EP0924798B1 - Matériau composite structural absorbant les ondes radar et utilisation d'un tel matériau - Google Patents

Matériau composite structural absorbant les ondes radar et utilisation d'un tel matériau Download PDF

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EP0924798B1 EP98402984A EP98402984A EP0924798B1 EP 0924798 B1 EP0924798 B1 EP 0924798B1 EP 98402984 A EP98402984 A EP 98402984A EP 98402984 A EP98402984 A EP 98402984A EP 0924798 B1 EP0924798 B1 EP 0924798B1
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    • H01Q17/008—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems with a particular shape

Definitions

  • the technical sector of the present invention is that of structural composite materials absorbing radar waves.
  • One of the possible solutions to reduce the opportunities to detect a battle tank consists of use overlay materials or structure chests capable of significantly reducing reflection of the incident radar wave.
  • a difficulty lies in the design of a composite material with radar absorption properties in the frequency bands currently used on the battlefield and which are located at 8-18 GHz, at 35 GHz and at 94 GHz.
  • EP 0 121 655 discloses a composite material made by stacking five layers of fabric prepreg. Each of the five layers is described as having conductive charges with a concentration increasing from one layer to another, the loads being iron powder, graphite, carbon, ferrites or ceramics.
  • the described material therefore uses a gradient impedance, by progressive increase of charges conductors, in order to obtain absorption properties radar waves.
  • the object of the present invention is to provide a structural composite material capable of absorbing the incident radar radiation.
  • the impregnated folds are fiberglass or Nylon® associated with epoxy resins.
  • the composite material can have a thickness of the order of 4 to 10 mm.
  • the outer layer has a thickness of the order of 1.5 to 4 mm, the intermediate layer a thickness of the order of 0.5 to 2.5 mm and the layer internal a thickness of the order of 1.5 to 3.5 mm.
  • the material composite has a total thickness of about 6.75 mm, the outer, intermediate and inner layers having the respective thicknesses of 2.75 mm, 1.5 mm and 2.5 mm.
  • particles electrically conductive are carbon grains having a diameter of less than 0,1 mm with a proportion less than 10% by weight.
  • the invention also relates to a use of this material for the manufacture of walls for armored vehicles having a mechanical resistance resistant to a pressure of the order of 1 ton / cm 2 and providing attenuation in reflection of the radar waves greater than 10 dB.
  • such a composite material can be also used for making chests of bondage or protection for armored vehicles.
  • the composite material according to the invention the advantage of replacing all the composites used on armored vehicles where a need for reduction of radar reflectivity is necessary. More radar absorption performance it has all the mechanical strength characteristics of composites used on armored vehicles.
  • the material according to the invention can be used especially to make batch chests of edge, double-roof and all double walls composites for thermal insulation and the evacuation of heat flows, for example at the back near the exhaust.
  • the composite material according to the invention is obtained without modification of the current manufacturing process existing structural composites.
  • the concept of the invention is based on the adaptation of a multilayer structure allowing the internal resonances of the different layers to obtain a significant absorption over several frequency bands. It has therefore been found that a three-layer material offers a satisfactory compromise for achieving radar absorption performance and mechanical performance.
  • a service chest made with the material according to the invention can be trampled by a man with his package, a mass of the order of 100 kg, without inducing breaks or permanent deformation, which represents a resistance to a pressure of the order of 1 tonne per cm 2 .
  • the structural composite material 1 is applied on a support 2 constituted by the wall of a armored vehicle (not shown).
  • the outer layer 3 consists of a material non-magnetic dielectric weakly reflective waves radar, low dielectric loss and endowed with a real dielectric permittivity of the order of 3. This layer must promote the penetration of the radar the impedance matching structure.
  • a layer may consist of Nylon® fibers and a epoxy resin, for example.
  • the intermediate layer 4 consists of a non-magnetic dielectric material whose losses dielectrics are more important than those in the diaper external 3, with a real dielectric permittivity of the order of 5.
  • the inner layer 5 is made of a material non-magnetic dielectric charged with carbon particles having a high electrical conductivity, and conferring to this material an absorption of electromagnetic waves more important than those of the first two layers.
  • the real dielectric permittivity of this layer is more important, of the order of 15 to 20.
  • the material 1 is completed in a known manner by a metal layer 6 constituted by an aluminum film of the order of 0.1 mm thick, for example.
  • Layers 4 and 5 are composites manufactured in base of epoxy resin and fiberglass fabric E.
  • the material 1 according to the invention can have a thickness of the order of 4 to 10 mm, advantageously 6.75 mm approximately.
  • the outer layers 3, intermediate 4 and internal 5 can respectively have a thickness of in the order of 1.5 to 4 mm, 0.5 to 2.5 mm and 1.5 to 3.5 mm.
  • these three layers have thicknesses 2.75 mm, 1.5 mm and 2.5 mm respectively.
  • FIGS. 2 to 4 there is shown graphically the variation of the reflection coefficient in frequency function. It can be seen that for the three band 8 to 18 GHz, 35 GHz and 94 GHz, we obtain a reflection attenuation greater than 13 dB. This mitigation performance is quite satisfactory in the intended area of use.

Landscapes

  • Laminated Bodies (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Description

Le secteur technique de la présente invention est celui des matériaux composites structuraux absorbant les ondes radar.
On utilise actuellement sur le champ de bataille de nombreuses menaces mettant en oeuvre la détection et/ou le guidage par ondes radar. Ce sont les radars de terrain portés par un véhicule ou par un fantassin, les radars aéroportés sur hélicoptères, les auto-directeurs de missiles notamment à ondes millimétriques pour munitions dites intelligentes. Vis-à-vis de ce type de détection, le char de bataille moderne et tous les véhicules blindés de reconnaissance doivent être rendus les plus discrets possible.
Une des solutions envisageables pour réduire les possibilités de détecter un char de bataille consiste à utiliser des matériaux de recouvrement ou de structure de coffres aptes à atténuer de manière importante la réflexion de l'onde radar incidente.
Une difficulté réside dans la conception d'un matériau composite ayant des propriétés d'absorption radar dans les bandes de fréquences utilisées actuellement sur le champ de bataille et qui sont situées à 8-18 GHz, à 35 GHz et à 94 GHz.
On ne connaít pas actuellement des matériaux composites aptes à offrir une telle performance.
Le brevet EP 0 121 655 décrit un matériau composite réalisé par un empilement de cinq couches de tissus préimprégné. Chacune des cinq couches est décrite comme ayant des charges conductrices avec une concentration croissante d'une couche à l'autre, les charges pouvant être de la poudre de fer, de graphite, de carbone, de ferrites ou de céramiques.
Le matériau décrit utilise donc un gradient d'impédance, par augmentation progressive des charges conductrices, afin d'obtenir des propriétés d'absorption des ondes radar.
Le but de la présente invention est de fournir un matériau composite structural apte à absorber le rayonnement radar incident.
L'invention a donc pour objet un matériau composite structural apte à absorber les ondes radar de fréquences 8 à 18 GHz, 35 GHz et 94 GHz, ce matériau étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois couches de matériaux diélectriques non magnétiques obtenues à partir d'un empilement de plis imprégnés :
  • une couche externe faiblement réflectrice et à faibles pertes ayant une permittivité diélectrique réelle de l'ordre 3, pour favoriser la pénétration des ondes radar incidentes,
  • une couche intermédiaire ayant une permittivité diélectrique réelle de l'ordre de 5,
  • et une couche interne chargée de particules électriquement conductrices et ayant une permittivité diélectrique réelle de l'ordre de 15 à 20, ces trois couches coopérant afin de provoquer, par le jeu des résonances internes des différentes couches, l'absorption des dites ondes radar.
Selon un exemple de réalisation, les plis imprégnés sont des fibres de verre ou de Nylon® associées à des résines époxy.
D'une manière générale, le matériau composite peut présenter une épaisseur de l'ordre de 4 à 10 mm.
A titre d'exemple, la couche externe présente une épaisseur de l'ordre de 1,5 à 4 mm, la couche intermédiaire une épaisseur de l'ordre de 0,5 à 2,5 mm et la couche interne une épaisseur de l'ordre de 1,5 à 3,5 mm.
Selon un autre exemple de réalisation, le matériau composite présente une épaisseur totale de l'ordre de 6,75 mm, les couches externe, intermédiaire et interne ayant les épaisseurs respectives de 2,75 mm, 1,5 mm et 2,5 mm.
D'une manière générale, les particules électriquement conductrices sont des grains de carbone ayant un diamètre inférieur à 0,1 mm avec une proportion inférieure à 10% en masse.
L'invention concerne également une utilisation de ce matériau pour la fabrication de parois pour véhicules blindés dotées d'une résistance mécanique résistant à une pression de l'ordre de 1 tonne/cm2 et procurant une atténuation en réflexion des ondes radar supérieure à 10 dB.
En variante, un tel matériau composite peut être également utilisé pour la réalisation de coffres de servitude ou de protection pour des véhicules blindés.
Le matériau composite selon l'invention offre l'avantage de remplacer tous les composites utilisés sur les véhicules blindés aux endroits où un besoin de réduction de la réflectivité radar est nécessaire. En plus des performances d'absorption radar, il possède toutes les caractéristiques de tenue mécanique des composites habituels mis en oeuvre sur les véhicules blindés.
Ainsi, le matériau selon l'invention peut être utilisé notamment pour fabriquer des coffres de lot de bord, le double-toit et toutes les doubles parois composites destinées à l'isolation thermique et à l'évacuation des flux de chaleur, par exemple à l'arrière près de l'échappement.
Enfin, le matériau composite selon l'invention est obtenu sans modification du procédé de fabrication actuel des composites structuraux existants.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture du complément de description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple en relation avec des dessins sur lesquels :
  • la figure 1 est une vue en coupe montrant la disposition des couches du matériau composite selon l'invention, et
  • les figures 2 à 4 sont dès courbes illustrant la performance d'atténuation des ondes radar de ce matériau composite dans les trois bandes de fréquences précitées.
Le concept de l'invention repose sur l'adaptation d'une structure multicouche permettant par le jeu des résonances internes des différentes couches d'obtenir une absorption importante sur plusieurs bandes de fréquences. On a donc trouvé qu'un matériau à trois couches offrait un compromis satisfaisant pour obtenir les performances d'absorption radar et les performances mécaniques. Ainsi, un coffre de servitude fabriqué avec le matériau selon l'invention peut être piétiné par un homme équipe de son paquetage, d'une masse de l'ordre de 100 kg, sans induire des cassures ou une déformation permanente, ce qui représente une résistance à une pression de l'ordre de 1 tonne par cm2.
Sur la figure 1, le matériau composite structural 1 est appliqué sur un support 2 constitué par la paroi d'un véhicule blindé (non représenté).
La couche externe 3 est constituée par un matériau diélectrique non magnétique faiblement réflecteur des ondes radar, à faible perte diélectrique et doué d'une permittivité diélectrique réelle de l'ordre de 3. Cette couche doit favoriser la pénétration de l'onde radar dans la structure par adaptation d'impédance. Une telle couche peut être constituée par des fibres de Nylon® et d'une résine époxy, par exemple.
La couche intermédiaire 4 est constituée par un matériau diélectrique non magnétique dont les pertes diélectriques sont plus importantes que celles de la couche externe 3, avec une permittivité diélectrique réelle de l'ordre de 5.
La couche interne 5 est constituée par un matériau diélectrique non magnétique chargé de particules de carbone ayant une conductivité électrique importante, et conférant à ce matériau une absorption des ondes électromagnétiques plus importante que celles des deux premières couches. La permittivité diélectrique réelle de cette couche est plus importante, de l'ordre de 15 à 20.
Il est à noter qu'aucune de ces trois couches en elle-même n'est suffisamment absorbante pour donner à elle-seule et quelle que soit son épaisseur les performances d'absorption radar recherchées.
Le matériau 1 est complété de manière connue par une couche métallique 6 constituée par un film d'aluminium de l'ordre de 0,1 mm d'épaisseur, par exemple.
Les couches 4 et 5 sont des composites fabriqués à base de résine époxy et de tissu de fibres de verre E.
Il faut noter que le procédé d'obtention de ces trois couches est tout à fait classique et ne nécessite aucune adaptation du procédé classique de fabrication des matériaux composites structuraux.
Le matériau 1 selon l'invention peut avoir une épaisseur de l'ordre de 4 à 10 mm, avantageusement 6,75 mm environ. Les couches externe 3, intermédiaire 4 et interne 5 peuvent avoir respectivement une épaisseur de l'ordre de 1,5 à 4 mm, 0,5 à 2,5 mm et 1,5 à 3,5 mm. Avantageusement, ces trois couches ont des épaisseurs respectives de 2,75 mm, 1,5 mm et 2,5 mm.
Sur les figures 2 à 4, on a représenté graphiquement la variation du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence. On constate que pour les trois bandes 8 à 18 GHz, 35 GHz et 94 GHz, on obtient une atténuation en réflexion supérieure à 13 dB. Cette performance d'atténuation est tout à fait satisfaisante dans le domaine d'utilisation visé.

Claims (8)

  1. Matériau composite structural (1) apte à absorber des ondes radar de fréquences 8 à 18 GHz, 35 GHz et 94 GHz, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois couches (3,4,5) de matériaux diélectriques non magnétiques obtenues à partir d'un empilement de plis imprégnés :
    une couche externe (3) faiblement réflectrice et à faibles pertes ayant une permittivité diélectrique réelle de l'ordre de 3, pour favoriser la pénétration des ondes radar incidentes,
    une couche intermédiaire (4) ayant une permittivité diélectrique réelle de l'ordre de 5, et
    une couche interne (5) chargée de particules électriquement conductrices et ayant une permittivité diélectrique réelle de l'ordre de 15 à 20, ces trois couches coopérant afin de provoquer, par le jeu des résonances internes des différentes couches, l'absorption des dites ondes radar.
  2. Matériau composite structural selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plis imprégnés sont des fibres de verre ou de Nylon® qui sont associées à des résines époxy.
  3. Matériau composite structural selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il présente une épaisseur de l'ordre de 4 à 10 mm.
  4. Matériau composite structural selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche externe (3) présente une épaisseur de l'ordre de 1,5 à 4 mm, la couche intermédiaire (4) une épaisseur de l'ordre de 0,5 à 2,5 mm, et la couche interne (5) une épaisseur de l'ordre de 1,5 à 3,5 mm.
  5. Matériau composite structural selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il présente une épaisseur de l'ordre de 6,75 mm, les couches externe (3), intermédiaire (4) et interne (5) ayant des épaisseurs respectives de 2,75 mm, 1,5 mm et 2,5 mm.
  6. Matériau composite structural selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules électriquement conductrices sont des grains de carbone, ayant un diamètre inférieur à 0,1 mm, avec une proportion inférieure à 10 % en masse.
  7. Utilisation du matériau composite tel que défini par l'une quelconque des revendications précédentes à la fabrication de parois pour véhicules blindés, dotées d'une résistance mécanique résistant à une pression de l'ordre de 1 tonne/cm2 et procurant une atténuation en réflexion des ondes radar supérieure à 10 dB.
  8. Utilisation selon la revendication 7 pour la réalisation de coffres de servitude ou de protection pour des véhicules blindés.
EP98402984A 1997-12-11 1998-11-30 Matériau composite structural absorbant les ondes radar et utilisation d'un tel matériau Expired - Lifetime EP0924798B1 (fr)

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