Способ получения радиопоглощающих покрытий
Владельцы патента RU 2294948:
Московский инженерно-физический институт (государственный университет) (RU)
Изобретение относится к способам получения многослойных радиопоглощающих покрытий и материалов для защиты биологических объектов от СВЧ-излучения, маскировки изделий военного назначения, снижения помех в электронных устройствах, уменьшения уровня шума в помещениях с работающей СВЧ-аппаратурой и т.п. Радиопоглощающий пленочный материал используется в виде накидок или наклеивается на внутренние стенки электронного прибора, на стены помещения и т.п., либо наносится пульверизатором на защищаемую поверхность. Способ получения радиопоглощающего покрытия заключается в нанесении радиопоглощающего материала на защищаемую поверхность в несколько слоев с промежуточной сушкой каждого слоя и помещением по крайней мере в один из слоев разрезных колец из электропроводящего материала, причем, по крайней мере, один из слоев радиопоглощающего покрытия изготавливают из композиционного материала с ферромагнитными свойствами, а само покрытие обрабатывают в поле постоянного магнита так, что вектор напряженности магнитного поля лежит в плоскости покрытия. Технический результат - получение покрытия, которое имело бы не только достаточно высокое радиопоглощение при толщинах менее 1 мм в широком диапазоне длин волн, но радиопоглощение, которое можно было бы изменять при необходимости как в целом, так и в отдельных его частях. 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к материалам, поглощающим радиоизлучение, и предназначено для применения в виде покрытия, которое наносится на изделие исследовательского, медицинского, бытового и др. назначения.
Известны различные способы изготовления материалов и покрытий для поглощения радиоизлучения. По одному из способов [Ю.К.Ковнеристый, И.Ю.Лазарева, А.А.Раваев. Материалы, поглощающие СВЧ-излучение, M., Наука, 1982 г., стр.85] из графита, керметов и т.п. материалов изготавливают геометрические фигуры (например, цилиндры, конусы) различных размеров и закрепляют их на поверхности в определенном порядке. Недостатком такого способа является большой объем и масса поглощающих устройств. Их обычно применяют для поглощения излучения внутри помещения, закрепляя их на стенках и потолках.
По другому способу [Я.А.Шнейдерман, Зарубежная радиоэлектроника, 1972, №7, 1975, №3] вначале изготавливают тканные или пленочные материалы с использованием металлической сетки и закрепляют материал на поверхности. Этот способ применяется, в основном, для экранирования каких-либо поверхностей и для защиты биологических объектов. Недостатком этого способа является большая доля отраженного излучения.
Известен также способ [Ю.К.Ковнеристый, И.Ю.Лазарева, А.А.Раваев. Материалы, поглощающие СВЧ-излучение, М., Наука, 1982 г., стр.46, 88], по которому в жидкое полимерное связующее или его раствор вводят дисперсный поглощающий наполнитель (графит, феррит, сегнетоэлектрики, металлические сплавы типа "альсифер" т.п.), а затем полученный жидкий материал наносят на защищаемую металлическую поверхность.
Наиболее близким к предлагаемому способу и принятому в качестве прототипа является способ, при котором получают сначала жидкий материал при смешивании связующего (синтетического или природного) и порошкообразного наполнителя, который затем наносят на защищаемую поверхность в несколько слоев с промежуточной сушкой между слоями, причем по крайней мере в один из слоев перед сушкой помещают различные кольца из электропроводящего материала (патент РФ №2200177 от 07.08.2001 г.).
Недостатком указанного способа получения радиопоглощающего покрытия является невозможность регулирования радиопоглощения в процессе эксплуатации. В то же время иногда в связи со сменой внешних условий (изменение местоположения объекта, смена времени года) необходимо изменить частично или полностью радиопоглощение покрытия. Если покрытие применяется в виде накидки, то ее приходится менять, а если покрытие нанесено непосредственно на объект, то его приходится заново покрывать радиопоглощающим покрытием. В противном случае отличие объекта от местности его демаскирует.
Смена накидки или новое покрытие связано с высокой трудоемкостью и временными потерями.
Предлагаемое изобретение направлено на получение радиопоглощающего покрытия, которое имело бы не только достаточно высокое радиопоглощение при толщинах менее 1 мм в широком диапазоне длин волн, но радиопоглощение, которое можно было бы изменять при необходимости как в целом, так и в отдельных его частях.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения радиопоглощающего покрытия, заключающемся в нанесении радиопоглощающего материала на защищаемую поверхность в несколько слоев с промежуточной сушкой каждого слоя и помещением в один из слоев разрезных колец из электропроводящего материала, по крайней мере один из слоев радиопоглощающего покрытия изготавливают из композиционного материала с ферромагнитными свойствами, а само покрытие обрабатывают в поле постоянного магнита так, что вектор напряженности магнитного поля лежит в плоскости покрытия.
При падении плоской однородной электромагнитной волны на плоскость с бесконечной проводимостью σ происходит полное отражение электромагнитной волны и величины и 
, соответствующие стоячей волне, принимают следующие значения [В.В.Никольский, Т.И.Никольский. Электродинамика и распространение радиоволн. М., Наука, 1989, с.165]:
где - вектор напряженности электрического поля;
- вектор напряженности магнитного поля;
W1 - волновое сопротивление среды, из которой электромагнитное излучение падает на металлическую поверхность;
- коэффициент;
n1 - коэффициент преломления среды;
ω - круговая частота электромагнитной волны;
с - скорость света.
На границе раздела среда-металл (z=0) амплитуда магнитного поля удваивается и ток распределен с плотностью.
где 
- вектор плотности тока.
При нормальном падении плоской электромагнитной волны на слой магнитодиэлектрика (поглотителя электромагнитных волн) толщиной d относительное входное сопротивление вычисляется из выражения [Г.Ф.Алимин, В.А.Торгованов. Методы расчета поглотителя электромагнитных волн. Зарубежная электроника, 1976, №8, с.64.]
где волновое сопротивление свободного пространства,
волновое сопротивление магнитодиэлектрика:
Относительное входное сопротивление слоя магнитодиэлектрика W2/W1, если толщина слоя d очень мала
то имеет место следующее приближенное равенство:
тогда 
где μ', μ" - составляющие комплексного значения магнитной проницаемости μ2 магнитодиэлектрика;
ε1, ε2 - значения диэлектрической проницаемости среды, из которой падает электромагнитное излучение, и магнитодиэлектрика, соответственно.
Т.к. электрическое поле сосредоточено вблизи металлической поверхности, диэлектрическая проницаемость ε2 очень тонкого слоя поглотителя, нанесенного на металлическую поверхность, не играет никакой роли, поэтому в выражении (1) содержится только магнитная проницаемость. Т.о. при падении плоской электромагнитной волны на тонкий слой поглотителя (магнитодиэлектрика), нанесенного на металлическую поверхность, слой может обладать одновременно электрическими и магнитными потерями или только магнитными потерями.
При полном поглощении коэффициент отражения R=0, а для волновых сопротивлений должно выполняться равенство W1=W2.
При этом из (1) следует:
Отсюда: 
Т.о. для эффективного поглощения тонким магнитодиэлектрическим слоем (поглотителем) на металлической поверхности необходимо, чтобы слой имел высокие значения μ". Поскольку условие W1=W2 трудно осуществить для широкого диапазона, то в любом случае часть электромагнитной энергии отразится от поглотителя, а часть пройдет до металла и отразится от него. Вектор магнитной составляющей, амплитуда которого удваивается, может эффективно поглотить в широком диапазоне частот. Только тогда, когда вектор намагниченности лежит в плоскости поглотителя.
Пример конкретного выполнения предлагаемого способа. Изготавливают 3 образца поглощающего материала. На металлическую пластину из сплава D16AT размерами 200×200 мм2 наносят поглощающее покрытие толщиной 0.5 мм с соотношением по объему (наполнитель:связующее) 1:1. В качестве связующего поглощающего покрытия взяли поливинилбутираль, а в качестве наполнителя - нанопорошок из магнитного сплава НК-29 (состава: Ni - 29,13%; Со - 17,51%; Fe - остальное). Далее производят сушку при температуре 25°С. На поверхности покрытия размещают константановые кольца диаметром 10 мм. После этого наносят еще один слой поглощающего покрытия того же состава толщиной 0.5 мм и производят сушку при температуре 25°С.
Один образец обрабатывают в поле постоянного магнита так, что вектор напряженности магнитного поля лежит в плоскости покрытия. Второй образец обрабатывают в поле постоянного магнита так, что вектор напряженности магнитного поля лежит перпендикулярно плоскости покрытия. Третий образец берут исходный. Затем проводят измерения поглощения образцов в открытом пространстве с разнесенным генератором и приемником. Результаты измерения для различных образцов сведены в табл.1.
Из таблицы 1 следует, что обработка образца покрытия в поле постоянного магнита так, чтобы вектор напряженности магнитного поля находился в плоскости образца (обр.1), приводит к тому, что уровень поглощения почти на всех измеряемых длинах волн повышается на 25-50%, по сравнению с необработанными покрытиями (обр.3). Обработка покрытия в поле постоянного магнита так, что вектор напряженности магнитного поля лежит перпендикулярно поверхности покрытия (обр.2), не меняет уровня поглощения на всех длинах волн.
| Таблица 1 | |||
| № обр | Описание образца | Длина волны падающего излучения | Поглощение излучения образцом, дБ |
| 1. | Поглощающее на основе | 3,0 | 15,0 |
| нанопорошка, полученного из | 3,53 | 15,0 | |
| сплава НК-29, толщиной 1,0 мм | 4,0 | 25,0 | |
| с кольцами диаметром 10 мм из | 7,5 | 25,0 | |
| константановой проволоки. | 10,0 | 20,0 | |
| Покрытие нанесено на подложку из сплава D16AT размерами 200×200 мм2 и обработали в постоянном магнитном поле так, что вектор напряженности магнитного поля лежал в плоскости покрытия. | 12,0 | 10,0 | |
| 2. | Поглощающее на основе | 3,0 | 10,0 |
| нанопорошка, полученного из | 3,53 | 10,0 | |
| сплава НК-29, толщиной 1,0 мм | 4,0 | 25,0 | |
| с кольцами диаметром 10 мм из | 7,5 | 20,0 | |
| константановой проволоки. | 10,0 | 15,0 | |
| Покрытие нанесено на подложку из сплава D16AT размерами 200×200 мм2 и обработали в постоянном магнитном поле так, что вектор напряженности магнитного поля лежал перпендикулярно плоскости покрытия. | 12,0 | 10,0 | |
| 3. | Поглощающее композитного | 3,0 | 10,0 |
| покрытия на основе | 3,53 | 10,0 | |
| нанопорошка, полученного из | 4,0 | 25,0 | |
| сплава НК-29, толщиной 1,0 мм с | 7,5 | 20,0 | |
| кольцами диаметром 10 мм из | 10,0 | 15,0 | |
| константановой проволоки. Покрытие нанесено на подложку из сплава D16AT размерами 200×200 мм2. | 12,0 | 10,0 |
Способ получения радиопоглощающего покрытия, заключающийся в нанесении радиопоглощающего материала на защищаемую поверхность в несколько слоев с промежуточной сушкой каждого слоя и помещением в один из слоев разрезных колец из электропроводящего материала, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из слоев радиопоглощающего покрытия изготавливают из композиционного материала с ферромагнитными свойствами, а сам слой обрабатывают в поле постоянного магнита так, что вектор напряженности магнитного поля лежит в плоскости покрытия.
