Радиопоглощающий конструкционный материал Российский патент 2019 года по МПК C22C29/02 H01Q17/00 C04B35/26 C04B35/565 

Изобретение относится к области радиотехники, и может быть использовано для создания деталей и элементов, поглощающих радиоволны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.

Одной из областей применения радиопоглощающих материалов (РПМ) и радиопоглощающих покрытий (РПП) является уменьшение отраженного сигнала с целью уменьшения радиолокационной заметности военной техники, в частности самолетов. Для решения таких задач необходимо создание РПМ, поглощающих излучение в широком СВЧ поддиапазоне при тяжелых условиях эксплуатации.

Широко известными и широко применяемыми радиопоглощающими материалами являются материалы на основе полимерного связующего с наполнителями различных типов (ферритов, металлов, полупроводников и т.д.). Основным их применением является создание на их основе радиопоглощающего покрытия, наносимое на конструкционный материал (обычно металл), из-за их низкой прочности и низких рабочих температур.

Известен радиопоглощающий материал, включающий в себя в качестве полимерного связующего синтетический клей "Элатон" на основе латекса и в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при соотношении компонентов, мас. %: синтетический клей "Элатон" на основе латекса 80-20, порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80. [Патент РФ №2155420]

Недостатком такого материала является низкие прочностные характеристики получаемого покрытия, а также низкий диапазон рабочих температур, ограниченные главным образом связующего компонента - синтетического клея.

Известен поглотитель электромагнитных волн, который представляет собой многослойное интерференционное покрытие, включающее несколько слоев переменной толщины, между которыми расположены двухмерные решетки резонансных элементов. [Патент РФ №2119216].

Существенным недостатком такого поглотителя является сложная технология его создания, требующая точного изготовления и контроля толщины каждого слоя диэлектрика и резонансных объектов.

Большой интерес представляют радиопоглощающие материалы, которые могут быть использованы для непосредственного изготовления деталей и узлов, т.е. быть конструкционными. Для таких материалов важна технологичность их получения, а также простота изготовления конечных изделий из них.

Известен композиционный радиопоглощающий конструкционный материал, который представляет собой монолитную композицию двух «пакетов», первый из которых выполняет функцию радиопоглощающего пакета, в состав которого введены пленки гидрогенизированного аморфного углерода с наночастицами 3d-металлов. Второй пакет воспринимает основную прочностную нагрузку. [Патент РФ №2623577]

Недостатком такого конструкционного материала является крайне узкий диапазон поглощаемого электромагнитного излучения (ЭМИ), а также невозможность применения такого материала в высокотемпературных элементах.

Наиболее близким является композиционный материал на основе карбида кремния с наполнителем из карбонильного железа в который, в качестве спекающей добавки, введено 20% силикатного стекла [Патент РФ №2324991]. Обжиг и прессование осуществляют в одной и той же форме, выполненной из графита. Обжиг осуществляют в одну стадию при температуре не более 900°С.

К недостаткам прототипа можно отнести низкий значения коэффициентов поглощения и отражения. Также прочностные характеристики предложенного материала определяются исключительно прочностью силикатного стекла. Этот факт вместе с низкой температурой спекания приводит к ограничению в диапазоне рабочих температур, как по прочностным характеристикам так и по радиопоглощающим.

Задачей предлагаемого изобретения является создание конструкционного радиопоглощающего материала с наполнителем.

Техническим результатом является достаточная высокая прочность керамического материала, широкий диапазон рабочих частот, в котором обеспечивается поглощение ЭМИ, работоспособность материала при повышенных температурах.

Технический результат достигается тем, что радиопоглощающий конструкционный материал, содержит в своем составе в качестве наполнителей ферриты на основе ВаО и СоО и в качестве керамической связки используется добавка на основе титаната марганца и оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, мас. %: SiC - 30-60, Ферриты - 20-50, керамическая связка - остальное.

В отличии от прототипа, в предлагаемом изобретении в качестве наполнителя вместо карбонильного железа используются ферриты на основе ВаО и СоО. Известна низкая стойкость карбонильного железа к длительным тепловым нагрузкам. Введение в состав ферритов ВаО и СоО позволило расширить диапазон рабочих температур до 700 град.С.

В предлагаемом изобретении поглощение электромагнитного излучения происходит за счет двух типов поглощения. Магнитные потери обусловлены наличием в составе феррита BaO6-Fe2O3 и феррита CoO-Fe2O3. Феррит бария за счет гексагональной структуры имеет наибольшую эффективность в сантиметровой области длин волн, в то время как феррит кобальта имеет кубическую структуру и вносит существенный вклад в поглощение ЭМИ в области дециметровых длин волн.

Применение в качестве матрицы композиционного материала карбида кремния позволяет применять предлагаемый материал в качестве высокотемпературного конструкционного материала. Также карбид кремния является полупроводниковым материалом и также вносит существенный вклад радиопоглощение за счет полупроводникового типа поглощения, обусловленного потерями на электропроводность. Также карбидкремниевая матрица является отделителем частиц ферритов между собой.

В отличии от прототипа, в качестве спекающей добавки используется добавка на основе титаната марганца и оксида алюминия. Данная добавка является низкотемпературной (1300 град.С), что позволяет не подвергать ферриты влиянию высоких температур при спекании, но в то же время позволяет получать материал достаточной прочности для его использования в качестве конструкционного.

Пример 1.

Радиопоглощающий конструкционный материал, содержащий карбид кремния и наполнители, отличающийся тем, что он содержит керамическую связку на основе титаната марганца и оксида алюминия, при этом в качестве наполнителей он содержит ферриты на основе ВаО и СаО при следующем соотношении компонентов, мас. %: карбид кремния - 40, ферриты на основе ВаО и СоО - 40, керамическая связка на основе титаната марганца и оксида алюминия - 20. Образцы изготавливаются методом горячего шликерного литья. Данная технология является простой и позволяет получать изделия сложной геометрической формы и обеспечивает высокую производительность. Технология включает в себя следующие этапы: подготовка исходных порошков, смешивание, подготовку горячего шликера, формование заготовки под давлением, предварительный обжиг, обжиг изделия. В отличие от технологии прессования, полученные образцы и изделия не нуждаются в дополнительной механической обработке.

Полученные образцы были испытаны на прочность при трехточечном изгибе в соответствии с ГОСТ 24409-80. Прочность полученного материала составила 65 МПа при комнатной температуре. Прочность материала при температуре 700°С составила 64 МПа. Предел прочности при сжатии составил 97 МПа. Микротвердость материала составляет 2034±50 МПа. Для измерения радиопоглощающих свойств применялся измеритель панорамный КСВН Р2-137. Предлагаемый материал имеет следующие характеристики: коэффициент ослабления отраженного сигнала при частоте 2 ГГц при температуре 20°С: -4,1 Дб, коэффициент ослабления отраженного сигнала при частоте 18 ГГц при температуре 20°С: -5,4 Дб, коэффициент ослабления отраженного сигнала при частоте 2 ГГц при температуре 700°С: -4,4 Дб, коэффициент ослабления отраженного сигнала при частоте 18 ГГц при температуре 700°С: -5,2 Дб.

Пример 2.

Изготовление образцов проводилось аналогично примеру 1, но при других значениях соотношений компонентов, мас. %: карбид кремния - 30, ферриты на основе ВаО и СоО - 50, керамическая связка на основе титаната марганца и оксида алюминия - 20. Полученный материал по прочностным характеристикам близок к материалу в примере 1. Данный материал наиболее применим в областях более высоких частот вследствие повышенных значений поглощения в этой области: Коэффициент ослабления отраженного сигнала при частоте 2 ГГц при температуре 20°С: -3,5 Дб, коэффициент ослабления отраженного сигнала при частоте 18 ГГц при температуре 20°С: -6,1 Дб, коэффициент ослабления отраженного сигнала при частоте 2 ГГц при температуре 700°С: -3,4 Дб, коэффициент ослабления отраженного сигнала при частоте 18 ГГц при температуре 700°С: -6,0 Дб.

Пример 3.

Изготовление образцов проводилось аналогично примеру 1, но при других значениях соотношений компонентов, мас. %: карбид кремния - 60, ферриты на основе ВаО и СоО - 20, керамическая связка на основе титаната марганца и оксида алюминия - 20. Полученный материал по прочностным характеристикам близок к материалу в примере 1. Данный материал наиболее применим в областях более низких частот вследствие повышенных значений поглощения в этой области: Коэффициент ослабления отраженного сигнала при частоте 2 ГГц при температуре 20°С: -5,1 Дб, коэффициент ослабления отраженного сигнала при частоте 18 ГГц при температуре 20°С: -3,4 Дб, коэффициент ослабления отраженного сигнала при частоте 2 ГГц при температуре 700°С: -5,4 Дб, коэффициент ослабления отраженного сигнала при частоте 18 ГГц при температуре 700°С: -3,2 Дб.

Изобретение относится к радиопоглощающим конструкционным материалам. Материал содержит 30-60 мас.% карбида кремния, 20-50 мас.% наполнителей в виде ферритов на основе ВаО и СoО и остальное керамическая связка на основе титаната марганца и оксида алюминия. Материал обладает достаточно высокой прочностью, широким диапазоном рабочих частот, в котором обеспечивается поглощение электромагнитного излучения, и работоспособностью при повышенных температурах. 3 пр.

Радиопоглощающий конструкционный материал, содержащий карбид кремния и наполнители, отличающийся тем, что он содержит керамическую связку на основе титаната марганца и оксида алюминия, при этом в качестве наполнителей он содержит ферриты на основе ВаО и СoО при следующем соотношении компонентов, мас. %:

карбид кремния 30-60 ферриты на основе ВаО и СоО 20-50 керамическая связка на основе титаната марганца и оксида алюминия остальное