Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Материалы для усиления помехозащищенности георадара от радиоизлучения верхней полусферы (обзор) 15
1.1. Средства защиты георадара от электромагнитных полей методом экранирования 15
1.2. Технические требования к материалам, применяемых для целей экранировки георадара. Примеры создания радиопоглощающих материалов (РПМ) 19
1.3. Анализ резистивных материалов с электропроводящими наполнителями типа сажи, графита, углеродных волокон 23
1.4. Сравнение характеристик материалов, исследуемых в работе, с промышленно выпускаемыми мировыми аналогами 30
1.5. Основные направления теоретических и практических исследований 36
1.6. Теоретические предпосылки для создания многослойных градиентно-резистивных РПМ 38
Выводы по главе 1 50
ГЛАВА 2. Разработка электропроводящих композиционных материалов (ЭКМ) на основе пенополиуретанов с углеродными наполнителями 52
2.1. Сведения об исходных компонентах 52
2.2. Исследования материалов с помощью лазерного.анализатора размеров частиц Analysette22 (FRITSCH) 56
2.3. Изучение структуры химически активированных графитов (ХАТ) , рентгенографическим методом 60
2.4. Изучение электрических свойств покрытий ХАГ на плоских полимерных подложках ". 67
2.5. Изготовление экспериментальных образцов объемных пористых ЭКМ с заданными свойствами з
2.6. Электрофизические методы контроля подготовленных образцов объемных пористых ЭКМ в процессе изготовления и результаты измерений 79
2.7. Исследование влияния условий пропитки поролона на свойства покрытия образцов ЭКМ 84
2.8. Исследование процесса старения поролона марки ППУ-2536 и
образцов ЭКМ на его основе 87
Выводы по главе 2 87
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования структуры и радиофизических свойств ЭКМ 90
3.1. Структура объемных пористых ЭКМ 90
3.2. Измерения радиофизических характеристик ЭКМ в СВЧ диапазоне для контроля и оптимизации технологического процесса 95
3.3. Исследования спектров диэлектрической проницаемости в диапазоне частот
2. 23 ГГц и построение модели поляризации среды типа ЭКМ.. 109
3.4. Исследование структуры и диэлектрических свойств ЭКМ в условиях механического воздействия 118
Выводы по главе 3 124
ГЛАВА 4. Изготовление опытного образца помехоподавляющего экрана на основе разработанных ЭКМ 126
4.1. Частотные зависимости радиофизических характеристик многослойных структур: проведение экспериментальных исследований и электродинамического моделирования 126
4.2. Изготовление опытного образца помехоподавляющего экрана 134
4.3. Проведение натурных испытаний в условиях интенсивных помех в верхней полусфере 141
4.4. Оценка эффективности работы экрана 145
Выводы по главе 4 152
Заключение 153
Библиографический список
- Анализ резистивных материалов с электропроводящими наполнителями типа сажи, графита, углеродных волокон
- Изучение структуры химически активированных графитов (ХАТ) , рентгенографическим методом
- Измерения радиофизических характеристик ЭКМ в СВЧ диапазоне для контроля и оптимизации технологического процесса
- Проведение натурных испытаний в условиях интенсивных помех в верхней полусфере
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время широкое распространение получили методы исследования почвы, льда, фундаментов сооружений и др. зондированием короткими электромагнитными импульсами (георадиолокация). Разработанные для этих целей антенные устройства (георадары) практически не защищены от индустриальных помех и регистрации ложных объектов в верхней полусфере. Несмотря на резкое увеличение эффективности вычислительной техники и технологий шумоподавления, решение вопросов защиты георадарных устройств от внешних помех остается в значительной мере конструкторской и материаловедческой задачей. Технические требования к радиоматериалам для этих целей очень высоки. Для обеспечения электромагнитной совместимости, повышения эффективности экранировки, снижения веса конструкции требуется разработка новых объемных композиционных радиоматериалов, что является актуальной практической материаловедческой задачей.
На сегодняшний день подробно разработаны принципы построения ра-диопоглощающих материалов (РПМ) и конструкций. Для различных диапазонов частот используют материалы (конструкции) различной химической природы, структуры и геометрии, в частности, ферриты, магнитодиэлектрики, композиционные материалы с электропроводящими и магнитными включениями, профилированные электропроводящие материалы. Предпринимаются попытки построения широкополосных РПМ на основе тонкоплёночных структур. Столь широкий спектр подходов к созданию РПМ связан, прежде всего, с принципиальным ограничением, связывающим толщину РПМ, необходимую для достижения необходимой функциональности, с эффективной длиной волны и дисперсией диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также с необходимостью учёта ряда эксплуатационных требований.
Разрабатываемые в данной работе резистивные материалы представляют собой объемные пористые материалы на основе вспененных полиуретанов (ППУ) с углеродными наполнителями, обладающих заданным уровнем электропроводности. На основе таких материалов с различной концентрацией проводящей фазы и, следовательно, электропроводности и диэлектрической проницаемости, можно получать оптимальные по радиотехническим характеристикам многослойные и градиентные конструкции. Несмотря на всё более широкое практическое применение, некоторые важные вопросы, в частности, влияние структуры ППУ, свойств углеродного наполнителя и образуемого им проводящего покрытия на резистивные (диэлектрические) свойства пористого электропроводящего композиционного материала (ЭКМ) не исследовано достаточно подробно. Кроме того, одной из принципиальных задач, которые необходимо решать при создании РПМ на базе материалов резистивного типа, является учёт частотной зависимости диэлектрической проницаемости и проводимости. Поэтому изучение зависимостей интегральных электрофизических характеристик разрабатываемых материалов от структуры и физико-химических свойств проводящей фазы является актуальной научной задачей, представляющей фундаментальный и прикладной научный интерес.
Целью работы является разработка электропроводящих композиционных материалов с заданными свойствами и построение многослойных радиопо-глощающих материалов на их основе, предназначенных для обеспечения помехозащищенности георадарных устройств.
В процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:
-
Анализ существующих решений средств защиты георадара от электромагнитных полей методом экранирования. Анализ существующих резистивных материалов с электропроводящими наполнителями типа сажи, графита, углеродных волокон. Выбор принципа построения и состава ЭКМ.
-
Исследование структуры углеродных наполнителей и оценка влияния технологии получения на их свойства.
-
Проведение измерений электрофизических параметров полученных материалов в СВЧ диапазоне и на постоянном токе. Изучение взаимосвязи между составом, структурой и электрофизическими параметрами ЭКМ.
-
Моделирование частотных зависимостей радиофизических характеристик однослойных и многослойных структур и проведение экспериментальных исследований.
-
Разработка, изготовление и проведение натурных испытаний опытных образцов композиционных многослойных материалов, а также помехоподав-ляющих экранов на их основе для георадаров «ОКО-2» и «ЛОЗА-В».
Объекты исследования.
Объектами исследований являлись пористые ЭКМ, изготовленные методом пропитки ППУ в коллоидно-графитовых препаратах (КГП) с последующей сушкой. В качестве полимерной основы использовали ППУ эластичный коммерческой марки 2536 (ТУ 2254-001-53938077-2001) в виде листов прямоугольной формы толщиной 20 мм. В качестве электропроводящего наполнителя использованы различные виды углеродных наполнителей, отличающиеся размерами частиц и условиями активации порошков графита марок «ТО-3» и «ТО-6» без стабилизирующих добавок, а также водно-аммиачная суспензия высокодисперсного графита, стабилизированная поверхностно-активными веществами («стабилизированный КГ»).
Методы исследования.
При выполнении работы использованы апробированные экспериментальные методы. Применялись математические методы моделирования многослойных структур с диэлектрическими потерями, решения задачи определения электрофизических параметров материалов по данным радиотехнических измерений, а также статистические методы обработки результатов экспериментов.
Измерения размеров частиц КГП проводился методами рентгенострук-турного анализа порошков и оптической лазерной дифракции на приборе Anal-izette22 фирмы Fritch. Измерения рентгеноструктурных характеристик углеродных материалов проводили на рентгеновских аппаратах для структурного анализа ДРОН 2,0 (CuKa-излучение) и ДРОН 3,0 (FeKoc-излучение) (НПО «Буревестник»).
Морфология поверхности углеродных покрытий на ППУ изучалась методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе EVO 40 фирмы Karl-Zeiss.
Электрическое сопротивление образцов ЭКМ постоянному электрическому току измеряли двухконтактным и четырехконтактным способами на электростатической подложке с помощью двух универсальных измерителей В7-21А.
Для исследования электрофизических свойств пористых ЭКМ в сантиметровом диапазоне длин волн использованы методы измерений в волноводном тракте и в свободном пространстве. Измерения коэффициентов прохождения и отражения проводили на базе модифицированных автоматизированных измерителей КСВН и ослаблений серии Р2-61 и Р2М-18, а также векторного анализатора цепей марки Rohde-Shwarz ZWA-40. Использовали стандартные элементы волноводного тракта, рупорно-линзовые антенны типа П6-23М, П6-59М и П6-64, измерительное оборудование СВЧ диапазона (измерительные аттенюаторы, генераторы гармонических сигналов, измерительные линии, резонансные вольтметры, волноводно-рупорные антенны).
Научная новизна:
-
Разработаны новые композиционные радиопоглощающие материалы резистивного типа, которые использованы при создании помехоподавляющих экранов широкополосных радаров подповерхностного зондирования.
-
Оптимизирована технология формирования углеродного электропроводящего покрытия на пенополиуретановой основе.
-
Получены новые данные о размерах, форме частиц, степени совершенства кристаллической структуры высокодисперсных углеродных наполнителей в диапазоне размеров частиц от 10 нм до 10 мкм, а также результаты исследования структуры графитовых покрытий, образующих резистивные пленки на плоских и вспененных полимерных подложках.
-
Экспериментально подтверждена применимость к объемно-пористым материалам на основе вспененных полиуретанов с углеродными наполнителями электродинамической модели поляризации дипольно-релаксационного типа с параллельно включённой резистивной частью.
-
Изучено влияние основных эксплуатационных факторов на радиофизические характеристики пористых ЭКМ, в частности, на дисперсию диэлектрической проницаемости и СВЧ проводимость.
Практическая значимость результатов работы.
Составлен аналитический обзор патентно-технической литературы по вопросам разработки композиционных РИМ, исходных компонентов для их изготовления и создания многослойных конструкций на их основе.
Разработаны новые композиционные многослойные материалы на основе ППУ и ультрадисперсных углеродных наполнителей с высокими массогабарит-ными характеристиками, используемых для обеспечения функциональности СШП систем. Разрабатываемые ЭКМ ориентированы на применение разработчиками и пользователями георадарных устройств.
Разработаны и испытаны в реальных условиях образцы помехоподав-ляющих экранов для георадаров «ОКО-2» и «ЛОЗА-В» на основе четырех- и пятислойных ЭКМ. Подтверждена эффективность использования экранов для снижения уровня помех на величину от 7 до 18 дБ.
Результаты работы могут быть использованы в научно-исследовательских и отраслевых организациях радиотехнического, материаловедческого, профиля, в электронной промышленности, в частности, в ИРЭ РАН, ИТПЭ РАН, ОИХФ РАН, НИИДАР, ОАО "Радиофизика", ОКБ МЭИ, ЦКБ РМ, НИИП им. Тихомирова, ООО НПП "Радиострим", ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", ИЗМИРАН им. Н.В. Пушкова, 000 "Логические системы", 32 ГосНИИ МО РФ.
Реализация и внедрение результатов работы.
Научные и практические результаты работы использованы в процессе выполнения работ по гранту по программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса 2009» («У.М.Н.И.К.») на выполнение НИОКР по теме: «Разработка композиционных материалов с мелкодисперсными углеродными наполнителями для георадарных устройств».
Результаты диссертационной работы использованы в деятельности 000 НПП «Радиострим» при разработке радиопоглощающих материалов. Разработанные опытные образцы помехоподавляющих экранов использованы в деятельности 000 «Лаборатория ПЭС» и Ростовского Государственного Строительного Университета (для защиты георадара «ОКО-2» с центральной частотой 400 МГц), а также внедрены в деятельности 000 «Всероссийского научно-исследовательского института специальных методов исследований» (для защиты георадара «ЛОЗА-В» с центральной частотой 300 МГц). Акты об использовании и внедрении результатов работы прилагаются.
На защиту выносятся следующие положения и результаты.
-
Предложена оригинальная технология получения ЭКМ для широкополосных радиотехнических систем методом осаждения ультрадисперсных частиц графита из коллоидно-графитовых препаратов на объемно-вспененные эластичные ППУ с открытой пористостью.
-
На основании рентгеноструктурных исследований ХАТ в виде паст и покрытий, установлено, что в процессе активации порошков графита происходит образование трех фаз: кристаллического, аморфизированного и окисленного графитов. Сделано предположение, что в условиях высокотемпературной активации и в процессе последующей термообработки происходит структурное уплотнение материала и частичное выгорание аморфной составляющей.
-
Изучено влияние технологических операций на электрические свойства композиционных материалов. Термообработка при температурах Ю0...400С приводит к увеличению удельной проводимости графитовых покрытий.
-
Получены новые данные о размерах, форме частиц, степени совершенства кристаллической структуры высокодисперсных углеродных наполнителей в диапазоне размеров частиц от 10 нм до 10 мкм, а также исследована структура графитовых покрытий, обеспечивающих проводимость ЭКМ.
-
Показано, что комплексная диэлектрическая проницаемость электропроводящих вспененных полимерных материалов в радиочастотном диапазоне
зависит от состава и содержания углеродного наполнителя и хорошо описывается дипольно-релаксационной моделью поляризации с параллельно включенной резистивной частью.
-
Механическая обработка пористых ЭКМ приводит к существенному изменению их электрофизических характеристик, в частности, снижению глубины дисперсии диэлектрической проницаемости и СВЧ проводимости, что обусловлено частичным разрушением проводящей структуры.
-
Подтверждена эффективность применения многослойных экранов для снижения уровня помех при использовании георадаров, в частности, для «ОКО-2» (с центральной частотой 400 МГц) - на 1... 13 дБ, для георадаров «ЛОЗА-В» (с центральной частотой 300 МГц) - на 18 дБ.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на I Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения в области электромагнитной совместимости технических средств» (г. Н. Новгород, 2004 г.); 4-й Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии» (г. Москва, 2005 г.); II международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика - 2006» (г. Геленджик, 2006 г.); Third International Conference on «Ul-trawideband and Ultrashort Impulse Signals» (Sevastopol, Ukraine, 2006); V Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии» (г. Москва, 2007 г.); XV Международной конференции «Радиолокация и радиосвязь» и XV международной конференции по спинтро-нике (г. Москва, 2007 г.); на Молодежной конференции, состоявшейся в рамках Международной аэрокосмической школы (Украина, Крым, 2009 г); III Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и связь» (г. Москва, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (г. Москва, 2009 г.); Научно-практической конференции молодых ученых и студентов МАИ «Инновации в авиации и космонавтике-2010» (г. Москва, 2010 г.); II Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (г. Москва, 2010 г.); Fifth International Conference on «Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals» (Sevastopol, Ukraine, 2010 г.).
Достоверность полученных в работе результатов и выводов обоснована теоретическими решениями и экспериментальными данными, которые не противоречат известным положениям электродинамики сплошных сред и материаловедения, согласуются с известным опытом и обеспечиваются использованием современных методов физико-химических исследований (рентгеноструктурно-го анализа, электронной микроскопии) и радиофизических исследований (СВЧ измерения в свободном пространстве и в волноводе). Правомерность применения рассматриваемых в работе физических моделей подтверждается соответствием результатов теоретического анализа и электродинамического моделирования разрабатываемых материалов и конструкций полученным экспериментальным данным и результатам испытаний.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в тринадцати печатных работах, из них две статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 160 машинописных страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, и библиографического списка. Иллюстративный материал представлен в виде 60 рисунков и 31 таблицы. Библиографический список включает 63 наименования.
Анализ резистивных материалов с электропроводящими наполнителями типа сажи, графита, углеродных волокон
Принцип работы помехоподавляющего экрана. Суть радиопоглощающего материала заключается в преобразовании электромагнитного излучения в другой вид энергии (в конечном счете, в тепло) за счет проводимости и переориентации диполей, а количественной характеристикой может служить коэффициент отражения от такого материала (конструкции), за которым находится 100% отражающий экран (например, металл). Общий недостаток - чем выше потери, тем выше нежелательное отражение от границы раздела. Для разрешения указанного противоречия применяют многослойные материалы. При этом первый слой обладает меньшим отражением от границы раздела. Предельным случаем являются материалы градиентного типа, характеристики которых меняются непрерывно в сторону увеличения вглубь материала.
Вопросы синтеза оптимальных многослойных радиопоглощающих покрытий в заданном диапазоне частот рассмотрены, например, в работе [11] (на основе искусственных диэлектриков) и в работе [12] (в виде структуры из диэлектрических слоев, разделенных электропроводящими пленками). Из результатов упомянутых выше работ следует, что при центральной рабочей частоте 200 МГц для экранировки антенн с коэффициентом подавления -20" дБ потребуется слой радиопоглощающего материала не менее полуметра, что приводит к неприемлемым для георадаров габаритным размерам экрана.
Необходимо отметить, что постановка задачи подавления на заданную величину отраженного сигнала от металлической поверхности при минимальной толщине радиопоглощающего покрытия в работах [11, 12] несколько отличается от проблемы оптимальной экранировки антенн георадаров. В георадарах приемная и передающая антенны располагаются в воздухе (точнее, на границе воздух-земля), поэтому ближняя к антеннам (внутренняя) поверхность экрана для минимизации отражения должна иметь сопротивление, близкое к волновому сопротивлению свободного (воздушного) пространства (377 Ом). Внешняя же поверхность экрана по возможности должна обладать минимальным сопротивлением и отражать обратно большую часть воздушных помех. Чтобы не создавать дополнительные помехи из-за переотражений сигнала, нужно соблюсти плавное изменение сопротивлений во внутреннем объеме экрана. Отметим также некоторое отличие в назначении экрана для передающей и приемной антенны. Мощный зондирующий импульс георадара отражается от окружающих воздушных объектов и попадает на приемную антенну, создавая собственный фон помех. Экран передающей антенны уменьшает собственные помехи за счет снижения облученности воздушных объектов. Экран приемной антенны должен эффективно подавлять как собственные помехи георадара, так и внешние радиопомехи. В настоящее время разработки существующих радиопоглощающих материалов (РПМ) базируются на следующих принципиальных подходах:
1) Увеличение поглощения электромагнитной энергии (точнее, перевод в тепловую энергию) в материале благодаря наличию омической проводимости и диэлектрических потерь материала (при больших значениях мнимой части диэлектрической проницаемости є");
2) Увеличение поглощения энергии за счёт увеличения магнитных потерь (при больших значениях мнимой части магнитной проницаемости и").
3) Уменьшение отражения от передней грани покрытия как результат интерференции отражений от разных слоев (частей) покрытия (многослойные покрытия и покрытия специальной формы);
4) Уменьшение отражения от передней грани покрытия путём согласования волновых сопротивлений материала покрытия со средой распространения электромагнитной волны.
Известно, что в дециметровом и метровом диапазоне частот эффективное снижение коэффициента отражения можно достичь применением магнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью и потерями (реализуется подход №2). Это могут быть как традиционные ферриты, так и композиционные материалы с наполнителями на основе наноструктуированньгх магнитьтх сплавов [13]. Однако, получение эффективных низкочастотных РПМ на основе магнитных материалов требует значительной весовой доли магнитной фракции, что приводит к невозможности их применения в переносных системах, в т.ч. георадарах. Кроме того, общим недостатком материалов с высокими магнитной и диэлектрической проницаемостями "является сильная частотная дисперсия и температурная зависимость характеристик. Эти свойства, характерные для коллективного механизма взаимодействия (образование доменной структуры), не проявляются в материалах, дисперсия диэлектрической проницаемости обусловлена только резистивньгми (джоулевыми) потерями. Поэтому в данной работе произведена оценка возможности получения сверхширокополосных материалов на основе объемно - резистивных материалов, где дисперсия диэлектрической проницаемости обусловлена джоулевыми потерями и слои согласованы по волновому сопротивлению (т.е. используются подходы №1 и №4). Для переносных систем георадаров применение РПМ на базе конструкций из объемных пирамидальных элементов практически не целесообразно. Поэтому одним из достоинств объемно-резистивных материалов І является возможность построения градиентных конструкций на основе материалов с различной- концентрацией проводящей фазы, что позволяет снизить общую толщину поглощающей структуры. Практика показывает, что подход, связанный с применением резистивных материалов для СШП приложений, весьма полезен в силу его технологичности, гибкости реализации и рентабельности.
Изучение структуры химически активированных графитов (ХАТ) , рентгенографическим методом
В качестве электропроводящего наполнителя. ЭКМ предложены покрытия из коллоидно-графитовых препаратов (КГП), как наиболее стабильные по технологическим и структурным параметрам [40, 41]. Для исследований были использованы готовые - химически активированные графиты. (ХАТ), переданные для работ на коммерческой основе (ООО «ЮЛСЭМ Интернешенл», г. Электроугли).
Согласно разработанной ранее [40, 41] в НИИЭИ (г. Электроугли) технологии (ТУ 16-538.317-77) ультрадисперсные КГП изготавливаются на основе обеззоленного натурального графита, подвергнутого вибропомолу с последующей обработкой по особому режиму смесью концентрированных азотной и серной кислот с последующей отмывкой дистиллированной водой. После отмывки.окисленный графит приобретает способность к образованию устойчивых дисперсных систем (которые часто называют коллоидными) в полярных растворителях (спирт, ацетон, вода) без введения каких-либо стабилизирующих добавок. Стабилизация частиц графита в растворах осуществляется за счет кислородсодержащих функциональных групп (типа -ОН, -СООН, =С=0), образующихся на поверхности графитовых частиц. Основные технические характеристики КГП по данным изготовителей даны в табл.2.2. При нанесении на подложку, после испарения растворителя, образуется прочная, устойчивая до 400 С (на воздухе) пленка с зеркальной поверхностью и хорошей адгезией к стеклу, фарфору, металлам, полимерам и другим материалам. Получаемые пленки имеют равномерное электросопротивление, зависящее от размера частиц в растворе и толщины нанесенного покрытия, низкий коэффициент трения, регулируемую степень черноты поверхности. Покрытия экологически чистые, термически и химически стойкие.
По дисперсности частиц графита препараты делятся на три основные марки ТО-3, ТО-6, ТО-12. Для получения специфических свойств покрытий выпускается препарат на основе сажи марки КРС-0. Назначение КГП разных марок: Растворы КГП марки ТО-3 применяются для получения токопроводящих покрытий электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), экранирующих покрытий высокочастотных кабелей, в качестве антипригарных покрытий при литье легкоплавких металлов и сплавов, при вытяжке тонких проволок, в качестве «сухой» смазки и др.
Растворы КГП марки ТО-6 применяются при производстве полярных электролитических конденсаторов для формирования токопроводящего слоя с высокой удельной поверхностью, фторуглерод-литиевых источников тока для обеспечения электропроводности фторуглеродного катода, в качестве красителя, а также для создания защитных покрытий для углеволокнистых теплоизоляционных плит и при производстве болыперазмерных теплоизоляционных углеволокнистых конструкций в качестве связующего вещества и т.д. Растворы ТО-12 и КРС-0 применяются для получения светопоглощающих покрытий и в ряде других случаев.
Нанесение раствора на поверхность подложки допускается любым известным способом: распыление, намазка, полив, пропитка и т.п. Таблица 2.2 Основные технические характеристики КГП и покрытий по данным изготовителя (ООО «ЮЛСЭМ Интернешенл», г. Электроугли) Параметры ТО-3илиКГР1000 ТО-6илиКГР1500 ТО-12илиКГР1700 КРС-0 1. Содержание углерода после отжига при температуре 420 С, % вес. 99,8 99,8 99,8 99,8 2. Удельная поверхность частиц графита в растворе, м /г, не менее 1300 1 500 1 700 2 000 3. Дисперсионная среда (растворитель) спирт, вода,ацетон спирт,вода,ацетон спирт,вода,ацетон спирт,вода,ацетон 4.Толщина получаемых покрытий, мкм 0,5-25 0,5-25 0,5-25 0,5-25 5. Удельное электрическое сопротивление покрытий, Ом м 10"6, не более 100 200 2000 1 000 000 б.Падение концентрации графита в растворе после отстаивания в течение 3 часов, не более, % 10 10 10 10 7. Гарантийный срок хранения растворов, месяцев 6 6 12 12 Для сравнения электрофизических свойств образцов ЭКМ, выбран принципиально другой тип КГП, который представляет собой водную стабилизированную суспензию высокодисперсного графита.
Стабилизированные графитовые суспензии получают физической активацией частиц графита (размолом) с последующей стабилизацией дисперсии в щелочной среде органическими стабилизаторами, в качестве которых используются поверхностно-активные вещества и латексы. Графитовая суспензия «стабилизированный графит» содержит латексный загуститель и раствор аммиака. В зависимости от технологических условий размола графитовых частиц могут быть получены частицы различных размеров. Предварительные исследования показали, что КГП марки КГР-1000 по сравнению с суспензией «стабилизированный графит» обладает дисперсной устойчивостью при хранении системы, а также меньшей истощаемостью раствора в процессе замачивания ГИТУ.
В настоящее время изготовлены покрытия на различных пленочных, волокнистых диэлектрических материалах: лавсане, полиимиде, бумаге, картоне, стеклоткани и т.д. [42 - 44]. Однако, не смотря на многолетние исследования ХАГ, до настоящего времени не изучены вопросы влияния структуры покрытий ХАГ, получаемых путем осаждения коллоидных дисперсий на поверхность ППУ на радиофизические свойства объемно-пористых материалов. Механизм электропроводности в ЭКМ зависит от типа КГ наполнителя, его концентрации, наличия оксидных и других пленок на поверхности частиц, способа и степени диспергирования наполнителя в полимере, а также от температуры и некоторых других факторов [45].В связи с этим, для изучения влияния различных факторов на структуру и свойства разрабатываемых в данной работе ЭКМ, нами [42, 43, 46] и рядом исследователей [44, 47 и др.]. проведено комплексное изучение исходных графитовых паст и электропроводящих покрытий, получаемых из водных и спиртовых дисперсий коллоидно-графитовых частиц на - различных диэлектрических подложках.
Осаждение коллоидных частиц графита на диэлектрические материалы (лавсан, полиимид, стеклопластики) осуществляли методами лакокрасочной технологии: пропитки и погружения. После пропитки или погружения пленочных материалов в коллоидную дисперсию образцы высушивали до постоянного веса и образования устойчивого покрытия.
Измерения радиофизических характеристик ЭКМ в СВЧ диапазоне для контроля и оптимизации технологического процесса
Для: контроля образцов ЭКМ в процессе изготовления была разработана методика контроля за- сушкой и термообработкой образцов поролона после замачивания и отжима в растворе КГП. При разработке методики контроля образцов ЭКМ необходимо было решить три задачи: 1) предложить адекватную методику измерений свойств образцов в процессе сушки; 2) разработать необходимую оснастку для измерений; 3) провести соответствующие измерения; различными, методами и построить калибровочный график.
Существует значительное количество методов; которые: используют для измерения свойств покрытий формируемых из радиопоглощающих материалов. Среди них можно выделить следующие методы, существенные с практической точки зрения:
1) Метод измерения электродинамических свойств В; широком диапазоне: частот на поглощение и отражение электромагнитных волн, основанный на изменении указанных свойств в.процессе сушки. Этот метод является структурно-чувствительным; так как электродинамические параметры зависят от размеров,: частшг, степени контакта, между ними, плотности, пористости и других свойств,, которые изменяются в процессе формирования покрытия из КГТГ. при сушке: Несомненно, эти измерения дают исчерпывающую информацию о степени готовности материала; однако излишне трудоемки.
2) Весовой метод, основанный на, изменении массы, образцом в, процессе сушки. Метод не относится к структурно-чувствительным и не обеспечивает достаточной точности на заключительной стадии сушки. Его можно предложить как интегрированный вариант контроля; при проведении операций наряду с контролем времени и температуры сушки, влажности в сушильной камере и т.д.
3) Метод контроля степени черноты поверхности. Является удобным и часто используемым методом контроля качества покрытий КГП, однако на поверхности с крупными и неравномерными порами практически не осуществим в связи с экспериментальными трудностями.
4) Метод измерения электрической емкости и потерь конденсатора, заполненного испытуемым материалом в определенном диапазоне частот или на фиксированной частоте. Этот метод требует помещения образца между электродами стандартного измерительного конденсатора. Для крупногабаритных образцов сложной формы это невозможно. Следовательно, для измерения электрической емкости потребуется либо изготовление специальных образцов-свидетелей, либо вырезание проб заданной формы.
5) Метод измерения коэффициента пропускания в свободном пространстве на частоте 6,8 ГГц на установке «Гусь-А», реализованной в лаборатории ОООЫШ1 «Радиострим». В установке «Гусь-А» для генерации измерительного электромагнитного излучения использовали генератор СВЧ сигналов Г4-82. Линейно поляризованная волна формировалась прямоугольным рупором, за которым помещался исследуемый плоский образец, расположенный нормально к вектору Пойнтинга. Аналогичный рупор использовали в качестве приёмной антенны. Образец размещали посередине между передающей и приемной антеннами вдоль плоскости рабочего стола. При проведении измерений образец полностью перекрывает «измерительное окно» стола. После квадратичного детектирования СВЧ сигнала с помощью полупроводникового детектора, низкочастотная огибающая, модулированная меандром, поступает на вход селективного вольтметра В6-9 резонансного типа. Вольтметр настраивается на режим узкополосного приема, что обеспечивает высокую чувствительность и помехозащищенность. Показания селективного- вольтметра пропорциональны плотности потока энергии по апертуре приемной антенны. После детектирования и усиления сигнал регистрировали и приводили к единицам коэффициента пропускания. Калибровка системы проводилась при следующих стандартных условиях: при отсутствии образца (линейный коэффициент прохождения Ті = 1), при полном перекрытии канала металлическим листом (линейный коэффициент прохождения Т2 = 0). Система настроена в работе в линейном по мощности режиме, что проверялось с использованием перестраиваемого поляризационного аттенюатора. Измерения проводились для двух перпендикулярных ориентации образца относительно вектора электрического поля относительно образца.
5) Метод измерения сопротивления образцов переменному электрическому или постоянному току.
Образцы поролона имеют значительный объем и открытую пористость, поэтому применение стандартных электродов для измерения! удельного объемного сопротивления материалов [51] - невозможно. Использование рекомендуемой в [51] четырехконтактной схемы измерений (два точечных электрода служат для подачи тока, другие два - для измерения потенциала в промежутке между токовыми электродами) нецелесообразно, так как распределение КГП в образцах имеет очевидную неравномерность и необходимо значительное количество измерений для набора статистики. Однако, поставленная задача не требует точных удельных параметров материала, поэтому можно воспользоваться двухконтактной схемой измерений если контактная группа обеспечивает необходимую точность и воспроизводимость результатов. Так как размеры образцов, значительны, а свойства могут быть неоднородными, целесообразно измерение сопротивлений локальных участков по определенной методике, учитывающей место измерений, относительные размеры электродов и число измерений выбранного участка для получения статистически оправданного результата.
Проведение натурных испытаний в условиях интенсивных помех в верхней полусфере
Для проведения измерений радиотехнических характеристик в-свободном пространстве были изготовлены экспериментальные плоскопараллельные образцы ЭКМ на основе ППУ-2536 толщиной 20 мм и размером 1,0x1,0 м и 0,5x0,5 м, пропитанные растворами коллоидно-графитовых препаратов ТО-3, ТО-6, «стабилизированный графит» с различной концентрацией дисперсной фазы. Подробное описание исследуемых серий образцов с усреднением полученных данных и результаты измерении приведены в табл.3.3.
Как уже было сказано в главе 2, образцы пористых ЭКМ зачастую характеризуются значительной неравномерностью электрического сопротивления отдельных участков, что. связано с неоднородностью адгезионных свойств исходного ППУ, а также режимами пропитки, отжима и сушки образцов. Неоднородность изучаемых ЭКМ привела к необходимости большой статистики данных. Поэтому каждая серия образцов с одинаковым содержанием графита содержала от 2 до 20 образцов.
Для контроля заданных номинальных значений электрического сопротивления производили измерение коэффициента пропускания в свободном пространстве на частоте 6,8 ГГц на установке «Гусь-А», описанной выше в главе 2. Этот метод является технологически простым методом неразрушающего контроля неоднородности получаемых материалов в процессе производства пористых ЭКМ. Отметим, что в отличие от измерений в волноводной ячейке, здесь не требуется вырезать образец, а результаты измерений дают величины, усреднённые по мощности по площади облучаемого участка порядка 10" см.
Линейно поляризованная волна формировалась прямоугольным рупором, за которым помещался исследуемый плоский образец, расположенный нормально к вектору Пойнтинга. Аналогичный рупор использовался в качестве приёмной антенны. Для развязки использовали встроенные в тракт волноводные вентили. В качестве источника сигнала использовали СВЧ генератор Г4-82, обеспечивающий достаточный энергетический потенциал модулированного сигнала, в качестве индикатора - измеритель отношения напряжений В8-7. После детектирования и усиления сигнал регистрировался и приводился к единицам коэффициента пропускания.
Измерения проводились для двух перпендикулярных ориентации образца относительно вектора электрического поля относительно образца. Для оценки неравномерности электропроводности материала измерения проводились в 15-ти точках каждого образца, с последующей статистической обработкой данных.
Гистограмма распределения относительного отклонения коэффициента пропускания от его средней величины для трех серий образцов ТО-6 (рис.3.9) позволяет оценить степень равномерности электрического сопротивления в пределах одной серии.
Из рис.3.9 видно, что образцы с более высоким коэффициентом пропускания Кпр характеризуются большей равномерностью. Этот факт, очевидно, связан с вероятностью образования связных электропроводящих участков углеродного покрытия на поверхности пор ППУ. При большей степени пропитки доля проводящих кластеров, образующих электропроводящие объёмные участки, увеличивается, соответственно, увеличивается и разброс размеров и геометрии электропроводящих включений в диэлектрической матрице.
Измерения коэффициентов отражения в свободном пространстве на, частоте 6;8 ГТц проводились на базе панорамного измерителя КСВН типа Р2М118,прИ: нормальном падении электромагнитной волны на образец, за которым расположена металлическая; пластина или согласованная; нагрузка. Согласование антенно-фидерного тракта осуществлялось -- подстройкой трансформатора волновых сопротивлений в режиме работы антенны на эталонную поглощающую/ нагрузку,, обеспечивающую отражение; не более -35 дБ на; рабочих частотах. Перед измерением коэффициента отражения, проводилась, калибровка системы по нормальному отражению от плоского металлического листа, расположенного1 в, плоскости измеряемого объекта. Измерения проводились.на частоте:6;8 ШГц в нескольких точках образца при различных поляризациях излучения, после чего вычислялись средние: значения Кохркз и Котр_Нс через усреднение по мощности.
В табл.313 приведены значения коэффициентов пропускания и отражения СВЧі мощности в; свободном пространстве на частоте 6.8 ГГц, измеренные по двум- описанным выше методикам для каждой- серии образцово Полученные: пары значений коэффициентов; отражения, использовались длярасчета комплексношдиэлектрической;проницаемости по методике, основанной? на измерении амплитуд коэффициентов отражения/прохождения;, монохроматического сигнала и последующем решении параметрической задачи (см. выше). Результаты,расчета приведены в табл.3 -4 и на рис.3.5.. Из табл.3.4 видно, что; набор величин комплексной диэлектрической проницаемости имеет больший разброс (величины отклонений Дє , Ає") для, наиболее проводящих образцов;
На рис.3.10 (а, б) представлены сводные графики зависимости комплексной диэлектрической проницаемости- ЭКМ от содержания проводящего наполнителя для разных типов КГП. На большой статистике экспериментов показано, что при использовании активированных графитов достижение требуемой проводимости происходит при меньших наполнениях посравнению со «стабилизированным KF».
Следует отметить, что значения є и є", полученные в результате измерений в волноводе в диапазоне частот 8... 12,4 ГГц, меньше аналогичных величин, полученных при измерениях на частоте 6,8 ГГц в свободном пространстве (см. табл.3.2 и табл.3.4). Более того, при измерениях в свободном пространстве наблюдается более явная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости от объемного содержания графитового наполнителя.
