Введение

Основным требованием для создания радиопоглощающих материалов (РПМ), эффективных в широком диапазоне длин волн и в широком секторе углов падения электромагнитной волны, например материалов для безэховых камер, является малый уровень отражения падающих радиоволн от передней стенки материала. Для решения этой задачи можно применить два варианта: создание градиентной структуры материала с плавным переходом диэлектрической проницаемости по толщине материала, т. е. внешние слои структуры должны быть практически радиопрозрачными, а последующие слои по мере удаления должны иметь нарастающий потенциал поглощения; либо создание материала с объемными поверхностными структурами (ребра, конусы, пирамиды) – где будет реализовываться принцип усреднения проницаемости среды между объемными структурами материала и воздушными зазорами. Кроме того, при создании РПМ с объемными поверхностными структурами электромагнитная волна многократно переотражается в пространстве между этими структурами и постепенно затухает [5–8]. Объемные РПМ работают в широком частотном диапазоне – от миллиметровых до дециметровых волн. Коэффициент отражения материала с объемными поверхностными структурами возрастает с увеличением длины волны, поэтому для получения низкого коэффициента отражения порядка -50 дБ высота структур (например, конусов и пирамид) должна быть не менее (7...10) λ.

Для достижения малого значения коэффициента отражения в широком секторе углов падения радиоволн на материал (от 0 до 75 град), в достаточно широком диапазоне длин волн рассмотрен вариант создания немагнитного радиопоглощающего материала градиентного типа – многослойной структуры с заданным изменением диэлектрической проницаемости в толще материала. Регулировать диэлектрическую проницаемость материала можно различными способами: меняя концентрацию электропроводящего наполнителя, плотность, вводя регулярные структуры и др. Поверхностные слои многослойной структуры материала должны иметь согласованный со свободным пространством вход, т. е. относительная диэлектрическая проницаемость РПМ на входе должна быть близкой окружающей среде – например, воздуху. Плотность таких РПМ вблизи его поверхности должна быть небольшой (желательно не более 100 кг/м³), а содержание радиопоглощающего наполнителя в поверхностных слоях незначительным и по мере удаления от входа структуры возрастать. Плотность материала и концентрация поглотителя возрастают в направлении от входной плоскости РПМ для того, чтобы проникающие в него радиоволны поглощались с минимальными отражениями внутри материала. Закон распределения количества наполнителя можно оптимизировать с помощью специально разработанных программ оптимизации многослойных структур. Описанная структура способствует минимальному отражению радиоволн от поверхности и увеличению их поглощения по мере проникновения вглубь материала [9–18]. При проведении оптимизации находят параметры, при которых коэффициенты отражения многослойной структуры РПМ будут минимальны.

Материалы и методы

Пеноматериалы на основе неорганических волокон получают из сырьевой смеси, включающей штапельное волокно, тонкомолотый неорганический наполнитель, смачиватель, гидрофобизирующий компонент, связующий компонент и жидкую дисперсионную среду (обычно, это вода). В качестве волокнистого материала можно использовать асбест (или смесь асбеста и кремнеземного волокна), базальтовое волокно (или базальтовое волокно и полиарамидное волокно), диспергированные до получения волокон диаметром не более 0,01 мкм и длиной менее 2 мм. В качестве тонкомолотого наполнителя используют графит, волластонит или слюду (в виде чешуек размером менее 5 мкм). Выбирая технологию формования волокнистого материала (прессование, вакуумное формование, вспенивание и др.), можно регулировать плотность материала и другие характеристики.

В качестве матрицы для создания РПМ особый интерес представляют теплозащитные и теплоизоляционные материалы. В своем большинстве такие материалы имеют низкие диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь.

Для решения задачи создания гибкого РПМ из неорганических волокон в виде листового материала можно рассматривать формы типа войлока. Такой материал может удовлетворить требованиям заполнения больших объемов при малой массе. Войлоки могут быть изготовлены путем наслаивания штапельного волокна в мат и его уплотнения. Штапельные волокна, используемые для изготовления войлока – термостойкие неорганические волокна, такие как стеклянные или керамические. При операции наслаивания штапельные волокна беспорядочно ориентируются, а при уплотнении взаимосвязываются в листовую форму, имеющую две главные поверхности. Эти войлоки используют в качестве теплозащиты, однако у них есть и другое применение – например, высокотемпературные фильтры, подложки катализаторов и др.

Использование определенных видов волокнистых наполнителей позволяет частично или полностью отказаться от применения органических связующих компонентов, что дает предпосылки для создания пожаробезопасных материалов [16, 19, 20]. Например, для получения волокнистых материалов на основе оксидных волокон мат приобретает жесткость при образовании керамических мостиков между волокнами в процессе термообработки [21].

Волокна асбеста и некоторые производные целлюлозы, благодаря особому строению структуры (не гладкий цилиндр, а разветвленная структура), после набухания в водной среде фибриллируют, что позволяет волоконцам сцепляться друг с другом без органического связующего.

Радиотехнические характеристики (коэффициент отражения в диапазоне частот) многослойной градиентной структуры существенно зависят от общей толщины материала, числа слоев, толщины отдельных слоев, характеристик радиопоглощающего наполнителя. Наполнитель характеризуется геометрической формой и электродинамическими характеристиками (для резистивного волокна – диаметр, длина и удельное сопротивление) [19, 22–24].

Для изготовления панелей РПМ на основе неорганических волокон рассмотрена возможность применения «бумажной» технологии. Особенностью способов изготовления бумагоподобных композитов из минеральных волокон является специальное оборудование; бумагоделательные машины и их аппаратное оформление определяются свойствами и размерами самих волокон. Необходимы гидроразбиватели и бассейны с мешалками специальной конструкции, специальные бумагоделательные машины с сеточным полотном и сушильной частью.

Самый распространенный способ сушки «бумажного» полотна – контактная сушка на бумагосушильных цилиндрах. Этот способ является относительно дорогостоящим, а сушильная часть современной бумагоделательной машины занимает много места, потребляет много электроэнергии и требует сравнительно больших капитальных затрат. Тем не менее существующий способ сушки бумагоподобных композитов остается наиболее эффективным по сравнению с другими известными способами сушки материалов.

Для сокращения размеров сушильной части бумагоделательной машины используют метод сушки под вакуумом. Иногда применяют сушку лучистым теплом (радиационную сушку). Этот способ используют для сушки тонких покровных слоев на материале, лака и других покрытий.

Сушка в поле высокой частоты также обладает рядом существенных недостатков: высокая стоимость и большая потребная мощность генератора.

Достаточно эффективным и производительным способом является тепломеханический способ сушки материала продуванием его насквозь горячим воздухом. Этот способ наиболее подходит для композиционных материалов с открытой пористостью, но недопустим в случаях подвижности и уноса мелких фракций наполнителя.

На скорость сушки бумагоподобных композитов оказывают влияние также их структура и состав. Тонкие материалы сохнут быстрее, чем толстые. Наблюдения показали, что с увеличением толщины полотна (с 30 до 50 мм) при прочих равных условиях скорость сушки замедляется на 20–50%. На качество сушки также существенно влияет степень гомогенизации и образование ячеистой структуры материала.

Для изготовления РПМ на основе минеральных волокон по «бумажной» технологии, в ВИАМ организован производственный участок с производительностью до 2000 м²/год. На участке реализуется вся технологическая цепочка изготовления РПМ: от изготовления радиопоглощающих компонентов до выпуска готового материала с контролем радиотехнических параметров.

Изготовление волокнистых композиционных материалов с радиотехническими свойствами начинают с приготовления волокнистой пульпы в водной среде, в качестве связующего вещества выбирают водорастворимые полимерные связующие. На последних стадиях перемешивания вводят науглероженное волокно.

Процесс подготовки пульпы состоит из дробления минерального волокна и смешивания его с водой. Оборудование, необходимое на данном этапе: роторные дробилки (до 3000 об/мин), мельницы или роллы, в зависимости от вида волокна и упаковки. Волокно, которое поступает в виде листов и матов, вручную нарезают на куски, которые помещаются в приемную воронку дробилки.

От массы навески волокна зависит плотность получаемых плит. Плотность плит можно варьировать (например, для пеноматериала на основе хризотилового асбеста можно задать плотность от 20 до 40 кг/м³).

Процесс вспенивания ведут при комнатной температуре, скорость вращения шнека регулируют.

Подготовленная в пеногенераторе (миксере) масса поступает на конвейерную сетку, где ровняется поверхность и задается толщина материала.

Общая влага в композиции, поступающей на сушку, делится на внешнюю влагу, находящуюся в пространствах между волокнами и на их поверхности; внутреннюю свободную влагу, находящуюся в полостях волокнистых клеток, и связанную влагу, заключенную в стенке волокна. Около 90–98% от общего количества воды обычно удаляется в первой части конвейера самосливом, в зоне сушки – приблизительно 2–10%. После слива основной массы воды, композиция поступает в зону сушки. Сушильная камера разбита на шесть температурных зон, обеспечивающих поддержание температуры – от 30±5 до 150±5°С. Скорость продвижения пеномассы в зоне сушки выбирают исходя из условия, что на выходе должна получаться полностью обезвоженная равномерно просушенная пеномасса.

В начале процесса сушки из-за испарения влаги с поверхности создается разность концентраций между поверхностным и следующим за ним слоем. Вследствие этого возникает диффузия влаги из толщи материала к его поверхности. Этот процесс носит название внутренней диффузии влаги в отличие от внешней диффузии влаги – процесса, при котором влага перемещается с поверхности материала в окружающую среду. В первом периоде процесса сушки убыль влаги с наружной поверхности пеномассы компенсируется внутренней диффузией. Таким образом, на всем протяжении первого периода наружная поверхность пеномассы остается водонасыщенной и поэтому в условиях сушки при постоянной температуре сушка осуществляется с постоянной скоростью. На следующих стадиях сушки из-за недостатка воды в пеномассе внутренняя диффузия не может уже восполнить убыль влаги на наружной поверхности высушиваемого материала. Эта поверхность перестает быть водонасыщенной, и скорость сушки замедляется.

С началом удаления связанной влаги происходят уже необратимые изменения свойств волокон. При этом следует иметь в виду, что сушка пеномассы носит гетерогенный характер: в то время как поверхностный ее слой уже высушен, внутренние слои могут при этом содержать еще свободную влагу. Эта гетерогенность выражается тем ярче, чем толще пеномасса. Неравномерность сушки волокнистой пеномассы приводит к короблению, образованию раковин, неравномерной усадке, потере товарного вида панелей.

Окончательная термообработка материала происходит в камере обжига с температурой от 140 до 280°С (при наличии не менее четырех зон) с градацией через 10°С и точностью поддержания температуры ±5°С.

Для выбора режимов сушки проведены практические работы по исследованию зависимости остаточного содержания влаги от температуры и продолжительности сушки (табл. 1–5).

Таблица 1

Сушка двух образцов при температуре 50°С

При температуре 50°С остаточная влага приходит в равновесие после 4 ч сушки – для образца с толщиной 34 мм и 10–12 ч – для образца с толщиной 100 мм (см. рисунок, а).

Таблица 2

Сушка двух образцов при температуре 70°С

При температуре 70°С остаточная влага приходит в равновесие после 4 ч сушки – для образца с толщиной 32 мм и 9–10 ч – для образца с толщиной 100 мм (см. рисунок, б).

Таблица 3

Сушка двух образцов при температуре 90°С

При температуре 90°С остаточная влага приходит в равновесие через 2,5 ч сушки – для образца с толщиной 30 мм и 8 ч – для образца с толщиной 80 мм (см. рисунок, в).

Таблица 4

Сушка двух образцов при температуре 110°С

При температуре 110°С остаточная влага приходит в равновесие после 2 ч сушки – для образца с толщиной 32 мм и 4 ч – для образца с толщиной 90 мм (см. рисунок, г).

Таблица 5

Сушка образца при температуре 130°С

При температуре 130°С остаточная влага приходит в равновесие после 3,5 ч сушки – для образца с толщиной 90 мм (см. рисунок, д).

Зависимости остаточного содержания влаги от времени сушки при температурах 50 (а), 70 (б), 90 (в), 110 (г) и 130°С (д) для образцов 1 (♦) и 2 (■)

При температуре сушки 90°С и более, вследствие неравномерного прогрева наружных и внутренних слоев материала, наблюдалась неоднородность уплотнения волокна по толщине материала: образование корки, пузырей и раковин.

На основе проведенных исследований установлено, что при данном способе сушки пеноматериала оптимальные толщины волокнистых панелей составляют от 20 до 50 мм, режим сушки – ступенчатый подъем температуры от 30±5 до 150±5°С.

Раскрой готового материала на плиты заданного размера проводят циркулярными пилами продольного и поперечного направления. Продольной пилой отрезается кромка, поперечной – материал нарезается на плиты определенного размера.

Полученный материал легко обрабатывается практически любым режущим инструментом, пропитывается связующим, формуется и т. д. Для получения градиентной структуры РПМ плиты пеноматериала с различным содержанием электропроводящего наполнителя склеиваются между собой. Слои плит склеивают между собой клеем ПВА.

В зависимости от требуемых радиотехнических характеристик и требований по пожаробезопасности поверхность волокнистых пеноматериалов для упрочнения и предохранения от деформации можно покрывать водоразбавляемой эмалью, например ВЭ-67 или другой аналогичной радиопрозрачной эмалью.

К преимуществам данных материалов относится низкая плотность, соответственно низкие диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь, низкая теплопроводность, стойкость к окислению, возможность использования для защиты поверхности сложной конфигурации.

Результаты

В рамках оптимизации технологического процесса изготовления пеноматериала для РПМ и для улучшения пенообразования проведены мероприятия по настройке системы подготовки воды, настройке шнеков в пеногенераторах в пользу уменьшения количества лопастей и увеличения количества режущих поверхностей шнека. Выбраны параметры вспенивания пульпы (скорость вращения двигателя) и температурные режимы сушки (от 60 до 120°С – в основной камере сушки и от 140 до 200°С – в камере обжига).

Установлено, что регулярные радиотехнические свойства панелей достигаются при скорости конвейера не более 12 м/ч и толщинах панелей от 20 до 50 мм; при толщине ˃50 мм происходит неравномерная сушка панели, приводящая к ее короблению.

По результатам опробованных температурных режимов сушки панелей выбран режим, обеспечивающий отсутствие образования корочки на панелях.

Обсуждение и заключения

Примеры успешного применения композиционных пеноматериалов на основе минеральных волокон можно найти в самых различных областях науки и техники – это авиакосмическая техника, двигатели различного назначения, биотехнология, медицина, строительство и многое другое. Подобные материалы могут совмещать сразу несколько функциональных нагрузок: отвечать требованиям по теплозащите, радио-, шумопоглощению и др.

Организованный в филиале ФГУП «ВИАМ» участок по изготовлению и контролю РПМ на основе пеноматериала из неорганических волокон позволяет выпускать широкий ассортимент материалов специального назначения. Успешность реализации данного проекта подтверждается крупными договорами поставки материала (более 1800 м³ волокнистого пеноматериала).