Композиционный радиопоглощающий конструкционный материал

Изобретение относится к области создания конструкционных радиопоглощающих материалов, которые используются для изготовления корпусных конструкций объектов техники двойного назначения. Композиционный радиопоглощающий конструкционный материал представляет собой единую монолитную композицию, состоящую из двухпакетного соединения - внешнего радиопоглощающего пакета, состоящего из многослойного композиционного синтетического тканевого наполнителя и клеевого связующего, и пакета из композиционного синтетического тканевого наполнителя и клеевого связующего, принимающего основную силовую прочностную нагрузку. Радиопоглощающий пакет получен путем внедрения в типовую композицию, состоящую из проклеенных слоев синтетического тканевого материала, пленок гидрогенизированного аморфного углерода с наночастицами 3d-металлов. Техническим результатом изобретения является создание композиционного радиопоглощающего конструкционного материала с низким коэффициентом отражения электромагнитного излучения в широком диапазоне частот с высокими прочностными, технологическими и эксплуатационными свойствами. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к области создания конструкционных радиопоглощающих материалов, которые используются для изготовления корпусных конструкций объектов техники двойного назначения.

Известны конструкционные композиционные материалы (композиции) типа КМКС 2М.120.Т10.37, КМКС 2М.120.Т15.37, обладающие хорошими механическими и прочностными свойствами. Данные композиции представляют собой проклеенные слои стеклотканевого материала (например, марок Т-10, Т-15 и т.п.), обработанные под стандартизованным давлением и температурой для получения монолитной конструкции. Недостатком таких конструкционных материалов является то, что они не являются радиопоглощающими и не обладают уровнем поглощения электромагнитного излучения (ЭМИз), необходимым для технических изделий как гражданского, так и двойного назначения.

Известны аналоги материалов, обладающие свойствами поглощения ЭМИз, в том числе:

Известен поглотитель электромагнитных волн (ЭМВ) (патент US 5561428, кл. H01Q 17/00), включающий в себя полимерное связующее и наполнитель, который выполнен в виде ориентированных произвольным образом нитей, образующих трехмерную пористую структуру, при этом на часть нитей нанесен проводящий слой. К недостаткам этого поглотителя нужно отнести сложность нанесения проводящего слоя на нити и формирования из нитей равномерной трехмерной нитевой структуры наполнителя, данный поглощающий материал не является конструкционным.

Известен материал, описанный в патенте (RU 2367069, опубл. 10.09.2009). Конструкционный материал для поглощения электромагнитного излучения в широком диапазоне рабочих длин волн выполнен в виде собранных в плоский пакет внешнего конструкционного слоя, электропроводящего слоя, согласующего диэлектрического слоя и металлического экрана. Электропроводящий слой помещен между конструкционным и согласующим диэлектрическим слоем, а с другой стороны согласующего слоя помещен металлический экран. К недостаткам материала можно отнести низкие значения коэффициента отражения ЭМИз (минус 7 дБ), а также конструкцию, включающую большое количество слоев разнородных материалов, что может ограничивать прочностные характеристики материала, а также затрудняет получение единой монолитной конструкции в едином технологическом процессе.

В качестве прототипа выбран материал, описанный в патенте (RU 2456722, опубл. 20.07.2012). Предложенный конструкционный радиопоглощающий материал содержит последовательно расположенные внешний конструкционный слой, диэлектрический слой и металлический экран, при этом диэлектрический слой представляет собой градиентную структуру, выполненную из листов стеклопластика, содержащего поглощающий наполнитель в виде науглероженного волокна. Содержание поглощающего наполнителя в каждом пакете составляет не более 1% по объему. Диэлектрический слой включает по крайней мере два пакета из конструкционных монослоев стеклопластика с различным содержанием поглощающего наполнителя.

К недостаткам прототипа следует отнести последовательность укладки слоев, в которых внешним слоем, первым принимающим электромагнитное излучение, является конструкционный слой, а не радиопоглощающий. При выбранной последовательности укладки слоев снижается эффективность радиопоглощения, что приводит к увеличению количества листов диэлектрического слоя (в примере 53 листа) и соответственно к увеличению толщины, массы и стоимости материала. Также следует отметить, что использование науглероженного волокна в столь малых концентрациях (до 0,3% в примере) может привести к неоднородным свойствам поглощения ЭМИз по площади материала.

Кроме того, к недостаткам прототипа следует отнести и ограничения по его применению на транспортных средствах, таких как летательные аппараты, морской и автомобильный транспорт, где присутствуют высокие требования к малому весу конструкции.

Предлагаемый композиционный радиопоглощающий конструкционный материал лишен указанных недостатков и позволяет создавать на основе отработанных стандартных технологических процессов получения композиционных материалов сложные конструкции в различных областях техники, где необходимо иметь, кроме требуемого уровня поглощения электромагнитного излучения, высокие прочностные характеристики конструкции, в результате чего снижается вес, толщина материала и стоимость технологического процесса создания поглотителя электромагнитных волн, интегрированного внутрь конструкции изделия.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание композиционного радиопоглощающего конструкционного материала с низким коэффициентом отражения электромагнитного излучения в широком диапазоне частот с высокими прочностными, технологическими и эксплуатационными свойствами.

Указанный технический результат достигается путем создания монолитного двухпакетного соединения - внешнего радиопоглощающего пакета и пакета, принимающего основную силовую нагрузку. Для обеспечения эффективного поглощения ЭМИз радиопоглощающий пакет в двухпакетном соединении первым принимает на себя электромагнитные волны.

Внешний радиопоглощающий пакет обладает свойствами поглощения электромагнитного излучения за счет внедрения в типовую композицию, состоящую из проклеенных слоев синтетического тканевого материала (например, стеклоткани марок Т-10, Т-15, арамидные ткани и др.), в определенной последовательности тонкопленочных микроструктур, каждый микрослой которой является гидрогенезированной пленкой углерода с магнитными кластерами из наночастиц 3d-металлов, которые образуют наноструктурированную пленку.

При этом происходит чередование необработанных слоев тканевого наполнителя со слоями тканевого наполнителя с нанесенными наноструктурированными пленками, заканчивающееся наличием токопроводящего слоя. При этом параметры слоев тканевого наполнителя с нанесенными наноструктурированными пленками удовлетворяют известному соотношению:

В результате одновременного спекания последовательных слоев тканевого наполнителя получено двухпакетное соединение - внешнего радиопоглощающего пакета тканевого наполнителя фиксированной толщины, поглощающего ЭМИз и несущего частичную прочностную нагрузку, и пакета тканевого наполнителя, принимающего основную силовую прочностную нагрузку, при этом двухпакетное соединение после спекания по стандартной технологии представляет собой единую монолитную композицию. Применение двухпакетного монолитного соединения позволяет изменять прочностные свойства материала за счет перехода в пакете на другие типы тканевых композиций (например, арамидные ткани), применяемых в промышленности без изменения существующего технологического процесса.

Измерения коэффициента отражения проводились на образцах композиционного радиопоглощающего конструкционного материала размером 250×250 мм и общей толщиной δ=3,5…3,8 мм в соответствии с методикой «Измерение модуля коэффициента отражения квазиплоской электромагнитной волны от плоских листовых образцов радиопоглощающих материалов, аттестат №32/0152-2008».

Согласно данной методике измерение коэффициента отражения образца РПМ проводится двумя рупорными антеннами в бистатическом режиме, при этом обе антенны направлены в сторону плоской металлической пластины размером 250×250 мм, которая находится симметрично между антеннами и выступает эталоном отражения, а также держателем испытуемых образцов.

При измерениях образец располагается в дальней зоне антенн, расстояние до которых определяется выражением:

где R - расстояние до дальней зоны;

D - размер апертуры антенны;

λ - длина волны, соответствующая верхней границе частотного диапазона.

Прочностные характеристики были получены в результате испытаний монолитных образцов материала на испытательной системе MTS 810.250kN, обеспечивающей приложение необходимой нагрузки с заданной скоростью нагружения и регистрацию данных с погрешностью менее 1% в соответствии с ГОСТ:

- растяжение по ГОСТ 25.601-80;

- сжатие по ГОСТ 25.602-80;

- изгиб по ГОСТ 25.604-80.

На фиг. 1 приведена частотная зависимость коэффициента отражения ЭМИз от образца композиционного радиопоглощающего конструкционного материала, приведенного в примере 3, в двух взаимно перпендикулярных поляризациях.

Примеры реализации предлагаемого изобретения

Пример №1

Композиционный радиопоглощающий конструкционный материал, состоящий из двухпакетного соединения из 15 слоев стеклоткани марки Т-10, при этом пакет, принимающий основную силовую нагрузку, состоит из 13 слоев стеклоткани, а внешний радиопоглощающий пакет состоит из 2 слоев стеклоткани с нанесенными пленками аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами Ni. Результаты измерения коэффициента отражения приведены в таблице 1. Как видно из таблицы 1, конструкционный материал с нанесенными наноструктурированными пленками аморфного гидрогенизированного углерода обладает незначительными радиопоглощающими свойствами и сохраняет прочностные характеристики.

Пример №2

Композиционный радиопоглощающий конструкционный материал, состоящий из двухпакетного соединения из 15 слоев стеклоткани марки Т-10, при этом пакет, принимающий основную силовую нагрузку, состоит из 9 слоев стеклоткани, а внешний радиопоглощающий пакет состоит из 6 слоев стеклоткани с нанесенными пленками аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами Ni. Результаты измерения коэффициента отражения приведены в таблице 1. Как видно из таблицы 1, полученный материал обладает высокими радиопоглощающими и прочностными характеристиками.

В настоящее время созданы опытные образцы заявляемого композиционного радиопоглощающего конструкционного материала, проведены исследования их физических характеристик, в том числе электромагнитных параметров и диапазона частот.

1. Композиционный радиопоглощающий конструкционный материал, выполненный в виде единой монолитной композиции из двухпакетного соединения - внешнего радиопоглощающего многослойного композиционного пакета, состоящего из слоев синтетического тканевого наполнителя с нанесенными пленочными микрослоями гидрогенизированного углерода с магнитными кластерами из наночастиц 3d-металлов и клеевого связующего, и прочностного композиционного пакета, принимающего основную силовую нагрузку, состоящего из синтетического тканевого наполнителя и клеевого связующего.

2. Композиционный радиопоглощающий конструкционный материал по п. 1, отличающийся тем, что укладка слоев тканевого наполнителя внешнего радиопоглощающего многослойного композиционного пакета с нанесенными наноструктурированными пленками определяется соотношением:

N_Σ=Σ(n_исх+n_плен)_i+С₁,

где

N_Σ - общее количество слоев тканевого наполнителя в радиопоглощающем пакете;

n_исх - исходный слой тканевого наполнителя;

n_плен - слой тканевого наполнителя с нанесенной наноструктурированной пленкой;

i - кратность повторения композиции;

C₁ - токопроводящий слой.

3. Композиционный радиопоглощающий конструкционный материал по п. 1, отличающийся тем, что единая монолитная композиция материала приобретает конструкционные свойства при одновременном спекании внешнего радиопоглощающего пакета и прочностного пакета под стандартизованной температурой и давлением.