Регистрация / Вход
Прислать материал

14.624.21.0002

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.624.21.0002
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей"
Название доклада
Методика экспресс диагностики электромагнитных параметров в СВЧ диапазоне композиционного материала на основе аморфно-нанокристаллического сплава системы Fe-Nb-Cu-Si-B
Докладчик
Кузнецов Павел Алексеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью ПНИ является обеспечение экспресс диагностики электромагнитных параметров композиционных радиопоглощающих материалов с наполните-лем на основе аморфно-нанокристаллического сплава системы Fe-Nb-Cu-Si-B получаемого методом универсальной дезинтеграторно-активаторной обработки позволяющей прогнозировать свойства этих материалов.
Реализация цели проекта обеспечивается через решение следующих задач:
- создание объекта исследований - композиционного радиопоглощающего материала (выбор материала связующего и наполнителя, оптимизация структуры расчетным методом, определение формы и размеров образцов, разработка технологии получения с использованием порошковых материалов наполнителя с использованием технологии базирующихся на методах управляемой кристаллизации и универсальной дезинтеграторно-активаторной обработки, исследование физико-химических свойств образцов);
- создание средств измерений – экспериментального образца установки диагностики электромагнитных характеристик радиопоглощающих материалов с метрологическим обеспечением (программ и методик испытаний экспериментальных образцов и установки, программной модели обработки измерительной информации);
- разработка метода экспресс диагностики электромагнитных параметров композиционных радиопоглощающих материалов с наполнителем на основе аморфно-нанокристаллического сплава системы Fe-Nb-Cu-Si-B.
Актуальность и новизна исследования
Постоянно возрастающий электромагнитный фон Земли, связанный с увеличением количества силовых и энергетических установок, делает задачу по разработке материалов для защиты от электромагнитного излучения актуальной на протяжении нескольких десятков лет. Для решения этой проблемы наиболее востребованными являются радиопоглощающие материалы и покрытия, применяемые для уменьшения радиолокационной заметности техники, уменьшения помех и паразитных излучений от многочисленных радиоизлучающих устройств при работе радиолокационной и другой электронной аппаратуры. В настоящее время наиболее популярными радиопоглощающими материалами являются композиты на основе альсиферов, пермаллоев, ферритов, а также аморфных сплавов системы Fe-Ni-Co. Однако они не удовлетворяют современным требованиям по диапазону рабочих частот и эффективности работы. Решение этой проблемы связывают с разработкой новых нанома-териалов. Проведенный анализ научно-технической литературы и ранее вы-полненные работы в направлении поиска оптимального материала выявили, что на сегодняшний день наиболее перспективными являются разработки радиопоглощающих материалов на основе магнитомягких порошков на основе сплавов железа, особенно перспективным является аморфно-нанокристаллический сплав системы Fe-Nb-Cu-Si-B.
На предприятиях, занимающихся производством радиопоглощающих материалов, полное метрологическое сопровождение процесса изготовления и измерения радиофизических свойств конечных продуктов отсутствует. Этот аспект актуализирует необходимость разработки технической и метрологической документации на весь технологический процесс изготовления и операции диагностики исходного сырья и готовых изделий.
Описание исследования

Решая задачи ПНИ в части создания объекта исследований были разработаны теоретические положения создания радиопоглощающего покрытия (РПП) плоской структуры на основе полимеров с ферромагнитными наполнителями. Обоснованы требования к радиопоглощающим материалам и выбрана математическая модель плоского эластомерного РПП, принципы и методы расчета характеристик рассеяния и оптимальной структуры РПП, позволяющие провести анализ зависимости коэффициента отражения от длины волны, толщины слоя РПП, типа основы РПП, типа и концентрации наполнителя в слое, а также синтезировать конструкцию РПП, то есть представить и рассчитать его оптимальную структуру. Обоснована необходимость применения радиопоглощающих покрытий, разработаны методы моделирования для оценки эффективности поглощения электромагнитной волны в материале.

Разработанная в соответствии с требованиями к РПП методика расчета радиопоглощающих покрытий (методика расчета коэффициента отражения РПП) представляет собой логическую систему операций, процедур и порядок выполнения практических расчетов значений коэффициента отражения электромагнитной волны от РПП и определения его зависимости: от частоты в конкретном заданном (требуемом) частотном диапазоне волн и прогнозируемых технологических погрешностей при изготовлении РПП. Для расчета коэффициента отражения от РПП выбран волновой метод, который является наглядным и доступным с точки зрения математического описания процессов отражения и поглощения ЭМВ в плоскослоистых средах. Важным свойством разработанной методики является возможность ее непосредственного использования при расчете оптимальной структуры радиопоглощающих покрытий.

Проведённые исследования позволили по эксплуатационным свойствам выбрать связующие для металлополимерного композита (кремнийорганический каучук, изопреновый каучук), разработать технологические режимы изготовления порошка наполнителя, базирующиеся на методах управляемой кристаллизации и универсальной дезинтеграторно-активаторной обработки ленты аморфного сплава АМАГ-200. Предложен метод получения композиционного радиопоглощающего наноматериала, включающий в себя механическое смешивание компонентов композита с дальнейшим удалением растворителя во время сушки в пресс-формах. Геометрические размеры пресс-форм соответствуют требованиям, предъявляемым к размерам измерительных ячеек для сверхвысокочастотного анализатора.

Решая задачи ПНИ в части создания средств измерений была разработана эксплуатационно-конструкторская документация и создан экспериментальный образец установки для исследования электромагнитных параметров композиционных радиопоглощающих материалов в следующих частотных диапазонах: от 10 МГц до 7,5 ГГц (коаксиальная ячейка 3х7); от 10 МГц до 18 ГГц (коаксиальная ячейка 16х7); от 18 ГГц до 26 ГГц (волновод WR-42); от 26 ГГц до 40 ГГц (волновод. WR-28). Для тестирования экспериментальной установки была разработана программа и методика испытаний. По результатам тестирования установки было установлено, что погрешность средств регистрации радиотехнических параметров, исследуемых РПП в диапазоне частот от 10 МГц до 40 ГГц не превышает 20% и установка пригодна для исследований магнитной и диэлектрической проницаемостей композиционных наноматериалов на основе наноструктурированного магнитомягкого порошка. По методике проведения экспериментальных исследований композиционного радиопоглощающего наноматериала на основе магнитомягкого наноструктурированного порошка железного сплава были исследованы экспериментальные образцы РПП со следующими соотношениями «связующее/наполнитель»: 1/1; 1/6; 1/8 и дисперсностью наноструктурированного магнитомягкого порошка: 0-15; 15-35; 35-50; 0-50 и 50-100мкм. В процессе исследований была подтверждена работоспособность разработанной установки для измерения электромагнитных характеристик композиционного радиопоглощающего материала и установлено, что однослойный материал не может обеспечить необходимые радиопоглощающие свойства, поэтому при разработке широкополосных радиопоглощающих композитов следует использовать многослойные композиции.

Результаты исследования

Определены основные принципы создания РПМ, эффективных в широком диапазоне частот:

1) Максимальное поглощение электромагнитной энергии многослойным покрытием достигается при выполнении следующих условий:

- материал внешнего (входного) слоя покрытия должен иметь значения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей, близкие к единице;

- изменение (увеличение) значений комплексной диэлектрической и магнитной проницаемостей от внешнего (входного, первого) слоя к основанию (к поверхности покрываемого объекта) должно быть по возможности плавным, что достигается путем ступенчатого увеличения концентрации магнитного наполнителя от внешнего (входного, первого) слоя к основанию.

2) Комплексная магнитная и диэлектрическая проницаемость зависит от концентрации дисперсного наполнителя в слое и размеров частиц порошка, что в свою очередь определяет уровень коэффициента отражения.

Для этого разработана технология получения наполнителя из перспективного аморфно-нанокристаллический сплав системы Fe-Nb-Cu-Si-B требуемого дисперсного состава из диапазона размера частиц порошков 0-100 мкм базирующаяся на управляемом процессе универсальной дезинтеграторно-активаторной обработки и контролируемом процессе кристаллизации, обеспечивающем  заданную объемную долю 45-50% нанокристаллов фазы Fe3Si размером 4-6 нм в аморфной матрице сплава системы Fe-Nb-Cu-Si-B.

Создана методика для расчета и определения следующих показателей и зависимостей композиционных радиопоглощающих материалов:

а) значения коэффициента отражения электромагнитной волны на заданной частоте или в заданном диапазоне частот;

б) влияния технологических погрешностей при изготовлении РПП на вид частотной зависимости коэффициента отражения электромагнитной волны (технологическая зависимость коэффициента отражения электромагнитной волны - ЭМВ).

Практическая значимость исследования
Разработанная методика расчета оптимальных параметров РПП представляет собой логическую последовательность приемов, процедур и операций, применяемых для направленного поиска значений входных параметров – толщины каждого слоя РПП и концентрации наполнителя в нем, которые обеспечивают достижение требуемого значения целевой функции – коэффициента отражения ЭМВ.
Методика позволяет рассчитать и определить оптимальные значения двух главных параметров многослойного РПП для требуемого (заданного) значения коэффициента отражения ЭМВ:
а) толщину каждого слоя;
б) концентрацию наполнителя в каждом слое.
Областью применения разработанных методик в общем случае является проведение исследований по вопросам изготовления РПП с заданными (требуемыми) параметрами.
Методики также могут использоваться для систематизации и анализа полученных результатов с целью последующего их использования при создании РПП с заданными (требуемыми) параметрами.
Предложенные группа требований, принципы, методы моделирования объектов и разработанные методики расчета характеристик рассеяния и оптимальной структуры радиопоглощающих покрытий могут непосредственно использоваться при выпуске лабораторных образцов и опытных партий РПП с заданными (требуемыми) параметрами, а также их практического использования.