Конструкционный радиопоглощающий материал трехслойной структуры с согласующим слоем

В соответствии со стратегическими направлениями развития материалов и технологии их переработки на ближайшие 20 лет [1] большое внимание в работах института будет уделено композиционным и функциональным материалам [2] и их применению в авиа- и ракетостроении. В последнее время наблюдается тенденция к замене металлических материалов узлов и панелей изделий на конструкционные композиционные диэлектрические материалы. Особую роль в качестве основы таких материалов играют стеклопластики. В работе [3] подчеркнуто их преимущество по сравнению с новыми композиционными материалами (например, на углеродной основе) – возможность многофункциональности использования и регулировки физико-механических и диэлектрических характеристик в широких пределах. В работах [4–6] продемонстрирована их стойкость к эксплуатационным факторам.

Помимо высоких прочностных характеристик стеклопластики обладают (в отличие от углепластиков) хорошими изоляционными свойствами (удельное сопротивление составляет ~10¹⁶ Ом·м) и сравнительно невысокой диэлектрической проницаемостью (относительная диэлектрическая проницаемость стеклопластиков, как правило, не более 5). Это дает широкие возможности применения стеклопластиков в качестве основы конструкционных радиопрозрачных и конструкционных радиопоглощающих материалов (КРПМ) [7]. КРПМ необходимы для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры. Радиопоглощающие свойства обычно достигаются введением в стеклопластик высокоомного микропровода или углеродсодержащих наполнителей [8], в том числе углеродных наночастиц [9]. В КРПМ радиопоглощающие свойства обеспечивают вышеперечисленные наполнители практически без увеличения массы и искажения контура узлов изделия, при этом используется вся толщина материала, благодаря чему диапазон частот эффективного действия у КРПМ в несколько раз больше, чем у радиопоглощающих покрытий, толщина которых ограничена требованиями к весовым характеристикам.

На основании расчетов, проведенных в соответствии с работой [10], показано, что диапазон длин волн (частот) радиопоглощающих покрытий при толщине 1–2 мм составляет не более ±20% от центральной длины волны (частоты). У КРПМ диапазон длин волн может перекрывать всю сантиметровую и часть дециметровой области. В случае изготовления из КРПМ нагруженных элементов изделий, его выполняют в виде монолитного стеклопластика, в связующее которого введены углеродсодержащие элементы, – например, науглероженное вискозное волокно. В случае изготовления из КРПМ деталей, испытывающих небольшие механические нагрузки (облицовочных панелей, внутренних перегородок, материалов для полов безэховых камер), целесообразно применять КРПМ трехслойной структуры, состоящей из внешней и внутренней силовых оболочек на основе стеклопластика и облегченного заполнителя [11], – например, разреженного волокна или сотопласта, в соты которого введены легкие заполнители с примесью науглероженного волокна. При толщине такого облегченного КРПМ порядка нескольких сантиметров и средней плотности 500–600 кг/м³, материал эффективен в диапазоне сантиметровых и дециметровых длин волн.

У КРПМ на основе монолитного стеклопластика снижение коэффициента отражения ограничено величиной относительной диэлектрической проницаемости стеклопластика порядка 4–5, и в широком диапазоне длин волн коэффициент отражения не ниже значения

которое находится в пределах (-8,5÷-10 дБ), где ε_ст – относительная диэлектрическая проницаемость стеклопластика. У КРПМ на основе трехслойной структуры толщиной, равной половине максимальной длины волны диапазона, коэффициент отражения можно снизить до -15÷-19 дБ в широком диапазоне длин волн при условии, что толщина внешней силовой оболочки d и минимальная длина волны диапазона (λ_min) удовлетворяют соотношению

При дальнейшем уменьшении длины волны коэффициент отражения будет расти и достигнет максимального значения ~(-4 дБ) при условии

Исходя из требований к прочностным характеристикам внешняя силовая оболочка обычно не должна быть тоньше 0,5 мм, а по требованию к диапазону, в котором коэффициент отражения не должен быть выше -10 дБ, максимальная частота может достигать 40 ГГц (минимальная длина волны 7,5 мм). В диапазоне длин волн 15–7,5 мм (частота 20–40 ГГц) коэффициент отражения, обусловленный наличием внешней силовой оболочки толщиной 1,0 мм, может достигать -4 дБ, т. е. задача перекрытия диапазона частот 1–40 ГГц (длины волн 30–0,75 см) для КРПМ трехслойной конструкции сводится в основном к «просветлению» внешней силовой оболочки.

В данной работе рассматривается КРПМ трехслойной конструкции с внутренней силовой оболочкой толщиной 2 мм и внешней силовой оболочкой толщиной 0,5 мм. Оболочки выполнены из стеклопластика на основе стеклоткани Т-10-80 и связующего ЭДТ-69Н. Облегченный заполнитель толщиной 100 мм выполнен на основе стеклосотопласта ССП-1-8Т с размером ячейки 8 мм. Ячейки стеклосотопласта заполнены связующим ЭДТ-69Н, смешанным со стеклянными микросферами МС-А9 (группа Б2). Плотность заполняющей ячейки смеси составляет 280–320 кг/м³, относительная диэлектрическая проницаемость: 1,5–1,6.В смесь связующего с микросферами введено небольшое количество (до 1% по объему) науглероженного волокна типа «Углен». По толщине заполнитель разбит на четыре слоя, отличающиеся между собой концентрацией науглероженного волокна (содержание волокна оптимизировано).

С помощью расчетных методов проведено исследование влияния внешней силовой оболочки на радиотехнические характеристики КРПМ и исследование возможности компенсации отражений, вносимых внешней силовой оболочкой, с помощью согласующего слоя, расположенного на входе КРПМ. В диапазоне длин волн, удовлетворяющих условию (2), т. е. при длинах волн >3 см (частотах <10 ГГц) достижим коэффициент отражения порядка -17÷-19 дБ. При частотах >10 ГГц коэффициент отражения будет возрастать. Возрастание происходит из-за скачков диэлектрической проницаемости на двух поверхностях раздела: внешней силовой оболочки с легким заполнителем и внешней силовой оболочки с наружным пространством. При выполнении условия (2), напряженности полей отраженных волн, возникающих на двух поверхностях раздела, складываются с разностью фаз, близкой к 180 град, и гасят друг друга. При несоблюдении условия (2) разность фаз волн, отраженных двумя поверхностями, приближается к 360 град, и напряженности полей отраженных волн складываются. Изнутри структуры КРПМ этот скачок диэлектрической проницаемости можно уменьшить путем повышения диэлектрической проницаемости заполнителя трехслойной структуры на участке, граничащем с внешней силовой оболочкой. Это достигается повышением содержания науглероженного волокна в заполнителе вблизи границы с внешней силовой оболочкой. При этом произойдет некоторое увеличение коэффициента отражения в низкочастотной области диапазона. Снаружи скачок диэлектрической проницаемости сглаживается с помощью согласующего слоя, расположенного на внешней поверхности, имеющего диэлектрическую проницаемость  и толщину порядка четверти длины волны в материале этого слоя на самой высокой частоте (в данном случае толщина ~1,5 мм). Этот слой выполняется из микросферотекстолита на основе стеклопластика, в связующее которого введено от 40 до 70% стеклянных полых микросфер.

Диэлектрическую проницаемость согласующего слоя можно регулировать содержанием микросфер в связующем микросферотекстолита и соотношением суммарной толщины слоев стеклоткани и слоев смеси связующего с микросферами. В работах [12, 13] показано, что, хотя предел прочности при сжатии у микросферотекстолита в 4–5 раз меньше, чем у монолитного стеклопластика, его величина достаточна, чтобы обеспечить прочность, требуемую для ненагруженных деталей.

В табл. 1 приведены результаты экспериментального исследования диэлектрической проницаемости смеси связующего и микросфер при различном объемном содержании микросфер на частоте 9,43 ГГц в волноводной линии Р1-28.

Таблица 1

Диэлектрическая проницаемость смеси связующего с микросферами

В табл. 2 приведены электродинамические и прочностные характеристики микросферотекстолита, в связующее которого на основе смолы ЭД-22 с отвердителем ПО-300 введено 50% стеклянных микросфер МС-А9 (группа Б2). В качестве армирующего материала использовали два наружных слоя стеклоткани Т-10-80, толщина пакета 2,3 мм.

Таблица 2

Электродинамические и прочностные характеристики* микросферотекстолита

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

В табл. 3 приведены рассчитанные достижимые коэффициенты отражения структуры КРПМ без внешней оболочки, с внешней силовой оболочкой толщиной 0,5 мм и с внешней силовой оболочкой, согласованной изнутри и снаружи. Расчеты проводили с использованием формул, приведенных в работах [5, 6].

Таблица 3

Коэффициенты отражения КРПМ трехслойной структуры

Видно, что внешняя силовая оболочка значительно ухудшает радиотехнические характеристики КРПМ в верхней части частотного диапазона. Применение согласующего слоя улучшает радиотехнические характеристики в верхней части частотного диапазона. При этом ухудшаются характеристики в низкочастотной области, но остаются в обычно необходимых пределах – не выше -10 дБ, что, как правило, достаточно для обеспечения электромагнитной совместимости. Проведенная экспериментальная оценка коэффициентов отражения изготовленного образца КРПМ с помощью анализатора цепей типа Agilent N5230C и антенн П6-23 и П6-69 подтвердили правильность расчетов.

Авторы выражают благодарность к.т.н. А.М. Романову за помощь и консультации при написании данной статьи.