RU2798742C1

RU2798742C1 - Absorbing material

Info

Publication number: RU2798742C1
Application number: RU2022129454A
Authority: RU
Inventors: Денис Владимирович Терин; Денис Олегович Кочнев; Сергей Петрович Романчук; Ольга Юрьевна Кондратьева; Антон Андреевич Манцуров; Елизавета Вадимовна Кондратьева
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2023-06-26

Abstract

FIELD: camouflage materials.

SUBSTANCE: multifunctional coatings based on “porous black silicon” on flexible substrates, absorbing, isolating and reflecting electromagnetic radiation in the spectrum of the near infrared wavelengths, and can be used for camouflage, as multi-purpose absorbing screens in the wavelength range 2.5 - 15.5 µm. In an absorbent material containing a flexible substrate with a layer of nanoporous silicon deposited on it on one side, absorbing infrared radiation and a thermally stabilizing layer on the other side, according to the solution, the layer of nanoporous silicon additionally contains silver nanoparticles in the pore space, and the thermally stabilizing layer is a layer macroporous silicon with iron oxide nanoparticles in the pore space.

EFFECT: expanding the frequency range and increasing the absorption of electromagnetic radiation by the absorbing coating.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к многофункциональным покрытиям на основе «porous black silicon» на гибких подложках, поглощающим, изолирующим и отражающим электромагнитное излучение в спектре ближнего инфракрасного диапазона длин волн, и может быть использовано для средств маскировки, в качестве поглощающих экранов многоцелевого назначения (включая информационную безопасность) в диапазоне длин волн 2,5 - 15,5 мкм (120 - 12 ТГц; 0,62-0,08 эВ; 500-4000 см^-1).The invention relates to multifunctional coatings based on "porous black silicon" on flexible substrates, absorbing, isolating and reflecting electromagnetic radiation in the near infrared wavelength range, and can be used for camouflage, as absorbing screens for multi-purpose (including information security) in the wavelength range of 2.5 - 15.5 μm (120 - 12 THz; 0.62-0.08 eV; 500-4000 cm ^-1 ).

Известно электромагнитное поглощающее покрытие, которое содержит основу, состоящую из арамидной высокомодульной ткани типа кевлар с нанесенной на нее поглощающей пленкой. На каждую основу нанесены пленки разных видов. Один вид выполнен из напыленного феррита с вкрапленными в него наноразмерными кластерами металлов Ni и Со, а второй выполнен из напыленного гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него наноразмерными кластерами металлов Ni и Со. Пленки напылены на арамидную ткань с двух сторон. При составлении конструкции слои чередуются таким образом, чтобы концентрация ферромагнитных кластеров в пленках соседних слоев была разной - в одном низкая (40-60 ат.%), во втором высокая (60-80 ат.%). Полученное покрытие обеспечивает повышение уровня радиопоглощающих свойств в диапазоне 6-40 ГГц и расширение частотного диапазона работы покрытия в нижней части СВЧ диапазона - от 2 до 6 ГГц (см. патент на изобретение RU 2363714, МПК C09D 5/32). Аналог имеет следующие недостатки: средняя поглощающая способность, - сложность технологии получения ввиду многокомпонентного состава и, как следствие, неконтролируемый состав; ограниченный размер покрытия 200×200 мм.An electromagnetic absorbing coating is known, which contains a base consisting of a high-modulus aramid fabric of the Kevlar type with an absorbing film deposited on it. Films of different types are applied to each base. One type is made of sprayed ferrite with nanosized clusters of Ni and Co metals embedded in it, and the second is made of sprayed hydrogenated carbon with nanosized clusters of Ni and Co metals embedded in it. Films are sputtered onto aramid fabric on both sides. When compiling the structure, the layers alternate in such a way that the concentration of ferromagnetic clusters in the films of neighboring layers is different - in one it is low (40-60 at.%), in the second it is high (60-80 at.%). The resulting coating provides an increase in the level of radio absorbing properties in the range of 6-40 GHz and an extension of the frequency range of the coating in the lower part of the microwave range - from 2 to 6 GHz (see patent for invention RU 2363714, IPC C09D 5/32). The analogue has the following disadvantages: average absorbing capacity, the complexity of the production technology due to the multicomponent composition and, as a result, uncontrolled composition; limited coverage size 200×200 mm.

Однако данное покрытие обладает низкой поглощающей способностью в ИК диапазоне, изобретение основано на сложной технологии получения ввиду многокомпонентного состава и, как следствие, неконтролируемого состава.However, this coating has a low absorption capacity in the IR range, the invention is based on a complex production technology due to the multicomponent composition and, as a result, an uncontrolled composition.

Известен также поглощающий термостабилизирующий материал на основе манганитов редкоземельных элементов и термостабилизирующее покрытие на его основе (см. патент на изобретение RU 2404128, МПК C01G 45/12). Используют манганиты, обладающие фазовым переходом зависимости излучательной способности от температуры, с общей формулой А(1-х)BxMnO3, где А - редкоземельный элемент, В - замещающий элемент, х в диапазоне 0,1÷0,3. Выбирают соединения соответствующих элементов, подбирают их концентрации для создания требуемого состава, перемешивают, прогревают до образования твердого раствора, который размалывают. К полученному материалу добавляют связующее вещество с растворителем в необходимой пропорции. Полученную смесь перемешивают до создания однородной массы и наносят на покрываемую поверхность тонким слоем.Also known is an absorbing heat-stabilizing material based on manganites of rare earth elements and a heat-stabilizing coating based on it (see patent for invention RU 2404128, IPC C01G 45/12). Manganites are used, which have a phase transition of the dependence of emissivity on temperature, with the general formula A(1-x)BxMnO3, where A is a rare earth element, B is a substitute element, x in the range of 0.1÷0.3. Compounds of the corresponding elements are selected, their concentrations are selected to create the required composition, mixed, heated until a solid solution is formed, which is ground. A binder with a solvent is added to the obtained material in the required proportion. The resulting mixture is stirred until a homogeneous mass is created and applied to the surface to be coated with a thin layer.

Недостатком является то, что этот материал не является самостоятельным покрытием, а выполняет функцию термостабилизации только при смешивании с краской; он является многокомпонентным, включает как минимум шесть компонентов (три типа оксидов + два органических соединения + водоростворимые смолы); термостабилизирующими свойствами обладает не весь материал покрытия, а только его часть (соединение на основе двух типов оксидов), что снижает эффективность стабилизации.The disadvantage is that this material is not an independent coating, but performs the function of thermal stabilization only when mixed with paint; it is multicomponent, includes at least six components (three types of oxides + two organic compounds + water-soluble resins); not all of the coating material has thermal stabilizing properties, but only a part of it (a compound based on two types of oxides), which reduces the effectiveness of stabilization.

Известно радиопоглощающее покрытие, обеспечивающее электромагнитную совместимость электронных модулей и базовых несущих конструкций наземной и морской радиоэлектронной аппаратуры в СВЧ диапазоне. Радиопоглощающее покрытие представляет собой градиентную структуру из наноструктурированных пленок, включающую от 2 до 10 слоев, одним из слоев которой является частотно-селективная структура (ЧСС), состоящая из пленки аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d-металла (a-C:H(Ni)), нанесенной в форме квадратов размером 10-50 мм с расстоянием между квадратами 10-50 мм на гибкую подложку. Слои соединены между собой по клеевой технологии материалом с низкой диэлектрической проницаемостью. Наноструктурированные пленки на основе аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d-металла (a-C:H(Ni)) получены методом ионно-плазменного магнетронного напыления. Радиопоглощающее покрытие является механически и термически стойким и обеспечивает повышение эффективности защиты от электромагнитного излучения в диапазоне частот 0,5-37,5 ГГц (см. патент на полезную модель RU 161081, МПК H01Q 17/00). Known radar-absorbing coating that provides electromagnetic compatibility of electronic modules and basic supporting structures of ground and marine electronic equipment in the microwave range. The radio-absorbing coating is a gradient structure of nanostructured films, including from 2 to 10 layers, one of the layers of which is a frequency-selective structure (FSS), consisting of a film of amorphous hydrogenated carbon with 3d-metal nanoparticles (a-C:H(Ni)), applied in the form of squares 10-50 mm in size with a distance between squares of 10-50 mm on a flexible substrate. The layers are interconnected by adhesive technology with a material with a low dielectric constant. Nanostructured films based on amorphous hydrogenated carbon with 3d-metal nanoparticles (a-C:H(Ni)) were obtained by ion-plasma magnetron sputtering. The radio-absorbing coating is mechanically and thermally resistant and provides an increase in the effectiveness of protection against electromagnetic radiation in the frequency range of 0.5-37.5 GHz (see utility model patent RU 161081, IPC H01Q 17/00).

Недостатком такого покрытия является то, что его светоотражательная способность существенно изменяется при контакте с водой, сложность изготовления и высокая стоимость покрытия.The disadvantage of this coating is that its light reflectivity changes significantly upon contact with water, the complexity of manufacturing and the high cost of the coating.

Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство для маскировки объекта от инфракрасного устройства обнаружения. Устройство включает в себя материал, поглощающий инфракрасное излучение. Материал включает слой материала, поглощающего инфракрасное излучение, в том числе множество кремниевых нанопроволок. Гибкая подложка имеет первую поверхность, функционально соединенную с внутренней поверхностью слоя. Подложка включает устройство рассеивания тепла, выделяемого маской во время работы. Матрица инфракрасных излучателей функционально соединена со второй поверхностью подложки. Матрица инфракрасных излучателей выборочно излучает инфракрасный рисунок, чтобы замаскировать объект для инфракрасного устройства обнаружения (см. патент на изобретение US9777998, МПК F41H 003/00).Closest to the proposed solution is a device for masking an object from an infrared detection device. The device includes a material that absorbs infrared radiation. The material includes a layer of infrared absorbing material, including a plurality of silicon nanowires. The flexible substrate has a first surface operably connected to the inner surface of the layer. The substrate includes a device for dissipating heat generated by the mask during operation. The array of infrared emitters is operatively connected to the second surface of the substrate. An infrared emitter array selectively emits an infrared pattern to mask an object to an infrared detection device (see US9777998, IPC F41H 003/00).

Недостатком является сложность отвода тепла.The disadvantage is the difficulty of heat dissipation.

Общий недостаток вышеописанных твердых материалов заключается в сложности изготовления из них термостабилизирующего покрытия.A common disadvantage of the solid materials described above lies in the difficulty of fabricating a heat-stabilizing coating from them.

Проблемой, на решение которой направлено изобретение, является защита объектов от электромагнитного излучения и поглощение собственного теплового излучения объекта с целью маскировки объекта в ИК диапазоне. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства с низким отражением и пропусканием и высоким поглощением в ИК области спектра.The problem to be solved by the invention is the protection of objects from electromagnetic radiation and the absorption of the object's own thermal radiation in order to mask the object in the IR range. The problem to be solved by the claimed invention is the creation of a device with low reflection and transmission and high absorption in the IR region of the spectrum.

Технический результат при осуществлении предлагаемого изобретения заключается в расширении частотного диапазона и увеличении поглощения электромагнитного излучения, поглощающем покрытием.The technical result in the implementation of the invention is to expand the frequency range and increase the absorption of electromagnetic radiation by the absorbing coating.

В поглощающем материале, содержащем гибкую подложку, с нанесенным на нее с одной стороны слоем из нанопористого кремния, поглощающим инфракрасное излучение и термостабилизирующим слоем с другой стороны, согласно решению, слой нанопористого кремния дополнительно содержит наночастицы серебра в поровом пространстве, а термостабилизирующий слой представляет собой слой макропористого кремния с наночастицами оксида железа в поровом пространстве.In an absorbent material containing a flexible substrate with a layer of nanoporous silicon deposited on it on one side, absorbing infrared radiation and a thermally stabilizing layer on the other side, according to the solution, the layer of nanoporous silicon additionally contains silver nanoparticles in the pore space, and the thermally stabilizing layer is a layer macroporous silicon with iron oxide nanoparticles in the pore space.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 - представлена структура предлагаемого материала, на фиг. 2 - металл-диэлектрические наноструктуры, на фиг. 3 - отражение от поглощающего материала с наночастицами серебра (AgNPs) и нанопористого кремния (SiNP) и наночастицами оксида железа (Fe₃O₄NPs) и нанопористого кремния (SiNP).The invention is illustrated by drawings: Fig. 1 shows the structure of the proposed material, Fig. 2 - metal-dielectric nanostructures, in Fig. 3 - reflection from an absorbing material with silver nanoparticles (AgNPs) and nanoporous silicon (SiNP) and iron oxide nanoparticles (Fe ₃ O ₄ NPs) and nanoporous silicon (SiNP).

Позициями на чертеже обозначены:The positions in the drawing indicate:

1 - гибкая подложка;1 - flexible substrate;

2 - металл-диэлектрические наноструктуры;2 - metal-dielectric nanostructures;

3 - частицы серебра;3 - particles of silver;

4 - частицы оксида железа;4 - particles of iron oxide;

5 - нанопористый кремний;5 - nanoporous silicon;

6 - поровое пространство.6 - pore space.

Поглощающий материал содержит гибкую подложку 1, которая может быть выполнена, например, из полиамида толщиной до 120 мкм.The absorbent material contains a flexible substrate 1, which can be made, for example, of polyamide with a thickness of up to 120 μm.

С одной стороны на поверхность подложки 1 нанесена металл-диэлектрическая наноструктура 2, представляющая собой слой нанопористого кремния (SiNP) с наночастицами серебра (AgNPs) в поровом пространстве. С другой стороны на поверхность подложки 1 нанесена металл-диэлектрическая наноструктура 2, состоящая из макропористого кремния (SiNP) с наночастицами оксида железа (Fe₃O₄NPs) в поровом пространстве.On the one hand, a metal-dielectric nanostructure 2 is deposited on the surface of the substrate 1, which is a layer of nanoporous silicon (SiNP) with silver nanoparticles (AgNPs) in the pore space. On the other hand, a metal-dielectric nanostructure 2 is deposited on the surface of the substrate 1, consisting of macroporous silicon (SiNP) with iron oxide nanoparticles (Fe ₃ O ₄ NPs) in the pore space.

Пористый кремний нанесен на гибкую полиамидную подложку методом магнетронного распыления, толщина слоя кремния порядка 12 мкм. Пористый кремний получен методом водного неэлектролитического дотравливания в присутствии ионов серебра. После окончания процесса травления с одной стороны наночастицы серебра (диаметром до 200 нм) остаются у основания кремниевых нанопроволок (столбов, диаметром до 30 мкм, высотой до 9 мкм), с другой стороны наночастицы серебра вытравливаются и поровое пространство насыщается частицам оксида железа.Porous silicon is deposited on a flexible polyamide substrate by magnetron sputtering, the thickness of the silicon layer is about 12 μm. Porous silicon was obtained by aqueous non-electrolytic re-etching in the presence of silver ions. After the end of the etching process, on the one hand, silver nanoparticles (up to 200 nm in diameter) remain at the base of silicon nanowires (pillars, up to 30 µm in diameter, up to 9 µm high), on the other hand, silver nanoparticles are etched and the pore space is saturated with iron oxide particles.

Предлагаемое изобретение обладает оптимально малым отражением (~ 20 - 5 %) и пропусканием (~ 5 - 20%) электромагнитного излучения в энергетическом диапазоне ~ 0,05 - 0,7 эВ (Фиг. 3).The proposed invention has optimally low reflection (~ 20 - 5%) and transmission (~ 5 - 20%) of electromagnetic radiation in the energy range ~ 0.05 - 0.7 eV (Fig. 3).

Claims

An absorbent material containing a flexible substrate with a layer of nanoporous silicon that absorbs infrared radiation deposited on it on one side and a thermally stabilizing layer on the other side, characterized in that the layer of nanoporous silicon additionally contains silver nanoparticles in the pore space, and the thermally stabilizing layer is macroporous silicon layer with iron oxide nanoparticles in the pore space.