¹ c ⁻¹ - частота ферромагнитного резонанса,

d=10⁻³ см.

Число слоев: а) n = 5; б) n = 6; в) n = 7

Это происходит, в основном, за счет поглощения энергии волны в полупроводниковом слое, и может быть использовано при создании поглощающих покрытий. Изменения фазы волны в этом случае, становятся отличными от нуля. Такой эффект поглощения можно получить только для достаточно тонких слоев. Таким образом, для структуры с толщиной слоев d = 10⁻³ см оптимальным для поглощения является наименьшее количество слоев.

Материалы на основе нанотехнологий

На сегодняшний день исследовательские работы по созданию тонкопленочных наноструктурированных радиопоглощающих материалов нового поколения для СВЧ-диапазона от 1 ГГц до 300 ГГц являются перспективными. Применяется новый материал на основе тонких пленок аморфного гидрогенизированного углерода с ферромагнитными наночастицами, нанесенными на гибкую подложку из арамидной ткани (рис. 1.8)

Рассмотрим образцы радиопоглощающих материалов СВЧ-диапазона на основе гранулированных структур углерода с наночастицами 3D-металлов (Со, Ni) на гибкой подложке больших размеров . РПП представляет собой конструкцию из нескольких слоев арамидной ткани с нанесенными на них пленками аморфного гидрогенезированного углерода с наночастицами металлов. Основными параметрами радиопоглощающих пленок, которые определяют эффективность радиопоглощения изделий на их основе, являются: – химический состав; – толщина; – концентрация металлических наночастиц.

Рис. 1.8. Вид пленки аморфного гидрогенизированного углерода с ферромагнитными наночастицами на гибкой подложке из арамидной ткани (кевлар).

На рис. 1.9 представлен общий вид исследуемого образца — пленка αCH:(Ni), нанесенная на арамидную ткань атласного переплетения.

Рис. 1.9. Общий вид исследуемого образца — пленка α-CH:(Ni), нанесенная на арамидную ткань атласного переплетения

Рис. 1.10. SE-изображение фрагмента исследуемого образца во вторичных электронах

Рис. 1.11. Микроструктура пленки α-CH:(Ni), полученная при помощи электронного микроскопа при увеличении в 2000 раз.

На рис. 1.12 представлено изображение среза нити во вторичных электронах, при увеличении в 10000 раз. На изображении, представленном на рис. 1.12, хорошо просматривается арамидная нить (темный фон) и напыленная пленка (светлый фон). По оценочным данным толщина напыляемой пленки изменяется от 0,17 до 1,25 мкм, в зависимости от расположения поверхности нити к направлению напыления

Рис. 1.12. SE-изображение среза арамидной нити с напыленной пленкой α-CH:(Ni) во вторичных электронах.

Многослойный радиопоглощающий материал на основе тонких наноструктурированных пленок

Результаты исследований частотной зависимости коэффициента поглощения с использованием незамкнутой микрополосковой линии для пленок α-CH:(Ni) на подложках на подложке из кевлара — на рис. 1.14.

Рис. 1.14. Частотная зависимость коэффициента поглощения D электроманитной волны, распространяющейся вдоль микрополоски, в измерительной ячейке, нагруженной 1 слоем покрытия α-CH:(Ni) на кевларе.

Из результатов, приведенных на рис. 1.14,видно, что значение коэффициента поглощения одного слоя состава α-CH:(Ni) на подложке из кевлара находится в интервале 2–4 дБ. На основе проведенных исследований [

Nikolaychuk G. A., Lutsev L. V., Yakovlev S. V., Petrov V. V. Properties and technology of broadband microwave absorbing covers of the base of hydrogenated carbon with 3d-metal nanoparticles /Proccedings of the International Conference “Functional Materials”, ICFM-2007. Ukraina, Crime, Partenit, 2007.

Николайчук Г. А., Яковлев С. В., Луцев Л. В., Петров В. В. Цветкова Е. А., Мороз О. Ю., Наквасина Е. Ю., Трифонов С. А. Широкополосные многослойные поглощающие покрытия на основе напыленных структур гидрогенизированного углерода с магнитными наночастицами 3d-металлов / 18-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, Крым, Украина. 8–12 сентября 2008

], многослойные конструкции на основе поглощающих пленок гидрогенезированного углерода с ферромагнитными наночастицами позволяют увеличить радиопоглощение, а также дает возможность исключить анизотропию поглощающих свойств и увеличить частотный диапазон работы поглощающего материала. На основе этого принципа был разработан ряд конструкций, частотные зависимости поглощения электромагнитного излучения которых представлены на рис. 1.15. В конструкции, которая была изготовлена из пленок углерода с ферромагнитными наночастицами Ni, анизотропия поглощения отсутствует.

Таким образом , Радиопоглощающие материалы применяют в виде покрытий металлических поверхносте самолетов, танков, ракет и кораблей с целью их радиолокационной маскировки, для защиты людей от воздействия радиоизлучений высокой интенсивности, создания радиогерметич. безэховых испытат. камер, поглотителей энергии в электронных приборах, обеспечения радиосовместимости частей аппаратуры.

Примеры РПМ

Пиромидальные радиопоглощающие материалы один из видов к шиповидных материалов, представляет из себя пирамидальные контейнеры, заполненные радиопоглощающей композицией.

Радиопоглощающие материалы "Терновник"

Радиопоглощающие материалы типа "Осока

Персептивные разработки создания радиопоглощающих материлов

Обычно РПП состоит из набора различных материалов, собранных вместе для обеспечения необходимого сочетания прочности и электромагнитных свойств. К «активным» ингредиентам относят различные соединения углерода, поглощающие диэлектрики, сложные органические соединения, наноматериалы и магнитные соединения железа (ферриты). Магнитные РПМ создаются из эластичных полимеров на основе изопрена, неопрена, нитрилов, уретана и фторсодержащих полимеров, наполняемых магнитными материалами для получения желаемого уровня ослабления электромагнитного излучения. Подбором магнитных свойств, толщины поглотителя, импеданса и коэффициента затухания можно добиться, чтобы материал поглощал излучение одной частоты или частот в широком диапазон. Такие поглотители работают на принципе четвертьволновых аттенюаторов. Падающее на материал электромагнитное излучение частично отражается от поверхности, а частично проходит через поглощающий слой. Если толщина материала составляет одну четвертую часть эффективной длины падающей

ЭМВ, то переизлучаемая волна после отражений от проводящей подложки поглощающего материала будет уходить в свободное пространство с внешней поверхности РПП с определенным фазовым сдвигом. Интерферируя с ЭМВ, отраженной от внешней кромки РПП, эти две волны будут складываться в противофазе и гасить друг друга, подавляя отраженный радиосигнал. В диапазоне частот 2 – 18 ГГц такие поглотители снижают обычно уровень отражения электромагнитной энергии на 20 – 30 дБ. В настоящее время на этапе фундаментальных и поисковых исследований находятся технологии создания РПП на основе активных гетерогенных структур и нелинейных включений, а так же на основе применения фуллереносодержащих материалов. Активно ведутся работы по использованию возможностей создания и применения покрытий с управляемыми радиофизическими характеристиками на основе многослойных структур с наноразмерными кластерными и дисперсными элементами.

В последнее время для создания РПМ все чаще используются проводящие полисопряженные полимеры, такие как полианилин, полипирол и политефлон. Такие материалы по сравнению с традиционными проводящими композитами имеют относительно низкие значения ε′ при довольно высоких ε′′, что позволяет упростить согласование поглотителя со свободным пространством. Недостатком проводящих полисопряженных полимеров является относительно низкая прочность. Поэтому в РПМ они используются в сочетании с прочной основой: полимерной матрицей, пористым материалом, волокнами или тканями. В случае совмещения с полимерной матрицей проводящий полимер вводится в нее как традиционный электропроводящий наполнитель в виде мелкодисперсных частиц, или образует двухфазную взаимопроникающую полимер-полимерную смесь.

Такие материалы по сравнению с традиционными проводящими композитами имеют относительно низкие значения ε′ при довольно высоких ε′′, что позволяет упростить согласование поглотителя со свободным пространством. В качестве примера можно привести отечественный РПМ с подобными свойствами. Однослойный поглотитель, представляющий собой лакокрасочный материал, в которой введены частицы полипирола, имеет коэффициент отражения R<=-10дБ в диапазоне частот 12-18 ГГц. Данный поглотитель обладает хорошей адгезией к металлу, низкой плотностью и небольшой толщиной – 1,2 мм. Один из гибких многослойных РПМ на основе полипирола изготовлен из нескольких пленок полимер-полимерной смеси полипирол-полихлоропен, имеет R не выше -10 дБ в диапазоне частот 5 – 18 ГГц. Второй поглотитель, изготовленный на основе покрытой полипиролом ткани, имеет коэффициент отражения не выше -10 дБ в диапазон 4,5-14,5 ГГц. Разработаны РПМ на основе композитных электропроводящих волокон. Эти волокна представляют собой диэлектрическую основу с нанесенными на нее последовательно проводящим и изолирующим слоями. Малая толщина проводящего слоя расширяет область частот , в которой скин-эффект отсутствует и ? ′ описывается уравнением Дебая. Прочная диэлектрическая основа и наличие изолирующего слоя позволяют сохранить длину волны в композите, что невозможно в случае применения углеродных волокон. Это позволило разработать РПМ, имеющие коэффициент отражения R<=-10дБ в диапазоне 2,6-28 ГГц. Ожидается, что при создании РПМ перспективным наполнителем волоконного типа окажутся углеродные нанотрубки. Диаметр этих миниатюрных электропроводящих волокон не превышает нескольких нанометров, длина составляет от десятых долей до нескольких микрон. Углеродные нанотрубки состоят из одного или нескольких слоев, каждый из которых представляет собой гексагональную сетку графита.

В зависимости от размеров и структуры их электропроводность варьируется в широких пределах от 1 до 10³ (Ом ∙ см) ⁻¹ . К наиболее распространенным магнитодиэлектрическим РПМ относят композиционные материалы, выполненные на базе ферритов и смеси ферритов с характерными частотами естественного ферромагнитного резонанса (ЕФМР), перекрывающий диапазон 1 – 2000 ГГц. В качестве примера можно привести трехслойный широкополосный РПМ, выполненный на основе пленочных волокон и наполненный карбонильным железом. Он обеспечивает R<= -10 дБ в диапазоне частот 5-40 ГГц. Разработан так же двухслойный РПМ градиентного типа, имеющий R<= - 10 дБ в диапазоне частот 0,1 – 1,53 ГГц. В последнее время появились принципиально новые классы материалов, такие как наноструктурные магнитные композиты, углеродные нанотрубки , позволяющие добиться заметных успехов при разработке тонких легких широкополосных РПМ . На основе наноматериалов можно создать магнитные РПП с близкими значениями ε и μ при величине магнитных потерь в несколько раз превышающих μ′′ традиционных магнитных материалов. Эти материалы могут быть основой для создания эффективных широкополосных РПП толщиной порядка долей миллиметра .

Радиопрозрачные материалы.

Прозрачность этих материалов обеспечивается малыми диэлектрич. потерями в интервале рабочих температур -60-1200°С (tgd 10-2-10-5, e10) и низким уровнем отражения радиоволн (1%).

Основу таких материалов составляют органические и неорганические диэлектрики-пластмассы, керамопласты, керамика, плавленый кварц, ситаллы.

В качестве радиопрозрачных пластмасс используют главным образом стеклопластики или стеклотекстолиты, содержащие несколько слоев стеклянных, нейлоновых волокон или стеклоткани и пропитанных кремнийорганическими, полиимидными или полиэфирными смолами. Изготовляют их методами переработки полимерных материалов, обеспечивающих однородность диэлектрические свойства материала (например, пропитка, заливка, намотка); т-ра длит. эксплуатации 300-500°С, tgd 10-2-10-3, е 3-5.

Керамопласты изготовляют на основе: алюмофосфатной керамики, армированной стекловолокном; стеклопластиков, пропитанных высокоактивным коллоидным SiO2; кварцевых или сапфировых нитей и тканей со связующими, используемыми в стеклопластиках. Керамопласты с повышенной стойкостью к эрозии под действием внешней среды получают путем плазменного нанесения на поверхность пластика (до и после его отверждения) тонкого слоя тугоплавкого оксида, карбида или борида. По сравнению с пластиками обладают большей прочностью и однородностью, работают в условиях т-р до 650 °С.

Основа радиопрозрачной керамики - высокотемпературные оксиды Аl и Be, нитриды Аl и В; tgd10^-3, e = 4 (для нитрида бора) и 10 (для алюмооксидной керамики); теплопроводность (в Вт/м·К) для А₁₂О₃ - 20, для ВеО - 200, для BN - 400. Изделия из оксидной керамики получают методами шликерного литья, прессования, электрофоретич. и плазменного напыления с последующим высокотемпературным обжигом, из нитрида бора-путем химического осаждения из газовой фазы с последущей механической обработкой. Для повышения механической прочности, термостойкости и уменьшения толщины стенок керамических изделий в них при формировании вводят металлические стержни, решетку или сетки.

Материалы из плавленого кварца и ситаллов на основе оксидов Li и Mg (Li₂O-Al₂O₃- SiO₂ и MgO А₁₂О₃ SiO₂) отличаются однородностью, низким коэффициент термического расширения (5·10-7 град-1 для плавленого кварца, близкий к нулю-у ситаллов), температурной стабильностью (для MgO-SiO₂-Al₂O₃), в интервале рабочих температур (-60-1200°С) уменьшение диэлектрической проницаемости составляет около 1%.

Радиопрозрачлые материалы широко используют в антенных обтекателях самолетов и ракет в условиях аэроди-намич. и тепловых ударов, дождевой, пылевой, газовой эрозии и ионизирующих излучений, в качестве перегородки-окна в ускорителях и электронных приборах, для обеспечения передачи электромагн. энергии.

Анализ данных, представленных в статье про радиопоглощающие материалы, подтверждает эффективность применения современных технологий для обеспечения инновационного развития и улучшения качества жизни в различных сферах. Надеюсь, что теперь ты понял что такое радиопоглощающие материалы, радиопрозрачные материалы и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны