Конструкционный высокотемпературный материал для поглощения электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн Российский патент 2018 года по МПК H01Q17/00 

Изобретение относится к области высокотемпературных широкополосных радиопоглощающих материалов, в частности к радиопоглощающему композиционному материалу (далее материалу) на основе керамики, который может быть использован при температурах внешней среды до 1000°С в условиях воздействия механических нагрузок и предназначен для эффективного снижения уровня отраженного электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне.

Радиопоглощающие материалы (РПМ) применяются в тех областях, где необходимо подавить отражение электромагнитного излучения (ЭМИ), в частности в СВЧ-диапазоне. Существует особая необходимость в создании радиопоглощающих материалов для широкополосных объемных поглотителей, способных эффективно поглощать ЭМИ в диапазоне 1-18 ГГц и функционировать в диапазоне температур от - 50 до 1000°С, в том числе в окислительной среде. При этом для поглотителей, которые являются частью конструкций, находящихся под воздействием механических нагрузок, в частности вибрационных, важным фактором является достаточно высокий уровень механических характеристик материалов, из которых они сделаны. В настоящее время существует множество радиопоглощающих материалов и покрытий, напыляемых или приклеиваемых на защищаемые объекты или изделия, содержащих, как правило, полимерные материалы, подавляющее большинство из которых предназначено для функционирования при температурах не выше 400°С. РМП на основе керамики являются перспективными для создания высокотемпературных конструкционных поглотителей, способных выдерживать механические нагрузки при функционировании в агрессивных средах.

Степень поглощения ЭМИ, оцениваемая величиной снижения уровня отражения, оптимизируется различными путями, в том числе обеспечением максимального поглощения внутри материала за счет магнитных и диэлектрических потерь. Керамические радиопоглощающие материалы часто содержат добавки, регулирующие и оптимизирующие их свойства поглощения в определенном диапазоне частот. В общем случае радиопоглощающая керамика может содержать добавки веществ, обеспечивающие требуемые диэлектрические и/или магнитные потери [1]. В составе материала могут быть использованы также дополнительные слои, обладающие радиопрозрачными свойствами.

Известен радиопоглощающий материал для однонаправленного излучения в широком диапазоне частот: от 300 МГц до 30 ГТц (заявка Японии JP 2006192875 (А), публ. 27.07.2006, МПК В32В 18/00; В32В 7/02; Е04В 1/92; Н01Р 11/00; H01Q 17/00; Н05К 9/00 [2]). Материал по упомянутому изобретению содержит слой на основе вспененной керамики, включающей Al₂O₃ или SiC, или ТiO₂, а также 10%мас.углерода и имеющей пористость 50-95%. Кроме того, на задней поверхности указанного слоя расположен отражающий слой. Содержание углерода является основным фактором, управляющим диэлектрическими потерями в указанном материале и степенью поглощения ЭМИ. Недостатком указанного материала является использование углерода в качестве компонента, влияющего на радиопоглощающие свойства, при том что углерод является нестойким в высокотемпературной окислительной среде и его электрические свойства находятся в сильной зависимости от температуры. Эти особенности ограничивают возможные применения указанного материала. Кроме того, материал на основе пенокерамики не является конструкционно прочным, что исключает его применение в условиях воздействия механических нагрузок.

Известно техническое решение, принятое в качестве прототипа (патент США US 8031104 (B2), публ. 04.10.2011, МПК H01Q 17/00 [3]), которое относится к поглотителю СВЧ-излучения для высокотемпературных применений (с температурами до 1000°С), и в котором требуемые свойства радиопоглощения достигаются за счет включения в состав поглотителя как минимум одного резистивного слоя и как минимум одного диэлектрического слоя. При этом резистивный слой является электропроводящим с относительно высоким электрическим сопротивлением и поглощает ЭМИ за счет высоких диэлектрических потерь, а диэлектрический слой обладает радиопрозрачными свойствами. Резистивный слой выполнен из так называемой МАХ-фазы и имеет состав, соответствующий формуле М_n+1АХ_n, где М - один или два элемента из группы Sc, Ti, V, Сг, Zr, Nb, Mo, Hf и Та; A - один или два элемента из группы: Al, Si, Р, S, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, TI, Pb; X=С и/или N, например, Ti₃GeC₂, Ti₃AlC₂, Ti₃SiC₂, Ti₄AlN₃. Диэлектрический слой выполнен из термостойкой керамики, содержащей Аl₂O₃ и/или SiO₂, например муллит, кордиерит, кварцевое стекло.

Недостатком материала прототипа является использование слоев из монолитной керамики, которая, как известно, обладает недостаточным уровнем трещиностойкости и прочности для применения в условиях действия высоких механических нагрузок и вибраций [4].

Задачей настоящего изобретения является разработка высокотемпературного конструкционного широкополосного радиопоглощающего материала для создания объемного поглотителя электромагнитного излучения, обладающего стойкостью к воздействию температур до 1000°С и высоким уровнем физико-механических характеристик, обеспечивающих возможность использования материала в конструкциях, подверженных воздействию механических нагрузок, в частности вибрации.

Указанная задача решается путем создания высокотемпературного радиопоглощающего композиционного материала с термостойкостью до 1000°С, содержащего по крайней мере два слоя с низкими диэлектрическим потерями и по крайней мере один слой с высокими диэлектрическими потерями, в котором слой с высокими диэлектрическими потерями расположен между слоями с низкими диэлектрическими потерями и содержит поглощающие элементы, однородно распределенные в неорганическом связующем. При этом указанное неорганическое связующее включает компоненты, составляющие слои с низкими диэлектрическими потерями, и эти слои армированы волокнами. Компонентами, включенными в состав слоев с низкими диэлектрическими потерями, являются Al₂O₃ и SiO₂, а поглощающие элементы в слое с высокими диэлектрическими потерями имеют призматическую форму и включают в своем составе карбид кремния и элемент Fe.

В предлагаемом радиопоглощающем композиционном материале технический эффект достигается в первую очередь за счет создания определенной многослойной структуры из слоев с низкими и высокими диэлектрическими потерями, а также за счет использования определенного химического состава указанных слоев (включая поглощающие элементы), обеспечивающего требуемые характеристики радиопоглощения и высокий уровень термостойкости.

Кроме того, технический эффект достигается за счет использования в составе материала армирующих волокон и пластичного неорганического связующего, которые обеспечивают целостность структуры композиционного материала и повышают его стойкость к воздействию ударных и вибрационных нагрузок. Использование указанных армирующих волокон и неорганического связующего обеспечивает также технологичность и простоту процесса при создании объемных поглотителей различных форм и размеров на предварительно подготовленных металлических каркасах.

Призматическая форма поглощающих элементов способствует технологичности при формировании слоя с высокими диэлектрическими потерями, с возможностью однородного распределения в этом слое, и обеспечивает точное управление толщиной слоя с достижением требуемых характеристик радиопоглощения. Кроме того, поглощающие элементы создают дополнительное упрочнение материала.

В одном из вариантов изобретения слой с высокими диэлектрическими потерями изготовлен с использованием состава, обладающего дополнительно магнитными свойствами, такими как высокие магнитные потери, которые сохраняют стабильность при нагреве вплоть до температуры 1000°С и повышают характеристики радиопоглощения материала в целом.

Предлагаемое изобретение является новым, имеет изобретательский уровень, применимо в промышленных масштабах. Изобретение может быть реализовано с использованием известной технологии порошковой металлургии и оборудования, используемого на разных стадиях этой технологии.

Ниже приводится пример реализации изобретения.

Поглощающие элементы изготавливают предварительно методом порошковой металлургии с использованием следующих стадий: получения исходных смесей на основе порошка α-SiC (марка 64С) с добавками до 7 мас. % порошка железа (с содержанием примесей не более 0,08 мас. %), керамического связующего (например, ТУ 1523-002-14377547-2007) и временного термопластичного связующего (до 15 мас. %); формования брусков с размерами 3×3×20 мм методом шликерного литья; сушки и спекания в атмосфере воздуха при температуре до 1250°С. Кремнеземную ткань КТ-11 раскраивают в соответствии с требуемой формой. На одном листе кремнеземной ткани располагают полученные поглощающие элементы в форме брусков в один слой на расстоянии 3-5 мм друг от друга так, чтобы их длинные стороны были ориентированы в одном направлении. Уложенные поглощающие элементы покрывают сверху другим листом кремнеземной ткани. Готовят неорганическое связующее из алюмосиликатного клея НС-1 ТУ 6 00209775. 075-2000. Неорганическим связующим, подготовленным ранее, пропитывают всю слоистую структуру. Проводят отверждение алюмосиликатного клея. Располагают и закрепляют полученный композиционный материал с одной стороны предварительно созданного металлического каркаса, соответствующего пирамидальной форме объемного поглотителя. С другой стороны металлического каркаса располагают и закрепляют еще один слой кремнеземной ткани. Проводят дополнительную пропитку алюмосиликатным клеем всей конструкции и последующее его отверждение.

Полученный материал в виде конструкции объемного поглотителя был испытан в условиях направленного электромагнитного излучения в диапазоне частот 1-18 ГГц. Получены высокие значения снижения уровня отражения электромагнитного излучения: от -15 до -21 дБ в указанной полосе частот.

Список источников

1. Saville P. Review of Radar Absorbing Materials: Technical Memorandum Defence Research and Development Canada - Atlantic TM 2005-003, 2005.

2. JP 2006192875 (A) / Toshiba Ceramics Co; publ. 27.07.2006.

3. US 8031104 (B2) / TOTAL Forsvarets Forskningsinstitutt [SE]; publ. 04.10.2011.

4. Ceramic Materials and Components for Engines / Ed. by Jurgen G. Heinrich and Fritz Aldinger: WILEY-VCH Verlag GmbH, 2001.

Изобретение относится к области высокотемпературных широкополосных конструкционных радиопоглощающих материалов, которое может быть использовано для эффективного снижения уровня отраженного электромагнитного излучения в диапазоне 1-18 ГГц. Высокотемпературный радиопоглощающий композиционный материал с термостойкостью до 1000°С и кратковременно выше, содержащий по крайней мере два слоя с низкими диэлектрическим потерями и по крайней мере один слой с высокими диэлектрическими потерями, в котором слой с высокими диэлектрическими потерями расположен между слоями с низкими диэлектрическими потерями и содержит поглощающие элементы, однородно распределенные в неорганическом связующем. При этом неорганическое связующее включает компоненты, составляющие слои с низкими диэлектрическими потерями, и эти слои армированы волокнами. Компонентами, включенными в состав слоев с низкими диэлектрическими потерями, могут являться Al₂O₃ и SiO₂, а поглощающие элементы в слое с высокими диэлектрическими потерями могут иметь призматическую форму и включать в своем составе карбид кремния и элемент Fe. Кроме того, слой с высокими диэлектрическими потерями может дополнительно характеризоваться высокими магнитными потерями. 4 з.п. ф-лы.

1. Высокотемпературный радиопоглощающий композиционный материал, с термостойкостью до 1000°C, содержащий по крайней мере два слоя с низкими диэлектрическими потерями и по крайней мере один слой с высокими диэлектрическими потерями, отличающийся тем, что слой с высокими диэлектрическими потерями расположен между слоями с низкими диэлектрическими потерями и содержит поглощающие элементы, однородно распределенные в неорганическом связующем, которое включает компоненты, составляющие слои с низкими диэлектрическими потерями, причем слои с низкими диэлектрическими потерями выполнены армированными волокнами.

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что компонентами связующего являются Al₂O₃ и SiO₂.

3. Материал по п. 1, отличающийся тем, что поглощающие элементы имеют призматическую форму и включают в своем составе карбид кремния и элемент Fe.

4. Материал по п. 3, отличающийся тем, что в качестве слоя с высокими диэлектрическими потерями используют материал, дополнительно обладающий высокими магнитными потерями.

5. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он размещается на металлической поверхности задаваемой формы, причем нижний диэлектрический слой обеспечивает задаваемые требования к уровню адгезии материала с металлической поверхностью во всем температурном диапазоне.