Радиопоглощающие материалы пониженной плотности (обзор)

Введение

Современный уровень развития техники характеризуется высокой интеграцией разнообразной радиоэлектронной аппаратуры в едином функциональном объеме, что требует комплексного подхода для решения вопросов электромагнитной совместимости. Вместе с тем необходимо также решение вопросов в части облицовки помещений и стендов, предназначенных для проведения испытаний на электромагнитную совместимость, тестирования и настройки радиоэлектронной аппаратуры. Одним из эффективных способов решения указанных задач является применение полимерных композиционных материалов, в том числе радиопоглощающих материалов (РПМ) [1–3].

Радиопоглощающие материалы могут быть разделены по принципу взаимодействия с электромагнитным излучением (материалы диэлектрического и магнито-диэлектрического типов), а также по рабочему частотному диапазону (материалы узко- и широкополосные). Материалы с диэлектрическими потерями, поглощающие падающую электромагнитную волну в широком диапазоне частот, наиболее подходят для решения указанных ранее задач. В настоящее время разработана широкая номенклатура РПМ, представляющих собой полимерные композиционные материалы, состоящие из диэлектрической матрицы и проводящего наполнителя. Кроме того, РПМ условно можно разделить на конструкционные панели (стекло-, органопластик и др.), эластичные панели или листовой материал (на основе пенополиуретана, волокнистые маты, асбокартон и др.) и объемные блоки (пирамидальной или конусообразной формы, с трубчатой структурой и др.). Одновременно с необходимым уровнем значений коэффициента отражения РПМ должны удовлетворять требованиям по массогабаритным параметрам [4–7]. В этом плане особый интерес представляют РПМ пониженной плотности на основе вспененной или пористой матрицы. Такие материалы представляют собой гетерогенную систему с органической или неорганической матрицей и с введенными в их состав диспергированными проводящими частицами [8, 9]. Основными наполнителями РПМ диэлектрического типа являются углеродсодержащие материалы (сажа, углеродные или науглероженные волокна, нанотрубки, графит и др.).

Добиться в материале оптимального поглощения электромагнитных волн при минимальном их отражении от внешней границы раздела сред можно благодаря изменению в структуре материала диэлектрической проницаемости по экспоненциальному закону. Изменение реализуется путем применения неоднородных или многослойных структур, в которых действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости обычно изменяются плавно или по ступенчатому закону соответственно, увеличиваясь от внешнего слоя к металлическому экрану (подложке) [10, 11]. Добиться изменения диэлектрической проницаемости возможно за счет неоднородного распределения в объеме материала в целом или послойно проводящего наполнителя, а также благодаря использованию различных объемных геометрических форм [12]. Радиопоглощающие материалы в виде объемных форм в основном находят применение для облицовки измерительных стендов или внутренних поверхностей безэховых камер, которые служат для проведения измерений и испытаний радиоэлектронного оборудования. Чаще всего такие поглотители состоят из пирамидальных радиопоглощающих элементов, способных поглощать падающее на их поверхность электромагнитное излучение с высокой эффективностью в широком диапазоне частот – от десятков мегагерц до десятков гигагерц. Для обеспечения безэховости в рабочей зоне ~(–60÷–45) дБ необходимо применение РПМ в виде объемных форм с уровнями отражения как минимум того же порядка. Проблема разработки малоотражающего материала для безэховых камер – это, по существу, проблема разработки переходного слоя с активными потерями, который при небольшой толщине осуществлял бы согласование свободного пространства с полупространством, где электромагнитное поле отсутствует (например, с областью, ограниченной идеальным экраном) [13].

К РПМ малой плотности не предъявляются жесткие требования по прочностным характеристикам и стойкости к внешним воздействующим факторам. Однако в связи с тем, что безэховые камеры представляют собой помещения, в которых может находиться персонал, к выбору материалов предъявляют жесткие требования по горючести и дымовыделению. Кроме того, поскольку безэховые камеры по своей сути являются изолированными помещениями и могут быть значительных объемов, к РПМ предъявляют дополнительные требования, такие как отсутствие выделений вредных соединений при эксплуатации, удобство при монтаже и эксплуатации, минимальные габариты и масса, возможность использования в помещениях с определенным классом чистоты, а также минимальная стоимость.

В зависимости от технологии изготовления РПМ пониженной плотности могут иметь вариации значений электрофизических свойств. Технологии переработки РПМ позволяют получать как объемные, так и листовые материалы различных конфигурации и плотности. В качестве матриц для таких материалов часто используют пенопласты, пенорезины и поропласты (с закрытой и открытой пористостью), полученные путем вспенивания или порообразования полимерных композиций. Плотность материала определяется природой наполнителя, его формой и размером частиц, а также плотностью упаковки [14–18]. Основным преимуществом РПМ с пониженной плотностью и малыми значениями относительной диэлектрической проницаемости является возможность обеспечения минимальных значений отражения падающей электромагнитной волны от поверхностного слоя материала [19].

При разработке РПМ пониженной плотности главными задачами становятся расширение рабочего диапазона частот и снижение плотности материала без ухудшения радиотехнических характеристик.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 15.3. «Материалы и покрытия для защиты от ЭМИ, ударных, вибрационных, акустических и электрических воздействий» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [20–22].

Радиопоглощающие материалы на основе вспененных матриц

В настоящее время для создания облегченных РПМ в качестве матрицы широко применяют пенополиуретан, обеспечивающий механические и эксплуатационные свойства материала и фиксирующий распределение частиц различных дисперсных электропроводящих наполнителей в его объеме. Исходные компоненты для получения пенополиуретана выпускают серийно, их разнообразное сочетание позволяет получать материал с различными технологическими характеристиками, отвечающими заданным требованиям. Пенополиуретан легко формовать как в виде листов (для получения РПМ малой толщины), необходимых для размещения на защищаемых поверхностях и обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры, так и в виде пирамид для монтажа на стенах безэховых камер. Высота пирамид может достигать 1 м (в редких случаях – и более), рабочий диапазон электромагнитного излучения таких материалов обычно составляет от 100 МГц до 100 ГГц. Возможно также изготовление РПМ для безэховых камер в виде плоских матов различной толщины. Характеристики некоторых листовых поглотителей приведены в работе [23].

Радиопоглощающие материалы на полиуретановой основе сочетают такие эксплуатационные особенности, как пониженная плотность, гибкость и высокая адгезия к различным поверхностям. Отечественные и зарубежные разработки РПМ направлены на улучшение технологических и эксплуатационных свойств материалов, в том числе на придание им огнестойкости.

Радиопоглощающий материал марки «Мох», разработанный в ООО НПП «Радиострим», представляет собой пирамидальные блоки из пенополиуретана с распределенным в объеме нанодисперсным наполнителем [24].

Материал выпускают в двух модификациях:

– одно- или многослойные листовые конструкции толщиной от 20 до 90 мм с коэффициентом отражения ~(–15÷–20) дБ в диапазоне длин волн от 0,3 до 10,0 см (3–100 ГГц);

– пирамидальные конструкции высотой от 250 до 500 мм с коэффициентами отражения –30÷–40 дБ в диапазоне длин волн от 0,3 до 50,0 см (0,6–100 ГГц) (рис. 1).

Рис. 1. Пирамидальный радиопоглощающий материал марки «Мох», разработанный в ООО НПП «Радиострим»

Материал может быть изготовлен во влагозащищенном или трудногорючем исполнении с использованием специальной пропитки.

Радиопоглощающие материалы марок AMF-5, AMF-10, AMP-20, AMP-30, AMP-45, AMP-60 и AMP-100, разработанные в ООО НПК «ТЕСАРТ», представляют собой диэлектрические панели пирамидального или плоского типа, изготовленные из эластичного пенополиуретана с углеродным наполнителем. На рис. 2 представлен материал серии AMP.

Рис. 2. Пирамидальный радиопоглощающий материал серии AMP, разработанный в ООО НПК «ТЕСАРТ»

Радиопоглощающие материалы пропитаны огнезащитным составом и соответствуют группе горючести Г1 по ГОСТ 30244–94. Возможен также выпуск материалов, соответствующих группе горючести Г4 [25].

Высота панелей материалов плоского типа варьируется от 50 до 1000 мм, значения коэффициента отражения: ~(–20÷–50) дБ в диапазоне рабочих частот от 0,2 до 100,0 ГГц.

Материалы марки C-RAM AR в виде листов и марки C-RAM SFC в виде пирамидальных конструкций, разработанные компанией Cuming Microwave Corporation (США), выполнены на основе вспененных полиуретанов и рассчитаны на средние значения плотностей потока падающей мощности СВЧ-излучения и температуры. Радиопоглощающие материалы отличаются гибкостью, малой массой и хорошими радиофизическими характеристиками. Для материала марки C-RAM AR коэффициент отражения составляет не более –20 дБ на частотах от 5 ГГц и более (рис. 3, а), а для пирамидального материала марки C-RAM SFC – не более –45÷–50 дБ при соотношении толщины материала и максимальной длины волны как 1/6 к 1/5 (рис. 3, б). Данные материалы являются хорошей основой для обеспечения высокого уровня безэховости испытательных камер [26].

Рис. 3. Радиопоглощающие материалы марки C-RAM серий AR (а) и SFC (б), разработанные компанией Cuming Microwave Corporation (США)

Пирамидальный РПМ облегченного типа серии PF производства компании Frankonia (Германия) изготовлен из пенополиуретана. Материал получают путем литья пеноблока с его последующей резкой. Диапазон рабочих частот – от 30 МГц до 100 ГГц. Мощность поля, при которой может работать материал, 200 мВт/см². Высота пирамид варьируется от 80 до 1000 мм. Внешний вид блока пирамидального материала серии PF представлен на рис. 4 [27].

Рис. 4. Пирамидальный радиопоглощающий материал серии PF производства компании Frankonia (Германия)

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработан большой ассортимент РПМ пониженной плотности, работоспособных в широком диапазоне частот. Материалы представляют собой структуру с одним или несколькими слоями из вспененной матрицы на основе неорганического волокна (асбест, базальт) либо закрытоячеистого пенополиуретана с распределенным в объеме углеродсодержащим наполнителем. Действительная часть диэлектрической проницаемости неорганической матрицы без введенного поглощающего наполнителя достигает значений 1,03 и зависит в том числе от плотности: для плит на основе вспененного асбеста средняя плотность составляет от 20 до 35 кг/м³, а на основе вспененного базальта – от 20 до 40 кг/м³. Это обстоятельство, а также подбор геометрических размеров и проводимости поглощающего наполнителя позволяют достигать минимального уровня коэффициента отражения от передней границы раздела сред «свободное пространство–материал», что, в свою очередь, ведет к увеличению уровня поглощения падающей электромагнитной волны в материале.

Радиопоглощающие материалы выпускают в виде калиброванных плит (листов) толщиной от 5 до 50 мм и размером до 600×1200 мм. Разработанные материалы имеют значения коэффициента отражения на рабочих частотах в диапазоне от 1 до 40 ГГц не более –25 дБ и могут использоваться для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры. Поскольку к материалам для безэховых камер предъявляются более жесткие требования по уровню коэффициента отражения – не более –40 дБ, то для обеспечения заданного уровня коэффициента плиты из РПМ с различным содержанием поглощающего наполнителя собирают в многослойные блоки. Конструктивное исполнение РПМ для безэховых камер в виде плоскослоистых геометрически однородных по площади конструкций позволяет управлять направлением отраженной волны (в результате – степенью безэховости) путем конфигурирования на стенах безэховой камеры. Плоские панели РПМ также имеют значительно меньший уровень диффузного рассеяния электромагнитной волны по сравнению с пирамидальными и другими объемными формами. Это обстоятельство делает их конкурентоспособными по сравнению с РПМ на основе объемных форм.

Заключения

Радиопоглощающие материалы пониженной плотности, разработанные в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, имеют характеристики на уровне зарубежных аналогов, а их разнообразие по составу, массогабаритным показателям, радиофизическим свойствам и назначению дает возможность подобрать оптимальный вариант материала при решении задач электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры или при расчете и проектировании безэховых камер. Вариативность предлагаемых РПМ пониженной плотности позволяет достаточно быстро разрабатывать новые материалы, отвечающие специальным требованиям по радиофизическим характеристикам.