ШИРОКОПОЛОСНОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОГЛОЩАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2021 года по МПК C09D5/32 B82B3/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к электромагнитным поглощающим покрытиям, предназначенным для поглощения электромагнитного излучения в объектах наземной, авиационной, космической и морской техники для снижения их радиолокационной заметности, а также для поглощения электромагнитного излучения в экранирующих устройствах, в поглощающих облицовках и корпусах, в безэховых измерительных камерах и в средствах защиты населения от неионизирующих излучений.

Известные электромагнитные поглощающие покрытия основаны на способности поглощения падающего излучения мелкодисперсными составляющими: кластерами ферромагнитных частиц, ферритов и гидрогенизированного углерода.

Известны радиопоглощающее покрытие и способ его получения, представленные в патенте RU №2228565, С1, кл. H01Q 17/00, 10.05.2004, в котором радиопоглощающее покрытие включает основу из по меньшей мере одного слоя переплетенных арамидных высокомодульных нитей с нанесенной на нити вакуумным напылением пленкой из гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него ферромагнитными кластерами.

Известно электромагнитное поглощающее покрытие, описанное в патенте RU №2363714, С2, кл. C09D 5/32, В82В 1/00, 10.08.2009, содержащее два и более слоев арамидной высокомодульной ткани типа кевлар с нанесенной на нее поглощающей пленкой, отличающееся тем, что на арамидную ткань с двух сторон нанесена пленка, причем на один слой ткани пленка из напыленного феррита с вкрапленными в него наноразмерными кластерами металлов Ni и Со, а на другой слой ткани пленка из напыленного гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него наноразмерными кластерами металлов Ni и Со.

Известно радиопоглощающее покрытие, представленное в патенте RU №2370866, С1, кл. H01Q 17/00, 20.10.2009, включающее основу из по меньшей мере двух слоев переплетенных рядов нитей, скрепленных радиопрозрачным материалом, с нанесенной на каждый слой вакуумным распылением пленкой из гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него частицами ферромагнитного материала, при этом направление переплетенных рядов нитей одного слоя тканого материала составляет с направлением переплетенных рядов нитей смежного слоя угол 60-120°, а содержание частиц ферромагнитного материала составляет от 5 мас. % в пленке, нанесенной на наружный слой переплетенных рядов нитей, до 85 мас. % в пленке, нанесенной на слой переплетенных рядов нитей, прилегающий к защищаемой поверхности.

Известно защитное покрытие, изложенное в патенте RU 2427601, С1, кл. C09D 127/12, H01Q 17/00, C09D 5/32, C08K 3/10, В32В 5/28, 5/24, 5/02, H05K 9/00, 27.08.2011, включающее основу из двух и более слоев переплетенных рядов нитей, скрепленных радиопрозрачным материалом, с нанесенной на каждый слой вакуумным распылением пленкой из гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него частицами ферромагнитного материала, причем направление переплетенных рядов нитей одного слоя составляет с направлением переплетенных рядов нитей смежного слоя угол 60-120°, а содержание частиц ферромагнитного материала составляет от 5 мас. % в пленке, нанесенной на наружный слой переплетенных рядов нитей, до 85 мас. % в пленке, нанесенной на слой переплетенных рядов нитей, прилегающий к защищаемой поверхности, при этом на поверхность пленки, нанесенной на наружный слой переплетенных рядов нитей, нанесено лакокрасочное покрытие сложного содержания ингредиентов.

Известно защитное покрытие, изложенное в патенте RU 2470967, С2, кл. C09D 5/32, H01Q 17/00, В32В 5/08, 7/12, В82В 3/00, 27.12.2012, включающее по меньшей мере два слоя полимерных нановолокон, скрепленных радиопрозрачным материалом, с нанесенной на каждый слой вакуумным распылением пленкой из гидрогенизированного углерода с вкрапленными в него частицами ферромагнитного или ферримагнитного материала, содержание частиц которого составляет от 0,5-10 мас. % в пленке, нанесенной на внешний слой полимерных нановолокон, до 80-100 мас. % в пленке, нанесенной на слой полимерных нановолокон, прилегающий к защищаемой поверхности, при этом направление полимерных нановолокон одного слоя составляет с направлением полимерных нановолокон смежного слоя угол ϕ, равный 180°/N, где N - число слоев полимерных нановолокон.

В качестве прототипа для заявляемого изобретения выбран аналог «Электромагнитное поглощающее покрытие», описанное в патенте RU №2363714, С2, кл. C09D 5/32, В82В 1/00, 10.08.2009.

Общим недостатком всех перечисленных аналогов, включая прототип, является узкая полоса частот поглощения: у всех этих покрытий рабочий диапазон лежит в области между 2 ГГц и 80 ГГц и не удовлетворяет современным требованиям защиты объектов от инновационных радио-фотонных радаров, чье излучение лежит в полосе от десятков МГц до сотен ГГц.

Задачей заявляемого изобретения является расширение полосы частот поглощения покрытия, а именно, повышение максимальной частоты поглощения до ≈700 ГГц и снижение минимальной частоты поглощения до ≈10 МГц.

Поставленная задача решается за счет того, что в поглощающей пленке применяют наночастицы медно-никелевого сплава состава 25-50 мас. % Cu, остальное Ni. При этом повышение максимальной частоты полосы поглощения до ≈700 ГГц обеспечивается выбором размера наночастиц равным или меньше толщины скин-слоя на максимальной поглощаемой частоте (≈400 нм на частоте 700 ГГц), что обеспечивает широкую полосу частот поглощения электромагнитного излучения потому, что излучение всех частот, равных и меньших максимальной, проникает в объем наночастицы и поглощается в ней, взаимодействуя со всеми фермиевскими электронами наночастицы. Это следствие того, что толщина скин-слоя на частотах, меньших максимальной, больше толщины скин-слоя на максимальной частоте. А снижение минимальной частоты полосы поглощения до ≈10 МГц обеспечивается благодаря реализации в наночастицах схемы поглощения фотона электромагнитного излучения с участием доминирующего продольного фонона, то есть фонона из области полной ширины на половине максимума (ПШПМ) распределения продольных фононов по частоте. В этой схеме фермиевский электрон возбуждается, поглощая одновременно фотон излучения и доминирующий продольный фонон, а релаксирует, возбуждая вторичный продольный фонон из области ПШПМ. Благодаря тому, что в схеме поглощения участвуют доминирующие фононы, интенсивность поглощения электромагнитного излучения повышена. При этом участие доминирующих фононов обеспечено благодаря тому, что длина волны продольных фононов из области ПШПМ (~0,5 нм) намного меньше размера наночастицы (≤400 нм).

В наночастице сплава состава 25-50 мас. % Cu, остальное Ni, в распределении продольных фононов по частотам, количественно доминируют фононы с частотами в полосе ≈3,5÷7 ТГц и пиком распределения при ≈5,2 ТГц (энергия пика ≈21,7 мэВ).

Выбор диаметра наночастиц равным или меньше толщины скин-слоя сплава состава 25-50 мас. % Cu, остальное Ni, на максимальной поглощаемой частоте электромагнитного излучения (700 ГГц) также:

а) обеспечивает непрерывность полосы (≈10 МГц ÷ 700 ГГц) поглощаемых частот излучения - благодаря тому, что у наночастицы диаметром ≤400 нм вследствие соотношений неопределенностей Гейзенберга неопределенность в энергии электронных уровней (~1 мэВ) намного превышает величину зазора между энергетическими уровнями как электронов (≈10^-6 мэВ), так и продольных фононов в области ПШПМ (≈10^-3 мэВ). Благодаря этой неопределенности в энергии возбужденного электрона, он не будет «замечать» дискретность уровней продольных фононов в области ПШПМ, и релаксация возбужденного электрона всегда будет обеспечена;

б) определяет положения полос энергий поглощаемого электромагнитного излучения (4,1⋅10^-5 ÷ 2,9 мэВ, соответствующие частоты: ≈10 МГц ÷ 700 ГГц) ниже и выше уровня Ферми сплава состава 25-50 мас. % Cu, остальное Ni, - в пределах области теплового размытия распределения плотности состояний электронов в окрестности уровня Ферми (ширина этой области: ≈kT≈25 мэВ, где k - постоянная Больцмана, а Т - температура наночастицы, здесь принято Т=300 K). Ниже уровня Ферми с энергией E_F, в полосе энергий [E_F - (4,1⋅10^-5 ÷ 2,9 мэВ)], лежат уровни электронов, возбуждаемых при одновременном поглощении фотона и доминирующего продольного фонона, если проекция импульса фонона на направление распространения электромагнитного излучения сонаправленна с импульсом фотона. В случае, если проекция импульса фонона на направление распространения электромагнитного излучения противоположно направленна с импульсом фотона, то уровни электронов, возбуждаемых при одновременном поглощении фотона и доминирующего продольного фонона, лежат выше уровня Ферми, в полосе энергий [E_F+(4,1⋅10^-5 ÷ 2,9 мэВ)].

Выбор для наночастиц медно-никелевого сплава состава 25-50 мас. % Cu, остальное Ni, обеспечивает сочетание достаточно высокой плотности электронных состояний вблизи уровня Ферми (что повышает число актов поглощения фотонов электромагнитного излучения в единицу времени) с достаточно высокой интенсивностью рассеяния возбужденных электронов (что повышает интенсивность пребразования поглощенного излучения в теплоту); результатом является эффективное снижение отражательной способности покрытия в широком диапазоне частот.

За минимальное содержание наночастиц в поглощающей пленке, выполненной из радиопрозрачного материала, принята величина в 30 об. %. Меньшее содержание наночастиц может ухудшить поглощательные качества широкополосного электромагнитного поглощающего покрытия. За максимальное содержание наночастиц в поглощающей пленке принята величина в 60 об. %. Содержание наночастиц, превышающее 60 об. %, может ухудшить прочностные качества поглощающей пленки. (Теоретически возможное максимальное содержание наночастиц в поглощающей пленке равно 74 об. %, оно относится к предельному случаю гексагональной плотнейшей упаковки наночастиц).

Широкополосное электромагнитное поглощающее покрытие иллюстрируется чертежами (фиг. 1 - фиг. 3), где на фиг. 1 изображен общий вид покрытия в разрезе при одностороннем нанесении поглощающей пленки на основание, на фиг. 2 - то же, при нанесении поглощающей пленки на обе стороны основания, на фиг. 3 - то же, при использовании нескольких слоев поглощающей пленки. В Таблице 1 приведены примеры реализации широкополосного электромагнитного поглощающего покрытия.

При одностороннем нанесении поглощающей пленки (фиг. 1), широкополосное электромагнитное поглощающее покрытие состоит из основания 1 в виде радиопрозрачной ткани, на которую нанесена поглощающая пленка 2 из радиопрозрачного материала, содержащего наночастицы 3 из сплава состава 25-50 мас. % Cu, остальное Ni.

При двухстороннем нанесении поглощающей пленки (фиг. 2) широкополосное электромагнитное поглощающее покрытие состоит из радиопрозрачного тканевого основания 1, на которое с двух сторон нанесена поглощающая пленка 2 из радиопрозрачного материала, содержащего наночастицы 3 из сплава состава 25-50 мас. % Cu, остальное Ni.

При использования нескольких слоев поглощающей пленки (фиг. 3) широкополосное электромагнитное поглощающее покрытие состоит из n слоев радиопрозрачного тканевого основания 1, на которое нанесено n слоев поглощающей пленки 2 из радиопрозрачного материала, содержащего наночастицы 3 из сплава состава 25-50 мас. % Cu, остальное Ni.

Широкополосное электромагнитное поглощающее покрытие при одностороннем нанесении поглощающей пленки (фиг. 1) работает следующим образом. Фотон электромагнитного излучения с энергией hν в диапазоне 4,1⋅10^-5 ÷ 2,9 мэВ (частоты: ≈10 МГц ÷700 ГГц) проходит сквозь радиопрозрачную поглощающую пленку 2 и, достигнув наночастицы 3, поглощается в ней одновременно с доминирующим продольным фононом с энергией Е', возбуждая электрон, находящийся на энергетическом уровне (E_F - hν), на уровень (E_F+Е') (в случае, если проекция импульса фонона на направление распространения электромагнитного излучения сонаправленна с импульсом фотона). В случае, если проекция импульса фонона на направление распространения электромагнитного излучения противоположно направленна с импульсом фотона, то будет возбуждаться электрон, находящийся на уровне (E_F+hν), - тоже на уровень (+Е'). Далее возбужденный электрон релаксирует, либо рассеиваясь на электронах или на границе наночастицы 3 (происходит диссипация энергии электромагнитного излучения в теплоту), либо возбуждая в наночастице 3 вторичный продольный фонон: с энергией (Е'+hν) - при переходе возбужденного электрона с уровня (E_F+Е') на уровень (-hν) (в случае, если проекция импульса фонона на направление распространения электромагнитного излучения сонаправленна с импульсом фотона), и с энергией (Е'-hν) - при переходе возбужденного электрона с уровня (+Е') на уровень (+hν) (в случае, если проекция импульса фонона на направление распространения электромагнитного излучения сонаправленна с импульсом фотона). В конечном итоге, наночастица 3 через посредничество вторичного продольного фонона так же преобразовывает энергию фотона hν в теплоту. Как следствие, отражение фотона электромагнитного излучения отсутствует, и поэтому отражательная способность широкополосного электромагнитного поглощающего покрытия низка.

Широкополосное электромагнитное поглощающее покрытие при двухстороннем нанесении поглощающей пленки (фиг. 2) работает аналогичным образом. В наружном слое поглощающей пленки фотон электромагнитного излучения с энергией hν так же, как в предыдущем варианте, поглощается в наночастице одновременно с доминирующим продольным фононом с энергией Е' и возбуждает электрон с уровней (E_F±hν) на уровень (+Е'). Далее возбужденный электрон, рассеиваясь на электронах или на границе наночастицы, или возбуждая вторичный продольный фонон с энергией (E_F-hν) или (Е'+hν), обеспечивает превращение энергии электромагнитного излучения в теплоту. В случае, если фотон электромагнитного излучения не будет поглощен наружным слоем поглощающей пленки, он пройдет сквозь радиопрозрачное тканевое основание и подвергнется аналогичному процессу поглощения.

Результатом будет пониженная отражательная способность широкополосного электромагнитного поглощающего покрытия.

Широкополосное электромагнитное поглощающее покрытие при использовании нескольких слоев поглощающей пленки (фиг. 3) работает аналогично варианту при двухстороннем нанесении поглощающей пленки. В случае, если фотон электромагнитного излучения не будет поглощен предыдущим слоем поглощающей пленки, он пройдет сквозь радиопрозрачное тканевое основание и подвергнется аналогичному процессу поглощения в последующем слое поглощающей пленки. В результате отражательная способность широкополосного электромагнитного поглощающего покрытия будет понижена.

Использование предлагаемого широкополосного электромагнитного поглощающего покрытия обеспечит эффективное поглощение электромагнитного излучения в широком диапазоне частот (≈10 МГц ÷ 700 ГГц) - рабочем диапазоне инновационных радио-фотонных радаров. Оно также может использоваться в экранирующих устройствах для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем, для обеспечения пассивной защиты информации - предотвращения ее утечки из офисных помещений, специальных защищенных комнат для обработки шифрованной информации, комнат для ведения конфиденциальных переговоров, а также из камер для настройки и испытаний специальной электронной аппаратуры.

Широкополосное электромагнитное поглощающее покрытие предназначено для поглощения электромагнитного излучения в объектах наземной, авиационной, космической и морской техники с целью снижения их радиолокационной заметности, а также для поглощения электромагнитного излучения в экранирующих устройствах, в поглощающих облицовках и корпусах, в безэховых измерительных камерах и в средствах защиты населения от неионизирующих излучений. Широкополосное электромагнитное поглощающее покрытие, содержащее основание из по меньшей мере одного слоя радиопрозрачной ткани с нанесенной на нее с одной или обеих сторон поглощающей пленкой, выполненной из радиопрозрачного материала и содержащей наночастицы медно-никелевого сплава, отличающееся тем, что наночастицы имеют состав 25-50 мас. % Cu, остальное Ni, а их размер не превышает толщины скин-слоя в этом сплаве на максимальной частоте диапазона поглощения покрытия. Использование предлагаемого широкополосного электромагнитного поглощающего покрытия обеспечит эффективное поглощение электромагнитного излучения в широком диапазоне частот (10 МГц - 700 ГГц). 1 табл., 3 ил.

Широкополосное электромагнитное поглощающее покрытие, содержащее основание из по меньшей мере одного слоя радиопрозрачной ткани с нанесенной на нее с одной или обеих сторон поглощающей пленкой, выполненной из радиопрозрачного материала и содержащей наночастицы медно-никелевого сплава, отличающееся тем, что наночастицы имеют состав 25-50 мас. % Cu, остальное Ni, а их размер не превышает толщины скин-слоя в этом сплаве на максимальной частоте диапазона поглощения покрытия.