Электромагнитное поглощающее покрытие
Владельцы патента RU 2363714:
ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ "ФЕРРИТ-ДОМЕН" (RU)
Изобретение относится к покрытию, поглощающему электромагнитное излучение. Покрытие содержит основу, состоящую из арамидной высокомодульной ткани типа кевлар с нанесенной на нее поглощающей пленкой. На каждую основу нанесены пленки разных видов. Один вид выполнен из напыленного феррита с вкрапленными в него наноразмерными кластерами металлов Ni и Со, а второй выполнен из напыленного гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него наноразмерными кластерами металлов Ni и Со. Пленки напылены на арамидную ткань с двух сторон. При составлении конструкции слои чередуются таким образом, чтобы концентрация ферромагнитных кластеров в пленках соседних слоев была разной - в одном низкая (40-60 ат.%), во втором высокая (60-80 ат.%). Полученное покрытие обеспечивает повышение уровня радиопоглощающих свойств в диапазоне 6-40 ГГц и расширение частотного диапазона работы покрытия в нижней части СВЧ диапазона - от 2 до 6 ГГц. 8 ил.
Изобретение относится к электромагнитному (ЭМ) поглощающему материалу.
Назначением подобных материалов является следующее:
- поглощение электромагнитного излучения в наземной, морской, авиационной и космической технике, что позволяет повысить скрытность объектов и уменьшить вероятность их обнаружения радиолокаторами;
- поглощение электромагнитного излучения в экранирующих устройствах, в поглощающих облицовках и корпусах, в безэховых измерительных камерах;
- поглощение электромагнитного излучения в средствах защиты населения от неионизирующих излучений.
Усовершенствование этих материалов идет в направлении увеличения их поглощающих свойств, в т.ч. в широком диапазоне частот, повышение их теплоизолирующих свойств, стойкости к внешним воздействиям, а также в направлении усовершенствования технологичности и расширения номенклатуры.
Известен электромагнитный поглощающий материал и способ его изготовления, представленный в патенте № 2234175 DE от 2004.08.10, сущность которого заключается в совмещении в одном материале экранирующих и теплоизолирующих свойств при оптимальном соотношении между его плотностью и прочностью. Материал представляет собой гранулят, состоящий из смеси углеродного и ферритового порошка и связующего в виде стекла (кварцевого порошка). Технология изготовления материала является керамической, применяют экструзию и литье. Поглощающие свойства в широком диапазоне не превышают 2 дБ, а в узком диапазоне (до 5 ГГц) достигают 10 дБ. Аналог имеет следующие недостатки:
- низкая поглощающая способность,
- большой удельный вес на единицу площади, превышающий 10 кг/м2,
- сложность технологии получения ввиду многокомпонентного состава и, как следствие, неконтролируемый состав.
Известен электромагнитный поглощающий материал (патент РФ № 2167840, 27.05.2001), состоящий из смеси 0,30-0,45 или 0-55-0,75 мольных долей титаната стронция и 0,70-0,55 или 0,45-0,25 мольных долей соответственно соединений с общей формулой BiMO3, где М выбирается из группы элементов, включающей хром, марганец, железо. Материал имеет высокие значения действительной части диэлектрической проницаемости и высокие диэлектрические потери в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне. Однако материал не является эластичным, для эффективного поглощения должен иметь значительную толщину и может применяться только в виде плиток.
В патенте РФ № 2107705 (27.03.1998) описан радиопоглощающий материал, предназначенный для нанесения на различные изделия исследовательского, медицинского, бытового и др. назначения. Радиопоглощающий материал содержит в качестве полимерного связующего синтетический клей Элатон на основе латекса, в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: синтетический клей «Элатон» на основе латекса 80-20; порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80. Материал пригоден для нанесения на поверхности различной геометрии, однако имеет недостаточную эффективность поглощения радиоволн.
Известен радиопоглощающий материал (патент США N6231794, 01.05.2001), включающий первый слой пористого эластичного материала, например полиуретана, покрытый вторым слоем пористого эластичного материала с распределенными в нем проводящими частицами, например частицами графитовой пудры или частицами углеродного материала, смешанными с металлическими частицами. Эластичный радиопоглощающий материал имеет толщину не более 2,5 мм, однако его механическая прочность оказывается недостаточно высокой, что сужает его область применения.
В патенте № 2228565 (РФ, 10.05.2004) описано радиопоглощающее покрытие, включающее основу из, по меньшей мере, одного слоя переплетенных арамидных высокомодульных нитей с нанесенной на нити вакуумным напылением пленкой из гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него ферромагнитными кластерами при следующем соотношении компонентов, мас.%: ферромагнитные кластеры 50-80; гидрогенизированный углерод - остальное. Данное радиопоглощающее покрытие представляет собой легкий материал (1,5 кг/м2), удовлетворяющий требованиям радиопоглощения до 8 дБ в диапазоне частот 6-40 ГГц. Материал стоек к внешним воздействиям. Технология его изготовления включает оборудование для напыления, является разработанной и экологически чистой. Его недостатком является ограничение рабочей частоты снизу (от 6 ГГц). Этот аналог наиболее близок к предлагаемому изобретению и выбран нами в качестве прототипа.
Задачей заявляемого изобретения является повышение уровня радиопоглощающих свойств в диапазоне 6-40 ГГц и расширение частотного диапазона работы покрытия в нижней части СВЧ диапазона - от 2 до 6 ГГц.
Поставленная задача решается тем, что на гибкую подложку из арамидной высокомодульной ткани (типа кевлар) с двух сторон нанесены пленки двух видов, одна из которых выполнена либо из напыленного феррита с вкрапленными в него наноразмерными кластерами 3d-металла (Ni, Co), либо из напыленного гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него наноразмерными кластерами 3d-металла. Радиопоглощающее покрытие представляет собой конструкцию из несколько тканевых слоев с напыленными пленками разных видов. При составлении конструкции слои чередуются таким образом, чтобы концентрация ферромагнитных кластеров в пленках соседних слоев была разной - в одном низкая (40-60 ат.%), во втором высокая (60-80 ат.%). В результате подобного составления конструкции образуется градиент по степени электромагнитного поглощения - от малого до оптимального. Пленки из гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него ферромагнитными кластерами и из феррита с вкрапленными в него ферромагнитными кластерами получают вакуумным напылением при следующем соотношении компонентов, ат.%:
| Ферромагнитные кластеры | 40-80 |
| Гидрогенизированный углерод или феррит | остальное |
Основа может быть выполнена в виде тканого полотна. В качестве арамидных высокомодульных нитей могут быть использованы, в частности, кевларовые нити, выполненные из крученых или прямых волокон.
Пленки из гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него ферромагнитными кластерами и напыленным ферритом с вкрапленными в него ферромагнитными кластерами могут быть выполнены толщиной 0,5-4 мкм.
Ферромагнитные кластеры, вкрапленные в пленку, могут иметь размер 0,05-2,0 мкм.
Кластеры могут быть выполнены из кобальта или никеля, а также из любых других известных ферромагнитных материалов, обладающих высокой степенью поглощения СВЧ-излучения.
Соотношение ферромагнитных кластеров и гидрогенизированного углерода или феррита определяется тем, что при содержании ферромагнитных кластеров менее 50 ат.% значительно ухудшается свойство покрытия поглощать электромагнитное излучение, а при содержании ферромагнитных кластеров более 80 ат.% вместо кластеров образуется сплошная пленка.
Радиопоглощающее покрытие получают способом, включающим вакуумное распыление графита или феррита и металла группы 3d-элементов (Ni, Co) в аргоно-водородной рабочей среде и осаждение продуктов распыления в виде пленки на кевларовую подложку.
Вакуумное распыление можно осуществлять любым известным способом, например, в виде лазерного распыления, в виде ионно-плазменного распыления, в частности в виде магнетронного распыления графитовой или ферритовой мишеней и мишени из 3d-элементов.
Было установлено, что заявляемое покрытие имеет большие значения ε', ε'', что можно объяснить образованием кластерных электронных состояний на ферромагнитных наночастицах. Высокие значения µ' определяются быстрой релаксацией спинов наночастиц, которая обусловлена спин-поляризационным механизмом. Эти факторы приводят к увеличению коэффициента поглощения электромагнитного излучения с ростом частоты.
Заявляемое радиопоглощающее покрытие, включая его элементы, иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 приведен вид одного слоя радиопоглощающего покрытия в поперечном сечении.
На фиг.2 показана фотография слоя покрытия толщиной 1,2 мкм на основе структуры гидрогенизированного углерода с наночастицами кобальта α-С:Н(Со), напыленного на кевлар (концентрация Со равна 60 at.%), при увеличении: (а) в 40 раз, (б) в 6000 раз.
На фиг.3 приведена зависимость чередования концентрации ферромагнитных нанокластеров в слоях. А - слой, примыкающий к защищаемому объекту; В - внешний слой.
На фиг.4 приведена зависимость поглощения электромагнитного излучения при его отражении от радиопоглощающего покрытия, основа которого выполнена из 6 слоев арамидной ткани, покрытой с двух сторон пленкой гидрогенизированного углерода с вкрапленными нанокластерами кобальта α-С:Н(Со) толщиной 1 мкм. Концентрация ферромагнитных нанокластеров в слоях чередуется от 40 до 80 ат.%. Размер покрытия 200×200 мм.
На фиг.5 приведена зависимость поглощения электромагнитного излучения при его отражении от радиопоглощающего покрытия, основа которого выполнена из 7, 8 и 10 слоев арамидной ткани, покрытой пленкой гидрогенизированного углерода с вкрапленными нанокластерами никеля α-C:H(Ni) толщиной 1 мкм. Концентрация ферромагнитных нанокластеров в слоях чередуется от 40 до 80 ат.%. №1 - 7 слоев, №9 - 8 слоев, №16 - 10 слоев. Размер покрытия 200×200 мм.
На фиг.6 приведена зависимость коэффициента поглощения электромагнитного излучения при его отражении от слоя феррита γ-Fе2О3 (9 об.%), с нанокластерами Ni (50 об.%) и остальное связка.
На фиг.7 приведена зависимость коэффициентов потерь электромагнитного излучения при отражении R и пропускании T для одного слоя толщиной 4,2 мкм на основе гидрогенизированного углерода с нанокластерами Со (60 ат.%).
На фиг.8 приведена зависимость поглощения электромагнитного излучения при его отражении от радиопоглощающего покрытия, основа которого выполнена из 6 слоев арамидной ткани, покрытой с двух сторон пленкой гидрогенизированного углерода с вкрапленными нанокластерами кобальта α-С:Н(Со) толщиной 1 мкм и трех слоев арамидной ткани, покрытой с двух сторон пленкой феррита γ-Fе2О3 (9 об.%) с нанокластерами Ni (50 об.%), остальное связка. Концентрация ферромагнитных кластеров в слоях чередуется от 40 до 80 ат.%. Размер покрытия 200×200 мм.
Радиопоглощающее покрытие включает основу из двух (см. фиг.1) или нескольких слоев 1 переплетенных арамидных высокомодульных нитей 2, на которые вакуумным напылением с двух сторон нанесены пленки 3 из гидрогенизированного углерода или феррита. В пленки 3 вкраплены ферромагнитные кластеры 4. Пленка 3 содержит ферромагнитные кластеры 4 в количестве 40-80 ат.%, остальную массу пленки 3 составляет гидрогенизированный углерод или феррит со связкой. Основа может быть выполнена в виде тканого полотна (см. фиг.2).
Для увеличения поглощения концентрации ферромагнитных металлов чередуются в соседних слоях от максимального до минимального (см. фиг.3). Данное чередование концентраций дает условия для дополнительного резонансного поглощения электромагнитного излучения.
Для увеличения поглощения в низкочастотном диапазоне (2-8 ГГц) используются слои феррита γ-Fе2О3 с наночастицами Ni (см. фиг.6).
На фиг.8 для заявляемого материала приведены экспериментальные данные о поглощении СВЧ-излучения заявляемым радиопоглощающим покрытием. Микроволновое поглощение исследовалось в диапазоне частот 2-40 ГГц на волноводных измерительных линиях для случая нормально падающего электромагнитного (ЭМ) излучения. Определялись действительные и мнимые части диэлектрической (ε', ε'') и магнитной (µ', µ'') проницаемостей и коэффициенты потерь ЭМ излучения при отражении R и пропускании Т, R(T)=-10 lg(WR(T)/W) [dB], где W, WR, WТ - мощности падающей, отраженной и прошедшей волн. Покрытие имеет большие значения ε'' (от 1000 до 10000) и µ''. При этом волновой импеданс Z=[(µ'+iµ')/(ε'+iε'')]1/2 близок к единице.
Примеры исполнения.
1. Радиопоглощающее покрытие было выполнено из 5 слоев арамидной ткани. В качестве нитей использовались кевларовые нити, прочность которых в несколько раз превышает прочность стальной проволоки той же массы и свойства которых не изменяются до температуры 280°С. Кевларовые нити выполнены из крученых и прямых волокон. Напыленная радиопоглощающая пленка имела толщину 1 мкм. Ферромагнитные кластеры (см. фиг.2) имели размер от 0,05 до 2,0 мкм и геометрическую форму, близкую к сферической. Исследование микроструктуры заявляемого радиопоглощающего покрытия производилось при помощи электронного микроскопа JSM 35.
Радиопоглощающее покрытие получено путем вакуумного распыления графита и Со в аргон-водородной рабочей среде и осаждения продуктов распыления в виде пленки с двух сторон на арамидную ткань. При этом упомянутое распыление проведено при следующем содержании аргона и водорода, ат.%:
| Аргон | 80 |
| Водород | 20 |
при давлении аргон-водородной рабочей среды 10 мТорр и плотности ионного тока 101 А/см2. Осаждение продуктов распыления на нити велось при скорости роста пленки 20 нм/мин. Чередование концентраций Со между слоями производилось от 40 до 80 ат.%.
В результате получено радиопоглощающее покрытие со следующими параметрами:
поглощение на частоте 2 ГГц - 7 дБ,
поглощение на частоте 10 ГГц - 12 дБ,
поглощение на частоте 15 ГГц - 8,5 дБ,
поглощение на частоте 40 ГГц - 15 дБ.
2. Радиопоглощающее покрытие было выполнено из 10 слоев арамидной ткани путем вакуумного распыления графита и Ni в аргон-водородной рабочей среде и осаждения продуктов распыления в виде пленки на переплетенные арамидные высокомодульные нити. При этом упомянутое распыление проведено при следующем содержании аргона и водорода, ат.%:
| Аргон | 90 |
| Водород | 10 |
при давлении аргон-водородной рабочей среды 15 мТорр и плотности ионного тока 3·101 А/см2. Осаждение продуктов распыления на нити велось при скорости роста пленки 30 нм/мин.
В результате получено радиопоглощающее покрытие со следующими параметрами:
поглощение на частоте 2 ГГц - 6 дБ,
поглощение на частоте 10 ГГц - 13 дБ,
поглощение на частоте 15 ГГц - 8,5 дБ,
поглощение на частоте 40 ГГц - 18,5 дБ.
3. Радиопоглощающее покрытие заявляемого материала было выполнено из 6 слоев арамидной ткани путем вакуумного распыления графита и Ni и 3 слоев арамидной ткани путем вакуумного распыления феррита γ-Fе2О3 и Ni в аргон-водородной рабочей среде и осаждения продуктов распыления в виде пленки на переплетенные арамидные высокомодульные нити. При этом упомянутое распыление проведено при следующем содержании аргона и водорода, ат.%:
| Аргон | 90 |
| Водород | 10 |
при давлении аргон-водородной рабочей среды 15 мТорр и плотности ионного тока 3·101 А/Ом2. Осаждение продуктов распыления на нити велось при скорости роста пленки 30 нм/мин.
В результате получено радиопоглощающее покрытие со следующими параметрами:
поглощение на частоте 2 ГГц - 8 дБ,
поглощение на частоте 4 ГГц - 8,9 дБ,
поглощение на частоте 8 ГГц - 8 дБ,
поглощение на частоте 9 ГГц - 10 дБ,
поглощение на частоте 10 ГГц - 10 дБ,
поглощение на частоте 15 ГГц - 15 дБ,
поглощение на частоте 40 ГГц - 11 дБ.
Технический результат при осуществлении предлагаемого изобретения заключается в расширении частотного диапазона и увеличении поглощения электромагнитного излучения поглощающего покрытия.
Электромагнитное поглощающее покрытие, содержащее два и более слоев арамидной высокомодульной ткани типа кевлар с нанесенной на нее поглощающей пленкой, отличающееся тем, что на арамидную ткань с двух сторон нанесена пленка, причем на один слой ткани пленка из напыленного феррита с вкрапленными в него наноразмерными кластерами металлов Ni и Со, а на другой слой ткани пленка из напыленного гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него наноразмерными кластерами металлов Ni и Со, при этом слои чередуются таким образом, чтобы концентрация ферромагнитных кластеров в пленках соседних слоев была разной - в одном низкая (40-60 ат.%), во втором высокая (60-80 ат.%).
