Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов и метрологического обеспечения экспресс диагностики электромагнитных параметров наноматериалов

Номер контракта: 14.574.21.0094

Руководитель: Скворцов Борис Владимирович

Должность: Профессор СГАУ

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
наноматериал, электромагнитный параметр, проводимость, диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость, экспресс-диагностика, прибор, метрологическое обеспечение.

Цель проекта:
1. Наноматериалы широко используются в радиотехнике для создания радиопоглощающих покрытий, в частности для разработки комплекса методов снижения заметности летательных аппаратов и наземной военной техники , в радиолокационном, инфракрасном и других областях спектра. Значительного поглощения радиоволн можно добиться только в сантиметровом диапазоне, и гораздо хуже в дециметровом. Свойства поглощения и отражения радиоволн зависят от электромагнитных свойств материала покрытия – проводимости, диэлектрической и магнитной проницаемостей, которые необходимо оперативно контролировать как в процессе отработки технологии производства, так и в режимах оценки качества готовых покрытий. Наноматериалы , в частности углеродные, применяются также для создания принципиально новых систем антиобледенения летательных аппаратов, где оперативный контроль электромагнитных свойств также выжжен и актуален. Современные методы контроля электромагнитных параметров носят разрозненный характер, когда исследуются отдельно электрические (проводимость, диэлектрическая проницаемость) и магнитные (магнитная проницаемость) свойства исследуются на разных установках, требуют принципиально разных конструкций измерительных устройств. В современной теории нет единой математической модели, комплексно описывающей электродинамические параметры наноматериалов в их взаимосвязи, что тормозит данное направление технологического развития. Уникальность предлагаемых исследований состоит в том, что они основаны на оригинальных теоретических и экспериментальных работах творческого коллектива, связанных с поиском прямых взаимосвязей между электромагнитными параметрами материалов, а также с исследованием процессов распространения электромагнитных импульсных сигналов в различных следах. Эти исследования позволяют создать новую методику оперативных измерений электромагнитных параметров наноматериалов, связанную с анализом спектрального состава и формы импульса, прошедшего через контролируемую среду, или отразившуюся от него. 2. Цель проекта - обеспечение возможности проведения экспресс-диагностики электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов, полупроводниковых наногетероструктур и углеродных наноматериалов, а также их метрологическое сопровождение.

Основные планируемые результаты проекта:
1. За предыдущие этапы были получены следующие результаты:
1.1. Показано, что наиболее перспективным направлением в развитии устройств оперативного контроля электромагнитных параметров наноматериалов является использование бесконтактных методов, связанных с импульсным зондированием контролируемого материала электромагнитным излучением с последующей спектральной обработкой отражённого сигнала.
1.2. Разработаны теоретические основы экспресс диагностики электромагнитных параметров наноматериалов. Проведено математическое моделирование процессов распространения непрерывных и импульсных электромагнитных сигналов в неоднородных средах Получены аналитические выражения, связывающие параметры отражённого от контролируемой среды сигнала с электромагнитными параметрами наноматериала и конструкционными параметрами измерительного устройства.
1.3. Проведено исследование влияния электромагнитных параметров, а также конструкционных параметров устройства, в частности расстояния между излучателем и приёмником, на время пролета и форму зондирующего импульса. Методом численных расчетов показана зависимость формы импульса и спектрального состава прошедшего через среду импульса от электромагнитных параметров контролируемого наноматериала.
1.4. Проведены маркетинговые исследования с целью изучения перспектив коммерциализации РИД, полученных при выполнении ПНИ. Определены основные напрвления коммерциализации, среди которых передача прав на объект интеллектуальной собственности, создание совместного производства, выход на рынок через внедрения результатов интеллектуальной собственности в производство (создание малого инновационного предприятия «под проект»).
1.5 Разработан комплект эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец установки экспресс-диагностики наноматериалов, в который входят: структурная схема установки, блочно отражающая все элементы установки,, сборочный чертеж измерительного шкафа, который позволяет уменьшить влияние на измерение внешних радиопомех и защитить оператора установки от СВЧ излучения; руководство по эксплуатации.
1.6 Разработана методика оценки погрешности метода измерений электромагнитных параметров наноматериалов, основанного на обработке данных измерительной процедуры путем решения системы уравнений, связывающих амплитудные и фазовые составляющие спектра отражённого от контролируемого материала сигнала, классифицируемая как «косвенные измерения».
1.8 Произведен аналитический обзор и подбор перечня эталонного испытательного оборудования для определения электрофизических и электромагнитных параметров наноматериалов: проводимости, диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости.

2 Основные характеристики планируемых результатов:
2.1. Разработка и реализация метрологического обеспечения метода экспресс диагностики параметров наноматериалов, включающее программу и методику передачи размеров единиц физических величин, измеряемых в установке экспресс диагностики параметров наноматериалов, от первичных эталонов контролируемых электромагнитных параметров.
2.2. Проведение экспериментальных исследований наноматериалов по разработанной программе на изготовленном экспериментальном образце установки экспресс диагностики.
2.3. Разработка инструкции по эксплуатации для экспериментального образца установки экспресс диагностики электромагнитных параметров наноматериалов.
2.4. Оценка полноты решения задачи и достижения поставленных целей ПНИ.
2.5. Разработка технических требований и предложений по производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
2.6. Разработка проекта технического задания на проведение ОКР по теме «Создание опытного образца прибора экспресс контроля электромагнитных параметров наноматериалов».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. В ходе проекта разрабатывается установка экспресс диагностики электромагнитных параметров наноматериалов, позволяющая безконтактным методом контролировать проводимость, диэлектрическую и магнитную проницаемости покрытий и тонких пленок, тем самым решается проблема отсутствия быстродействующих бесконтактных устройств измерения электромагнитных параметров в широком диапазоне частот.
2. Новизна работы заключается в том, что теоретически обосновывается и на практике реализуется высокочувствительный метод дистанционного измерения сразу трех электромагнитных параметров объектов.
3. В настоящее время ближайшим аналогом является оборудование для бесконтактных измерений фирмы Aglient. Однако, методики, используемые в данном оборудовании. могут работать только "на просвет" и не измеряют проводимость. Разрабатываемая в ходе проекта методика свободна от указанных недостатков.
4. На данном этапе создан экспериментальный образец установки, которая использует расширенную математическую модель для получения измерительной информации. Технические риски проекта могут быть связаны с реализацией узконаправленных измерительных антенн. Финансовые риски могут возникнуть из-за развития кризисных явлений в экономике РФ в настоящее время.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты работ могут быть применимы на предприятиях микроэлектроники, оборонного комплекса, приборостроительных и электромеханических заводах, в НИИ и лабораториях по разработке и созданию наноматериалов, в высших учебных заведениях и научно-исследовательских университетов. Конкурентные преимущества состоят в универсальности конструкции, позволяющей исследовать образец наноматериала как в электрических, так и в магнитных полях в широком диапазоне частот, что обусловленной предлагаемой методикой измерений и новыми теоретическими подходами.
Создаётся принципиально новая патентно-способная продукция, которая может продаваться по лицензионным соглащениям.
2. Практическое внедрение возможно на предприятиях ОАО РОСНАНО, лаборатории РАН, предприятия приборостроительной промышленности, в частности ОАО «Самарский электромеханическй завод», ОАО «НИИ Экран», г Самара.
Индустриальный партнёр ОАО «Самарский электромеханический завод» занимается производством СВЧ изделий для радиотехнических приборов, в том числе оборонного назначения и имеет прямую заинтересованность и возможности не только в использовании разрабатываемого прибора у себя на предприятии, но и в последующем тиражировании и поставки его на приборостроительный рынок России и зарубежья.
3. Развивается область безконтактных измерений электромагнитных параметров поверхностей, что позволит на предприятиях ускорить многие технологические операции, в частности контроль тонких пленок, различных покрытий, в т.ч. и для бытовой аппаратуры.
4. Точная оценка не производилась. В настоящее время популяризация научных результатов достигается публикациями в журналах из перечня WoS и Scopus, возникают научные дискуссии с другими научными коллективами. В дальнейшем возможен выход с приборами контроля электромагнитных параметров на международный рынок,

Текущие результаты проекта:
1.1 Библиографические и патентные исследования показали активность отечественных и зарубежных специалистов в области экспресс-контроля электромагнитных параметров наноматериалов, актуальность и коммерческую привлекательность данного направления научно-технических разработок.
1.2. Показано, что наиболее перспективным направлением в развитии устройств оперативного контроля электромагнитных параметров наноматериалов является использование бесконтактных методов, связанных с импульсным зондированием контролируемого материала электромагнитным излучением с последующей спектральной обработкой отражённого сигнала.
1.3. Разработаны теоретические основы экспресс диагностики электромагнитных параметров наноматериалов. Проведено математическое моделирование процессов распространения непрерывных и импульсных электромагнитных сигналов в неоднородных средах Получены аналитические выражения, связывающие параметры отражённого от контролируемой среды сигнала с электромагнитными параметрами наноматериала и конструкционными параметрами измерительного устройства.
1.4. Проведено исследование влияния электромагнитных параметров, а также конструкционных параметров устройства, в частности расстояния между излучателем и приёмником, на время пролета и форму зондирующего импульса. Методом численных расчетов показана зависимость формы импульса и спектрального состава прошедшего через среду импульса от электромагнитных параметров контролируемого наноматериала.
1.5. Проведены исследования комплексного коэффициента отражения электромагнитного сигнала от поверхности наноматериала, которые позволили получить аналитические выражения, связывающие коэффициент отражения с искомыми электромагнитными параметрами.
1.6. Теоретически исследованы взаимосвязи электромагнитных параметров материалов в широком диапазоне частот. Показано, что магнитная и диэлектрическая проницаемости, а также проводимость жёстко взаимосвязаны между собой в частотном диапазоне, что позволило получить аналитические выражения, определяющие различные математические модели измерений, по которым можно строить измерительную процедуру.
1.7. Диэлектрическая проницаемость и проводимость (диэлектрические потери) наноматериалов зависят от частоты и имеют область аномальной дисперсии, в которой проводимость и диэлектрические потери возрастают, имеют максимум на критической частоте. Критическая частота определяется временем дипольной релаксации полярных молекул в среде. Полученные соотношения позволяют сориентироваться в ожидаемых значениях указанных параметров при их измерении, выбрать рабочий диапазон частот и определить методы обработки сигналов.
1.8. Проведены маркетинговые исследования с целью изучения перспектив коммерциализации РИД, полученных при выполнении ПНИ. Определены основные напрвления коммерциализации, среди которых передача прав на объект интеллектуальной собственности, создание совместного производства, выход на рынок через внедрения результатов интеллектуальной собственности в производство (создание малого инновационного предприятия «под проект»).
1.9. Произведен расчет и разработаны рекомендации по организации электромагнитной безопасности при работе с СВЧ-оборудованием. Анализ основных проблем обеспечения электромагнитной безопасности персонала свидетельствует о том, что особую важность представляет решение задач совершенствования методов контроля ЭМП, совершенствование методов и средств защиты, разработка дифференцированных ПДУ ЭМП в зависимости от степени профессиональной связи с воздействием, совершенствование действующих гигиенических регламентов ЭМП.
1.10 Разработан комплект эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец установки экспресс-диагностики наноматериалов, в который входят: структурная схема установки, блочно отражающая все элементы установки,, сборочный чертеж измерительного шкафа, который позволяет уменьшить влияние на измерение внешних радиопомех и защитить оператора установки от СВЧ излучения; руководство по эксплуатации. Разработаны общая структурная схема установки, состоящая из генератора, анализатора и контроллера установки, структурная и функциональная схемы контроллера установки, которая позволяет обрабатывать информацию с трех приборов, имеющих аналоговый выход и с 16 приборов, имеющих цифровой выход информации с возможностью подключения к персональному компьютеру, где осуществляется удобная индикация и протоколирование полученных параметров в базу данных. Разработана принципиальная схема, основанная на 32 разрядном ARM микроконтроллере AT91SAM7S, использование которого позволяет с высокой скоростью управлять генераторным и измерительным оборудованием, обрабатывать данные, пересылать их в персональный компьютер по протоколу USB / RS 485 (232).
1.11 Разработана программа и методика проведения экспериментальных исследований наноматериалов, включающая в себя требования к условиям, обеспечению и проведению экспериментальных исследований, к персоналу, допущенному к проведению исследований. Программа дает описание последовательности действий при проведении экспериментальных исследований с использование разрабатываемой установки экспресс диагностики наноматериалов и эталонного испытательного оборудования, методики обработки экспериментальных данных и составления протоколов по проведения исследований.
1.12 Разработана методика оценки погрешности метода измерений электромагнитных параметров наноматериалов, основанного на обработке данных измерительной процедуры путем решения системы уравнений, связывающих амплитудные и фазовые составляющие спектра отражённого от контролируемого материала сигнала, классифицируемая как «косвенные измерения». Установлено, что основные причины возникновения погрешностей связаны с наличием инструментальных погрешностей компонентов измерительной схемы, в частности, погрешности измерения амплитуды, фазы и частоты. Определена совокупность и последовательность операций, а также аналитические выражения для нахождения суммарных погрешностей измерения каждого электромагнитного параметра при любых конкретных значениях инструментальных погрешностей измерительной схемы.
1.13 Разработанная методика позволяет определять требования по метрологическому обеспечения метода – к составляющим измерительного оборудования по предельно допустимым погрешностям измерения контролируемых параметров. Для того, чтобы обеспечить суммарную погрешность измерения электромагнитных параметров наноматериала в широком диапазоне частот, заданным техническим заданием, погрешность измерения амплитудной составляющее спектра отражённого сигнала не должна превышать ± 5 %. Погрешность измерения фазы спектрального состава отражённого импульса не должна превышать ± 3 % при измерениях параметров с низкой удельной проводимостью менее 10-4 [1/Ом•м] и ± 5 % при измерениях материалов с высокой проводимостью более 10-4 [1/Ом•м]. Погрешность отсчёта частоты не должна превышать ± 1 %. Время обработки данных измерительной процедуры, связанное с решением системы уравнений не должно превышать 10 с.
1.14 Произведен аналитический обзор и подбор перечня эталонного испытательного оборудования для определения электрофизических и электромагнитных параметров наноматериалов: проводимости, диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости.