Защищённый отражатель и способ его изготовления из композита меди и углерода для систем СВЧ диапазона Российский патент 2023 года по МПК H01Q15/14 

Изобретение относится к области спутниковой и антенной техники, в частности, к пассивным отражательным элементам, и аддитивным технологиям, в частности, к селективной металлизации электропроводящих поверхностей. Защищённый отражатель из эффективного композита меди и углерода относится к области спутниковой и антенной техники, в частности, к пассивным отражательным элементам, и аддитивным технологиям, в частности, к селективной металлизации электропроводящих поверхностей.

Из текущего уровня технологий известен патент RU183908, в котором описывается методика создания параболического трансформируемого рефлектора при помощи системы гибких шарниров. Однако параболическая часть в данном патенте изготавливается заранее при помощи традиционных технологий, таких как резка, выгибание, сборка сегментов и сварка, следовательно, точность получаемой поверхности напрямую зависит от точности оборудования.

Известен патент US7014329, в котором описывается способ изготовления параболического отражателя для фокусировки солнечных лучей для походных нужд при помощи сборки радиального массива перекрывающихся сегментов. Однако данный подход принципиально неприменим в задаче фокусировки электромагнитной энергии в заранее известной точке с высокой точностью.

Существует патент RU2019010, описывающий способ изготовления параболического рефлектора для спутниковой связи путём комбинации штамповочных и сварочных работ. Приведённая методика не позволяет достичь точностных требований предъявляемым к космической связи, т.к. потери энергии вследствие не идеальности поверхности в областях штамповки и сварки велики.

В патенте RU2583863C2 описывается складной параболический рефлектор и способ его изготовления с использованием шарнирных конструкций. Шарнирные конструкции, как и прочие механические крепления не отвечают классу высокоточных антенны с высокой энергоэффективностью ввиду наличия выступающих элементов на поверхности отражателя.

В статье Fullager, D.B. et al. Metalized Poly-methacrylate Off-Axis Parabolic Mirrors for Terahertz Imaging Fabricated by Additive Manufacturing (https://doi.org/10.1007/s10762-019-0568-9) описывается наиболее близкий к предлагаемому способ создания неосевых зеркал для терагерцового излучения при помощи аддитивных технологий стереолитографии, однако стандартное отклонение такой поверхности составляет около 4 мкм, что делает её непригодной для оптического диапазона частот.

В статье Manzetti, S., Gabriel, JC.P. Methods for dispersing carbon nanotubes for nanotechnology applications: liquid nanocrystals, suspensions, polyelectrolytes, colloids and organization control. Int Nano Lett 9, 31–49 (2019). https://doi.org/10.1007/s40089-018-0260-4 описывается способ нанесения углеродных нанотрубок при помощи распыления различных растворов: диэтиловый эфир, ацетон и др., однако не рассматриваются возникающие прикладные задачи, требующие использования описываемых методов.

В патенте RU2770237 описывается методика создания СВЧ-антенн при помощи селективной металлизации, в частности, описывается раствор, позволяющий достичь высокой точности покрытия проводящей поверхности металлом. Однако не рассматривается возможность использования таких технологий, как углеродные нанотрубки.

На текущем уровне технологий большой проблемой при создании отражательных элементов для сверхвысокочастотных и оптических применений являются качество поверхности и точность повторения геометрии. При этом вследствие влияния атмосферных явлений зачастую внешние поверхности антенных структур терпят серьёзную деградацию. В основу настоящего изобретения положена цель решить эти задачи эффективно при помощи аддитивных технологий.

Задача изобретения заключается в создании способа, позволяющего изготавливать отражательную поверхность, имеющую крайне низкую шероховатость и высокую точность повторения требуемой геометрии, по сравнению с отражателями, изготовленными при помощи сварки, пайки, гибки и механической сборки. Характеристики предлагаемого изобретения позволяют применять изготавливаемый образец в широком диапазоне частот, начиная от высоких частот (ВЧ) вплоть до видимого излучения.

Указанный технический результат достигается способом изготовления отражателя из эффективного композита меди и углерода, который характеризуется cледующими этапами: (i) изготовлением многослойной структуры, первый слой которой представляет собой формообразующую поверхность из оптического стекла требуемой формы с шероховатостью Ra от 0,012 до 0,025 мкм, получаемую при помощи шлифовки вплоть до суперфиниширования и являющуюся многоразовым трафаретом; второй слой которой представляет слой углеродных нанотрубок, и повторяющий с высокой точностью форму первого слоя; третий слой которой представляет собой металлическую поверхность толщиной от 0,5 до 5 мм, нанесённую при помощи селективной металлизации электрохимическим способом в растворе, состоящие из сульфата меди II и серной кислоты в объёмном соотношении 10:1 с добавлением 0,5 г тиокарбамида CS(NH₂)₂ на литр в качестве блескообразователя для сохранения класса шероховатости общей структуры; (ii) а также разделением изготовленной структуры по границе раздела слоёв, в результате которого первый слой, формообразующая поверхность из оптического стекла, сохраняет качество своей поверхности, не теряя своих свойств, а второй и третий слои образуют неразделимый в результате селективной металлизации электрохимическим способом отражатель, с одной стороны которого образуется эффективный композит меди и углерода, с другой стороны которого находится слой меди.

Указанный технический результат достигается также тем, что отражатель из эффективного композита меди и углерода, изготовленный заявляемым способом, имеющий сверхширокий рабочий частотный диапазон в области высоких частот (ВЧ), сверхвысоких частот (СВЧ), терагерцового излучения (ТГц) и видимого излучения, содержит отражательную поверхность, образованную в результате селективной металлизации электрохимическим способом, одна сторона которой является инертной по отношению к агрессивным воздействиям внешней окружающей среды и представляет собой эффективный композит углерода и меди, а вторая сторона представляет собой слой меди.

Соблюдение вышеописанного алгоритма позволяет получать эффективно защищённые от атмосферного влияния отражатели из эффективного композита меди и углерода. Благодаря высокой удельной проводимости углеродных нанотрубок (около 10⁶ См/м), время формирования такого защитного слоя составляет приблизительно 60 минут при силе тока 1 А и химическом составе согласно описанию из патента RU2770237 с добавлением 0,5 г тиокарбамида CS(NH₂)₂ на литр в качестве блескообразователя для сохранения класса шероховатости общей структуры (в соответствии с ниже приведенным примером 1). Благодаря малой (Ra 0,012…0,025 мкм) шероховатости поверхности линзы из оптического стекла, качество отражающей поверхности позволяет ей одинаково эффективно работать во всех диапазонах частот, вплоть до оптических, причём эффективный композит меди и углерода, образующийся в результате взаимопроникновения частиц металла и углеродных нанотрубок в процессе селективной металлизации электрохимическим способом, является универсальным защитным экраном от агрессивных воздействий окружающей среды

Сущность изобретения поясняется фигурами, где на фиг. 1 изображён осесимметричный разрез общего вида многослойной структуры по п.1. На фиг. 2 изображён участок фиг. 1 в приближении, разрез АА. На фиг. 3 изображён общий вид отражателя из эффективного композита меди и углерода для данной геометрии. На фиг. 1-3 приняты следующие обозначения:

1 – слой металлизации;

2 – эффективный композит углеродных нанотрубок и меди;

3 – линза из оптического стекла с шероховатостью Ra порядка 0,012 мм.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Пример 1.

Из оптического стекла при помощи шлифовки изготовлена формообразующая поферхность в виде параболического отражателя с площадью основания 3 дм² и радиусом кривизны 5 дм (фиг. 1, фиг. 2). На параболическую поверхность методом MWCNT нанесён тонкий слой углеродных нанотрубок толщиной 0,1 мкм. С краёв поверхности к слою присоеденены вспомогательные электроды. Данная конструкция целиком помещается в гальванический раствор, состоящий из сульфата меди II и серной кислоты в объёмном соотношении 10:1 с добавлением 0,5 г тиокарбамида CS(NH₂)₂ на литр. При токе в 1 А структура выдерживается в растворе в течение 120 минут, в результате чего покрытая углеродными нанотрубками поверхность площадью 3,03 дм² полностью покрывается медью. Затем формообразующая поверхность отделяется от многослойной структуры. После отделения от линзы общий вид отражателя может быть представлен следующим образом (фиг. 3). Толщина металлизации (1) варьируется от 1,8 до 2,6 мм, что много больше глубины скин-слоя в СВЧ-диапазоне, а также обеспечивает достаточную жёсткость конструкции.

Изобретение относится к области спутниковой и антенной техники, в частности к пассивным отражательным элементам, и аддитивным технологиям, в частности к селективной металлизации электропроводящих поверхностей. Способ изготовления защищенного отражателя из композита меди и углерода, характеризуется изготовлением многослойной структуры. Первый слой представляет собой формообразующую поверхность из оптического стекла с шероховатостью Ra от 0,012 до 0,025 мкм. Второй слой представляет слой углеродных нанотрубок. Третий слой представляет собой металлическую поверхность толщиной от 0,5 до 5 мм, нанесённую при помощи селективной металлизации электрохимическим способом в растворе, состоящем из сульфата меди II и серной кислоты в объёмном соотношении 10:1 с добавлением 0,5 г тиокарбамида CS(NH₂)₂. Первый слой сохраняет качество своей поверхности, не теряя своих свойств. Второй и третий слои образуют неразделимый инертный по отношению к агрессивным воздействиям внешней окружающей среды композит с одной стороны отражательной поверхности и слой меди - со второй стороны. Изобретение отличается сверхвысокой точностью получаемого покрытия, что обуславливает возможность использования в широком диапазоне частот, начиная от высоких частот вплоть до оптического диапазона частот. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления защищенного отражателя, характеризующийся cледующими этапами: (i) изготавливают многослойную структуру, первый слой которой представляет собой формообразующую поверхность из оптического стекла с шероховатостью Ra от 0,012 до 0,025 мкм, получаемую при помощи шлифовки вплоть до суперфиниширования и являющуюся многоразовым трафаретом, второй слой представляет собой слой углеродных нанотрубок, повторяющий форму первого слоя, третий слой представляет собой металлическую поверхность толщиной от 0,5 до 5 мм, нанесённую при помощи селективной металлизации электрохимическим способом в растворе, состоящем из сульфата меди II и серной кислоты в объёмном соотношении 10:1 с добавлением 0,5 г тиокарбамида CS(NH₂)₂ на литр в качестве блескообразователя для сохранения класса шероховатости, (ii) разделяют изготовленную многослойную структуру по границе раздела слоёв, в результате которого первый слой - это формообразующая поверхность из оптического стекла, а второй и третий слои образуют неразделимый в результате взаимопроникновения частиц металла и углеродных нанотрубок в процессе селективной металлизации электрохимическим способом инертный по отношению к агрессивным воздействиям внешней окружающей среды композит с одной стороны отражательной поверхности и слой меди - со второй стороны.

2. Защищенный отражатель, изготовленный способом по п.1, характеризующийся тем, что содержит отражательную поверхность, образованную инертным по отношению к агрессивным воздействиям внешней окружающей среды композитом с одной стороны и слоем меди - со второй стороны.