eng
Выпуск #1/2010
Г.Николайчук, В.Иванов, С.Яковлев.
Радиопоглощающие материалы на основе наноструктур
Радиопоглощающие материалы на основе наноструктур
Просмотры: 6674
Радиопоглощающие материалы (РПМ) применяются для решения проблем электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств, защиты компьютерных систем обработки информации от несанкционированного доступа, защиты биологических объектов от электромагнитного излучения, а также для снижения радиолокационной заметности объектов военного и гражданского назначения. Специалисты ОАО "НИИ "Феррит-Домен" разработали технологию получения радиопоглощающих материалов на основе тонких пленок аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d металлов (Ni, Co, Fe и др.), нанесенных методом ионно-плазменного магнетронного напыления на гибкие подложки из арамидной ткани (кевлар). Новые материалы позволяют создавать легкие сверхширокополосные радиопоглощающие покрытия с высоким уровнем поглощения электромагнитного излучения (модуль коэффициента отражения электромагнитной волны не хуже -10 дБ) в сверхвысокочастотном, инфракрасном и оптическом диапазонах частот.
Радиопоглощающие материалы (РПМ) применяются для решения проблем электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств, защиты компьютерных систем обработки информации от несанкционированного доступа, защиты биологических объектов от электромагнитного излучения, а также для снижения радиолокационной заметности объектов военного и гражданского назначения. Специалисты ОАО "НИИ "Феррит-Домен" разработали технологию получения радиопоглощающих материалов на основе тонких пленок аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d металлов (Ni, Co, Fe и др.), нанесенных методом ионно-плазменного магнетронного напыления на гибкие подложки из арамидной ткани (кевлар). Новые материалы позволяют создавать легкие сверхширокополосные радиопоглощающие покрытия с высоким уровнем поглощения электромагнитного излучения (модуль коэффициента отражения электромагнитной волны не хуже -10 дБ) в сверхвысокочастотном, инфракрасном и оптическом диапазонах частот.
При современном развитии и эксплуатации радиотехнических СВЧ-систем возникают проблемы электромагнитной безопасности. Длительное и регулярное воздействие СВЧ-излучения на организм человека отрицательно влияет на мозг, сосуды, кровь, зрение, провоцирует образование опухолей. Вот почему так важно обеспечить генетически безопасный уровень излучения и соблюдать требования санитарно-гигиенических норм безопасности, чтобы такая техника не вредила здоровью людей.
Не менее важной для эффективного функционирования технических устройств СВЧ является проблема устранения помех. Во многих случаях поля, создаваемые излучателями СВЧ-энергии, необходимо локализовать в некотором объеме, чтобы исключить или ослабить их воздействие на соседние чувствительные элементы радиоаппаратуры. Паразитные переотражения и интерференция электромагнитных волн (ЭМВ) также могут быть серьезными источниками помех.
Эффективный способ, который позволяет обеспечить требования электромагнитной экологии, снизить до приемлемого уровня естественные и искусственные помехи при работе радиоэлектронных систем, основан на применении экранирующих и радиопоглощающих материалов (РПМ) и покрытий (РПП). Последние являются также перспективным средством снижения радиолокационной заметности (РЛЗ) объектов военной техники (самолетов, кораблей, ракет, наземного стационарного и мобильного оборудования и. т.д.). Использование РПМ и РПП существенно расширяет возможности технологий Stealth, с помощью которых создаются объекты с низким уровнем РЛЗ. РПП могут быть использованы и для защиты компьютерных систем обработки информации от несанкционированного доступа, в космической техники, для поглощения электромагнитного излучения в экранирующих устройствах, в поглощающих облицовках и корпусах, а также в безэховых измерительных камерах.
Радиопоглощающие покрытия, которые применяются сегодня, представляют собой композиты на основе ферритовых материалов, имеют значительную массу (8-15 кг/м2), низкие механическую прочность и термостойкость, их нельзя задействовать в миниатюрных радиоэлектронных устройствах, для защиты биологических объектов, радиомаскировки летательных аппаратов и кораблей легких классов.
ОАО "НИИ "Феррит-Домен" в течение ряда лет проводит исследовательские работы по созданию тонкопленочных наноструктурированных радиопоглощающих материалов нового поколения для СВЧ-диапазона от 1 ГГц до 300 ГГц [1-5]. В предлагаемой технологии применяется принципиально новый материал на основе тонких пленок аморфного гидрогенизированного углерода с ферромагнитными наночастицами, нанесенными на гибкую подложку из арамидной ткани методом ионно-плазменного магнетронного напыления (рис.1).
Пленки аморфного гидрогенизированного углерода с магнитными наночастицами составов α-CH:(Ni), α-CH:(Cо) и α-CH:(Fe) на подложках из арамидной ткани размерами 620×750 мм были получены реактивным ионно-плазменным методом при одновременном распылении мишеней из графита и соответствующего металла в аргон-водородной среде на вакуумной установке магнетронного напыления конвейерного типа фирмы Leybold Heraus (Германия).
Уровень микроволнового поглощения зависит от тощины, химического состава, микроструктуры, концентрации и размера магнитных частиц в пленке.
Микроструктура и химический состав пленок исследовались на электронном микроскопе VEGA//LMU с энергодисперсионным микроанализатором JNCA Enorgy 350DC и полевом микроскопе MIRA/TESCAN.
Толщина пленок определялась как непосредственно на рабочих образцах на срезе арамидной нити, так и на образцах-свидетелях, полученных в тех же условиях на подложках из ситалла и кремния.
Изображение среза нити (рис.2) во вторичных электронах (арамидная нить - темный фон, напыленная пленка состава α-CH:(Ni) - светлый фон) получено с помощью ионного пучка в PECS Slope cutting tool при 3 кВ и увеличении в 10000 раз. По оценочным данным толщина напыляемой пленки составляет 0,17-1,25 мкм в зависимости от расположения поверхности нити к направлению напыления.
Для определения микроволновых свойств пленок аморфного гидрогенизированного углерода с магнитными наночастицами разработана методика измерения комплексных диэлектрической ε* = ε′ - iε′′ и магнитной μ* = μ′ - iμ′′ проницаемостей. Это резонаторный метод, который позволил решить проблему измерения μ* и ε* тонких пленок в диапазоне частот от 300 МГц до 40 ГГц [6]. Значения величин комплексных магнитной μ* и диэлектрической ε* проницаемостей тонких пленок составляют единицы и несколько тысяч соответственно.
С целью расширения границ частотного диапазона и повышения уровня поглощающих свойств разработаны многослойные радиопоглощающие покрытия (РПП) с геометрическими размерами 600×600 мм, толщиной 1-3 мм и приведенной удельной массой от 1,0 до 1,5 кг/м2 . РПП представляют собой набор слоев пленок аморфного гидрогенизированного углерода с магнитными наночастицами на подложке из арамидной ткани, количество которых рассчитывается по известным алгоритмам с использованием значений комплексных магнитных μ* и диэлектрических ε*проницаемостей каждого слоя (рис.3).
В настоящее время в НИИ "Феррит-Домен" изготавливаются экспериментальные образцы радиопоглощающих покрытий, модуль коэффициента отражения (МКО) которых не хуже -10 дБ в частотном диапазоне от 7 до 300 ГГц.
На рис.4, 5 приведены частотные зависимости модуля коэффициента отражения РПП в СВЧ-диапазоне от 1 до 78 ГГц, измеренные с помощью рупорных антенн при двух взаимоперпендикулярных поляризациях (плоскостях) падающей электромагнитной волны.
В диапазоне 1,0-37,5 ГГц измерения проводились с помощью анализатора цепей ZVA-40 фирмы Rohde&Schwarz (Германия) при расположении образца в дальней зоне по схеме построения измерительной установки с разнесенными излучающим и приемным каналами. В диапазоне частот 37,5-78 ГГц измерения величины МКО проводились в ближней зоне с помощью автоматических панорамных измерителей КСВН Р2-68 и Р2-69.
В диапазоне частот 7-37,5 ГГц значение МКО образца радиопоглощающего покрытия составляет от -10 дБ до -30 дБ. Экспериментальные образцы РПП были исследованы в оптическом и ИК-диапазонах. Результаты измерений МКО не хуже -20 дБ.
РПП на основе наноструктурированных пленок с высоким равномерным уровнем поглощения (МКО от -10 до -30 дБ) не имеют мировых аналогов по сверхширокополосности и позволяют с помощью одного вида покрытия решить задачи радиолокационной заметности в диапазонах от СВЧ до оптического.
Разработанные покрытия легко совместимы со сложными формами защищаемых объектов, а также могут быть использованы в качестве конструкционного материала для изготовления корпусов летательных аппаратов, в том числе беспилотных, легких морских катеров и других изделий военной техники.
На разработанные материалы получены патенты:
патент на изобретение RU 222 8565 C1 "Радиопоглощающие покрытия и способ его получения" (2004 г.);
патент на полезную модель "Радиопоглощающее покрытие" №84161 от 24.12.2008;
патент на изобретение "Электромагнитное поглощающее покрытие" МПК HOIQ от 11.01.2009.
положительное решение о выдаче патента на полезную модель, заявка № 2009129433 от 30.07.2009 г. "Устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных материалов на сверхвысоких частотах".
Основные преимущества тонкопленочных радиопоглощающих покрытий на основе наноструктурированных пленок перед традиционными материалами:
использование одного вида покрытий с высоким поглощением в сверхшироком диапазоне частот 7-300 ГГц;
малая приведенная удельная масса (на единицу площади) 1-1,5 кГ/м2;
высокие механическая прочность и термостойкость;
устойчивость к климатическим воздействиям и агрессивным средам;
экологически чистая и безотходная технология получения.
Созданные радиопоглощающие покрытия прошли испытания в научно-техническом центре кораблестроения и морской техники ФГУП ЦНИИ им. акад А.Н.Крылова и в крупнейшем российском авиационном холдинге ОАО "ОКБ Сухого", получены заключения о перспективности и актуальности разрабатываемых материалов для военного и гражданского применения.
В настоящее время проводятся работы по расширению нижней границы частотного диапазона до 1 ГГц и снижению себестоимости.
Литература
1. Lutsev L.V., Yakovlev S.V., Zvonareva T.K., Alexeyev A.G., Starostin A.P., Kozyrev S.V. Microwave Properties of Granular Amorphous Carbon Films with Cobalt Nanoparticles. - Journal of Applied Physics, 2005, vol. 97, №. 10, 104327.
2. Луцев Л.В., Николайчук Г.А., Петров В.В., Яковлев С.В. Многоцелевые радиопоглощающие материалы на основе магнитных наноструктур: получение, свойства и применение. - Нанотехника, 2008, № 2(14), с. 37-42.
3. Николайчук Г.А., Петров В.В., Яковлев С.В., Луцев Л.В. Радиопоглощающие материалы на основе наноструктур. - Нанотехника, 2009, № 1(17), с. 41-44.
4. Лебедев В.М., Звонарева Т.К., Луцев Л.В. Исследование состава и структуры модифицированных кобальтом и медью пленок аморфного гидрогенизированного углерода a-C:H ядерно-физическими методами. - Тезисы докладов XIV Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям, Обнинск, 5-8 июня, 2001 г.
3. Nikolaychuk G.A., Lutsev L.V., Yakovlev S.V., Petrov V.V. Properties and technology of broadband microwave absorbing covers of the base of hydrogenated carbon with 3d-metal nanoparticles. - Proccedings of the International Conftrence "Functional Materials" (ICFM-2007), Ukraina, Crime, Partenit, 2007, p. 344.
6. Яковлев С.В., Иванов В.П., Николайчук Г.А. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных радиопоглощающих материалов в диапазоне частот от 300 МГц до 40 ГГц резонансным методом. - Труды ХVII Международной конференции "Магнетизм, дальнее и ближнее спин-спиновое взаимодействие", с. 57-58.
При современном развитии и эксплуатации радиотехнических СВЧ-систем возникают проблемы электромагнитной безопасности. Длительное и регулярное воздействие СВЧ-излучения на организм человека отрицательно влияет на мозг, сосуды, кровь, зрение, провоцирует образование опухолей. Вот почему так важно обеспечить генетически безопасный уровень излучения и соблюдать требования санитарно-гигиенических норм безопасности, чтобы такая техника не вредила здоровью людей.
Не менее важной для эффективного функционирования технических устройств СВЧ является проблема устранения помех. Во многих случаях поля, создаваемые излучателями СВЧ-энергии, необходимо локализовать в некотором объеме, чтобы исключить или ослабить их воздействие на соседние чувствительные элементы радиоаппаратуры. Паразитные переотражения и интерференция электромагнитных волн (ЭМВ) также могут быть серьезными источниками помех.
Эффективный способ, который позволяет обеспечить требования электромагнитной экологии, снизить до приемлемого уровня естественные и искусственные помехи при работе радиоэлектронных систем, основан на применении экранирующих и радиопоглощающих материалов (РПМ) и покрытий (РПП). Последние являются также перспективным средством снижения радиолокационной заметности (РЛЗ) объектов военной техники (самолетов, кораблей, ракет, наземного стационарного и мобильного оборудования и. т.д.). Использование РПМ и РПП существенно расширяет возможности технологий Stealth, с помощью которых создаются объекты с низким уровнем РЛЗ. РПП могут быть использованы и для защиты компьютерных систем обработки информации от несанкционированного доступа, в космической техники, для поглощения электромагнитного излучения в экранирующих устройствах, в поглощающих облицовках и корпусах, а также в безэховых измерительных камерах.
Радиопоглощающие покрытия, которые применяются сегодня, представляют собой композиты на основе ферритовых материалов, имеют значительную массу (8-15 кг/м2), низкие механическую прочность и термостойкость, их нельзя задействовать в миниатюрных радиоэлектронных устройствах, для защиты биологических объектов, радиомаскировки летательных аппаратов и кораблей легких классов.
ОАО "НИИ "Феррит-Домен" в течение ряда лет проводит исследовательские работы по созданию тонкопленочных наноструктурированных радиопоглощающих материалов нового поколения для СВЧ-диапазона от 1 ГГц до 300 ГГц [1-5]. В предлагаемой технологии применяется принципиально новый материал на основе тонких пленок аморфного гидрогенизированного углерода с ферромагнитными наночастицами, нанесенными на гибкую подложку из арамидной ткани методом ионно-плазменного магнетронного напыления (рис.1).
Пленки аморфного гидрогенизированного углерода с магнитными наночастицами составов α-CH:(Ni), α-CH:(Cо) и α-CH:(Fe) на подложках из арамидной ткани размерами 620×750 мм были получены реактивным ионно-плазменным методом при одновременном распылении мишеней из графита и соответствующего металла в аргон-водородной среде на вакуумной установке магнетронного напыления конвейерного типа фирмы Leybold Heraus (Германия).
Уровень микроволнового поглощения зависит от тощины, химического состава, микроструктуры, концентрации и размера магнитных частиц в пленке.
Микроструктура и химический состав пленок исследовались на электронном микроскопе VEGA//LMU с энергодисперсионным микроанализатором JNCA Enorgy 350DC и полевом микроскопе MIRA/TESCAN.
Толщина пленок определялась как непосредственно на рабочих образцах на срезе арамидной нити, так и на образцах-свидетелях, полученных в тех же условиях на подложках из ситалла и кремния.
Изображение среза нити (рис.2) во вторичных электронах (арамидная нить - темный фон, напыленная пленка состава α-CH:(Ni) - светлый фон) получено с помощью ионного пучка в PECS Slope cutting tool при 3 кВ и увеличении в 10000 раз. По оценочным данным толщина напыляемой пленки составляет 0,17-1,25 мкм в зависимости от расположения поверхности нити к направлению напыления.
Для определения микроволновых свойств пленок аморфного гидрогенизированного углерода с магнитными наночастицами разработана методика измерения комплексных диэлектрической ε* = ε′ - iε′′ и магнитной μ* = μ′ - iμ′′ проницаемостей. Это резонаторный метод, который позволил решить проблему измерения μ* и ε* тонких пленок в диапазоне частот от 300 МГц до 40 ГГц [6]. Значения величин комплексных магнитной μ* и диэлектрической ε* проницаемостей тонких пленок составляют единицы и несколько тысяч соответственно.
С целью расширения границ частотного диапазона и повышения уровня поглощающих свойств разработаны многослойные радиопоглощающие покрытия (РПП) с геометрическими размерами 600×600 мм, толщиной 1-3 мм и приведенной удельной массой от 1,0 до 1,5 кг/м2 . РПП представляют собой набор слоев пленок аморфного гидрогенизированного углерода с магнитными наночастицами на подложке из арамидной ткани, количество которых рассчитывается по известным алгоритмам с использованием значений комплексных магнитных μ* и диэлектрических ε*проницаемостей каждого слоя (рис.3).
В настоящее время в НИИ "Феррит-Домен" изготавливаются экспериментальные образцы радиопоглощающих покрытий, модуль коэффициента отражения (МКО) которых не хуже -10 дБ в частотном диапазоне от 7 до 300 ГГц.
На рис.4, 5 приведены частотные зависимости модуля коэффициента отражения РПП в СВЧ-диапазоне от 1 до 78 ГГц, измеренные с помощью рупорных антенн при двух взаимоперпендикулярных поляризациях (плоскостях) падающей электромагнитной волны.
В диапазоне 1,0-37,5 ГГц измерения проводились с помощью анализатора цепей ZVA-40 фирмы Rohde&Schwarz (Германия) при расположении образца в дальней зоне по схеме построения измерительной установки с разнесенными излучающим и приемным каналами. В диапазоне частот 37,5-78 ГГц измерения величины МКО проводились в ближней зоне с помощью автоматических панорамных измерителей КСВН Р2-68 и Р2-69.
В диапазоне частот 7-37,5 ГГц значение МКО образца радиопоглощающего покрытия составляет от -10 дБ до -30 дБ. Экспериментальные образцы РПП были исследованы в оптическом и ИК-диапазонах. Результаты измерений МКО не хуже -20 дБ.
РПП на основе наноструктурированных пленок с высоким равномерным уровнем поглощения (МКО от -10 до -30 дБ) не имеют мировых аналогов по сверхширокополосности и позволяют с помощью одного вида покрытия решить задачи радиолокационной заметности в диапазонах от СВЧ до оптического.
Разработанные покрытия легко совместимы со сложными формами защищаемых объектов, а также могут быть использованы в качестве конструкционного материала для изготовления корпусов летательных аппаратов, в том числе беспилотных, легких морских катеров и других изделий военной техники.
На разработанные материалы получены патенты:
патент на изобретение RU 222 8565 C1 "Радиопоглощающие покрытия и способ его получения" (2004 г.);
патент на полезную модель "Радиопоглощающее покрытие" №84161 от 24.12.2008;
патент на изобретение "Электромагнитное поглощающее покрытие" МПК HOIQ от 11.01.2009.
положительное решение о выдаче патента на полезную модель, заявка № 2009129433 от 30.07.2009 г. "Устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных материалов на сверхвысоких частотах".
Основные преимущества тонкопленочных радиопоглощающих покрытий на основе наноструктурированных пленок перед традиционными материалами:
использование одного вида покрытий с высоким поглощением в сверхшироком диапазоне частот 7-300 ГГц;
малая приведенная удельная масса (на единицу площади) 1-1,5 кГ/м2;
высокие механическая прочность и термостойкость;
устойчивость к климатическим воздействиям и агрессивным средам;
экологически чистая и безотходная технология получения.
Созданные радиопоглощающие покрытия прошли испытания в научно-техническом центре кораблестроения и морской техники ФГУП ЦНИИ им. акад А.Н.Крылова и в крупнейшем российском авиационном холдинге ОАО "ОКБ Сухого", получены заключения о перспективности и актуальности разрабатываемых материалов для военного и гражданского применения.
В настоящее время проводятся работы по расширению нижней границы частотного диапазона до 1 ГГц и снижению себестоимости.
Литература
1. Lutsev L.V., Yakovlev S.V., Zvonareva T.K., Alexeyev A.G., Starostin A.P., Kozyrev S.V. Microwave Properties of Granular Amorphous Carbon Films with Cobalt Nanoparticles. - Journal of Applied Physics, 2005, vol. 97, №. 10, 104327.
2. Луцев Л.В., Николайчук Г.А., Петров В.В., Яковлев С.В. Многоцелевые радиопоглощающие материалы на основе магнитных наноструктур: получение, свойства и применение. - Нанотехника, 2008, № 2(14), с. 37-42.
3. Николайчук Г.А., Петров В.В., Яковлев С.В., Луцев Л.В. Радиопоглощающие материалы на основе наноструктур. - Нанотехника, 2009, № 1(17), с. 41-44.
4. Лебедев В.М., Звонарева Т.К., Луцев Л.В. Исследование состава и структуры модифицированных кобальтом и медью пленок аморфного гидрогенизированного углерода a-C:H ядерно-физическими методами. - Тезисы докладов XIV Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям, Обнинск, 5-8 июня, 2001 г.
3. Nikolaychuk G.A., Lutsev L.V., Yakovlev S.V., Petrov V.V. Properties and technology of broadband microwave absorbing covers of the base of hydrogenated carbon with 3d-metal nanoparticles. - Proccedings of the International Conftrence "Functional Materials" (ICFM-2007), Ukraina, Crime, Partenit, 2007, p. 344.
6. Яковлев С.В., Иванов В.П., Николайчук Г.А. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости тонкопленочных радиопоглощающих материалов в диапазоне частот от 300 МГц до 40 ГГц резонансным методом. - Труды ХVII Международной конференции "Магнетизм, дальнее и ближнее спин-спиновое взаимодействие", с. 57-58.
Отзывы читателей
