Введение

В соответствии со стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки на ближайшие 20 лет [1] большое внимание уделяется композиционным [2, 3] и функциональным материалам и их применению в авиа- и ракетостроении. В частности, в последнее время широкое применение находят материалы, обеспечивающие поглощение электромагнитной энергии – радиопоглощающие материалы (РПМ). В работе [4] показано, что одним из направлений при создании РПМ является разработка таких материалов для облицовки внутренних поверхностей безэховых камер (БЭК), которые стали широко использоваться в последние десятилетия [5, 6]. С одной стороны, это связано с тенденцией усложнения и увеличения точности антенных измерений и стендовых испытаний радиокомплексов, с другой – с широким внедрением БЭК в технику для испытаний новых широкополосных радиопоглощающих материалов и поглотителей электромагнитных волн [7–10]. Обычно для обеспечения требуемой безэховости (-40÷-50 дБ) необходимо, чтобы РПМ для облицовки стен БЭК имел коэффициент отражения (КО) такого же уровня. Радиопоглощающий материал с таким низким КО в широкой полосе частот (в миллиметровом, сантиметровом и части дециметрового диапазона длин волн) может быть создан только в форме шипов. Изготовить такой РПМ достаточно сложно, так как требуются специальная оснастка и применение ручного труда. При специальной конфигурации стен безэховой камеры можно снизить требования к допустимому коэффициенту отражения РПМ до величин порядка -30¸-25 дБ, а в ряде случаев – и до -20 дБ. В таких РПМ плавное согласование со свободным пространством достигается обычно путем градиентности диэлектрической проницаемости по толщине материала. При этом величина относительной диэлектрической проницаемости изменяется от значения, близкого к 1 на входе, до больших значений (десятки) действительной и мнимой части в слое, примыкающем к поверхности камеры. Градиентность достигается благодаря многослойности структуры материала с изменением от слоя к слою содержания радиопоглощающего наполнителя.

Материалы и методы

В конце 80-х – начале 90-х годов XX века в г. Москве на Нагатинском заводе строительных материалов серийно выпускали РПМ «Саурп» на основе вспененного асбеста, в качестве поглощающего наполнителя в котором использовали науглероженное волокно «Углен-ЦШЭ». Коэффициент отражения этого материала в диапазоне частот ˃1,5 ГГц не превышал -20 дБ. Применение вспененного неорганического волокна в качестве основы РПМ (особенно кварцевого волокна [11], имеющего низкую диэлектрическую проницаемость) позволяет уменьшить относительную диэлектрическую проницаемость ненаполненных слоев градиентного РПМ до величины 1,06–1,08. Значение КО на границе раздела свободного пространства с материалом основы при нормальном падении волны на поверхность в данном случае не превысит -34 дБ, поэтому можно создать РПМ с КО не выше -30 дБ в широкой полосе частот.

Так как БЭК представляет собой замкнутое пространство, то к материалам для нее предъявляют повышенные требования по пожарной безопасности – они должны быть негорючими или самозатухающими, а также при эксплуатации и горении не выделять вредных веществ. При создании пожаробезопасных материалов на основе полимерных материалов очень усложняются технологии их изготовления, но горючесть при этом снижается, хотя полностью и не устраняется, что показано в работе [12]. Применяя неорганические волокна, например вспененный асбест, можно решить эти проблемы.

В настоящее время налажено мелкосерийное производство слоев радиопоглощающего материала на основе вспененного хризотилового асбеста в ВЭТЦ ФГУП «ВИАМ» (г. Воскресенск Московской области). Благодаря тому что волокна асбеста имеют разветвленную структуру, после вспенивания отдельные из них сцепляются друг с другом и нет необходимости вводить органическое связующее. Это обеспечивает негорючесть такого материала. При склеивании слоев между собой с помощью клея ПВА степень пожаробезопасности не ухудшается, так как клей наносится только в нескольких точках, а не по всей границе раздела слоев. При этом многослойный РПМ остается пожаробезопасным.

В качестве радиопоглощающего наполнителя используют резистивное волокно, например науглероженное волокно типа «Углен». При соотношении его длины к диаметру более нескольких сотен его необходимая объемная концентрация составляет сотые и десятые доли процента [13].

Радиотехнические характеристики (коэффициент отражения в определенном 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).

В ВИАМ разработана и эффективно используется программа для численной оптимизации многослойных радиопоглощающих структур; аналогичные задачи решаются в работах [14, 15]. Оптимизируемые параметры для каждого слоя – диэлектрическая проницаемость матрицы (не наполненной радиопоглощающим наполнителем), объемное содержание радиопоглощающего наполнителя, толщина слоев при заданной суммарной толщине, конфигурация наполнителя (для волокна – это отношение длины к диаметру).

Выбор науглероженного волокна – радиопоглощающего наполнителя – невелик. До начала 2000-х годов использовали науглероженные волокна: «Углен-ЦШЭ» (ОАО «Химволокно», г. С.-Петербург) с диаметром элементарного волокна 9 мкм и удельным сопротивлением 0,0012 Ом·м, а также «Углен-9» (ОАО «Химволокно», г. С.-Петербург и ОАО «Могилевский завод искусственного волокна», Беларусь) с диаметром элементарного волокна 9 мкм и удельным сопротивлением 0,00008 Ом·м. В настоящее время серийно выпускается науглероженное волокно «УВЖ-15С Эхо» (Светлогорское ПО «Химволокно», Беларусь) с диаметром элементарного волокна 7 мкм и удельным сопротивлением 0,00003 Ом·м. Мелкосерийное производство волокон типа «Углен-9» и «Углен-ЦШЭ» организовано в ВЭТЦ ФГУП «ВИАМ».

Алгоритм моделирования и оптимизации многослойной структуры РПМ для БЭК содержит выражения для расчета комплексной относительной диэлектрической проницаемости слоев в широком диапазоне частот. В этих выражениях используют формулу Дебая для непрерывного спектра времен релаксации [16–19], в которой имеются коэффициенты, определяемые эмпирически, присущие конкретным материалам и технологиям. Для определения этих коэффициентов необходимо провести измерения диэлектрической проницаемости образцов материала из слоев РПМ (в данном случае вспененного асбеста) при различном содержании волокна, например наполнителя «УВЖ-15С Эхо». В данной работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований диэлектрической проницаемости вспененного асбеста, наполненного науглероженным волокном «УВЖ-15С Эхо» длиной 10 мм. Метод расчета относительной комплексной диэлектрической проницаемости вспененного асбеста, наполненного науглероженным волокном «УВЖ-15С Эхо», приведен в работе [19]. В соответствии с этим методом эквивалентная относительная комплексная диэлектрическая проницаемость смеси ε_экв, в которой вспененный асбест представляет собой матрицу, наполненную науглероженным волокном «УВЖ-15С Эхо», вычисляется по формуле:

где ε_м – относительная диэлектрическая проницаемость матрицы; D – диаметр релаксации

наиболее вероятная длина волны релаксации

где λ – длина волны в свободном пространстве; K_v – объемная концентрация наполнителя; ρ_v – удельное сопротивление наполнителя; F – коэффициент деполяризации, равный

где l и d – длина и диаметр волокна соответственно.

Коэффициент α₁, приближенно учитывающий ориентацию вектора напряженности электрического поля относительно направления волокон, равен: 0,333 – при хаотической ориентации волокна; 0,5 – при ориентации волокна в плоскости, параллельной вектору напряженности электрического поля; 1 – при ориентации волокна в направлении вектора напряженности электрического поля.

Эмпирический коэффициент α₂, определяемый экспериментально для конкретного материала и конкретной технологии, учитывает необходимость увеличения требуемой реальной концентрации по сравнению с теоретической, обратно пропорционален необходимому увеличению и для рассматриваемого материала равен ~0,5.

Эмпирический коэффициент α₃, определяемый экспериментально для конкретного материала и конкретной технологии, учитывает разброс длины волны релаксации.

С учетом этих коэффициентов – при предположении хаотической ориентации волокна (поглощающего наполнителя) – проведены расчеты комплексной относительной диэлектрической проницаемости. Измерения проводили:

– на частотах 1,5 и 3,0 ГГц – волноводным методом в режимах короткого замыкания и холостого хода;

– при разрешении неоднозначности измерений – в соответствии с работами [20, 21];

– на частоте 10 ГГц – с помощью определения комплексного коэффициента прохождения [22].

Результаты

В табл. 1–3 сравниваются средние расчетные и экспериментальные значения диэлектрической проницаемости при различной частоте. Для каждой величины объемной концентрации K_vволокна (наполнителя) измерения проводили не менее чем на трех образцах. Отклонение результатов от среднего значения не превышает 10%. Для каждого образца измерения проводили при направлении вектора напряженности электрического поля параллельно (E_║) и перпендикулярно (E_┴) направлению движения образца на конвейере при вспенивании волокна асбеста. (В таблицах ε^I, ε^II – действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости соответственно.)

Таблица 1

Диэлектрическая проницаемость на частоте 1,5 ГГц

Таблица 2

Диэлектрическая проницаемость на частоте 3,0 ГГц

Таблица 3

Диэлектрическая проницаемость на частоте 10,0 ГГц

Обсуждение и заключения

Анализ экспериментальных исследований комплексной относительной диэлектрической проницаемости (табл. 1–3) вспененного асбеста, наполненного науглероженным волокном «УВЖ-15С Эхо», показал, что при вспенивании на конвейере асбеста, волокна наполнителя приобретают некоторую преимущественную ориентацию вдоль направления движения конвейера, что приводит к некоторой анизотропии величины составляющих комплексной диэлектрической проницаемости. Отклонения значений этих составляющих от средней величины могут достигать до 20% от среднего значения. При проектировании радиопоглощающих материалов на основе наполненного вспененного асбеста, следует учитывать эту особенность. Расчеты коэффициентов отражения слоев проводили при следующих значениях эмпирических коэффициентов в выражении (1): α₁=0,333, α₂=0,45, α₁=1/12. Анализируя результаты, приведенные в табл. 1–3, видно, что расчетные значения отличаются от измеренных (усредненных по поляризациям) в пределах 10–15%. Так как при расчете радиотехнических характеристик РПМ в расчетные формулы величина диэлектрической проницаемости входит под корнем квадратным, то вносимая ошибка будет в 2 раза меньше, чем ошибка при вычислении величины диэлектрической проницаемости, что вполне достаточно для практического применения.