DE69828759T2

DE69828759T2 - Radarabsorbierendes Verbundmaterial und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE69828759T2
Application number: DE69828759T
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Escarmant
Original assignee: Giat Industries SA
Current assignee: Nexter Systems SA
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2018-12-01
Also published as: US6111534A; DE69828759D1; EP0924798A1; FR2772520B1; EP0924798B1; CA2254314A1; CA2254314C; ATE288139T1; FR2772520A1; ES2232924T3

Description

Das technische Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft strukturelle Verbundwerkstoffe, die Radarwellen absorbieren.
Es werden gegenwärtig auf dem militärischen Gebiet zahlreiche Bedrohungen eingesetzt, welche die Erfassung und/oder die Führung durch Radarwellen zum Einsatz bringen. Dies sind Bodenradars, die von einem Fahrzeug oder einem Infanteristen getragen werden, Luftradars an Hubschraubern, Flugkörper-Zielsuchköpfe, insbesondere mit Millimeterwellen, für so genannte intelligente Munitionen. Gegenüber dieser Art von Erfassung müssen der moderne Kampfpanzer und alle gepanzerten Aufklärungsfahrzeuge so unauffällig wie möglich gemacht werden.
Eine der ins Auge gefassten Lösungen, um die Möglichkeiten, einen Kampfpanzer zu erfassen, zu vermindern, besteht darin, Materialien zur Beschichtung oder zur Struktur von Kästen zu verwenden, die geeignet sind, die Reflektion der auftreffenden Radarwelle in bedeutender Weise zu dämpfen.
Eine Schwierigkeit besteht in der Konzeption eines Verbundwerkstoffes, der die Eigenschaften zur Radarabsorption in den Frequenzbändern aufweist, die gegenwärtig auf dem militärischen Gebiet verwendet werden und die zwischen 8–18 GHz, bei 35 GHz und bei 94 GHz liegen.
Es sind gegenwärtig keine Verbundwerkstoffe bekannt, die geeignet sind, eine derartige Leistung zu bieten.
Das Patent EP-0121655 beschreibt einen Verbundwerkstoff, der aus einem Stapel aus fünf vor-imprägnierten Gewebeschichten hergestellt wird. Von jeder dieser fünf Schichten ist gesagt, dass sie leitfähige Füllstoffe mit einer von einer Schicht zur anderen ansteigenden Konzentration besitzt, wobei die Füllstoffe Pulver von Eisen, Graphit, Kohle, Ferrite oder Keramiken sein können.
Der beschriebene Werkstoff verwendet somit einen Impedanzgradienten durch fortschreitende Erhöhung der leitfähigen Füllstoffe, um Eigenschaften zur Absorbierung der Radarwellen zu erzielen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen strukturellen Verbundwerkstoff bereitzustellen, der geeignet ist, die auftreffende Radarstrahlung zu absorbieren.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein struktureller Verbundwerkstoff, der geeignet ist, Radarwellen mit der Frequenz von 8 bis 18 GHz, 35 GHz und 94 GHz zu absorbieren, wobei dieser Werkstoff dadurch gekennzeichnet ist, dass er wenigstens drei Schichten aus dielektrischem, nicht magnetischem Material umfasst, die ausgehend von einem Stapel aus imprägnierten Lagen erzielt werden:

– eine schwach reflektierende Außenschicht mit geringen Verlusten, die eine tatsächliche Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 3 aufweist, um das Eindringen der auftreffenden Radarwellen zu begünstigen,
– eine Zwischenschicht mit einer tatsächlichen Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 5,
– und eine Innenschicht, die mit elektrisch leitfähigen Partikeln gefüllt ist und eine tatsächliche Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 15 bis 20 aufweist,

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die imprägnierten Lagen Fasern aus Glas oder Nylon^®, die mit Epoxydharz verbunden sind.
In allgemeiner Weise kann der Verbundwerkstoff eine Dicke in der Größenordnung von 4 bis 10 mm aufweisen.
Als Beispiel weist die Außenschicht eine Dicke in der Größenordnung von 1,5 bis 4 mm, die Zwischenschicht eine Dicke in der Größenordnung von 0,5 bis 2,5 mm und die Innenschicht eine Dicke in der Größenordnung von 1,5 bis 3,5 mm auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Verbundwerkstoff eine Gesamtdicke in der Größenordnung von 6,75 mm auf, wobei die Außen-, Zwischen- und Innenschicht die jeweiligen Dicken von 2,75 mm, 1,5 mm und 2,5 mm besitzen.
In allgemeiner Weise sind die elektrisch leitfähigen Partikel Kohle-Körnchen mit einem Durchmesser von kleiner als 0,1 mm mit einem Massenverhältnis von weniger als 10%.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Verwendung dieses Materials für die Herstellung von Wänden für gepanzerte Fahrzeuge, die mit einer mechanischen Widerstandsfähigkeit versehen sind, die einem Druck in der Größenordnung von 1 Tonne/cm² widersteht und eine Dämpfung bei der Reflektion der Radarwellen von größer als 10 dB bewirkt.
In einer Variante kann ein derartiger Verbundwerkstoff ebenfalls für die Herstellung von Geräte- oder Schutzkästen für gepanzerte Fahrzeuge verwendet werden.
Der Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung bietet den Vorteil, alle an den gepanzerten Fahrzeugen verwendeten Verbundwerkstoffe an den Stellen, wo ein Bedarf zur Verminderung der Radar-Reflektierbarkeit besteht, zu ersetzen. Zusätzlich zu den Leistungen der Radarabsorbierung besitzt er sämtliche Eigenschaften der mechanischen Widerstandfähigkeit der herkömmlichen Verbundwerkstoffe, die in gepanzerten Fahrzeugen eingesetzt werden.
Beispielsweise kann das Material gemäß der Erfindung insbesondere zum Herstellen von Serien-Bord-Behältern, des Doppeldaches und sämtlicher doppelter Verbundwände verwendet werden, die zur thermischen Isolierung und zum Beseitigen von Wärmeflüssen, zum Beispiel am hinteren Teil nahe des Auspuffs, vorgesehen sind.
Schließlich wird der Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung ohne Modifikation des derzeitigen Herstellungsverfahrens der bestehenden strukturellen Verbundwerkstoffe erzielt.
Andere Merkmale, Details und Vorteile der Erfindung erscheinen deutlicher bei der Lektüre der zugefügten, sich anschließenden Beschreibung von einer Ausführungsform der Erfindung, die in Bezug auf die Abbildungen als Beispiel angegeben ist, in welchen:
1 eine Schnittansicht ist, welche die Anordnung der Schichten des Verbundwerkstoffes gemäß der Erfindung zeigt, und
2 bis 4 Kurven sind, welche die Leistung zur Dämpfung der Radarwellen dieses Verbundwerkstoffes in den drei zuvor genannten Frequenzbändern darstellt.
Das Konzept der Erfindung beruht auf der Anpassung einer mehrschichtigen Struktur, die es durch das Spiel der inneren Resonanzen der verschiedenen Schichten ermöglicht, eine bedeutende Absorbierung über mehrere Frequenzbänder hinweg zu erzielen. Es wurde also gefunden, dass ein Werkstoff aus drei Schichten einen zufrieden stellenden Kompromiss bieten würde, um die Leistungen der Radarabsorbierung und die mechanischen Leistungen zu erzielen. Beispielsweise kann ein mit dem Werkstoff gemäß der Erfindung hergestellter Gerätekasten von einem Mann, der mit seinem Marschgepäck ausgerüstet ist, mit einer Masse in der Größenordnung von 100 kg, betreten werden, ohne Brüche oder permanente Verformungen zu bewirken, was eine Widerstandsfähigkeit gegen Druck in der Größenordnung von 1 Tonne/cm² darstellt.
In 1 ist der strukturelle Verbundwerkstoff 1 an einem Träger 2 befestigt, der von einer Wand eines gepanzerten Fahrzeuges (nicht dargestellt) gebildet wird.
Die äußere Schicht 3 wird aus einem dielektrischen, nicht magnetischen, die Radarwellen schwach reflektierenden Material mit geringem dielektrischen Verlust, das mit einer tatsächlichen Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 3 ausgestattet ist, gebildet. Diese Schicht muss das Eindringen der Radarwelle in die Struktur durch Anpassung der Impedanz begünstigen. Eine solche Schicht kann zum Beispiel aus Fasern aus Nylon^® und einem Epoxydharz gebildet werden.
Die Zwischenschicht 4 wird aus einem dielektrischen, nicht magnetischen Material, dessen dielektrische Verluste bedeutender sind als die der äußeren Schicht 3, mit einer tatsächlichen Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 5 gebildet.
Die innere Schicht 5 wird aus einem dielektrischen, nicht magnetischen Material gebildet, das mit Partikeln aus Kohle gefüllt ist, die eine bedeutende elektrische Leitfähigkeit besitzen und diesem Material eine Absorbierung der elektromagnetischen Wellen verleiht, die bedeutend größer ist, als die der zwei ersten Schichten. Die tatsächliche Dielektrizitätskonstante dieser Schicht ist bedeutend größer und liegt in der Größenordnung von 15 bis 20.
Es ist zu bemerken, dass keine dieser drei Schichten für sich selbst ausreichend absorbierend ist, um sich selbst und unabhängig davon, wie ihre Dicke auch ist, die erwünschten Leistungen zur Radarabsorbierung zu verleihen.
Der Werkstoff 1 wird auf herkömmliche Weise durch eine metallische Schicht 6 vervollständigt, die zum Beispiel aus einer Aluminiumfolie von einer Stärke in der Größenordnung von 0,1 mm Dicke gebildet wird.
Die Schichten 4 und 5 sind Verbundwerkstoffe, die auf Basis von Epoxydharz und Gewebe aus Glasfasern E hergestellt werden.
Es ist zu bemerken, dass das Verfahren zur Erzielung dieser drei Schichten absolut herkömmlich ist und keine Anpassung des Verfahrens zur Herstellung struktureller Vermundwerkstoffe notwendig macht.
Der Werkstoff 1 gemäß der Erfindung kann eine Dicke in der Größenordnung von 4 bis 10 mm, vorteilhafterweise von ungefähr 6,75 mm haben. Die äußere 3, Zwischen- 4, und innere 5 Schicht können jeweils eine Dicke in der Größenordnung von 1,5 bis 4 mm, 0,5 bis 2,5 mm und 1,5 bis 3,5 mm besitzen. vorteilhafterweise besitzen die drei Schichten jeweils Dicken von 2,75 mm, 1,5 mm und 2,5 mm.
In den 2 bis 4 ist die Veränderung des Reflektionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Frequenz graphisch dargestellt. Es wird festgestellt, dass für die drei Bänder 8 bis 18 GHz, 35 GHz und 94 GHz eine Dämpfung der Reflektion von mehr als 13 dB erzielt wird. Diese Dämpfungsleistung ist absolut ausreichend in dem abgezielten Verwendungsgebiet.

Claims

Struktureller Verbundwerkstoff (1), der geeignet ist, Radarwellen mit der Frequenz von 8 bis 18 GHz, 35 GHz und 94 GHz zu absorbieren, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens drei Schichten (3, 4, 5) aus dielektrischem, nicht magnetischem Material umfasst, die ausgehend von einem Stapel aus imprägnierten Lagen erzielt werden: – eine schwach reflektierende Außenschicht (3) mit geringen Verlusten, die eine tatsächliche Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 3 aufweist, um das Eindringen der auftreffenden Radarwellen zu begünstigen, – eine Zwischenschicht (4) mit einer tatsächlichen Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 5, und – eine Innenschicht (5), die mit elektrisch leitfähigen Partikeln gefüllt ist und eine tatsächliche Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 15 bis 20 aufweist, wobei diese drei Schichten zusammenwirken, um durch das Spiel der inneren Resonanzen der verschiedenen Schichten die Absorbierung der Radarwellen zu bewirken.
Struktureller Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die imprägnierten Lagen Fasern aus Glas oder Nylon^® sind, die mit Epoxydharz verbunden sind.
Struktureller Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Dicke in der Größenordnung von 4 bis 10 mm aufweist.
Struktureller Verbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (3) eine Dicke in der Größenordnung von 1,5 bis 4 mm, die Zwischenschicht (4) eine Dicke in der Größenordnung von 0,5 bis 2,5 mm und die Innenschicht (5) eine Dicke in der Größenordnung von 1,5 bis 3,5 mm aufweist.
Struktureller Verbundwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Gesamtdicke in der Größenordnung von 6,75 mm aufweist, wobei die Außen- (3), Zwischen- (4) und Innenschicht (5) die jeweiligen Dicken von 2,75 mm, 1,5 mm und 2,5 mm besitzen.
Struktureller Verbundwerkstoff nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Partikel Kohle-Körnchen mit einem Durchmesser von kleiner als 0,1 mm mit einem Massenverhältnis von weniger als 10% sind.
Verwendung des Verbundwerkstoffs nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche für die Herstellung von Wänden für gepanzerte Fahrzeuge, die mit einer mechanischen Widerstandsfähigkeit versehen sind, die einem Druck in der Größenordnung von 1 Tonne/cm² widersteht und eine Dämpfung bei der Reflektion der Radarwellen von größer als 10 dB bewirkt.
Verwendung nach Anspruch 7 für die Herstellung von Geräte- oder Schutzkästen für gepanzerte Fahrzeuge.