Двухслойная монолитная радиопрозрачная пластина
Владельцы патента RU 2363770:
Институт химии Коми научного центра Уральского отделения Российской Академии Наук (RU)
Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к радиопрозрачным в диапазоне сверхвысоких частот материалам, и может быть использовано для защиты антенн радиолокаторов от внешних воздействий. Двухслойная монолитная радиопрозрачная пластина содержит внутренний слой из стеклопластика и наружный слой из диэлектрика, обладающего повышенной прочностью. В качестве наружного диэлектрика пластина содержит корундовую керамику, легированную атомами переходных 3d-элементов, в частности хромом, титаном, железом. Легированная корундовая керамика может быть подвергнута воздействию пучка СВЧ-излучения с частотой, превышающей частоту окна радиопрозрачности, для создания в корундовом слое инверсной населенности уровней энергии. Повышается динамическая стойкость и радиопрозрачность наружного ударопрочного диэлектрического слоя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопрозрачным в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) материалам, и может быть использовано для защиты антенн радиолокаторов от внешних воздействий.
Известны монолитные полуволновые однослойные радиопрозрачные стенки, изготавливаемые из стеклопластиковых материалов [Гуртовник И.Г. и др. Радиопрозрачные изделия из стеклопластика. / Гуртовник И.Г., Соколов В.И., Трофимов Н.Н., Шалгунов С.Г. - М.: Мир, 2002. - с.22]. Для достижения необходимой стойкости от динамических воздействий (от ударной волны давления, от летящих с большой скоростью предметов, пуль, осколков и т.д.) необходимо изготавливать их большой толщины, что является их существенным недостатком. Такие радиопрозрачные материалы непригодны для защиты радиолокационного оборудования, работающего на частотах свыше 1 ГГц.
Известны радиопрозрачные материалы, в которых в монолитную однослойную стенку вводят компенсационные металлические решетки [Гуртовник И.Г. и др. Радиопрозрачные изделия из стеклопластика. / Гуртовник И.Г., Соколов В.И., Трофимов Н.Н., Шалгунов С.Г. - М.: Мир, 2002. - с.22], что позволяет расширить частотный диапазон радиопрозрачности, но при этом возникает зависимость коэффициента пропускания от частоты, что является недостатком указанных материалов.
Наиболее близкой, принятой за прототип, является радиопрозрачная двухслойная стенка, в которой стеклопластик с наружной стороны покрыт слоем диэлектрика, обладающего повышенной твердостью [Гуртовник И.Г. и др. Радиопрозрачные изделия из стеклопластика. / Гуртовник И.Г., Соколов В.И., Трофимов Н.Н., Шалгунов С.Г. - М.: Мир, 2002. - с.23]. Облицовочный материал в этом случае предназначен для диссипации доминирующей части энергии летящего предмета. Недостатком этих двухслойных радиопрозрачных стенок является то, что в наружном диэлектрическом покрытии имеются достаточно большие потери электромагнитной энергии. Вследствие этого используют относительно тонкие облицовочные слои, что не позволяет достигнуть максимальной динамической прочности радиопрозрачных экранов.
Задачей настоящего изобретения является повышение динамической стойкости и радиопрозрачности наружного ударопрочного диэлектрического слоя.
Предлагаемое изобретение позволит приготавливать двухслойные радипрозрачные стенки с более толстым наружным слоем, что значительно увеличит динамическую стойкость радиопрозрачных обтекателей антенн. В этом и состоит технический результат.
Технический результат достигается тем, что по первому варианту двухслойная монолитная радиопрозрачная пластина, содержащая внутренний слой из стеклопластика и наружный слой из диэлектрика, обладающего повышенной прочностью, согласно изобретению в качестве наружного диэлектрика она содержит корундовую керамику, легированную атомами переходных 3d-элементов. Кроме того, корундовая керамика в качестве переходных 3a-элементов легирована хромом, титаном, железом.
Технический результат достигается тем, что по второму варианту двухслойная монолитная радиопрозрачная пластина, содержащая внутренний слой из стеклопластика и наружный слой из диэлектрика, обладающего повышенной прочностью, согласно изобретению в качестве наружного диэлектрика она содержит корундовую керамику, легированную атомами переходных 3d - элементов, подвергнутую воздействию пучка СВЧ-излучения с частотой, превышающей частоту окна радиопрозрачности, для создания в корундовом слое инверсной населенности уровней энергии. Кроме того, корундовая керамика в качестве переходных 3d-элементов легирована хромом, титаном, железом.
Радиопрозрачная пластина содержит внутренний слой, сформированный из радиопрозрачного стеклопластика - и наружный - из диэлектрической керамики. Формирование композиционной пластины производится с использованием традиционных технологий - керамической и полимеризационной. Заготовка керамического слоя формуется методами шликерного литья или прессования пресс-порошка и затем обжигается для получения высокопрочной керамики. Стеклопластиковая пластина формируется из нескольких слоев стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. После полимеризации эпоксидного наполнителя к стеклопластиковой пластине приклеивают под давлением керамическую пластину. Благодаря использованию эпоксидного клея получается монолитная композиционная стенка.
Способ по первому варианту осуществляется следующим образом.
Изготовление образцов корундовой керамики осуществлялось по традиционной керамической технологии [Сборник тезисов II Всероссийской конференции по наноматериалам. IV Международный семинар «Наноструктурные материалы - 2007 Беларусь-Россия». - Новосибирск. - 2007. / Секушин Н.А., Голдин Б.А., Мизев Е.И., Морохин М.И. Синтез, структура и СВЧ спектры твердых растворов (Al,Cr,Fe)2O3. - с.311]. Были исследованы три типа образцов, химический состав которых представлен в таблице 1. Формовку образцов проводили прессованием в стальных пресс-формах при давлении 500 атм. Полученные заготовки обжигали на воздухе при температуре 1450°С в течение 1 часа. Выход на рабочую температуру производили со скоростью 100°С/ч, с такой же скоростью проводили и охлаждение образцов после обжига.
| Таблица 1 | |||||||
| Химические составы исследованных образцов | |||||||
| Образец | Al2O3 | SiO2 | TiO2 | Cr2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO |
| 1 | 91.76 | 4.43 | 2.55 | 0.191 | 1.07 | следы | - |
| 2 | 87.34 | 5.54 | 4.39 | 0.4 | 2.33 | следы | - |
| 3 | 95.1 | 1.03 | 0.14 | - | 0.253 | 2.017 | 1.14 |
Рентгено - фазовый анализ показал, что преобладающим структурным типом является твердый раствор (Al,Cr,Fe)2O3 со структурой корунда. Обнаружено незначительное количество силлиманита Al2SiO5 Выявлены также следы псевдобрукита FeTiO3, (перовскитовый структурный тип).
Пример 1. Для изучения СВЧ свойств керамики нами был использован измеритель коэффициента стоячей волны панорамный Р2-60, с помощью которого проводились измерения в трех диапазонах частот: 1) 8-12 ГГц; 2) 12-18 ГГц; 3) 17-26 ГГц. Керамические образцы выпиливали с поперечным сечением, равным внутреннему размеру волновода, соответственно, 10×23 мм; 8×16 мм; 5,5×11 мм. Затем образцы устанавливали в волновод и производили измерения коэффициента стоячей волны, из которого определяли коэффициенты отражения Kотр и пропускания Kпр. На фиг.1 приведены спектры отражения трех образцов, представленных в таблице 1, в частотном диапазоне 12-18 ГГц. На фиг.2 приведены спектры отражения трех образцов, представленных в таблице 1, в частотном диапазоне 17-26 ГГц. Буквами отмечены пики поглощения (минимальный коэффициент отражения).
Таким образом, рассматриваемые материалы в СВЧ-спектрах поглощения имеют тонкую структуру, что можно объяснить наличием уровней сверхтонкого расщепления.
Особый практический интерес представляют полосы максимальной радиопрозрачности, положение которых для трех образцов приведено в таблице 2.
Обнаруженные окна пропускания в рассматриваемых керамических материалах могут быть объяснены наличием энергетических уровней сверхтонкого расщепления, образующихся за счет легирования корунда атомами Cr, Ti, Fe.
Таким образом, исследованные материалы могли бы быть использованы для механической защиты СВЧ оборудования в тех случаях, когда работа последних осуществляется в узком частотном диапазоне.
| Таблица 2 | ||||
| Положение полос пропускания и величины коэффициентов отражения и пропускания | ||||
| Образец | № полосы | Положение, ГТц | Kотр (%) | Kпр (%) |
| 1 | 1 | 10,7±0,2 | 4,7±0,1 | 92±1 |
| 2 | 14,1±0,2 | 10,0±0,4 | 87±1 | |
| 3 | 20,0±0,2 | 11,0±0,4 | 86±1 | |
| 2 | 1 | 10,6±0,2 | 6,0±0,4 | 91±1 |
| 2 | 14,5±0,2 | 6,0±0,3 | 91±1 | |
| 3 | 19,5±0,2 | 14,5±0,5 | 83±1 | |
| 3 | 1 | 17,0±0,2 | 7,0±0,3 | 90±1 |
| 2 | 22,0±0,2 | 7,5±0,3 | 90±1 |
Второй способ повышения радиопрозрачности осуществляется путем создания инверсной населенности в системе уровней сверхтонкого расщепления, обнаруженных в корундовой керамике, легированной металлами 3d группы Cr, Ti, Fe. С этой целью слой корундовой керамики облучают электромагнитной волной от отдельного источника СВЧ-излучения, частота которого соответствует энергии перехода ядер примесных атомов между наинизшим и наивысшим уровнями энергии. В этом случае в конструкции антенны (фиг.3) устанавливаются два излучателя: 4 - основной, осуществляющий с помощью отражателя 1 передачу и прием радиоимпульсов, и 5 - вспомогательный, осуществляющий накачку энергии в защитный экран 2. Электромагнитная энергия в излучатели поступает по волноводам 3.
В этом случае между некоторыми уровнями энергии возникает инверсная населенность [Прохоров A.M. Квантовая электроника, «УФН», 1965, т.85, в.4, с.599]. При пропускании электромагнитной волны через упрочняющий слой керамики с энергией, соответствующей энергетическому промежутку между уровнями с инверсной населенностью, происходит усиление сигнала, т.е. достигается коэффициент пропускания более 1. В этом случае можно изготовить более толстый облицовочный керамический слой, что значительно повысит ударопрочность радиопрозрачного экрана.
1. Двухслойная монолитная радиопрозрачная пластина, содержащая внутренний слой из стеклопластика и наружный слой из диэлектрика, обладающего повышенной прочностью, отличающаяся тем, что в качестве наружного диэлектрика она содержит корундовую керамику, легированную атомами переходных 3d-элементов.
2. Двухслойная монолитная радиопрозрачная пластина по п.1, отличающаяся тем, что корундовая керамика в качестве переходных 3d-элементов легирована хромом, титаном, железом.
3. Двухслойная монолитная радиопрозрачная пластина, содержащая внутренний слой из стеклопластика и наружный слой из диэлектрика, обладающего повышенной прочностью, отличающаяся тем, что в качестве наружного диэлектрика она содержит корундовую керамику, легированную атомами переходных 3d-элементов, подвергнутую воздействию пучка СВЧ-излучения с частотой, превышающей частоту окна радиопрозрачности, для создания в корундовом слое инверсной населенности уровней энергии.
4. Двухслойная монолитная радиопрозрачная пластина по п.3, отличающаяся тем, что корундовая керамика в качестве переходных 3d-элементов легирована хромом, титаном, железом.
