Радиопоглощающий элемент

05 9/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси(72) Авторы Пинчук Леонид Семенович Банный Виктор Анатольевич Макаревич Анна Владимировна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси(57) 1. Радиопоглощающий элемент в виде покрытия или листового материала, выполненный из одного или нескольких слоев полимерных связующих, которые наполнены частицами ферромагнетиков, отличающийся тем, что слои имеют толщину//4,где- длина волны электромагнитного излучения, выбранная из диапазона длин волн,взаимодействующих с элементом, - коэффициент, зависящий от магнитной проницаемости ферромагнитного наполнителя, - нуль или целое положительное число. 2. Радиопоглощающий элемент по п. 1, отличающийся тем, что концентрация ферромагнитного наполнителя в поверхностном слое элемента на границе с атмосферой составляет 40-60 .(56)3680107 , 1972.19990828, 2001.2945 1, 1999.0398672 1, 1990.4324916 1, 1995.0546255 2, 1993. Изобретение относится к области электронных и радиотехнических приборов, в частности их конструктивных элементов, которые обеспечивают заданный уровень электромагнитных потерь при взаимодействии с радиоизлучением. Радиопоглощающие (РП) материалы и элементы конструкций являются высокоэффективным средством решения глобальных проблем электромагнитной совместимости и безопасности электронных и радиотехнических систем, развитие которых во многом определяет современный уровень научно-технического прогресса. Без них невозможно совершенствование технологий , направленных на создание объектов техники с малой 6421 1 заметностью для радиолокационных средств обнаружения. В настоящее время важнейшей областью приложения РП-материалов и элементов конструкций стали проблемы электромагнитной безопасности. Длительное и регулярное воздействие на человека СВЧ-излучения, генерируемого современными бытовыми и др. приборами, оказывает отрицательное влияние на мозг, зрение, сердечно-сосудистую и лимфатическую системы, провоцирует образование опухолей. Перспективы развития РП-элементов в значительной мере связаны с применением полимерных композиционных материалов, в матрице которых содержатся компоненты, поглощающие излучение ферриты 1, карбонильное железо 2, порошки специальных металлических сплавов с частицами заданной формы 3, сегнетоэлектрики 4, сферические наполнители композиционного состава 5, обладающие свойствами ферромагнетиков и электрической проводимостью (материалы фирмы, Германия) и др. РП-элементы, выполненные из полимерных композитов, чаще всего применяют в виде покрытий и листовых экранов, важнейшим параметром которых является толщина. От нее(при прочих равных условиях) в значительной мере зависят эксплуатационные характеристики РП-элемента. Однако это не значит, что следует стремиться квозможной толщине РП-слоя. Практика применения систем радиозащиты свидетельствует, что во многих случаях увеличение толщины и других геометрических размеров РП-элементов не приводит к улучшению их рабочих параметров 6. С другой стороны, уменьшение толщины РП-элементов благоприятно по критериям материалоемкости, т.к. улучшает техникоэкономические показатели изделий, поскольку РП-элементы, как правило, входят в состав вспомогательных узлов электронных и радиотехнических приборов. Возможности оптимизации толщины РП-элементов по критериям радиопоглощения далеко не исчерпаны, о чем свидетельствуют следующие примеры. Наиболее надежным методом оптимизации толщины РП-элементов до сих пор остается метод проб и ошибок. Так, для получения РП-покрытия на основе латекса, феррита и карбонильного железа 1 с заданными параметрами на металлическую подложку наносят первые 3-4 слоя материала, измеряют коэффициент поглощения покрытием СВЧ-излучения в интересующем диапазоне длин волн и сравнивают измеренное значение коэффициента с заданным значением. Если полученная величина коэффициента превышает заданную, удаляют часть верхнего слоя покрытия, если она меньше заданной, дополнительно наращивают покрытие. Таким методом были определены оптимальные значения толщиныслоистого магнитоэлектрического элемента в виде покрытия на основе ПВБ и ПВА, наполненных ферритом и цирконатом-титанатом свинца,80180 мкм 4 экранирующего РП-покрытия зданий (разработано Токийским технологическим институтом для борьбы с искажениями телевизионных изображений) на основе резины и ферритового порошка,8 мм 5. Как видно, экспериментально определенные оптимальные значения толщины РПэлементов отличаются на 2-3 порядка. Расчетные методы оптимизации толщины РП-элементов связывают с длиной волны излучения, взаимодействующего с элементом. Так, устройство радиолокационной маскировки бортовой антенны, выполненное в виде трехслойного обтекателя, содержит внутренний и внешний металлические слои, которые разделены слоем диэлектрика толщиной/4, где- длина волны радиоизлучения 7. Трехслойный поглотитель СВЧ-энергии,содержащий полимерные слои, наполненные сегнетокерамическим порошком, имеет толщину(0,7-0,75), где- максимальная длина волны в диапазоне излучений,для работы с которыми предназначен поглотитель 8. При внешнем сходстве этих формул рассчитанные по ним значениямогут сильно отличаться, в зависимости от того, какое значениевыбрано из рабочего диапазона излучений. 2 6421 1 Прототипом изобретения является широкодиапазонный многослойный РП-элемент 9. Он выполнен в виде покрытия на отражающей излучение подложке. На ней адгезионно закреплен слой композита на основе каучука или смол, наполненных (76-85 масс) порошковым железом или ферритом. Наружный слой выполнен из ПВХ. Элемент предназначен для работы с излучениями, имеющими рабочий диапазон длин волн 2,5-7 см. Общая толщина элемента составляет 0/4, а толщина наружного слоя 1/4, гдеи- наибольшая и наименьшая длины волн рабочего диапазона излучения. Недостатки прототипа наличие достаточно толстого слоя из материала с высокой магнитной проницаемостью удорожает РП-элемент адгезионное закрепление на подложке высоконаполненного композитного слоя связано с технологическими трудностями и недостаточно надежно формулы для определения толщины слоев РП-элемента не учитывают свойств материалов, из которых выполнены слои. Задачи, на решение которых направлено изобретение 1) экспериментально обосновать выбор толщины слоев РП-элементов на основе полимерных композитов, наполненных ферромагнетиками 2) оптимизировать состав наружных слоев РП-элементов на границе с атмосферой 3) связать выбор толщины РП-элементов с параметрами ферромагнитных компонентов. Поставленные задачи решаются тем, что известный радиопоглощающий элемент, листовой или в форме покрытия, состоящий из одного или нескольких слоев полимерных связующих, которые наполнены частицами ферромагнетиков, при этом толщина слоев соответствует соотношению//4,где- основная длина волны рабочего диапазона, К - коэффициент, зависящий от магнитной проницаемости наполнителей,- нуль или целое положительное число. Вариант изобретения состоит в том, что описанный выше радиопоглощающий элемент имеет в поверхностном слое на границе с атмосферой концентрацию ферромагнитного наполнителя 40-60 масс. Сущность изобретения состоит в следующем. Авторы экспериментально установили,что зависимость коэффициента отражения электромагнитных волн однослойным радиопоглощающим экраном, выполненным из наполненного ферромагнетиками полимерного композита, от толщины слоя имеет вид вырождающейся синусоиды с периодом /4. Положения минимумов этой синусоиды по оси толщин соответствует (с точностью 15 ) приведенному выше уравнению, т.е./К/4. Замечено, что величина К зависит от магнитной проницаемости ферромагнитных компонентов композита. Полимерные связующие РП-композитов радиопрозрачны 5, 6. После наполнения их ферромагнетиками при взаимодействии с излучением возрастают электромагнитные потери в материале и снижается коэффициент отражения РП-экранов. Однако дальнейший рост степени наполнения приводит к повышению коэффициента отражения из-за рассогласования волновых сопротивлений экрана и атмосферы 10. Изобретение устанавливает степень наполнения (40-60 ) наружного слоя экрана, при которой величина коэффициента отражения экрана минимальна. Примеры выполнения радиопоглощающего элемента. Исходные материалы ПЭВД (ГОСТ 16337-77) и дисперсные ( размер частиц - до 50 мкм) наполнители - карбонильное железо (КЖ, ТУ 6-09-300-78), магнитно-мягкийферрит (ММФ, ТУ 6-09-5111-84, марка 2500 НМС), никель (Н, ГОСТ 9722-79). Образцы прямоугольного сечения (2310 мм) толщиной от 1,5 до 20 мм изготавливали следующим образом. Из смеси исходных компонентов методом горячего прессования(Р 2 МПа, Т 180 С) формировали заготовки, толщинукоторых регулировали шлифованием (с шагом(0,250,50)0,01 мм). 3 6421 1 Коэффициенты отражения (К) образцами электромагнитного излучения (длины волны 2,5-3,5 см), направленного по нормали к плоскости образца, определяли рефлектометрическим методом с помощью панорамного измерителя коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН). Образцы помещали в волноводный тракт измерителя, приводя в контакт с металлической подложкой, и регистрировали КСВН. Затем рассчитывали коэффициент отражения по формуле(КСВН-1)100/(КСВН 1) . Толщина образцов (состав ПЭВД наполнитель 11 по массе) существенно влияет на экспериментально определенную величину(табл. 1). Таблица 1 Наполдля образцов толщиной (мм) 87 75 64 53 71 75 69 45 71 56 46 65 Анализ данных табл. 1 свидетельствует о следующем. 1. Минимальные значенияисследованных образцов соответствуют толщинам ,приведенным в табл. 2. Таблица 2 3,75 3,12 2,50, см Наполнители КЖ ММФКЖ ММФКЖ ММФЗначения(мм), соответ- 3,0 3,5 5,0 3,0 3,5 4,0 2,5 3,0 3,5 ствующиевеличинезависимостей 2. Элементы-прототипы имеют толщину, определяемую уравнением/4. Для исследованных длин волн излучения (3,75 см, 3,12 и 2,50 см) толщины элементовпрототипов составляют, соответственно, 9,4, 7,8 и 6,3 мм, независимо от типа наполнителя. Эти толщины элементов-пртотипов значительно (в 2-3 раза) превосходят толщины заявляемых элементов (табл. 2). В табл. 3 приведены значения , соответствующие элементам-прототипам, в сравнении со значениями , которые характерны для заявляемых элементов. Таблица 3 3,75 3,12 2,50, см Наполнители КЖ ММФКЖ ММФКЖ ММФВеличина , , соответствующая оптимальному зна- 67 66 83 65 64 79 54 64 80 чениюпрототипазначенияэлемента 24 26 31 4 14 27 6 18 24 согласно изобретению Сравнение данных табл. 3 свидетельствует, что по критерию минимизацииРПэлементы, выполненные согласно изобретению, значительно превосходят прототип. 3. Минимальные значения зависимостей, имеющих вид вырождающихся синусоид (их координаты приведены в табл. 1), с достаточно высокой степенью точности(15 ) аппроксимируются уравнением/К/4. Установлена корреляция между 4 6421 1 значениями К, которые определены в результате анализа экспериментальных данных, и величинамимагнитной проницаемостиферромагнитных наполнителей полимерного связующего РП-элементов. Результаты этого анализа приведены в табл. 4. Таблица 4 Ферромагнитные компоненты РП-элементов КЖ ММФ Со 8000 2500 1100 175 ВеличинаЗначения К 10 10 7,5 1,7 В табл. 4 дополнительно приведено значение К для дисперсного кобальта (ГОСТ 9721-79). Оно определено путем анализа зависимостейдля образцов толщиной от 5 до 25 мм (в табл. 1 эти данные не приведены) на основе ПЭВД, наполненного Со (11 по массе). Данные табл. 4 свидетельствуют, что зависимость Кимеет экспоненциальный характер при прочих равных условиях (тип связующего, дисперсность наполнителя, одинаковые температурно-временные режимы формирования композита). Изменение концентрации (С) ферромагнитных компонентов в слое РП-элемента, граничащем с атмосферой, влияет на величину(табл. 5). Таблица 5 Наполдля образцов, содержащих наполнители в количестве ( масс.), см нитель 5 10 20 40 45 50 55 60 70 75 3,75 КЖ 98 96 89 90 62 24 51 66 69 80 ММФ 99 94 87 81 64 48 71 66 41 53 3,12 КЖ 88 87 75 46 31 4 6 29 71 74 ММФ 90 93 92 78 49 21 53 49 30 54 2,50 КЖ 87 85 78 28 21 27 36 47 61 67 ММФ 92 90 88 56 33 20 43 44 37 56 В табл. 5 представлены результаты измеренийобразцов толщиной 3 мм. Для других толщин радиопоглощающих элементов тех же составов положение минимумов на зависимостяхизменяется незначительно (в пределах 15 С). Анализ экспериментальных данных приводит к следующим заключениям. Для всех исследованных наполнителей при одинаковой толщине образцов и при изменении толщины образцов постоянного состава зависимостипретерпевают минимум, соответствующий С 40-60 мас. . Это можно объяснить тем, что при взаимодействии с СВЧ-излучением первоначально радиопрозрачные полимерные связующие превращаются в РП-материалы в результате наполнения ферромагнетиками. Последние перемагничиваются в поле излучения, что приводит к росту электромагнитных потерь в материале и к уменьшению . При дальнейшем росте степени наполнения реализуется конкурирующий процесс - увеличивается рассогласование волновых сопротивлений РПматериала и атмосферы, в которой распространяются радиоволны. Это обусловливает возрастание . В результате протекания противоположно действующих процессов зависимостьпроходит через минимум. Если контактирующий с атмосферой слой РПэлемента будет иметь концентрацию ферромагнитных наполнителей, соответствующую этому минимуму, радиопоглощение РП-элемента будет наибольшим. Таким образом, отпадает необходимость в наружных радиопрозрачных покрытиях на РП-элементах, которые наносят с целью согласования волновых сопротивлений элемента и атмосферы. Покрытиям остаются лишь технологические и защитные функции, обусловливающие повышение технического ресурса РП-элементов. Применение изобретения в изделиях электронной и радиотехнической промышленности позволит более рационально использовать дефицитные и дорогостоящие радиоматериалы, при одновременном улучшении эксплуатационных характеристик выпускаемой техники, не прибегая к изменению ее конструкции и принятой технологии. 5 6421 1 Источники информации 1. Патент РФ 2155420, МПК 01 17/00,09 5/32, 01 13/00, 2000. 2. Патент РФ 1753497, МПК 01 1/26,01 17/00, 1992. 3. Патент Японии 242798, МПК Н 05 К 9/00, 1990. 4. Лупейко Т.Г., Лиеневская И.В., Чхеидзе М.Д., Звягинцев Б.И. Слоистые магнитоэлектрические композиты на основе феррита никеля и цирконата-титаната свинца // Неорганические материалы. - 1995. - Т. 31. -9. - С. 1245-1248. 5. Шнейдерман Я.А. Радиопоглощающие материалы. . Экранирующие радиопоглощающие материалы // Зарубежная радиоэлектроника. - 1975. -3. - С. 71-93. 6. Макаревич А.В., Банный В.А. Радиопоглощающие полимерные композиционные материалы в технике СВЧ (обзор) // Материалы, технологии, инструменты. - 1999. -3. С. 24-32. 7. Патент РФ 2045798, МПК 01 17//00, 1995. 8. Патент РФ 1832352, МПК 01 17/00, 1993. 9. Патент США 3680107, МПК 01 17/00, 1972 (прототип). 10. Алексеев А.Г., Гусева О.М., Семичев Композиционные ферромагнетики и электромагнитная безопасность. - С-Пб НИИХ СПбГУ, 1998. - С. 296. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.