EA025723B1

EA025723B1 - Радиопоглощающий композиционный материал

Info

Publication number: EA025723B1
Application number: EA201400016A
Authority: EA
Inventors: Камиль Абдикеримович Молдосанов
Original assignee: Кыргызско-Российский Славянский Университет
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2017-01-30
Also published as: EA201400016A1

Abstract

Радиопоглощающий композиционный материал предназначен для поглощения электромагнитного излучения в объектах наземной, авиационной, космической и морской техники для снижения их радиолокационной заметности, а также для поглощения электромагнитного излучения в экранирующих устройствах, в поглощающих облицовках и корпусах, в безэховых измерительных камерах и в средствах защиты населения от неионизирующих излучений. Техническая задача изобретения - расширение функциональных возможностей радиопоглощающего композиционного материала при повышении эффективности поглощения радиоволнового излучения и расширении полосы поглощаемых частот в диапазоне радиоволнового излучения. Поставленная техническая задача решается за счёт того, что в радиопоглощающем композиционном материале, содержащем тонкодисперсный поглотитель электромагнитного излучения и радиопрозрачное связующее, тонкодисперсный поглотитель электромагнитного излучения выполнен из наночастиц алюминия или его сплавов с пассивирующей окисной плёнкой на поверхности, причём содержание тонкодисперсного поглотителя электромагнитного излучения в радиопоглощающем композиционном материале составляет 30-70 об.%, остальное - радиопрозрачное связующее, при этом диаметр неокисленной части (ядра) наночастицы определяется по формулегде D - диаметр неокисленной части (ядра) наночастицы (нм); E- энергия вибрационной моды, доминирующей в распределении плотности состояний вибрационных мод по энергии в алюминии (мэВ). В качестве алюминиевого сплава используют сплав алюминия с примесью марганца. В качестве алюминиевого сплава используют сплав алюминия с

Description

Изобретение относится к материалам для поглощения электромагнитных волн и изготовления радиопоглощающих покрытий, предназначенных для поглощения электромагнитного излучения в авиационной, космической, наземной и морской технике для снижения их радиолокационной заметности, а также для поглощения электромагнитного излучения в экранирующих устройствах, в поглощающих облицовках и корпусах, в безэховых измерительных камерах и в средствах защиты населения от неионизирующих излучений.

Известен радиопоглощающий материал (патент РФ № 2355081, Н01ф 17/00, опубл. в 2009 г.), содержащий в своём составе микрогранулы, материал матрицы которых является прозрачным для излучения радиоволнового диапазона, дополнительно содержит вещества, поглощающие электрическую и магнитную составляющие радиоволнового излучения в составе микрогранул, при этом каждый вид микрогранул содержит только одно вещество, выбранное из группы, содержащей феррит, медь, фуллерен С₇₀, равномерно распределённое во всём объёме материала матрицы в форме нанокластеров.

Недостатком известного радиопоглощающего материала является повышенный удельный вес из-за большого удельного веса феррита и меди. Кроме того, стоимость такого радиопоглощающего материала повышена из-за высокой стоимости феррита, меди и фуллерена С₇₀. Также, недостатком является высокое значение нижней границы рабочего диапазона частот (0,5 ГГц), что сужает диапазон применения известного радиопоглощающего материала.

За прототип выбран композиционный материал для поглощения электромагнитных волн (патент РФ № 2375395, С09И 5/32, Н01ф 17/00, опубл. в 2009 г.), содержащий полимерное диэлектрическое связующее, представляющее собой полиорганосилоксановый олигомер с добавкой катализатора, и магнитодиэлектрический тонкодисперсный наполнитель, выполненный из сплава железо-алюминий при соотношении (87,5-88,5):(12,5-11,5) вес.% соответственно, при следующем соотношении исходных компонентов в композиционном материале, вес.%: полиорганосилоксановый олигомер - 33,5-40,0; катализатор 1,5-2,0; магнитодиэлектрический тонкодисперсный наполнитель - 65-58.

Недостатками композиционного материала для поглощения электромагнитных волн являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные высоким удельным весом, так как тонкодисперсный наполнитель выполнен из сплава с высоким содержанием железа, а также высокое значение нижней границы рабочего диапазона частот (~1 ГГц), что сужает область применения композиционного материала, так как не обеспечивает защиту объектов в широком диапазоне радиоволнового излучения.

Техническая задача изобретения - расширение функциональных возможностей радиопоглощающего композиционного материала при повышении эффективности поглощения радиоволнового излучения и расширении полосы поглощаемых частот в диапазоне радиоволнового излучения.

Поставленная техническая задача решается за счёт того, что в радиопоглощающем композиционном материале, содержащем тонкодисперсный поглотитель электромагнитного излучения и радиопрозрачное связующее, тонкодисперсный поглотитель электромагнитного излучения выполнен из наночастиц алюминия или его сплавов с пассивирующей окисной плёнкой на поверхности, причём содержание тонкодисперсного поглотителя электромагнитного излучения в радиопоглощающем композиционном материале составляет 30-70 об.%, остальное - радиопрозрачное связующее, при этом диаметр неокисленной части (ядра) наночастицы определяется по формуле

11,04-£„^|/3, (1) где И - диаметр неокисленной части (ядра) наночастицы (нм);

Е_вм - энергия вибрационной моды, доминирующей в распределении плотности состояний вибрационных мод по энергии в алюминии (мэВ).

В качестве алюминиевого сплава используют сплав алюминия с примесью марганца.

В качестве алюминиевого сплава используют сплав алюминия с примесью хрома.

В качестве алюминиевого сплава используют сплав алюминия с примесью ванадия.

Выполнение тонкодисперсного поглотителя электромагнитного излучения из наночастиц алюминия или алюминиевого сплава с пассивирующей окисной плёнкой на поверхности позволяет уменьшить удельный вес радиопоглощающего композиционного материала, так как алюминий и его сплавы обладают низким удельным весом («2,7 г/см³) - в 2,9 раза меньше удельного веса железа («7,9 г/см³). Пассивирующая окисная плёнка на поверхности наночастиц алюминия или его сплавов образуется при получении наночастиц в среде, содержащей кислород (например, при магнетронном распылении катодамишени из алюминия или его сплавов в среде аргона и кислорода), или при контакте с воздухом, и используется для изоляции наночастиц друг от друга.

Выполнение наночастиц из алюминия или его сплавов с диаметром ядра, определяемым по формуле (1), позволяет:

(а) повысить эффективность поглощения квантов радиоволнового излучения за счёт того, что процесс поглощения происходит при участии вибрационных мод, которые количественно доминируют в распределении плотности состояний вибрационных мод по энергии в алюминии и поэтому обеспечивают более интенсивное поглощение квантов радиоволнового излучения;

(б) значительно расширить диапазон частот поглощаемого радиоволнового излучения за счёт того,

- 1 025723 что поглощение кванта радиоволновой энергии Εν происходит при равенстве суммы энергий (Е_вм + Εν) величине зазора ΔΕ между энергетическим уровнем фермиевского электрона и ближайшим к нему энергетическим уровнем с более высокой энергией; причём в диапазоне частот радиоволнового излучения от 10 МГц до 400 ГГц выполняется неравенство Εν <<Е_вм, т.е. ΔΕ «Е_вм, и благодаря неопределённости в импульсе фермиевского электрона, для любой величины Εν найдётся вибрационная мода с энергией Е_вм, обеспечивающей выполнение равенства (Е_вм + Εν) = ΔΕ и поглощение кванта РЧ-излучения.

Диаметр Ό ядра наночастицы алюминия зависит от величины зазора ΔΕ = (Е_вм + Εν) следующим образом: Ό«1<·ΔΕ^- , где к = 3 -а-(Е_Р/3) - постоянная величина, равная для алюминия 11,04 нм-мэВ (а = 0,405 нм - параметр решётки алюминия; Е_Р = 11,7 эВ - энергия Ферми алюминия).

При частотах 10 МГц-400 ГГц, в силу Εν<<Е_вм, ΔΕ = (Е_вм + Εν) и Е_вм, и диаметр ядра наночастицы алюминия Ό (нм), в которой численно доминирует вибрационная мода с энергией Е_вм (мэВ), определяется по формуле Ό« 11,04 /Е_вм ^-1/3.

В наночастице алюминия, в распределении плотности состояний вибрационных мод по энергии, количественно доминируют моды с энергиями Е_вм в полосе и 13-38 мэВ. Соответственно, диаметры неокисленных наночастиц алюминия, отвечающие этим модам и обеспечивающие максимальную интенсивность поглощения радиоволнового излучения, составляют «2,6-3,7 нм. Вследствие окисления наночастиц алюминия на воздухе, они покрываются пассивирующей плёнкой окисла толщиной «3-5 нм, поэтому внешний диаметр наночастиц алюминия с пассивирующей плёнкой окисла равен 8,6-13,7 нм, т.е. «914 нм.

Дополнительно повысить эффективность (интенсивность) поглощения позволяет применение в качестве алюминиевых сплавов - сплавов алюминия с примесями ванадия, марганца и хрома. Благодаря локально повышенной плотности состояний электронов вблизи атомов ванадия, марганца и хрома, частота актов поглощения квантов радиоволнового излучения с участием вибрационных мод и возбуждением фермиевских электронов с последующим их рассеянием с возбуждением вибрационной моды большей энергии - возрастёт. В результате, эффективность поглощения наночастицей радиоволнового излучения будет выше, что снизит отражательную способность радиопоглощающего композиционного материала.

За минимальное содержание тонкодисперсного поглотителя электромагнитного излучения в радиопоглощающем композиционном материале принята величина в 30 об.%. Меньшее содержание тонкодисперсного поглотителя может ухудшить поглощательные качества радиопоглощающего композиционного материала. За максимальное содержание тонкодисперсного поглотителя электромагнитного излучения в радиопоглощающем композиционном материале принята величина в 70 об.%.

Содержание тонкодисперсного поглотителя, превышающее 70 об.%, может ухудшить прочностные качества радиопоглощающего композиционного материала (теоретически возможное максимальное содержание тонкодисперсного поглотителя электромагнитного излучения в радиопоглощающем композиционном материале равно 74 об.%, оно относится к предельному случаю гексагональной плотнейшей упаковки наночастиц).

Радиопоглощающий композиционный материал иллюстрируется чертежом (фиг. 1), где изображён общий вид материала в разрезе. Радиопоглощающий композиционный материал состоит из радиопрозрачного связующего 1 и наночастиц алюминия или алюминиевого сплава 2, покрытых пассивирующей плёнкой окисла алюминия 3. Размер неокисленной части наночастиц (ядра) определяется по формуле (1).

Радиопоглощающий композиционный материал работает следующим образом. Квант радиоволнового излучения с энергией Εν проходит сквозь радиопрозрачное связующее 1 и при совместном воздействии на электрон наночастицы 2 электрического поля вибрационной моды с энергией Евм, существующей в наночастице 2, возбуждает в наночастице 2 электрон, переводя его с уровня Ε' на уровень Ε' + Εν + Евм. Далее возбуждённый электрон рассеивается на границе наночастицы и возбуждает в ней вибрационную моду с энергией Εν + Е_вм > Е_вм. В результате, наночастица 2 получает энергию Εν и преобразует её в теплоту, т.е. отражения кванта радиоволнового излучения не происходит, и отражательная способность радиопоглощающего композиционного материала снижается. В наночастице из алюминиевого сплава с пиком плотности состояний электронов в окрестности уровня Ферми, интенсивности поглощения квантов радиоволнового излучения наночастицей 2 и диссипации их энергии будут повышенными, а отражательная способность радиопоглощающего композиционного материала с такими наночастицами - пониженной.

Радиопоглощающий композиционный материал может быть выполнен в виде аэрозольной краски на основе известного пропеллента.

Использование предлагаемого радиопоглощающего композиционного материала обеспечит эффективное поглощение радиоволнового излучения в широком диапазоне радиоволнового диапазона. Кроме того, может быть использован в различных вариантах радиопоглощающего покрытия с высоким коэффициентом поглощения при нанесении радиопоглощающего композиционного материала: непосредственно на защищаемый объект, на основание из радиопрозрачной ткани с одной или двух сторон, на основание из нескольких слоёв радиопрозрачной ткани - с одной или обеих сторон каждого слоя ткани;

- 2 025723 причём радиопрозрачная ткань может быть выполнена из арамидного волокна или стекловолокна. Также в качестве материала основания возможно применение нерадиопрозрачной ткани, например, из углеродного волокна - в этом случае используется только один слой ткани, причём радиопоглощающий композиционный материал наносится лишь на одну сторону - обращённую к источнику радиоволнового излучения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Радиопоглощающий композиционный материал, содержащий радиопрозрачное связующее и тонкодисперсный поглотитель электромагнитного излучения, отличающийся тем, что тонкодисперсный поглотитель электромагнитного излучения выполнен из наночастиц алюминия или алюминиевого сплава с пассивирующей окисной плёнкой на поверхности, причем содержание тонкодисперсного поглотителя электромагнитного излучения в радиопоглощающем композиционном материале 30-70 об.%, остальное радиопрозрачное связующее, при этом диаметр неокисленной части наночастицы определяется по формуле где Ό - диаметр неокисленной части наночастицы (нм);

Е_вм - энергия вибрационной моды, доминирующей в распределении плотности состояний вибрационных мод по энергии в указанном материале наночастиц (мэВ).
2. Радиопоглощающий композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве алюминиевого сплава используют сплав алюминия с примесью марганца.
3. Радиопоглощающий композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве алюминиевого сплава используют сплав алюминия с примесью хрома.
4. Радиопоглощающий композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве алюминиевого сплава используют сплав алюминия с примесью ванадия.