6. Радиоэкранирующие и радиопоглощающие полимерные материалы и конструкции [65,222-236]

Полимеры различного состава и строения используют для создания большого ассортимента материалов различного назначения, в том числе, с регулируемыми электрофизическими свойствами, что дает возможность использовать их в качестве электропроводящих и магнитодиэлектрических материлов в радиоэкранирующих и радиопоглощающих электромагнитную энергию (ЭМЭ) радиодиапазона покрытиях и конструкциях. При контакте электромагнитных волн с радиоэкранирующими и радиопоглощающими материалами имеют место процессы отражения, рассеивания, интерференции, дифракции и поглощения с преобразованием ЭМЭ по различным механизмам. В полимерных композициях с электропроводящими наполнителями (углеродные сажи, волокна, ткани, наночастицы-фуллерены, нанотрубки, металлические и металлизированные стеклянные и полимерные волокна, порошки,хлопья), электропроводящими полимерами с собственной проводимостью возникает вихревое электрическое поле и имеют место потери ЭМЭ, определяемые значениями ,tg . Вихревые токи Фуко нагревают материалы по закону Джоуля-Ленца, преобразуют ЭМЭ в тепловую. В полимерных композициях с магнитными наполнителями (магнитомягкие ферриты, стеклообразные металлы в магнитодиэлектриках) поглощение ЭМЭ квадратично зависит от напряженности магнитного поля и наведения вихревых токов магнитогистерезисных, диэлектрических (определяемых значениями tgδ_ε) и магнитных (определяемых значениями tgδ_м) потерь. Поглощение ферритами ЭМЭ СВЧ-диапазона основано на эффектах Фарадея и ферромагнитного резонанса.

Эффективность радиоэкранирующих ЭМЭ материалов, покрытий и конструкций характеризуют коэффициентом отражения R, обеспечивая минимальные прохождения ЭМЭ за экран.

Эффективность радиопоглощающих ЭМЭ материалов, покрытий и конструкций связана с максимальным поглощением и минимальным отражением ЭМЭ защищаемых объектов.

Требуемая эффективность достигается при использовании результатов анализа физических явлений в материалах при действии на них ЭМЭ радиодиапазона; анализа влияния состава и структуры материалов на показатели их диэлектрических и магнитных свойств. Материалы с регулируемыми диэлектричскими и магнитными свойствами предназначаются для различных областей техники (например, защита от ЭМЭ, экранирование радиоустройств и т.д.). Использование поглощающих ЭМЭ материалов, покрытий и конструкций, в том числе, ЭМЭ радиодиапазона высоких (ВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот, позволило решить проблему уменьшения радиолокационной заметности (УРЗ, технология Stealth) различных конструкций.

При разработке систем и способов экранирования и поглощения ЭМЭ радиодиапазона, в том числе ЭМЭ ВЧ И СВЧ частот, используют теоретические представления и практическую информацию о взаимодействии ЭМЭ радиодиапазона с материалами различного состава и строения. Электромагнитные излучения характеризуются напряженностями (индукциями) электрического (Е) и магнитного (Н) полей и их колебаниями (электромагнитными волнами). Электромагнитные волны характеризуют частотой колебаний (f-число колебаний в секунду, f=l/T, где Т- период колебаний, с) и длиной (λ=c/f, λ -длина волны, м; с-скорость распространения волн; f- частота, ¹, Гц, Герц-единица частоты в системе СИ и СГС; 1Гц-частота периодического процесса, при которой за 1с проходит один цикл процесса).

Радиоволны-электромагнитные волны с частотой не менее ЗОООГГц (с длиной волны λ более 100 мкм рис., 67). Радиоволны с различной λ отличаются методами генерации усиления, излучения, распространения. Радиоволны (10³-10¹² Гц) делят на сверхдлинные (10-30 км), длинные (1-10 км), средние (1000-100 м), короткие (100-10 м) и УКВ (λ <10м), энергия для волн с λ 1м-1мм 250·1 эВ, метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые, субмиллиметровые).

Рис.67 Частотные диапазоны электромагнитного излучения (К-кило, М-мега, Г-гига, Т-тера, П-пэта, Э-экса):

1. радиодиапазон (1 -1 низкочастотные излучения, 10- звуковые частоты);

2. широковещательный диапазон;

3. коротковолновый диапазон;

15. диапазон видиочастот;

16. диапазонработы РЛС (СВЧ>800МГц, частоты 1-20ГГц);

17. ИК (1 -4·1 ; 0,124 эВ для 10мкм);

18. оптический (видимый свет, 4-7,5·1 14, 760-400нм, 2,48 эВ для 500нм);

19. УФ (8-1 - 3· 17; 4,96 эВ для 250нм);

9) рентген (10¹⁵ - 5-10¹⁹, до 2500 эВ для 0,5нм);

10) излучение (3·10¹⁸ - 3·10²¹, до 10²⁴-космические лучи; 2,5 МзВ для 0,005 нм);

11) микроволновый;

12) терагерцевый (терагерцевая спектроскопия, бесконтактные неразрушающие методы контроля структуры материалов [221] бытовые приборы работают на частоте 5ОГц, радиотелефоны на частотах 450 млн. Гц. – 1,8млрд. Гц.

Взаимодействие ЭМЭ различных частотных диапазонов (рис.67) с материалами имеют свою специфику. При разработке радиационностойких и радиационноэкранирующих материалов рассматриваются механизмы процессов взаимодействия материалов с ионизирующими волновыми (рентген, у-излучение) и корпускулярными (нейтроны) компонентами ЭМЭ. При воздействии на полимеры ЭМЭ с энергией более 2 эВ (1 эВ эквивалентен 100 кДж/моль) имеет место необратимое изменение их свойств в результате старения, фотолиза, радиационная деструкция при воздействии рентгеновского (около 2500 эВ) и ɣ-излучения (2,5 МэВ для =0,005 нм). При прочности первичных связей в полимерах 200-600 кДж/моль (2-6 эВ/связь) потенциал ионизации связей 1000-2000 кДж/моль (10-20 эВ/связь).

При разработке экранирующих и поглощающих ЭМЭ радиодиапазона материалов рассматриваются механизмы процессов взаимодействия материалов с электрической и магнитной компонентами электромагнитного поля радиодиапазона. Электромагнитное поле радиоволны, проходящей из внешнего пространства с волновым сопротивлением описывается уравнениями Максвелла, которые связывают напряженности электрической (Е) и магнитной (Н) составляющих электромагнитного поля с коэффициентами отражения R и поглощения А,В ЭМЭ материалом с определенными электрофизическими свойствами, показателями его диэлектрической и магнитной проницаемостей.

ЭМЭ радиодиапазона на поверхности и в объеме материалов с волновым сопротивлением Z₂ преобразуется благодаря явлениям отражения, рассеивания, интерференции, дифракции, поглощения электромагнитных волн. Процессы отражения ,рассеяния преобразуют поток ЭМЭ определенного направления в потоки противоположного направления при отражении, в потоки различных направлений - при рассеянии, дифракции. Величину отражательной способности материала, направление вторичного излучения в определенной степени определяет интерференция электромагнитных волн (полная аналогия оптической интерференции). Механизмы поглощения ЗМЭ (возникновение вихревых электрических полей, резонансные процессы и др.) в материалах определяются их составом. Поглощенная ЭМЭ преобразуется в тепловую.

Преобразование (расход, потеря) ЭМЭ, приходящих из внешнего пространства электромагнитных волн L при их контакте с материалами определяется суммой

L= A+R+B, дБ

где: А - Потери ЭМЭ, обусловленные ее поглощением материалом;

R- потери ЭМЭ, связанные с отражением энергии от поверхностей материала толщиной b

В - Потери ЭМЭ из-за внутренних переотражений в материале;

дБ (децибел); 0,1Б; Б (бел) - логарифмическая единица отношения двух величин, десятичный логарифм отношения ЭМЭ до и после контакта с материалом.

Основными требованиями, предъявляемыми к радиопоглощающим материалам, являются максимальное поглощение А электромагнитной энергии в широком диапазоне частот и длин электромагнитных волн.

При разработке радиоэкранирующих материалов главные требования к ним- обеспечение минимального прохождения ЭМЭ за экран (L→0).

Эффективность экранирования ЭМЭ радиодиапазона радиоэкранирующими материалами (РЭМ), покрытиями (РЭП) и конструкциями (РЭК) по измерениям напряженностей электрического Е, магнитной Н полей, сопротивления поверхности Р РЭМ,РЭП,РЭК до и после экрана характеризуют в децибелах, причем при уровне экранирования в 20дБ отражается (R~80%) и поглощается (А~20%) 99% ЭМЭ, ЗОдБ =99,9% ЭМЭ, 50дБ- 99,999% ЭМЭ. Электропроводящие композиции с поверхностным сопротивлением от 0,150м/см² и менее 0,01 Ом·см могут экранировать ЭМЭ c 0,008- 1м до 40-60 (120дБ).

Эффективность поглощения ЭМЭ радиодиапазона радиопоглощающими материалами (РПМ), благодаря ее поглощению РПМ,РПП,РПК) в дБ (уровень ЭМЭ до и после контакта с РПМ). В радиолокации, технологии Stealth эффективность РПМ, РПП, РПК характеризуют уровнем эффективной поверхности рессеяния, , в или М². При затухании ЭМЭ в 40дБ снижается (в М², характеристике уровня радиолокационной заметности РЗ) в 10000 раз, в 20 дБ -в 90 раз с соответствующим уменьшением радиолокационной заметности (УРЗ).

При разработке систем и способов, обеспечивающих требуемый уровень отражения и поглощения ЭМЭ радиодиапазона с частотами до Гц (ЮОГГц), определяющими, как следует из теории электромагнитного поля, являются диэлектрические, магнитные, радиотехнические, геометрические параметры материалов, покрытий и конструкций.

Для различных типов материалов имеется расчетный аппарат, позволяющий связать их поглощающие и экранирующие свойства с их электрофизическими свойствами. Поглощение ЭМЭ прямо пропорционально толщине материала «b» и коэффициенту затухания в этом материале: А=b· , Непер, или А=8,686 b· а, дБ.

Значения коэффициентов затухания ЭМЭ для различных типов материалов определяются их электрофизическими свойствами, например, для материалов с электропроводящими компонентами:

, Непер/м,

где: f-частота ЭМЭ, Гц; γ=1/ρ_v – проводимость материала, Ом^-1∙м^-1; ρ_v – удельное объемное сопротивление, Ом∙м; ε’ и μ’ –действительные части комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей.

При расчетах учитывают и коэффициент преломления среды “n” при n=μ’ материалы эффективно поглощают ЭМЭ. Уровень отражения ЭМЭ от материалов определяется (в соответствие с уравнениями Максвелла) коэффициентом отражения R, показывающим во сколько раз уменьшается мощность потока ЭМЭ, падающей нормально на границу раздела двух сред, за счет отражения:

R=10 ∙ lg (1/1-r²),

где: r-модуль амплитудного отражения , r=f (P_отр), Р_отр – модуль энергетического коэффициента отражения.

Модуль энергетического коэффициента отражения Р_отр и коэффициент отражения R зависят от угла падения θ электромагнитной волны: R_θ = R∙(1 - cos θ)/(1+cos θ). При θ≠0 коэффициент отражения R_θ резко возрастает. При расчетах поглощения А и отражения R значения входных сопротивлений сред Z (импедансов – отношений тенгенциальных составляющих электрического и магнитного полей) корректируют с учетом углов падения волны. Когда вектор напряженности электрического поля параллелен границе раздела сред импеданс Z_i=1/cosθ ∙ ; когда вектор напряженности магнитного поля перпендикулярен границе раздела сред импеданс Z_i = cos θ .

Материалы начинают плохо поглощать ЭМЭ, отражая не менее 2-3%, при углах θ=70-80° (см.схему).

Модуль энергетического коэффициента отражения, зависящий от ε и μ материалов Р_отр= -1 +1 рассчитывают также, используя значение волнового сопротивления поглощаемого материала Z₂, принимая =K=Z₂/Z₁, где Z₂ –полное волновое сопротивление поглощающего материала, Z₁ –полное волновое сопротивление среды, в которой находится материал

Pотр=K-1/K+1=Z₂-Z₁/Z₂+Z₁

Так как, полное волновое сопротивление воздуха, в котором обычно находится поглощающий материал, Z₁=377 Ом, то Pотр=Z₂-377/Z₂+377.

В зависимости от величины удельного объемного сопротивления ρ_v и проводимости γ=1/ ρ_v, материалы классифицируют на проводники (ρ_v=0-10³ Ом∙см, серебро, медь 1,67∙10⁶); допированные электропроводящие полимеры с «внутренней» собственной проводимостью, ICP, Intransic Conductive Polymers, полиацетилен-более 200, политиофены-до 500, полипиррол-до10⁵; углеродные волокна 0,003-0,6; сажи 40-40000 Ом∙см, углеродные нанотрубки в зависимости от хиральности – до 0,8; графиты- до 10⁵; электропроводящие полимерные композиции- не менее 10⁶; полупроводники (ρ_v 10³-10⁸ Ом∙см), диэлектрики (ρ_v не менее 10⁸-10¹⁸ Ом∙см), стекло 10¹², неполярные полимеры 10¹⁷-10¹⁸, полярные полимеры 10¹⁰-10¹²). Значения волновых сопротивлений Z₂ составляют для проводников (γ>10⁵ Ом^-1∙м^-1 до 10⁸).

Z₂=

Для полупроводников (10⁵<γ<10⁴ Ом^-1∙м^-1).

Для диэлектриков ( <10⁶, до 10¹⁴=10¹⁸ Om^-1 · ).

Z₂=

где: -проводимость материала, Ом^-1·м^-1; f-частота ЭМЭ, Гц; ε̍, µ̍- действительные части комплексных диэлектрической и магнитной проницаемости.

Для отсутствия отражения необходимо выполнение равенства = (Ротр=0 при

ε̍=µ̍, когда -1 = 0 и когда К= ), но реализация условий, при которых =3770m, требует использования не только предельно насыщенных сухим воздухом материалов (при увлажнении – полное волновое сопротивление поглощающего материала из-за изменения значений диэлектрической ε̍ и магнитной µ̍ проницаемостей изменяются радиопоглощающие свойства, сохранение стабильности которых представляет существенные проблемы при эксплуатации РПМ, РПП, РПК ) в виде пено, сферо, сотопластов, пено- и порорезин, конструкций с порошковыми, гранулированными заполнителями, но и материалов с показателями диэлектрической и магнитной проницаемостями, удовлетворяющими условиям, при которых , ε̍=µ̍ При µ'=1 (для большинства диэлектриков) согласовать и сложно даже для ЭМЭ волн определенной частоты.

Оптимизация отношения / при применении полимерных электропроводящих и магнитодиэлектрических композиций может быть достигнута за счет механизма резонансного поглощения ЭМЭ.

Поглощающий ЭМЭ материал будет соответствовать своему назначению в том случае, если в нём отсутствует отражение электромагнитной волны от внешней поверхности, а энергия, проникающая внутрь такого материала, полностью в нем поглотится. Выполнение этих условий достигается соответствующим подбором электрических и магнитных свойств материала, в первую очередь комплексной диэлектрической проницаемости ε=ε̍+iε˝ и комплексной магнитной проницаемости µ=µ̍+iµ˝ при постепенном переходе от слабопоглощающей среды к сильно поглощающей среде

Мнимые (реактивные) части проницаемостей обуславливают потери ЭМЭ в материале (механизм см. далее). При согласовании волновых сопротивлений (импедансов) и импеданс материала на поверхности уравнивается с импедансом свободного пространства и постепенно возрастает с увеличением толщины материала.

Дополнительным средством, повышающим поглощающую способность, является оптимизация формы поверхности («архитектуры»). Для уменьшения отражения наружной поверхности радиопоглощающего покрытия придается рельефность за счет выступов, пирамидальных шипов (рис.68), сотовых ячеек. Величина углов при вершинах шипов, особая форма ячеек сот определяют число контактов электромагнитных волн с поверхностью. При каждой контакте имеет место поглощение ЭМЭ и уменьшение энергии отраженных электромагнитных волн. Коэффициент отражения R таких поверхностей мало зависит от угла падения электромагнитных волн.

Рис 68. Влияние величины углов рельефа поверхности поглощающего материала на число

контактов(а) ЭМЭ с ними (при угле 90°-2 контакта, при 60°-3, 45°-4,36°-5) и вариант (б)

«архитектуры» поверхности материала.

Оптимизация рельефа поверхности, использование сотовых, «шахтных» РПК уменьшает радиолокационную заметность объектов (технология Stealth).

Совершенствование РЭМ и РПМ достигается использованием электроактивных полимеров, наноразмерных наполнителей в электропроводящих и магнитодиэлектрических материалах.

Покрытия на основе капсюлированных гелей из полиэлектролитов (полиэлектролитные гели-хемомеханические системы, изменяющие свои размеры и объем при прохождении электрического тока, благодаря электроосмотическим процессам) - электроактивных (пьезоэлектрических) полимеров, к которым относятся поликислоты (полиакриловая, полиметакриловая, полиэтиленсульфо-, полистиролсульфо-, полифосфорная), полиоснования (поливиниламин, поли-4-винилпиридин), сополимеры акриловых кислот с 4-винилпиридином, акрилонитрилом, под воздействием ЭМЭ изменяют свой рельеф, обеспечивая диффузное отражение.

Покрытия, сформированные из вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (диаметр около 10нм, длина 10-100мкм), практически полностью поглощают ЭМЭ (коэффициент отражения видимого диапазона в интервале 380-760нм - 0,045%).

Экранирующие ЭМЭ радиодиапазона материалы обеспечивают максимальные значения коэффициентов отражения R. Поглощающие ЭМЭ радиодиапазона материалы обеспечивают минимальные значения R и максимальные значения коэффициента поглощения А. Согласование и оптимизация соотношения z₂/z₁ достигается использованием материалов на основе диэлектриков (полимерных, керамических) и композиционных материалов на основе диэлектрических связующих, токопроводящих и магнитных наполнителей (электропроводящих материалов. ЭПМ и магнитодиэлектриков, МДЭ).

При контакте с компонентами таких материалов ЭМЭ преобразуется в другие виды энергий за счет отражения, рассеивания, интерференции, дифракции, поглощения. По принципу работы материалы делятся на узко- и широкодиапазонные; в зависимости от механизма взаимодействия с ЭМЭ - на интерференционные и поглощающие за счет диэлектрических, магнитодиэлектрических потерь (в том числе, резонансные); по конструктивному выполнению (многослойные, однослойные, шахтные, сотовые, пирамидальные и другие); по назначению на монофункциональные экранирующие РЭМ, РЭП, РЭК и поглощающие РПМ, РПП, РПК (в том числе, обеспечивающие уменьшение радиолокационной заметности, УРЗ) и многофункциональные, сочетающие требуемый уровень конструкционных, теплозащитных, диэлектрических, магнитных свойств.

Узкодиапазонные материалы. Поглощение ЭМ-волн определенного диапазона проходит в материалах интерференционного типа и материалах, использующих принцип «электрического болота».

Интерференционный материал - поглотитель ЭМЭ, состоящий из слоя диэлектрика, наложенного на поверхность конструкции. Поглощение ЭМЭ происходит в результате наложения несовпадающих по фазе колебаний и гашения в результате резонанса при интерференции (рис. 6'9). Резонанс достигается благодаря интерференции волн, отразившихся от внешней поверхности и поверхности, на которую нанесено покрытие. При этом расстояние между отражающими поверхностями (толщина покрытия) должно быть таким, чтобы обеспечивалось сложение отраженных волн с равными амплитудами в противофазе.

Рис.69 Принцип работы интерференционного узкодиапазонного материала: 1 - слой диэлектрика с определеннымизначениями и ; 2 - стенка конструкции.

Выбор толщины h резонансного узкодиапазонного интерференционного поглощающего материала определяется длиной электромагнитных волн λ, значениями диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостей

Материалы этого типа, предназначенные для поглощения коротких волн, могут быть достаточно тонкими. Для определенной длины волны толщина покрытия, величины и должны иметь весьма малые (±5%) отклонения от заданных. Такие материалы хорошо работают лишь при нормальном падении волн. Многослойные радиопоглощающие конструкции, поглощающие большую часть ЭМЭ прежде, чем она достигнет отражающей поверхности (принцип «электрического болота», electric swamp), состоят из чередующихся слоев диэлектрика с малыми диэлектрическими потерями и слоев с низкой электропроводностью толщиной 0,1 мм с уменьшающимися на постоянную величину значениями tg и _s (с 14 до 0,3 кОм/0,24м², расчет согласно теории передающих линий) по мере приближения к отражающей поверхности. Толщина радиопоглощающего многослойного покрытия h связана с длинами поглощаемых электромагнитных волн соотношением h=0,l , (при =1м f=0,ЗГТц, h=10cm). Коэффициент отражения R при угле падения 80° составляет 3%, при угле0°-около1%.

В многослойных покрытиях, использующих принцип «электрического болота», в качестве диэлектрической компоненты используют пенопласты и пенорезины на основе полимеров с высоким диэлектрическими свойствами (полистиролы, полиэтилены, фторопласты, кремнийорганические резины, полиуретаны эластичные и жесткие). Обеспечивается и согласование входных сопротивлений (импедансов и ) за счет оптимального рельефа поверхности (перфорация, шипы, коэффициент отражения мало зависит от угла падения, увеличение рассеяния ЭМЭ за счет дифракции волн, отклонения волн, возникающие при их распространении в средах с резкими неоднородностями, с препятствиями, что свойственно всякому волновому движению; имеет место, когда размеры неоднородностей имеют порядок длины волны ; наблюдается при распространении волн вблизи краев шипов, сквозь узкие отверстия и щели).

Подобные материалы и по принципу действия и по внешнему виду (за счет наполнителей - различные зелено-коричневого цвета, шипы - «кочки») ассоциируются с поверхностью болота.

Широкодиапазонные материалы. Минимальное отражение R и максимальное поглощение А энергии электромагнитных широкого диапазона длин волн обеспечивают покрытия и конструкции на основе магнитодиэлектрических и электропроводящих композиций.

В реальных условиях требуется поглощение энергии электромагнитных волн радиодиапазона различной длины (частоты), когда узкодиапазонные интерференционные и работающие в более широком диапазоне покрытия, основанные на принципе «электрического болота», даже при оптимизированных показателях и их материалов, не эффективны. Но и термин «широкодиапазонные» достаточно условен, так как для поглощения энергии радиоволн низких, высоких (ВЧ), сверхвысоких (СВЧ) частот требуется целенаправленный выбор состава и соотношения компонентов поглощающих материалов.

Широкодиапазонные экранирующие и поглощающие материалы представляют собой композиционные материалы на основе диэлектрических связующих (полимеры, керамика), токопроводящих и магнитных компонентов (наполнители) различной природы (углеродные порошки, в том числе, наноразмерные, сажи, фуллерены, нанотрубки, волокна, ткани; металлические, металлизированные - в токопроводящих материалах; магнитомягкие и стеклообразные металлы, ферриты - в магнитодиэлектрических материалах).

Преобразование ЭМЭ при контакте с диэлектриками проходит за счет диэлектрических (tgδ_ε) потерь, интерференции, дифракции, с наполненными диэлектриками и за счет магнитных (tgδ_µ) потерь. Материалы должны иметь высокие значения tgδ_ε и tgδ_µ . Для увеличения tg в диэлектрики вводят сажи и вспенивают в 100- 200 раз. Для увеличения tgδ_µ, материалы используют в виде порошков, гранул, заполняя ими полости конструкций, ячейки сот.

Преобразование ЭМЭ при контакте с магнитодиэлектриками проходит за счет наведения рассеянных слабых токов (вихревые токи Фуко), диэлектрических (tgδ_ε) и магнитных (tgδ_µ) потерь.

Для снижения магнитного сопротивления магнитодиэлектриков используют связующее с высокой магнитной проницаемостью на основе токопроводящих (допированные политиофены, полипирролы, полиацетилен) и металлсодержащих полимеров.

В магнитодиэлектриках с магнитомягкими наполнителями (ферриты и др.) имеют место магнитогистерезисные (оцениваются площадью, ограниченной кривыми петли гистерезиса на зависимости B=f(H) индукции В от напряженности Н магнитного поля), резонансные (ферромагнитный резонанс при частотах, совпадающих с собственной частотой магнитного поля момента ферромагнетика, для СВЧ-ферритов ширина интервала Но резонансной кривой на уровне половины высоты резонансного максимума на зависимости µ˝ =f(Ho) потери (см. далее рис.70,71), эффект Фарадея (поглощение ЭМЭ на поворот плоскости поляризации ЭМ-волны).

Механизм поглощения ЭМЭ, Радиоэкранирующие и радиопоглощающие свойства РЭМ и РПМ определяються диэлектрическими и магнитными свойствами их компонентов, механизмом взаимодействия с электрическими и магнитными полями внешнего электромагнитного поля, содержанием диэлектрических, электропроводящих, магнитных компанентов в РЭ и РП композициях, структурой композиции, геометрическими параметрами покрытий и конструкций.

Диэлектрические компоненты РЭМ, РПМ.В качестве диэлектрических компонентов РЭМ, РПМ, покрытий и конструкций используют термо- и реактопласты и эласты, пенопласты, пенорезины, сферопласты и резины (синтактные пены с полыми сферами), ПКМ (стеклопластики, органопластики, углепластики), пленки, клеи, компаунды, лакокрасочные материалы с широкими диапазоном диэлектрических свойств.

Диэлектрические свойства полимеров - совокупность параметров, определяющих поведение полимеров в электрическом поле. Такими параметрами являются электрическая прочность Епр, удельное электрическое сопротивление (объемное _v и поверхностное _s), диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери tg . Эти величины зависят от температуры, влажности, частоты и амплитуды напряженности электрического поля, т.е. величин, характеризующих внешнюю среду и условия эксплуатации. Диэлектрические потери - часть энергии внешнего электромагнитного поля, которая необратимо рассеивается в диэлектрике.

В электрическом поле (частная форма проявления электромагнитного поля) диэлектрики поляризуются. Вектор силы тока, возникающего в диэлектрике при приложении напряжения, опережает по фазе вектор напряженности поля (сдвиг фаз между вектором напряженности и возникающей поляризации) на угол диэлектрических потерь δ. В обобщенной диэлектрической проницаемости (ε^*=ε̍+iε˝) активная вещественная часть ' обусловлена деформационной и ориентационной поляризацией, ε˝ (мнимая часть) характеризует кинетику процесса установления ориентационной дипольной поляризации. С макроскопической точки зрения ε˝ (и tgδ_є= е˝/ е̍) является мерой диэлектрических потерь, обеспечивает определенный уровень экранирования и поглощения электрической составляющей электромагнитного поля, необратимо преобразующейся в диэлектрике в тепло.

Параметрами, определяющими эффективность полимеров в экранирующих и поглощающих ЭМЭ материалов, являются электрическое сопротивление _v, _s, tg , и электрическая прочность (обеспечение отсутствия пробоя после поглощения высокоэнергетического ЭМИ).

Электрическая проводимость, диэлектрические потери и диэлектрическая проницаемость (в меньшей степени - электрическая прочность) полимеров зависят от химического состава и структуры.

Параметры покрытий и конструкций зависят от диэлектрических механических, теплофизических свойств полимеров и полимерных композиций, их тепло-, термо-, огнестойкости, уровня водопоглощения. В качестве диэлектриков используют большой ассортимент неполярных и полярных полимеров и материалов на их основе.

Удельное объемное электрическое сопротивление _v неполярных полимеров составляет 1000-10000 Т Ом·м (10¹⁷-10¹⁸ Ом-см). Практически не существует полимеров, лишенных полярных групп. При синтезе неполярного полимера могут происходить замещения или присоединения (например, при окислении полиэтилена), приводящие к появлению полярных связей. Кроме того, практически всегда существует некоторая асимметрия распределения положительно и отрицательно заряженных частиц, что приводит к появлению отличных от нуля дипольных моментов.

Полярные полимеры имеют удельное объемное электрическое сопротивление несколько ниже, чем неполярные (0,01-100 ТОм·м, или 10¹²-10¹⁰ Ом •см, в стеклообразном состоянии). У полимеров с сильно полярными группами p_v может снижаться до 0,01-1,0 ГОм·м (10¹⁹-10¹¹ Ом·см) при ε̍= 15-20.

Статическая диэлектрическая проницаемость е' неполярных полимеров обычно составляет при Т < Т_с 2,0-2,5 до 2,8-4,0; для полярных она меняется в широких пределах от 4,0 до 80 в зависимости от строения полимера; ˝ уменьшается с температурой. При Т > Т_с ' повышается до 4,0-12,0.

Диэлектрическая проницаемость пластиков и эластомеров при комнатной температуре обычно не превышает 4-7, достигая 15-20 лишь для полимеров, содержащих большое количество сильно полярных групп в боковых цепях.

Диэлектрические потери ε˝, tgδ_ε= ε˝/ε̍ - часть энергии внешнего электрического поля, которая необратимо рассёивается в диэлектрике:

ε˝=ε̍·tgδ_ε

ε^* = ε̍ - iε˝

В зависимости от соотношения циклической частоты внешнего поля (ω) и времени релаксации (τ) меняется от (при ωτ >>1) до (при ωτ ˂˂1), →ε в поле предельно высоких частот, — низкочастотных и постоянных полях. При при =1 заметно зависит от частоты и температуры и наблюдается значительное поглощение энергии поля, превращающейся в 'тепло. В этом случае ε*(ω,τ)=ε̍(ω,τ)-iε˝(ω,τ). Значения ' неполярных полимеров близки к квадрату преломления световых волн. Значения tg неполярных полимеров вне области максимума составляют 5- - 1· и слабо зависят от ω и Т. В максимуме значения tgδ_ε могут быть на порядок выше. Значения tgδ_ε полярных полимеров в сильной степени зависят от и Т, а их повышенный уровень ограничивает применение при высоких частотах ЭМЭ. Для всех полимерных диэлектриков температурно-частотные зависимости ε̍ и ε˝ (tgδ_ε) обусловлены дипольной природой полимера или его примесей и релаксационным характером установления поляризации.

Электрическая прочность - минимальная напряженность электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика, т.е. диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства и в нем образуется проводящий канал. В однородном электрическом поле электрическая прочность E_np = U_np / h, где U_np - электрическое напряжение пробоя (пробивное напряжение), h - толщина образца. С повышением температуры Е_пр большинства полимеров снижается.

Для покрытий с повышенным тепловыделением при их контакте с ЭМЭ радиодиапазона используют материалы на основе полиариленов (ароматические полиамиды, полисульфоны. полифениленоксиды и др.) и полигетероариленов (поли- и сополиимиды). В конструкционных РЭП и РПП функции диэлектрических компонентов выполняют стекло- и оргонопластики, для согласования входных сопротивлений z₂ и - сотопласты, сферопласты и сфероэласты с наполнителями из стеклянных, кварцевых, корундовых, из отвержденных фенопластов полых микросфер и микрочастиц, пенопласты и пеноэласты.

Присутствие влаги (ε̍=80, tgδ_ε =0,03) в зависимости от её количества и характера распределения в объеме полимера вызывает резкое изменение диэлектрических свойств: понижаются Е_пр и p_v, возрастают диэлектрические потери, меняются температурно- частотные зависимости ' и ", наблюдается сдвиг максимумов " в сторону низких температур (пластифицирующее действие воды), возможно появление дополнительных областей релаксации дипольной поляризации.

Совместное действие нагрева и электрического поля вызывает электрическое старение полимеров, ПМ, ПКМ с понижением Е_пр и _v, увеличением диэлектрических потерь. Под действием ионизирующих излучений, вызывающих деструкцию, образование поперечных связей, свободных радикалов и ионов, _v и tg δ_ε возрастают, Е_пр - уменьшается.

Показатели отражения R и поглощения А ЭМЭ радиодиапазона диэлектриками зависят от значений их входных сопротивлений Z₂=(µ̍/ε̍)^1/2, являются функцией магнитной и диэлектрической проницаемостей.

Обеспечить требуемые значения z₂ при =377 Ом сложно, так как у традиционных органических полимеров µ̍=1.

Для получения ПМ с оптимальными электрическими и магнитными свойствами, обеспечивающими согласование входных сопротивлений z₂ и полимеры используют в качестве связующих в композициях с токопроводящими и магнитными наполнителями.

Эффективность электропроводящих и магнитодиэлектрических композиций повышается при использовании электропроводящих и металлокомплексных полимерных связующих с высокой электрической и магнитной проводимостью, с низким магнитным сопротивлением, что устраняет размагничивающее действие немагнитных полимерных прослоек между дисперсными магнитными частицами. Ненаполненные полимеры этих типов поглощают ВЧ и СВЧ с малым тепловыделением, z₂ для них является функцией µ и γ.

Электропроводящие полимеры с «внутренней» (собственной ICP) проводимостью проявляют полупроводниковые свойства ( _v 10-10⁷ Ом·м, 10³-10⁹ Ом·м; γ=10-10⁴ Ом^-1·м^-1). Допированные ICP значительно легче ферритов (см. далее) и превосходят их по способности поглощать ВЧ и СВЧ 10⁴-10¹¹ ГГц (до уровня 45-55 дБ на частоте 1 ГГц) с тепловыделением, незначительно повышающим температуру поверхности экранируемой конструкции, практически не изменяя её ИК-заметность. Покрытия, наносимые по лакокрасочной технологии, имеют низкие значения коэффициента R.

Магнитные металлокомплексные фенольные реактопласты, содержат ионы Fe (образуют ферромагнитные оксиды - Fe₂0₃, Fe₃0₄ с высокой магнитной восприимчивостью и температурой Кюри), Ni, Со имеют низкий коэффициент отражения R благодаря большим значениям диэлектрических ε˝ и магнитных µ˝потерь, магнитной индукции (0,53-1,32·10³ Тл), магнитной проницаемости (µ= 1,4-3,5).

Электропроводящие компоненты РЭМ, РПМ. B экранирующих и поглощающих ЭМЭ материалах на основе полимерных диэлектриков (связующих, в том числе, модифицированных, с собственной электрической и магнитной проводимостью) электропроводящие компоненты выполняют роль наполнителей, определяющих, прежде всего электрофизические свойства электропроводящих композиций.

В качестве электропроводящих фаз используют углеродные (технический углерод, графит, сажа, углеродные и графитизированные волокна и текстильные формы из них - нити, жгуты, ленты, ткани, коксы, фуллерены, астралены - многослойные углеродные наночастицы, нанотрубки) и металлические (порошки, волокна, хлопья, металлизированные стеклянные, углеродные, полимерные волокна) материалы.

Электрические свойства переходных форм углерода (гомогенно- неграфитизирующиеся - углеродные волокна, гомогенно-графитизирующиеся - графитизированные волокна, аморфные и частично кристаллизующиеся - пироуглерод, пирографит, сажи, коксы, фуллерены) определяются делокализованными -электронами. По величине (γ=10²-10^-10 Ом^-1·см^-1) и и характеру электропроводности углеграфитовые материалы являются полупроводниками, причем углеродные волокна по типу проводимости относят к органическим полупроводникам, а графит и графитизированные волокна охватывают область от полупроводников до проводников.

Электрические свойства волокон зависят от типа исходного сырья (гидратцеллюлоза, ГЦ, ПАН, пек) и предельной температуры пиролиза.

В высокотемпературном процессе пиролиза волокон ПАН и ГЦ, проходят сложные химико-физические превращения с изменением электрофизических свойств на всех этапах термообработки.

После карбонизации при 1000°С в волокне присутствует 94% углерода и 6% азота. После образования карбонизованного волокна в результате полимеризации по группам CN с образованием полициклов ρ_v исходного ПАН, равное 10⁸ Ом·м, снижается до 0,003- 0,6 Ом·см. tg δ_ε составляет при 10¹⁰ Гц 0,25-0,33 (коэффициент теплопроводности 83,74- 125,6 Вт/м·К), В интервале 600-1300°С идут процессы деазотирования (600°С - начало, максимум при 900°С, при 1300°С содержание азота 0,3%). Азот формирует электрические свойства волокон (атомы азота - «ловушка» для электронов). При 1600°C потеря массы исходного полимера составляет 55-60%. Уже при 1300°С наблюдается резкое изменение электросопротивления, а при 1750°С - резкое изменение электронной структуры в волокне. При содержании углерода в волокне на уровне 99% реализуется высокая проводимость базовых графитовых плоскостей, после полного деазотирования повышение значений относительной поперечной термо-ЭДС. Электропроводность волокон становится равной электропроводности нихрома, теплопроводность - теплопроводности стали. Для УВ наиболее вероятен перескоковый механизм проводимости, когда носители тока из одной области «хорошей» проводимости перескакивают в другую с активным преодолением энергетических барьеров, создаваемых плохо проводящими областями. По каждому из механизмов проводимости в роли носителей тока могут выступать как электроны, так и «дырки», обладающие разной степенью подвижности. Для повышения электрической проводимости УВ на их поверхность или внутрь их вводят из газовой фазы металл или его соль. В качестве электропроводящих компонентов используют углеродные ткани, войлоки, ленты, жгуты, бумаги.

Использование технического углерода в виде графита и саж обусловлено их высокой дисперсностью (размер частиц саж от 100 до 3000 нм) и электропроводностью.

Используют: 1) диффузионные газовые сажи (капельные), получаемые осаждением на движущиеся поверхности из диффузионного пламени природного газа при свободном доступе воздуха (ρ_v 10000 - 40000 Ом·см); 2) турбулентные сажи (печные)7~получаемые осаждением на стенках камеры при неполном сгорании жидкого топлива или его смеси с природным газом (ρ_v 100 - 500 Ом·см); 3) ацетиленовая сажа (взрывная), получаемая взрывом ацетилена в закрытых объемах с помощью электрического запала. Отличается почти полным отсутствием примесей, сильным структурированием и большой электропроводностью ( _v 120 - 600 Ом·см); 4) сверх-и суперэлектропроводящие сажи.

Используя термопластичные и термореактивные полимеры и эластомеры в качестве связующих и электропроводящие вещества в качестве наполнителей получают композиционные электропроводящие материалы (ЭПМ). В зависимости от _v ЭПМ используются для изготовления нагревательных элементов (ρ_v 10³ - 1 Ом·см), в качестве антистатических материалов, токопроводящих клеев, лаков, эмалей, покрытий ( _v 10³-10⁶ Ом·см), радиоэкранирующих и радиопоглощающих материалов ( _v 10 - 100 Ом·см).

Электропроводность ЭПМ определяется дисперсностью токопроводящих компонентов, их объемным содержанием и равномерностью распределения в объеме ЭПМ. При слишком малой степени наполнения расстояние между токопроводящими частицами не допускает перемещения электронов, что, собственно, и является электропроводностью. При критических и выше концентрациях электропроводящих наполнителей расстояние между ними сокращается настолько, что формируются электропроводящие пути. При расстояниях в несколько нанометров без физического контакта между частицами электроны преодолевают расстояние скачком за счет «туннельного эффекта». С увеличением степени наполнения полимера удельное сопротивление (электропроводимость) фактически не изменяется до того момента, пока не будет построена электропроводящая сеть, обеспечивающая «туннелирование» электронов. Данное состояние называется «перкаляционным порогом» или «точкой флокуляции». Значение перкаляционного порога зависит от типа токопроводящего наполнителя, типа полимера, технологии изготовления ЭПМ. Например, введение графита или углеродных волокон вместе с сажей, использование суперэлектропроводящих углеродных саж снижает _v ( и _s). При содержании в полипропилене 10% об. сажи Printex ХЕ2 (фирма Degussa) _v ЭПМ = 17 Ом·см, 20 % об. сажи фирмы Депка _v 54 Ом·см.

Параметрами, определяющими проводимость ЭПМ, являются дисперсность токопроводящего наполнителя. Наполнение полимеров ( ПФО, ПА-6, ПЭТФ, ПБТФ, ПЭЭК, ПЭИ, ПИ) углеродными наночастицами (наносажи, нанотрубки, _v в зависимости от хиральности 5· ⁶ - 0,8 Ом-см, медь _v 1,67- ⁶ Ом-см) резко повышают их электропроводность. Концентрационный порог протекания ЭПМ фононов и электронов (перенос электронов, перколяция) достигает при введении в полимер 1% об. нанотрубок. При использовании технического углерода перкаляционнй порог достигается при степени наполнения в 20% об.

ЭПМ с регулируемыми в широких пределах электрофизическими свойствами - эффективные РЭМ и РПМ.

Полное волновое сопротивление ЭПМ с углеродными полупроводящими компонентами

с проводящими металлическими и графитизированными компонентами

Z₂=

определяется их магнитной µ̍ и электрической ε̍ проницаемостью, удельным объёмным сопротивлением _v, проводимостью γ=1/ _v, зависящим от уровнем диэлектрических потерь ε˝=γ/ω, где круговая частота ω=2πf, f- частота ЭМЭ, Гц.

Магнитные компоненты. В магнитном поле все материалы намагничиваются. Намагниченность М связана с напряжённостью Н внешнего магнитного поля М=К_м·Н, где К_м- показатель магнитной восприимчивости материала, в зависимости от величины и знака которого материалы подразделяют на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики (антиферро- , ферримагнетики).

Ферромагнетизм- магнитоупорядоченное состояние макроскопических объектов ферромагнетика, в котором магнитные моменты атомов(ионов) параллельны и одинаково ориентированы. Эти объёмы (домены) обладают магнитным моментом (намагниченностью М) даже при отсутствии внешнего намагничивающего поля.

Для характеристики магнитных свойств материалов используют следующие критерии:

1)Магнитная восприимчивость, К_м устанавливает связь намагниченности М с напряжённостью Н внешнего магнитного поля, К_m=М/Н;

2)Магнитное насыщение, максимально возможное значение намагниченности, М

3)Коэрцитивная сила - значение напряжённости магнитного поля Н_С необходимое для полного размагничивания ферромагнитного материала;

4)Магнитная индукция B=µ₀(H+M), плотность магнитного потока, сумма внешнего (Н) •и внутреннего (М) магнитных полей, магнитная постоянная µ₀=4π·10^-7Гн/м

5) Остаточная индукция В_г - индукция магнитного поля при значениях +H_S=0; B_s- индукция насыщения (полная ориентация векторов намагниченности вдоль поля);

6)К=константа кристаллографической магнитной анизотропии, удельная энергия, Дж/м², затрачиваемая не перемагничивание. Намагничивание ферромагнетика идёт тем легче, чем меньше К. В сплавах из компонентов с положительными и отрицательными значениями К, К=0, например, у сплавов системы Fe-Ni;

7)Точка Кюри, ϴ- температура, при которой полностью исчезает параллельная ориентация векторов намагниченности (магнитный момент равен нулю), переход ферромагнетика в парамагнитное состояние;

8)Магнитная проницаемость характеризует интенсивность роста индукции В при увеличении напряжённости Н намагничивающего поля (в системе СГС µ=В/Н), тангенсу угла наклона к первичной кривой намагничивания В= f(H). Различают относительную µ̍= 1+К_m, начальную µ_н при Н=0, максимальную µ_max (рис.70) В переменном магнитном поле µ выражается комплексным числом

µ= µ̍+iµ˝,где µ̍- магнитная проницаемость, µ˝- магнитные потери.

Ферромагнетики характеризуются большим значением магнитной восприимчивости(к_m >> 1), а также её нелинейной зависимостью от напряжённости поля Н и температуры. Железо, никель, кобальт и редкоземельный металл гадолиний имеют чрезвычайно большое значение К_m~10⁶. Их способность сильно намагничиваться широко используется в технике.

При перемагничивании в интервале напряжённостей внешнего магнитного поля ±H_S (H_s- значения, соответствующие max и min значений магнитной индукции ±B_S) от +H_S до -H_s и обратно кривые зависимостей B=f(H) не совпадают, образуют петлю (петля гистерезиса, рис. 70). Нелинейность кривой намагничивания и магнитный гистерезис при перемагничивании- характерная особенность магнитных свойств ферромагнетиков.

Рис.70 Петля гистерезиса ферромагнетика.

Магнитные характеристики M_S , B_s, , К зависят только от химического состава ферромагнетика; µ,Н_с,B_r,H_s-структурно чувствительны и зависят от технологических параметров. При взаимодействии ферромагнетиков с магнитной составляющей электромагнитной энергии она поглощается (потери энергии) по нескольким механизмам:

1. Потери при перемагничивании на гистерезис, количественно оцениваются площадью, ограниченной кривыми петли гистерезиса (рис 70) ,

2. Потери (тепловые), связанные возникновением при перемагничивании токов Фуко и переходом ЭМЭ в тепловую.

При заданной напряжённости поля Н тепловые потери растут пропорционально квадратам амплитуды магнитной индукции, частоты магнитного поля f,обратно пропорционально удельному электрическому сопротивлению _v;

3. Потери ЭМЭ благодаря поглощению энергии на поворот плоскости поляризации ЭМ волны (эффект Фарадея);

4. Потери как результат сдвига по фазе на угол вектора напряжённости Н и индукции В магнитного поля. Мерой потерь являются значения µ" и tgδ_µ=µ"/ ',характеризующие часть энергии переменного магнитного поля, необратимо преобразующейся в магнетике в тепло.

5.Потери при избирательном поглощении ЭМЭ СВЧ диапазона (f 800 МГц) при частотах, совпадающих с собственной частотой магнитного момента ферромагнетика (ферромагнитный резонанс). Резонанс проявляется в уменьшении µ' и росте µ" в некоторой области поля ∆Н₀ (рис.71),в резком возрастании tgδ_µ.Эффективность СВЧ ферритов характеризуют шириной интервала ∆Н₀ резонансной кривой на уровне половины высоты резонансного максимума.

Рис71 Изменение µ̍ и µ˝ СВЧ-ферритов в условиях ферромагнитного резонанса.

К материалам с магнитными свойствами (магнетикам) относятся металлические сплавы триады железо-кобальт-никель, других элементов (например, сплавы с хромом, алюминием, медью, самарием), аморфные и нанокристаллические металлические сплавы (металлические стёкла), ферриты. Ферромагнетизм органических веществ слабо проявляется в области криогенных температур.

В зависимости от условия намагничивания, величины магнитной проницаемости и потерь на перемагничивание (потери на гистерезис) магнитные материалы делятся на магнитомягкие и магнитожёсткие(магнитотвёрдые). По величине тепловых потерь и значений tg определяют эффективно поглощаемые частоты ЭМ-волн, подразделяя магнитомягкие материалы на низко- и высокочастотные.Магнитотвёрдые и магнитомягкие, низко- и высокочастотные материалы используют для изготовления изделий электро- и радиотехники, электроники и в качестве компонентов материалов покрытий и конструкций, экранирующих и поглощающих ЭМЭ радиодиапазонз.

Металлические магнитные материалы Магнитотвёрдые литьевые (Fe-Ni-Al), порошковые (Fe_x-Ni-Al), деформируемые (Fe-Cr-Cо, Cu-Ni-Cо) сплавы намагничиваются в сильных полях с Н>1000 кА/м, имеют большие потери при перемагничивании, остаточную индукцию В_r=0,1-1,0 Тл, коэрцитивную силу Н_с ≤500 кА/м и используются для изготовления постоянных магнитов.

Магнитомягкие материалы (особо чистое железо, низкоуглеродистые электротехнические стали нелегированные и кремнистые, прецизионные низкокоэрцитивные сплавы на железной и железоникелевой основе, порошковые ферро- и ферримагнитные и композиционные магнитодиэлектрические материалы).с Н_с ≤ 4 кА/м намагничиваются в слабых магнитных полях (Н≤5∙10⁴А/м) вследствие большой магнитной проницаемости (μ'≤88 мГн/м, μ_max≤300 мГн/м) и малых потерь на перемагничивание.

Низкочастотные магнитомягкие материалы с высокой индукцией насыщения (технически и особо чистое железо из Fe(CO)₅, электротехнические нелегированные и легированные стали В_s≤2,15 Тл,с малой коэрцитивной силой Н_с≤100А/м, μ'_max≤63∙10³ ) используют для эксплуатации в магнитных полях напряжённости от 10² до 5∙10⁴ А/м.

Низкочастотные магнитомягкие материалы с высокой μ_н и максимальной μ_max магнитной проницаемостью (сплавы систем Fe-Ni, пермаллои, низконикелевые, 45-50% Ni, μ'_н≤3,2∙10³, В_s 1,5 Тл; высоконикелевые, 79-83% Ni, μ'_н≤28∙10³, В_s 0,75 Тл; сплавы Fe-Co, 18-49% Со, В_s>2 Тл, высокие значения точки Кюри; сплавы Fe-Al, альсиферы, В_s=1,1Тл, μ'_н=35∙10³, μ'_max=116∙10³, Н_с=1,76 А/м, ρ_v=0,81 мкОм∙м, из-за хрупкости перерабатывают литьём или методами порошковой металлургии) позволяют получить большие значения индукций в слабых магнитных полях (Н≤10²А/м).

Ферриты. Высокочастотные магнитомягкие материалы с большими магнитными потерями tg и большой магнитной проницаемостью (несколько сотен)- ферриты (оксиферы), комплексные оксиды металлов Fe₂ -Me_x0_y, ферромагнитные полупроводники, эффективно поглощают ЭМЭ радиодиапазона высоких (ВЧ, до 800 МГц) и сверхвысоких (СВЧ, свыше 800 МГц, до 10¹²Гц) частот и, наряду с другими применениями, используются в качестве магнитных керамических наполнителей широкодиапазонных полимерных (и керамических) магнитодиэлектриков.

Ферриты представляют собой магнитную керамику, получаемую спеканием оксида железа с оксидами других металлов (технологические стадии; смешение порошков ферритообразующих оксидов, обжиг, помол, формование, спекание, измельчение или использование в виде пластин, напыление на подложку, ткань, плёнки). Высокоплотные ферриты с регулируемым размером зёрен изготавливают горячим прессованием.

Характерная особенность свойств ферритов- высокое, как у полупроводников, удельное электрическое сопротивление -10¹¹ Ом·м). Вследствие низкой (в 10⁸-10¹⁴ раз меньше, чем у металлических ферромагнетиков) электропроводности, особенно у ферритов с ферромагнитными и неферромагнитными оксидами, например, Zn0-Fe₂0₃ и Ni0- ( _v в 10⁸-10¹² раз больше, чем у металлов), потери на вихревые токи, которые способствуют- повышению температуры до температуры Кюри, при которой тепловое движение разрушает самопроизвольную ориентацию магнитных моментов, максимальны.

По магнитным свойствам ферриты уступают металлическим ферромагнетикам и не могут с ними конкурировать в области низких частот. Ферриты имеют невысокую индукцию насыщения (B_S<0,4 Тл), относительно большую коэрцитивную силу (Н_с<180 А/м) и невысокую температуру точки Кюри (<300°С), что ограничивает их рабочую температуру и ухудшает температурную стабильность свойств. Ферриты- твёрдые и хрупкие материалы, обрабатывать которые можно только алмазным инструментом.

Большинство применяемых ферритов обладают кристаллической структурой шпинели и отвечают формуле: Me0-Fe₂0₃, где Me - двухвалентные металлы (Mn, Ni, Mg, Ва, Со, Си, Zn, Cd). К этой группе относятся также феррит одновалентного лития Li₂0-5Fe₂0₃.

По строению ферриты представляют собой ионные кристаллы. Их кристаллическую решётку образуют отрицательные ионы кислорода и положительные ионы металлов. Элементарная ячейка ферритов типа шпинели состоит из восьми формульных единиц MeOFe₂0₃. Она содержит 32 иона кислорода и 24 иона металлов (8 ионов Ме²⁺ и 16 ионов Fe³⁺). Ионы кислорода образуют ГЦК решётку. Между ионами кислорода имеются 64 тетраэдрические поры (поры А) и 32 октаэдрические поры (поры В), в которых располагаются ионы металлов, занимая 8 пор А и 16 пор В. Между ионами металлов в этих порах существует сильное обменное взаимодействие, приводящее к антипараллельному, как у антиферромагнетиков, расположению спиновых магнитных моментов. Однако в отличие от антиферромагнетиков у ферритов суммарный магнитный момент ионов в порах В не равен суммарному магнитному моменту в порах А. Из-за некомпенсированного антиферромагнетизма ферриты называют ферримагнетиками. Небольшой результирующий момент определяет невысокую индукцию насыщения ферритов. Результирующий момент обусловлен неодинаковыми магнитными моментами ионов, расположенных в порах А и В, или разным числом ионов в этих порах.

Расположение ионов в порах А и В у большинства ферритов соответствует обращенной или смешанной структуре шпинели. В структуре обращённой шпинели ионы Ме²⁺ занимают 8 пор А, а ионы Fe³⁺-8 пор В и 8 пор А. Условная формула таких ферритов , где в скобках указаны ионы, расположенные в порах В, а перед скобками - ионы, находящиеся в порах А, Результирующий магнитный момент создают ионы Ме²⁺, так как магнитные моменты ионов Fe³⁺ компенсируются. Обращенную структуру шпинели имею никелевый и медный ферриты.

Для смешанной структуры шпинели характерно, что ионы Ме²⁺ и Fe³⁺ располагаются как в порах Б, так и в порах А.Расположение ионов в таких ферритах отвечает формуле , где n- коэффициент, характеризующий меру обращённости). При n=0 получается обращённая структура шпинели, при 0<n<1- смешанная. Значение п зависит от технологии получения ферритов. Важной характеристикой ферритов, влияющей на область их применения, является критическая частота f_Kp, при которой начинается резко возрастать тангенс угла потерь.

Граничной принято считать частоту, при которой tgδ_µ<l.

В технике преимущественно применяют не простые (однокомпонентные), а сложные ферриты, получаемые из смеси нескольких оксидов двухвалентных металлов. Ценными свойствами обладают ферриты, представляющие твёрдые растворы ферритов цинка и кадмия. В состав сложных ферритов вводят также оксиды трёхвалентных металлов (Сг,Аl).

Для поглощения ЭМЭ радиочастот 2-220 МГц используют марганцево-цинковые (группы НМ, МТ, НМС) и никель- цинковые (группы НН, НТ, ННС, ВН, ВНРП- для магнитного экранирования) ферриты. Марганцево-цинковые ферриты обладают высокой магнитной проницаемостью, но имеют относительно небольшое удельное электрическое сопротивление (10³ до 10⁵ Ом·м), что ограничивает их использование при высоких частотах (до 3 МГц).

Никель-цинковые ферриты отличаются высоким удельным электрическим сопротивлением (до 10¹¹ Ом·м) и малыми потерями, поэтому их используют при более высоких частотах (до 200 МГц) и подразделяют на три группы.

Ферриты первой группы (1000НН, 400НН) не содержат специальных присадок и применяются для работы в слабых и средних полях на частотах до 2 МГц. Ферриты второй группы (300НН,60НН) содержат 50% 0₃ и 1-8% других оксидов. Их применяют для работы на частотах до 55МГц, Ферриты третьей группы (100ВЧ, 30ВЧ2) содержат избыток Оз (54-59%), а также присадки кобальта и других оксидов. Они имеют меньше потери на вихревые точки и предназначены для использования в слабых полях на частотах до 220МГц. Из-за высокой температуры Кюри они обладают малым температурным коэффициентом магнитной проницаемости в широком интервале температур.

Ферриты для поглощения (ВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот, имеют сложный состав, их изготавливают из четырёх и более оксидов. К ним относится литиевый Li₂0-5Fe₂ и тройной кобальт-бариевый (BaCo)0-Fe₂0₃ ферриты с ГП решёткой.

Сверхвысокочастотные ферриты (ферриты СВЧ) характеризуются малыми магнитной кристаллографической анизотропией и коэрцитивной силой, очень высоким удельным электрическим сопротивлением (до 10¹² Ом·м). Основным параметром СВЧ ферритов является величина Н - ширина кривой ферромагнитного резонанса, определяющая эффективность использования ферритов и устройствах СВЧ (вентили, фазовращатели, циркуляторы). СВЧ-ферриты используют, в диапазоне частот от сотен до тысяч гигагерц (длины волн от метров до миллиметров).

Применение ферритов в СВЧ диапазоне ( 800 МГц) основано на явлениях эффекта Фарадея и ферромагнитного резонанса.

Эффект Фарадея используют в модуляторах, фазовращателях, циркуляторах и других устройствах антенной техники. Он состоит в повороте плоскости поляризации плоскополяризованной волны, распространяющейся вдоль подмагниченного постоянным полем феррита. Угол поворота φ пропорционален длине стержня феррита и напряжённости подмагничивающего поля. Чем меньше напряжённость поля, требуемая для поворота плоскости поляризации на заданный, угол тем активнее феррит, выше его функциональные свойства.

Ферромагнитный резонанс возникает в тех случаях, когда на феррит, перемагничиваемый высокочастотным полем, наложено перпендикулярное постоянное магнитное поле Н₀. Это поле вызывает процессию орбитального момента электрона, частота которой >о изменяется пропорционально Н. При определённой Н₀ значение совпадает с частотой высокочастотного поля, и наступает ферромагнитный резонанс. Он проявляется в уменьшении ' и росте " в некоторой области поля Н₀ (рис 71). В этой области резко возрастает tgδ_µ и при определённом (обратном) направлении магнитного поля происходит полное поглощение его энергии. На принципе избирательного поглощения основано использование ферритов в резонансных вентилях, фильтрах, быстродействующих переключателях и в других устройствах. Значение Н₀ тем меньше, чем больше плотность и меньше кристаллографическая анизотропия материала.

Такие свойства можно получить, вводя в состав ферритов оксиды с константой анизотропии противоположного знака. Кроме того, для увеличения плотности их изготавливают не спеканием, а сплавлением порошков в монокристалл, у которого узкая резонансная кривая (малое ∆Н₀) получается, если постоянное магнитное поле приложено в направлении трудного намагничивания.

Ферриты для СВЧ выбирают с учётом типа устройств, частотного диапазона, уровня мощности и климатических условий.

Ферриты со структурой шпинель изготовляют спеканием оксидов никеля и магния. Их состав соответствует формуле Me0·Fe₂0₃. Значение Н₀ для таких ферритов оценивают при частотах 3000МГц. Ферриты, используемые при более высоких частотах, дополнительно легируют трёхвалентными металлами: хромом или алюминием. Они описываются формулами Mg0-(FeCr)₂0₃, Mg0-(FeAI)₂0₃ или Ni0-(FeCr)₂0₃, и значение Н₀ для них оценивают при частотах 9200МГц.

Ферриты-гранаты имеют кристаллическую решётку минерала граната, их формула 3Me₂0₃·5Fe₂0₃. В качестве легирующего элемента в них используют редкоземельные металлы (РЗМ). Применение находят поли- и монокристаллы.

Поликристаллические ферриты-гранаты изготавливают спеканием оксидов редкоземельных металлов: иттрия, гадолиния и др. Их применяют при длинах волн более 30 см. Для миллиметровых волн (8 мм) применяют монокристаллические ферриты, которые получают методом сплавления порошков оксидов и последующей кристаллизации их на затравке монокристаллов. Этот же метод используют для изготовления рубиновых монокристаллов для квантовых генераторов (лазеров). Монокристалл иттриевого граната при 9200 МГц имеет ∆Н₀=0,6 кА/м.

Ортоферриты, так же как и ферриты-гранаты, изготовляют из оксидов железа, легированных РЗМ. Состав их соответствует формуле R·Fe0₃, где R-иттрий, гадолиний, самарий и т.д.. Они имеют орторомбическую кристаллическую решётку (a≠b≠c; α=β=γ=90°), в которой ионы Fe³⁺ расположены в узлах решётки, 0^2- на гранях, a R³⁺- в центре. Монокристаллы ортоферритов получают методом бестигельной зонной плавки.

СВЧ- ферриты имеют _v до 5-10¹¹Ом·м (40СЧ2), температуру Кюри до 500°С (4СЧ1) и маркируются в зависимости от диапазона длин ЭМ-волн (в см, например, ЗС45- для работы в полях с длиной волны Зсм, разновидность 5) и состава (иттриевые ферриты- гранаты, литиевые, магниевые, никелевые, для мм-диапазона, коротковолновой части см-диапазона, магниевые ферроалюминаты для длинноволновой части СВЧ, никелевые и магниевые феррохромиты для СВЧ с высоким уровнем мощности).

Для длин волн λ=1-3 см применяют никелевый феррит, двойные ферриты, содержащие оксиды магния и марганца, никеля и магния и другие со структурой шпинели. Они имеют ΔН0=10-100 кА/м. Для длин волн λ=4-10 см используют тройные ферриты, содержащие оксиды MgO, MnO и ZnO и полиферриты, содержащие кроме перечисленных оксидов CuO и CoO. Оксиды меди уменьшают пористость, а оксиды кобальта снижают константу анизотропии. Для длин волн λ>5 см с целью снижения магнитных потерь от ферритов требуется малая намагниченность насыщения. Это требование обеспечивается введением в состав ферритов и особенно (магниевые феррохромат и ферроалюминат). Чем больше содержание , тем выше и температура точки Кюри. Ширина резонансной полосы таких полиферритов составляет 10 кА/м и менее.

Для длин волн λ≥10 см используют ферриты-гранаты (10СЧ6, 30СЧ3, 40СЧ2, 60СЧ, 80СЧ и др.). Они имеют кристаллическую решётку минерала граната и формулу 3 ∙5 , где Me- иттрий. В некоторых ферритах иттрий частично замещён гадолинием или другим лантаноидом. Ферриты-гранаты иттриевой группы применяют в виде поли- и монокристаллов. Поликристаллические ферриты-гранаты имеют узкую резонансную полосу (ΔН0=4 кА/м). Наиболее ценные свойства у монокристаллических ферритов (ΔН=0,3-0,8 кА/м), их используют для работы на частотах 4000-5000МГц.

Аморфные металлические магнитные материалы. По показателям магнитных свойств аморфные металлические сплавы Fe-Ni-Co близки к магнитомягким ферритам.

При высоких скоростях охлаждения диффузионные процессы настолько замедляются, что подавляется образование зародышей и рост кристаллов. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура. Металлы с такой структурой получили название аморфные сплавы или металлические стёкла.

Затвердевание с образованием аморфной структуры принципиально возможно практически для всех металлов. Аморфная структура получена у более чем 20 чистых и полупроводниковых металлов и более 110 сплавов. Это сплавы легкоплавких (Ph, Sn, Al и др.), редкоземельных и переходных (Fe, Со, Мп, Сг и др.) металлов. Для образования аморфной структуры переходных металлов к ним необходимо добавлять так называемые аморфообразующие элементы (С, Р, В, N, S и др.), при этом состав аморфного сплава должен отвечать формуле М₈оХ₂₀, где М - один или несколько переходных металлов; X - элементы, добавляемые для образования и стабилизации аморфной структуры. Так, известны аморфные сплавы, состав которых отвечает формулам Fe₈₀P₁₃B₇; Fe₇₀Cr₁₀B₅; Ni₈₀S₂₀; Fe₄₀Ni₄₀S₁₄B₆ и др.

Аморфное состояние обеспечивает металлическим материалам свойства, значительно отличающиеся от свойств соответствующих материалов с кристаллической структурой.

Специфика аморфной структуры, по сравнению с кристаллической, в её однородности: нет правильной решётки, но нет и дефектов, резко нарушающих атомный порядок. Эта однородность является важным, с точки зрения процессов намагничивания, обстоятельством, поскольку движение границ магнитных доменов (участков магнетика, намагниченных в одном направлении) в значительной мере определяется их взаимодействием с неоднородностями структуры.

Аморфное состояние обеспечивает металлическим материалам свойства, значительно отличающиеся от свойств соответствующих материалов с кристаллической структурой.

Отсутствие анизотропии, присущее аморфной структуре приводит к очень высокой магнитной проницаемости и низким энергетическим потерям. Атомы мозаичных доменов легко смещаются, затраты энергии на перемагничивание металлических стёкол в 3-4 раза ниже по сравнению с затратами энергии на перемагничивание кристаллических аналогов.

Удельное электрическое сопротивление аморфных металлических материалов в 2-4 раза выше, чем у аналогичных сплавов с кристаллической структурой. В условиях предельно высокого электросопротивления начинают проявляться эффекты, характерные не столько для металлов, сколько для диэлектриков.

Электросопротивление обычных, кристаллических материалов определяется в основном рассеянием электронов проводимости из-за смещения ионов из своих равновесных положений в результате тепловых колебаний. Амплитуда этих смещений монотонно растёт с повышением температуры, но даже вблизи точки плавления она не превышает обычно 10% межатомного расстояния. Соответственно удельное электросопротивление растёт пропорционально температуре и в интервале от комнатной температуры до температуры плавления увеличивается в несколько раз, достигая значений в несколько десятков микроом на сантиметр. Лишь некоторые, высокорезистивные сплавы имеют сопротивление около 100 мкОм·см, Электросопротивление многих аморфных сплавов ведёт себя совершенно иначе. При температурах существенно ниже комнатной оно имеет значение 150-200 мкОм·см и более. С ростом температуры оно зачастую не только не растёт, но даже довольно заметно падает.

Аморфные металлы характеризуются высокой способностью к намагничиванию, малой коэрцитивной силой, высокой индукцией насыщения, прямоугольной петлёй гистерезиса (снижение потерь на гистерезис и вихревые точки). Магнитные свойства аморфных металлических стёкол (АМС) находятся на уровне свойств пермаллоев.

Магнитные сплавы на основе переходных металлов (Fe, Со, Ni) легко намагничиваются во внешнем поле и легко меняют своё магнитное состояние при изменении поля.

АМС на основе железа (НСР, КСР) имеют B_s=l,5-1,6 Тл и малые потери на перемагничивание при обычных и повышенных частотах (до 10⁴ Гц) .У этих АМС потери на порядок ниже, чем у кремнистых электротехнических сталей.

В железоникелевых АМС (АМАГ 225,245) введение никеля понижает Вs. Так, в сплавах с оптимальным соотношением железа и никеля (Fe/Ni=1) Вs=0,7-1 Тл. Коэрцитивная сила этих сплавов на порядок меньше, чем железных АМС (Нс < 0,5 А/м). Магнитострикция железоникелевых АМС примерно в 3 раза меньше, чем железных. Особенностью этих сплавов являются низкие потери на перемагничивание и высокие значения (до 10000) и μ̍ max (до 500000), достигаемые специальной обработкой. АМС на основе кобальта (КСР,КХСР) имеют Bs = 0,5-0,6 Тл, близкую к нулю магнитострикцию и малую коэрцитивную силу (не более 0,5 А/м). По поведению в магнитных полях небольшой напряженности эти АМС ( =104, =15•104)во многом сходны с пермаллоями ( ≈ , μ'max > 8• ). Свойства сплавов улучшают легированием небольшим (до 5% (ат.)) количеством Fe, Mn, Cr, V, Nb, Mo. Железо или марганец повышают Bs.

Аморфные металлические сплавы эффективны для экранирования магнитных полей. Так, сплав 71КНСР-А (Со; 5,5-6,2%Fe; 12-12,8% Ni; 3,6-4,1% В; 6,4-7% Si; 0,1% Mn) имеет ρ 7,55 г/ 5000, Нc — 1,2· Эр, индукция в поле 10 Эр — 0,5· Гс.

Коэффициент экранирования сплава (лента) 79НМ (50НМ) зависит от напряженности Н внешнего магнитного поля μ в интервале Н 4-20 Э, Кэ 30-35; и от частоты: при f= 4, 8, 12, 20 кГц, Кэ соответственно 125, 140, 135, 120. Свойства эпоксидных композиций с ленточными наполнителями (60%масс. сплава 71КНСР-А): начальная магнитная проницаемость 3800 Гс/Э, максимальная магнитная проницаемость 94500 Гс/Э, магнитная индукция в поле О,1 Э ( ) — 3570 Гс, в поле 8Э ( ) — 5840 Гс ( и — показатели, характеризующие узость петли гистерезиса, намагничивания). Коэрцитивность с— 0,019 Э, c — 0,021 Э.

Из аморфной ленты (фольга и ткань) производятся магнитные экраны для защиты элементов электронных приборов, причем ее механические свойства (в отличие от всех других магнитных материалов) позволяют этим экранам одновременно выполнять функции пружин,

Нанокристаллические ферромагнетики сочетают в себе лучшие свойства аморфных магнитных сплавов на основе железа типа Fe-Si-B, а именно высокую магнитную индукцию насыщения с преимуществами Со - содержащих сплавов типа Co-Fe-Si-B, характеризующихся нулевой магнитострикцией, низкой коэрцитивностью и высокой магнитной проницаемостью. Их магнитные характеристики остается неизменными при более высоких температурах измерения по сравнению с аморфными сплавами.

Под нанокристаллическими материалами (ИМ) принято понимать такие материалы, у которых размер отдельных фаз, составляющих их структурную основу, не превышает 100 нм хотя бы в одном измерении. Этот предел достаточно условен и обусловлен характерным размером L для того или иного физического явления (значение свободного пробега электрона(для электрокинетических свойств, размер доменов для магнитных характеристик). Магнитные материалы со смешанной аморфно-кристаллической структурой, получены путем контролируемой кристаллизации аморфного сплава в условиях, когда скорость зародышеобразования превалирует над скоростью роста кристаллитов в аморфной матрице («нанокристаллические ферромагнетики», НФ,размер кристаллов 10-50нм).К НФ относят сплавы типа Finement ( 85-92% ат. Fe, Si, В, Си, Nb), NanoPerm (Fe,B,Zr,Hf,Nb,l% T.Cu) с высокими значениями (10³ при 10⁷Гц) магнитной индукции , отличающиеся высокой термоустойчивостью позволяющей расширить температурный и временной рабочие интервалы использования магнитных материалов.

Реализация условий Z₁= Z₂ (при ε=µ, ),обеспочивающей минимальный коэффициент отражения R и максимальный коэффициент поглощения А ЭМЭ радиодиапазона достигается сочетанием полимеров ( и керамик) с требуемым уровнем диэлектрических свойств и магнитных ( и токопроводящих) компонентов с требуемым уровнем магнитных свойств в магнитодиэлектриках. Магнитодиэлектрики (МДЭ), как и электропроводящие материалы, получают как традиционными методами наполнения полимеров, так и специфическими приемами. Например, ферриты располагают непосредственно на внешней поверхности или на её имитации ( латунные сетки в структуре покрытия), используя модульные элементы из ферритовых плиток; приклеивают гибкие ленты, легко принимающие форму экранируемого обьекта; краски, наносимые пульверизацией; сетки, ткани, пленки с нанесенными на их поверхность слоями ферритов различной геометрической формы ( например, кресты), характеристики которых определяются законами теоретической и опытом прикладной радиофизики. Чаще всего при изготовлении магнитодиэлектриков (ферропластов и ферроэластов) используют ферромагнитные порошки и диэлектрические полимеры. Основные параметры магнитомягких ферритов (µ_н- начальная магнитная проницаемость, tg , f_крит , В_µн - температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости, Н_с - коэрцетивная сила, В_г - остаточная индукция, - индукция при заданной напряженности магнитного поля, , _v) сильно изменяются при переходе от монолитного состояния к дисперсному. В дисперсных ферритовых частицах поверхностный слой обладает большими значениями Н_с и меньшими значениями µ_н. Для повышения µ_н нужны многодоменные частицы. В полимерных магнитодиэлектриках с увеличением объема ферромагнитных частиц µ_р, В_m, В_г возрастают вследствие уменьшения полей размагничивания.

При образовании электрического контакта между магнитными частицами возникают вихревые токи Фуко, противодействующие намагничиванию (проникновению поля внутрь материала) и поглощению ЭМЭ. Общие потери энергии магнитного поля в МДЭ представляют собой сумму потерь на вихревые токи, гистерезис и дополнительные потери.

Наличие немагнитных полимерных прослоек с высоким магнитным сопротивлением между частицами магнитного наполнителя (размер магнитных частиц влияет на их магнитную проницаемость) приводят к большому внутреннему размагничиванию в дисперснонаполненных магнитодиэлектриках.

Для снижения коэффициента внутреннего размагничивания N_b

где: Р - коэффициент объемного ферромагнитного наполнения (степень наполнения, объемная доля наполнителя), µ_н - начальная магнитная проницаемость ферромагнитного наполнителя; µ_р - эффективная магнитная проницаемость полимерного магнитодизлектрика;

необходимо увеличение за счет увеличения объема мелкодисперсного наполнителя и равномерного распределения его в диэлектрической матрице.

Для расчетов магнитной проницаемости магнитодиэлектриков, значения которой используются для оптимизации свойств и прогнозирования эффективности магнитодиэлектириков используют эмпирические зависимости, например,

Сильное размагничивающее действие немагнитных полимерных прослоек между магнитными частицами приводит к необходимости получения композиций с высокими значениями Р. Снизить содержание магнитного наполнителя можно, используя связывающие фазы с высокой магнитопроводностью ( допированные электропроводящие и металлсодержащие связующие) и использованием нанодисперсных порошков. Композиции на основе полисульфонов и ароматических полиамидов эффективно поглощают ЭМЭ радиодиапазона при содержании 9% масс порошков (10-500 нм) ферритов состава MeO, Fe₂0₃, МеТiO₃, MeZr0₃ ( Me-Ni, Со, Bs,Sr).

Энергия Q, которая выделяется при одном цикле воздействия магнитного поля на ферромагнетик

, где - угловая частота,

пропорциональна tgδ_µ , который характеризует поглощение магнитной составляющей электромагнитной энергии в магнитомягком ферромагнетике. Поглощение магнитной энергии обусловливает магнитный нагрев («потери» - переход ЭМЭ в тепловую).

В диэлектрической компоненте магнитодиэлектриков энергия Q, которая выделяется при одном цикле воздействия электрического поля на диэлектрик,

пропорциональна tgδ_ε:, который характеризует поглощение электрической составляющей электромагнитной энергии в диэлектрике Поглощение электрической энергии обусловливает диэлектрический нагрев («потери» - переход ЭМЭ в тепловую).

Величина поглощаемой энергии зависит от максимально допустимой рабочей температуры материала. Для полимерных материалов максимальная плотность поглощаемой энергии (без воздушного охлаждения) составляет 0,155-0,465 Вт/см². В случае специальных поглощающих материалов эта величина может быть доведена до 1,55 Вт/см², а для особо теплостойких поглощающих материалов на основе пенокерамики — до 7,55 Вт/см².Величина поглощаемой энергии зависит от теплопередачи материала и может быть увеличена при обеспечении циркуляции воздуха на обратной стороне материала. Поглощающий материал, с обратной стороны которого обеспечена циркуляция воздуха, может работать в интервале температур от -60 до +650 °С при обеспечении его огнестойкости.

Магнитодиэлектрики на основе ферритов широко используют в покрытиях и конструкциях, обеспечивающих экранирование и поглощение ЭМЭ радиодиапазона.

6.1.Радиоэкранирующие материалы (РЭМ),покрытия (РЭП) и конструкции (РЭК).

РЭМ, РЭП, РЭК обеспечивают экранирование объектов, в основном, за счет отражения ЭМИ, когда ЭМИ лишь частично проходит в материал экрана (есгап, фран. - ширма) и экранируемое пространство. Если от металлических экранов ЭМИ отражается почти полностью, то от экранов из токопроводящих ПМ только около 80% ЭМЭ отражается, а 20% поглощается. Технологичность полимерных композиций, особенно в материалах с магнитными компонентами, позволяет изготавливать экраны сложной формы. В РЭМ и РЭП при прохождении ЭМЭ имеют место не только процессы отражения, но и процессы прелом,ления, дифракции, интерференции, дисперсии, процессы, обеспечивающие поглощение и преобразование ЭМЭ.

Защита от ЭМЭ актуальна в связи с широким использованием электронных устройств, производящих ЭМЭ высокой частоты, мощность которых постоянно увеличивается (радиотехника, электроника, связь, производство полимерных материалов и изделий из них, сварка, конструкции РЛС, ЭХО камеры, бытовые приборы и т.д. Специфические свойства электромагнитной энергии высокочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов длин волн, особенно на участках сантиметровых и дециметровых волн, ставят эти диапазоны в особое положение в отношении их биологической активности. Использование ВЧ и СВЧ неизбежно сопровождается побочными излучениями, оказывающими отрицательное влияние на персонал и выражающиеся в нарушениях функционального состояния нервной и сердечно­сосудистой систем, перегреве организма, ухудшении зрения.

Чаще всего такие излучения проникают через щели, неплотности, смотровые окна, люки, монтажные проемы, двери и другие разъемные соединения. При этом суммарная эффективность экранировки источника электромагнитной энергии или рабочего места оператора во многом определяется наличием и уровнем побочных излучений.

Высокочастотные ЭМИ мешают качественным радио- и телепередачам, другим устройствам и оборудованию, например, в области измерительной техники, техники автоматического регулирования, обработки данных и.т.д. Допустимой нормой микроизлучения для человека является 1 мВт/см², в то время как плотность микроизлучений может достигать до 10 Вт/см².

Быстрое развитие и распространение электрических устройств вызывает все возрастающее влияние электромагнитных излучений на окружающую среду. Так в промышленном городе с 100000 жителей, использующих около 500000 электроприборов, имеет место электромагнитное загрязнение из-за высокочастотного электрического излучения. В США с 1979г приняты технические нормы FCC (Federal Communications Commission), рекомендуемые для допустимых излучений различных электронных устройств, работающих при частотах более 10000 Гц (компьютеры, калькуляторы, системы обработки данных, цифровые часы, электронные игры, кассовые аппараты и др.), в ФРГ - промышленный стандарт VDE.

Эффективность экранирования (shielding effectiveness, SE) определяют измерением напряженности электрического (Е), магнитного (Н) поля, интенсивностью излучения (сопротивления поверхности экрана, Р) на определенном расстоянии до и после экрана. При частотах около 30 МГц (УКВ и микродиапазон ЭМВ) проводят измерение интенсивности излучения, при частотах ниже 30 МГц = измерение напряженности.

Эффект экранирования характеризуют в децибелах (дБ = 0,1 Б, Б - десятичный логарифм отношения двух одноименных физических величин):

SE,^B/m=20 IogEb/Ea

SE,^a/m=20 logH_b/H_a

SE,^B/m²=101ogP_b/P_a

Индексы "a" - для измерений характеристик ЭМ - поля до экрана, "b" - за экраном.

Уровни экранирования (10 - 100 дБ) в соответствии с нормами FCC чаще всего приводятся для ЭМИ с частотами 1000 МГц - 100 ГГц, а верхней границей является частота 3000 ГГц (охватывает дальний ИК - диапазон). Эффективность экранирования зависит от частоты ЭМВ и методов измерения характеристик ЭМИ до и после экрана.

Для определения способности экранов отражать и поглощать ЭМИ используют источник электромагнитных волн и два способа экранирования:1) Измеряют характеристики ЭМ - поля перед и за экраном ("закрытое пространство", abgeschirmter raum); 2) измеряют характеристики ЭМ - поля вокруг и внутри определенного экранированного объекта ("закрытый объем", abgeschirmte box). Антенна (размещается в металлическом корпусе) источника излучает сигнал, фиксируемый приемником при открытом и закрытом экраном из поглощающего материала корпуса. Результаты измерений этим методом недостаточно надежны, т. к. метод не учитывает интерференцию, резонансные явления, собственный импеданс, качество контакта исследуемого экрана и корпуса закрытого объема.

Более стабильны результаты измерений с использованием методов трансмиссионных линий и коаксиальных трансмиссионных линий (coaxial transmission line, CTL), в которых источник ЭМВ подает сигнал особой формы (сигары, торпеды), показатели поглощения более стабильны и существенно ниже тех, которые определены другими методами и практически не зависят от частоты ЭМВ.

Для экранирования ЭМИ используют полимерные электропроводящие материалы (ЭПМ) с p_v <0,01 Ом·см, поверхностным сопротивлением от 0,15 Ом/см², электропроводностью >10 ⁵ Ом¹·см¹ и полимерные материалы на основе термопластов, реактопластов, резин с токопроводящими и магнитными компонентами (магнитодиэлектрики).

Эффективность экранирования определяется электрофизическими свойствами материалов и геометрическими параметрами покрытий. Коэффициент отражения R=f(Z₂), Z₂=f(γ), =l/ _v и для ЭПМ основной характеристикой является электропроводность. Для реализации потерь ЭМЭ в экранирующих покрытиях с электропроводящими и магнитными компонентами, кроме толщины экрана, важны показатели и , при которых реализуется равенство Z₁ =Z₂ (при ε=µ , ,=1 характеризующие поглощенную экраном ЭМЭ. В качестве наполнителей ЭПМ используют металлические порошки, хлопья, пудру, волокна, нити алюминия, меди, цинка, латуни, никеля, серебра, металлизированные стекловолокна, стеклосферы. Даже цветные металлы могут подвергаться коррозии при контакте с компонентами полимерных связующих. При образовании оксидов растет поверхностное сопротивление. Наиболее часто используют хлопья из алюминия и меди ( длина до 1мм, диаметр 25 - 40 мкм), поверхность которых аппретируют кремнийорганическими и титаносодержащими аппретами.

Хорошие экранирующие свойства достигаются при содержании 20 - 24 % об. А1 - хлопьев (или 35 -50% масс, экранирующие свойства в большей степени зависят от объемного содержания, тогда как весовое содержание зависит от плотности полимерной матрицы). Дополнительное введение хлопьев серебра снижает _v до Ом·см, но удорожает материал. Хлопья серебра образуют в композиции агломераты больших размеров.

Существенное уменьшение сопротивления _v наблюдается при снижении контактного сопротивления между частицами наполнителя, например, при покрытии порошка никеля тонким слоем серебра.

Эффективным способом снижения электрического сопротивления ЭПМ является введение в них металлических или металлизированных волокон, причем, чем больше отношение длины волокна к его диаметру, тем заметнее эффект снижения сопротивления.

Металлопластики обеспечивают надежную защиту от электромагнитных волн в широком диапазоне частот и интенсивностей.

Так, полиамидный углепластик с металлизированными углеродными волокнами (осаждение магнитоактивных металлов в ультрадисперсной форме, 20 - 34% масс), обеспечивает коэффициент ослабления ЭМИ в диапазоне частот 0,15 - 1000 МГц не менее 25дБ.

Электропроводность композиций с токопроводящими наполнителями зависит от контакта отдельных проводящих частиц и возрастает при увеличении их размеров и длины, что стимулирует использование наполнителей в виде волокон и лент с соотношением длины к толщине (диаметру) равным б - 700, Эффективно использование алюминиевых лент шириной 0,01 мм, толщиной 0,001 мм, длиной 3,2 - 12 мм, которые получают раскатыванием алюминиевой проволоки.

Если поверхностное сопротивление, зависящее от _v, матричного полимера составляет 10⁴ Ом-см, целесообразно использовать алюминиевые волокна, достигается эффективное экранирование уже при содержании 3-6% об. таких волокон, когда аналогичный эффект достигается только при содержании 40 - 60% об. порошка алюминия. При использовании частиц и гранул с формой близкой к сферической для токопроводности необходима реализация контакта частиц в 2 точках, тогда как при использовании наполнителей с соотношением длины к ширине, равным 100:1 этот показатель равен 1,6. На проводимость существенно влияет длина волокон, а не только их содержание в композиции, равномерность распределения в объеме материала. Для получения требуемого поверхностного сопротивления объем наполнителя в виде волокон длиной около 1,3 мм в композиции должен быть в 2 раза больше, чем при использовании волокон длиной от 19 мм.

При длине волокон менее 1,3 мм сопротивление быстро возрастает и при длине волокон 0,025 мм при 30% об. доставляет уже 10 Ом·см. Эффективность использования волокон диаметром 2-22 мкм из нержавеющей стали различной длины заключается в том, что уже при их 2% - ном содержании эффективность экранирования повышается до40 дБ.

Для изготовления токопроводных экранирующих материалов в качестве наполнителей используют металлизированные стеклянные волокна. Стеклянные волокна металлизируют вакуумным напылением или используя металлические расплавы. Алюминиевые покрытия толщиной 0,25 мкм на волокнах диаметром 10-20 мкм имеют неравномерную толщину и шероховатую поверхность. Для получения гладких поверхностей используют никель.

Металлизированные волокна рекомендуются для наполнения прессовочных композиций с хорошими механическими свойствами, которые при содержании около 15% масс, волокон обеспечивают экранирование ЭМБ в диапазоне 35 - 50 дБ.

Для экранных материалов используют и металлизированные (часто серебром) стеклянные сплошные и полые микросферы диаметром 5-105 мкм. Композиции с 4 -12% масс, таких сфер обеспечивают экранирование ЭМВ на уровне 50 дБ.

Заливочные композиции на основе олигоэфирмалеинатов (SMC, ДМС, ВМС) явились первыми полимерными материалами, использованными в качестве экранирующих (при частоте 900 МГц экранирование на уровне 40дБ.). В качестве наполнителей в них используют преимущественно металлизированные стеклянные волокна и А1 - хлопья.

ЭПМ (толщина 3,2 мм ) обеспечивают экранирование при 100 МГц на основе

1. поликарбоната с 25 % масс. углеродных волокон до 30 дБ , с 25 %масс. металлизированных стеклянных волокон (соотношение длина/плотность от 450 :1 до 35:1) -20 дБ, с 30% масс. хлопьев Al =30дБ , с 2% масс. стальных волокон- 40дБ;

2. полиамида 66 с 15% масс. углеродных волокон с Ni-покрытием или 35% масс, неметаллизированных УВ-40дБ; 3) полипропилена с 50% масс, сажи -35дБ , с15% масс. Аl - волокон (соотношение длина/диаметр 24:1) -50 дБ; поливинилхлорида (26-41% масс. Al- хлопьев) -40-60 дБ.

Эффективность /экранирования ЭМЭ 100МГц ЭПМ на основе термопластов представлена в таблице 174. Углеродные наполнители увеличивают электропроводность полимерных композиций, однако сажа и графит менее эффективны по сравнению с металлами в качестве компонентов экранирующих материалов. В случае саж эффективна обработке их аминами. При содержании 10% углеродных волокон полимерные композиции приобретают хорошие экранирующие и механические свойства. Для поглощения ЭМИ в диапазоне 10⁷-10¹¹ Гц используют графит и ацетиленовую сажу, при этом их содержание увеличивают до 25-50% об. Графит представляет собой кристаллический материал с минимальным размером кристаллита 500 нм (у коллоидного графита). На практике применяются графиты со значительно большими размерами частиц от 5 до 30 мкм. При поглощении более высоких частот (>10¹¹Гц) предпочтительно использовать печные сажи, при этом их содержание понижают до 8-25%об, Введение в ЭПМ графита и углеродных волокон вместе с сажей снижает _уЭПМ. Техуглерод (сажи ) АТГ-70 (ацетиленовый), ПМЭ-80В (П-366Э) и ПМЭ-IOQB (П-267 Э) по сравнению с другими видами электропроводящих наполнителей более пригодны для получения профилированных изделий, обладающих высокой проводимостью, хорошими физико- механическими и эксплуатационными свойствами (в скобках дана марка печного техуглерода в соответствии с новой классификацией). Для каждого ЭПМ характерно содержание токопроводящего наполнителя, определяющее поверхностное сопротивление композиции (так называемая, пороговая концентрация, threshold,concentration,TC,рис.72)

Таблица 174. Свойства термопластичных ЭПМ, экранирующих ЭМЭ радиоапазона

Типы наполнителей, % масс.	σ+, МПа	αк Изоду, Дж/м с надрезом, без надреза	НДТ/А,°С	ρs, Ом	ρv, Ом·см	Эффективность экранирования ,дБ
Поликарбонат
40% алюминия	44,8	69,4/320	142	10	10	35-40
40% углеродного волокна	182	97/544	149	102	102	40
волокно из нержавеющей стали	63	65/146	140	102	102	40
Полиамид 6,6
40% алюминиевых хлопьев	66,5	54/244	240	102	102	35-40
40% углеродного волокна	217	87/70	260	102	102	40
Полиамид 6
40% углеродного волокна	245	97/76	218	102	102	40
Полибутилентерефталат
40% алюминиевых хлопьев	52,5	54/217	193	102	102	40
40% углеродного волокна	175	96/642	221	102	102	40
Полифениленоксид Noryl
40% углеродного волокна	120,4	59/244	146	102	102	40
Полифениленсульфид
40% углеродного волокна	120	59/408	263	102	102	40
40% углеродного волокна с никелевым покрытием	147	43,5/272	260	1	10	50-60
Полиэфирэфиркетон
30% углеродного волокна с никелевым покрытием	161	70/544	260	1	10	50-60
Полиэфиримид
40% углеродного волокна с никелевым покрытием	259	70/544	216	102	102	40

являющиеся функцией _v и γ. Для получения электропроводящих резин их наполняют ( _v< 10²0м·см),ацетиленовой сажи.

Для обеспечения надежного антистатического эффекта достаточно иметь сопротивление p_v< 10⁶ Ом-м, т.е. наряду с ацетиленовой сажей могут применяться и другие виды саж. Для электрических свойств резин в большей степени, чем для других полимеров, имеет значение природа применяемых матричных каучуков, наполнителей, пластификаторов и вулканизующих агентов.

Несмотря на обилие ЭПМ на основе синтетических каучуков, лучшими остаются резины на основе натурального каучука и ацетиленовой сажи.

Рис.72 Влияние на log р содержания различных токопроводящих наполнителей в поликарбонате (I) и полиамиде (II) : 1) углеродные волокна, 2) металлизированные стеклянные волокна, 3) А1 хлопья, 4) сажа; ТС - пороговая концентрация (threshold concentration); log р - логарифм сопротивления поверхности экрана, функция _v.

Природа каучука оказывает существенное влияние только до тех пор, пока в вулканизате не образуются токопроводящие цепочки и после этого для получения низкоомных резин большую роль играет технология смешивания компонентов и электропроводность саженаполненных вулканизатов практически не зависит от электрических свойств каучука.

Самая низкая электропроводность может быть получена введением ацетиленовой сажи в латекс. При одинаковом содержании сажи величина удельного сопротивления латексных резин на 3-5 порядков меньше, чем у вулканизатов на основе блочных (твердых) каучуков. Значение _v = 10³ - 10^б Ом·см, может быть получено при введении в латекс 13-17 масс ч ацетиленовой сажи.

Технологически электропроводящие резины изготавливают после перемешивания компонентов смеси либо каландрованием (покрытия для полов, столов и т.д.), либо формованием (изделия сложной формы), либо обычным шприцеванием (трубки из антистатической резины). Электропроводящие изделия из латексов могут быть получены многократным маканием, ионным осаждением или желатинированием.

Композиции на основе натурального каучука (30%масс, ацетиленовой сажи, 20%масс. ламповой сажи) имеют _v 10⁴-10^s Ом-см, на основе бутадиен-нитрильного каучука (75%масс. сажи ацетиленовой, 30%масс. сажи канальной) _v 10² Ом-см.

Поскольку электропроводные полимерные материалы и резины, используемые для изготовления ВЧ и СВЧ уплотнений, прокладок и т.д., могут эксплуатироваться при различных частотах, диапазонная характеристика (ослабление электромагнитной энергии в широком диапазоне длин волн) является весьма важным параметром.

С увеличением длины волны до 0,4-0,5 м ослабление электромагнитной энергии уменьшается и при дальнейшем увеличении уже не зависит от длины волны. В области более низких частот, когда длина волны несоизмеримо больше толщины экрана, наблюдается отражение электромагнитной энергии.

В случае дециметрового диапазона длин волн эффективность применения электропроводных полимерных материалов, наполненных техуглеродом, значительно ниже, чем для сантиметрового диапазона. С целью ее повышения необходимо значительно повысить проводимость таких материалов. Дальнейшее введение в композиции электропроводного техуглерода нецелесообразно, поскольку проводимость увеличивается незначительно, а физико-механические и, главное, технологические свойства высоконаполненных полимерных материалов резко ухудшаются.

В связи с этим необходимо вводить такие электропроводные наполнители, которые были бы малоактивными, не усиливающими по отношению к полимеру. Лучше всего в таком случае использовать электропроводные марки графита, которые в количестве 25- 30% по отношению к содержанию активного электропроводного техуглерода практически не изменяют вязкость наполненных композиций, физико-механические свойства, увеличивая при этом проводимость материалов в 10-15 раз.

Например, введение такого количества графита в электропроводную композицию из каучуков СКИ-3 + СКД (1:1), содержащую 80%масс. техуглерода, позволяет значительно ослабить электромагнитную энергию в широком диапазоне длин волн (ослабление ЭМЭ для 0,008 м-120дБ, для 1м-88дБ),

В процессе эксплуатации экраны, прокладки из электропроводных полимерных материалов и резин могут испытывать многократное воздействие различных видов деформаций сжатия, растяжения и т.д., температур (как высоких, так и низких), их экранирующие свойства будут изменяться, поскольку внешние воздействия неизбежно будут влиять на проводимость полимерных композиций в процессе эксплуатации экранов, в зависимости от рецептуры полимерной композиции возможны миграция и выцветание на поверхности различных ингредиентов: вулканизующих агентов и ускорителей, физических противостарителей, пластификаторов и т.д., которые существенным образом могут повлиять на контактное сопротивление. Если пластификаторы и физические противостарители незначительно влияют на R, то тип вулканизующей системы и, особенно, вид контактирующей металлической поверхности оказывают весьма большое влияние на переходные сопротивления в процессе длительного контактирования.

Основной проблемой является равномерное по объему распределение наполнителей, что обеспечивает стабильность экранирующих свойств. Необходимо учитывать влияние этих компонентов на технические и механические свойства композиций _.

Влияние состава ЭПМ, количественные соотношения отдельных компонентов, технология смешения и отверждения (стеклования, вулканизации) играют большую роль при получении изделий из ЗПМ.

Экранирующие материалы поставляются в виде эластичных и жестких пеноматериалов, тонких листов, рыхлой сыпучей массы, заливочных компаундов. Экраны устанавливаются с помощью клея, крепежных устройств. Устойчивость к воздействию атмосферных условий, топлив и других факторов достигается путём применения защитных покрытий соответствующих типов.

Одним из способов экранирования объектов от воздействия ЭМИ нанесение на их поверхность электропроводящих покрытий. При использовании таких покрытий экранирующая способность возрастает с ростом частоты ЭМИ, но требуется использовать достаточно толстые металлические покрытия. При частотах более 30МГц основной эффект связан с отражением ЭМИ, при низких частотах - с поглощением ЭМИ электропроводящим покрытием.

Для нанесения электропроводящих покрытий (слоев) на полимерные изделия и конструкции используются металлические пленки (фольга), ленты или проводят их металлизацию напылением, катодным напылением, гальванизацией (в том числе, с использованием растворов, содержащих серебро), пламенным, электродуговым напылением, используя металлические лакокрасочные покрытия. Для обеспечения экранирования изделий используют специальные ткани, в том числе, пропитанные композициями с электропроводящими компонентами, которыми покрывают изделия или приклеивают их на поверхность изделий из полимеров. Поверхностное сопротивление покрытий определяется составом и технологией нанесения.

По сравнению с металлическими проводниками ЭПМ имеют высокую коррозионную стойкость, технологичность при изготовлении изделий сложной формы, небольшую плотность, эластичность и т.д.

ЭПМ применяются для экранирования взрывобезопасного шахтного и промышленного оборудования, при этом их удельное поверхностное сопротивление составляет 10⁸-10⁹ Ом.

Электропроводные теплостойкие термопласты (ПФО, полибутилентерефталат, полисульфоны и др., (наполнители — графитизированные волокна, 5-15%об., длина 6,35 мкм, пучки из 12000 филаментов с Ni-покрытием) используют в производстве экранированных от электромагнитных радиопомех корпусов осциллографов, компьютеров (без окраски и плакирования)

Эффективна замена металла на ЭПМ при изготовлении распределительных щитов, коробок, различных экранов и других заградительных устройств и конструкций. Они надежно предохраняют электрическое оборудование и компьютеры от электромагнитных помех, не намагничиваются в отличие от металлов, имеют небольшую массу, просты в изготовлении, отличаются хорошим внешним видом. Кроме того, изготовление корпусов электрических приборов из ЭПМ дешевле по сравнению с обычным экранированием путем нанесения электропроводящих металлических слоев.

Применение ЭПМ на основе каучуков и пластиков позволяет создать электрогерметизующий (радиогерметизирующий) эффект и одновременно обеспечить защиту от вредных (побочных) электромагнитных излучений с хорошей герметизацией (экранированием) аппаратуры. За счет изменения состава композиций можно в широких пределах от 40 до 120 дБ изменять эффективность экранирования ЭМИ. Определенные типы ЭПМ используются в качестве радиопоглощающих.

Ткани для одежды персонала работающего, в условиях повышенного электромагнитного излучения ,для локального экранирования от ЭМИ операторов, СВЧ-устройств .Маскировочный радиопоглощающий комплект МРПК-11 (на основе наноструктурного ферромагнитного микропровода в стеклянной изоляции, НФМП )для укрытия военной техники, объектов, инженерных сооружений(НФМП-наполнитель радиоэкранирующих ВПКМ) производит ОАО «Центральное конструкторское бюро специальных радиоматериалов»(ЦКБ РМ, Москва, полимерные материалы, 2011, №3, с.28), используя подходы, разрабатываемые теоретической и прикладной электродинамикой.

6.2. Радиопоглощающие материалы (РПМ} покрытия (РПП) и конструкции (РПК).

Разработка полимерных композиций, использующих в качестве наполнителей токопроводящие и магнитные компоненты, расширила области применения полимерных материалов, ПКМ, ВПКМ. Электрофизические параметры таких функциональных ПМ, ПКМ, ВПКМ позволили использовать их в качестве РПМ, обеспечивающих минимальное отражение и максимальное поглощение ЭМЭ радиодиапазона.

ПМ, ПКМ, ВПКМ с токопроводящими и магнитными компонентами используют в различных отраслях техники для решения двух задач:

1. обеспечение оптимальных условий эксплуатации устройств электроники, электротехники, радиотехники при воздействии на них ЭМЭ различных частот и интенсивностей для устранения нежелательных отражений сигналов, которые имеют место при работе РЛС систем посадки самолетов; для защиты операторов PJIC от излучений интенсивностью 3 - 4,5 Вт/см², в системах опознавания «свой - чужой», для экранирования АО, конструкций надстроек кораблей для устранения отражений навигационных РЛС, экранирования от помех, вызываемых микродвигателями, электронными агрегатами; устранения отражений от резервуаров, башен, зданий, искажающих телевизионное изображения, защиты техники и оборудования от воздействия ЭМИ для экранирования волноводов, коаксиальных линий, безэховых камер. Экраны из РПМ, установленные на приборах освещения и входных пограничных огнях, устраняют отражения от них радиолокационных сигналов РЛС, дающей точные координаты для вывода самолётов в район аэропорта (без экранирования они неразличимы от сигналов, отражаемых самолётом), в системах слепой посадки самолетов (снижение искажений на экранах РЛС, возникающих при отражениях от матч, антенных вышек);

2. обеспечение минимального отражения R, максимального поглощения А ЭМЭ радиодиапазона, ослабление ЭМЭ в 100-10000 раз (до 30-40 Б) конструкций малоотражающих форм (архитектуры) для имитации «свободного» пространства, уменьшения радиолокационной заметности (УРЗ) оборудования, транспорта, подводных и надводных кораблей, объектов авиаракетной техники (технология Stealth).

При решении первой задачи используют узко- и широкодиапазонные РПМ. Экранирование и поглощение ЭМЭ фиксированных частот узкодиапазонными материалами и покрытиями проходит благодаря интерференции и за счет электрических потерь. Толщина материала, обеспечивающая интерференционное поглощение ЭМИ фиксированных частот, определяется величинами относительной диэлектрической проницаемости. Толщина поглощающих интерференционных покрытий из диэлектриков может достигать сотен мм (для поглощения ЭМИ с частотой 150 МГц - 150 мм). Существенно снижает толщины поглощающих покрытий использование композиций из диэлектриков с токопроводящими и ферритовыми наполнителями. Толщина поглощающих покрытий с ферритами при частоте 150 МГц снижается до 8 мм. Покрытия на основе термо- и реактопластов, резин с 20% масс. графита толщиной 3-4 мм поглощают ЭМИ с частотой 3·10⁹ Гц, с 12% графита и 23% печной сажи толщиной 1,5 мм поглощают ЭМИ 7,5·10⁹ Гц. Покрытия с малой толщиной наносятся с использованием лакокрасочной технологии.

В широкодиапазонных резонансных покрытиях используют диэлектрические композиции с магнитными наполнителями (ферритовые магнитодиэлектрики). Использование смесей ферритов с различными резонансными частотами обеспечивает R<1–3% в интервале частот 100 МГц–12 ГГц. Из наполненных магнитными компонентами пенопластов, компаундов, вспенивающихся гранул изготавливают поглотители в виде листовых экранов, плиток, конусных, пирамидальных, клиновидных элементов с ε=3–25, tgδ_ε=0,047–0,118, μ=0,9–2,1 (затухание ЭМИ 10¹⁰ Гц 2,5 – 69 дБ/см), сотовых структур (при толщине 2 – 19 мм затухание ЭМИ 3 ГГц до 20 дБ).

Для снижения массы поглощающих покрытий и конструкций используют углеродные наполнители. Масса 1 м² ферритовой плитки стандартной толщины (зависит от состава) ~ около 13 кг, а масса 1 м² углеродной ленты КЛШ – 11 – 300 ПУ 300 – 400 г. Масса 1 м² ферритового пеносиллксанового магнитодиэлектрика с R ≤ 2% в диапазоне λ<4 см при толщине 9,5 мм – 3 кг, при толщине 28 мм – 6,85 кг, с R=1% в диапазоне частот 40 – 3000 МГц при толщине 5 мм – 5 кг.

Широкодиапазонные магнитодиэлектрики используют в качестве поглощающих материалов элементов ВЧ- и СВЧ- аппаратуры (оконечные нагрузки, коаксиальные и волноводные аттенюаторы, эквиваленты антенн; подавление поверхностных токов в цепях и линиях высокочастотной связи и уменьшение отражения ЭМИ), в безэховых камерах. Безэховые камеры (длина до 40 – 50 м, поперечные сечения до 15 × 15 м используют для измерения характеристик антенных систем и обтекателей, для определения эффективных поверхностей рассеяния (ЭПР, σ_ц) различных материалов и целей. В безэховых камерах проводятся измерения: 1) диаграмм направленности антенн, 2) эффективных площадей рассеяния активных и пассивных целей, 3) импеданса антенн, связи антенн (электрической совместимости антенн).

Безэховые камеры дают возможность измерений отражающих и поглощающих ЭМЭ параметров в условиях, близких к «свободному» пространству. Уровень мощности, отраженной от внутренней поверхности камеры, или «чистота» ("quietness") камеры представляет собой ее характеристику, выражаемую в децибелах. Стены, пол, потолок камер экранированы поглотителями, обеспечивающие ослабление сигнала не менее 20-60 дБ при измерениях на частотах от 30 МГц до 100 ГГц.

Эффективны многослойные экранирующие - поглощающие ЭМЭ конструкции, обеспечивающие множественные внутренние отражения и рассеяние ЭМИ, диэлектрические характеристики, близкие к воздуху, что достигается использованием пен, микросфер, электропроводных и магнитных компонентов (ферритов различного состава).

Многослойные поглотители из слоев четверть волновой толщины с микросферами уменьшающегося (по слоям) диаметра с е верхнего слоя, близкой к s воздуха обеспечивает уменьшение отражения от границ слоев за счет интерференции. Отражение ЭМИ от слоев с большими диаметрами микросфер сведено к минимуму путем постепенного уменьшения диэлектрической проницаемости в направлении от слоев с большими диаметрами микросфер к слоям с меньшими (принцип "электрического болта").

Этот же принцип реализуется при постепенном увеличении по толщине материала содержания наполнителей, обеспечивающих магнитодиэлектрические свойства.

Чтобы получить согласование со свободным пространством, покрытие выполняется из слоев, диэлектрическая проницаемость которых ступенчато (минимальное число ступеней равно 5) повышается от наружной поверхности покрытия к поверхности поглотители, так что диэлектрическая проницаемость наружного слоя равна 1,5, а диэлектрическая проницаемость слоя, примыкающего к поглотителю, на 10% ниже диэлектрической проницаемости поглотителя («электрическое болото»).

В безэховых камерах частотная интерференция практически отсутствует, что обеспечивает требуемую точность измерений. Теоретически уровень отраженной мощности в безэховой камере составляет 0,1% или -40 дБ. но практически уровень отраженной мощности значительно ниже из-за дифракции на ребрах конусных, пирамидальных клиновидных, сотовых элементов.

Получили распространение безэховые камеры с поперечным и продольным расположением этих элементов, апертурного типа. В камерах с продольными элементами их направление соответствует направлению от излучателя к испытываемому объекту.

Камеры апертурного типа используются в тех случаях, когда по тем или иным причинам имеется одностороннее распространение энергии от передатчика к приемнику. Основное назначение апертурной конструкции состоит в том, чтобы отверстие (апертура) препятствовало непосредственному освещению боковых стен, пола и потолка в центральной части камеры между апертурной и безэховой зоной. Для того, чтобы свести к минимуму нежелательную дифракцию на апертуре, раскрывную часть со стороны передатчика покрывают высококачественным поглощающим материалом. Этот же материал наносится на вогнутую внутрь противоположную стенку камеры.

Традиционным поглощающим материалом эхокамер являются диэлектрики. Толщина поглощающих стенок из диэлектриков на основе пено(поро)полиуретанов и полистиролов при частотах более 100 МГц для обеспечения R<0,1% превышает 1 м (для испытания антенн космической связи и систем телевидения-1,5м). Аналогичный коэффициент отражения достигается при использовании композиций с ферритами, обеспечивающих резкое снижение толщин стенок. При R<0,1% поглощающие панели с Ni-Cu-Zn ферритами при частотах 130-540 МГц имеют толщину 5,3 мм, при частотах 75-180 МГц-12 мм, с Ni- Zn-Cu ферритами при частотах 1000-1800 МГц-4,3 мм. Снижение толщины экранов имеет место при использовании многослойных конструкций с чередующимися слоями из диэлектрических (клиновидный поверхностный слой), ферромагнитных и сегнетоэлектрических (разделены слоями диэлектриков) материалов.

Покрытия с ферритовыми слоями на диэлектрике являются широкодиапазонными. Ферритовые слои поглощают ЭМИ в диапазоне частот 100-1000 МГц, диэлектрические слои- с частотами свыше 1000 МГц. Поглотители не чувствительные к поляризации подающего излучения - многослойные структуры со слоями из пенопластов с резистивными (токопроводящими) покрытиями, которые склеивают, поворачивая чередующиеся слои на 90^о.

Обычно толщина экранирующих (поглощающих) панелей безэховых камер составляет (0,5-1,5) ( -длина волны в в свободном пространстве,) большая часть покрытий из ферритов (полигональные плитки) имеет толщину порядка 6 мм (для частоты 300 МГц)

Тонкие ферритовые панели толщиной от 1/60 до 1 /100 А_с для СВЧ – диапазона получают, используя ферриты с µ' =1, µ''»µ̍ (µ̍ обратно пропорциональна частоте ЭМИ). Радиопоглощающие панели безэховых камер для частот ниже 1 ГГц могут быть и структурами из отдельных магнитных стержней, расположенных вертикально и горизонтально.

Для тонких измерений в эхокамерах используют сложные составы материалов и структуры поглощающих экранов.

Для приближения характеристик поглощающих панелей к характеристикам свободного пространства (R→0 при Z₂=Z₁) переднее поверхности поглощающей конструкции придается форма, обеспечивающая увеличение числа отражений и поглощение ЭМЭ.

Из пено(поро)пластов, пенокерамики изготавливают пирамидальные (высота до 4 м, для 500 МГц более 1 м, основание до 0,6×0,6 м, с углами 30-70˚) шиповидные материалы, фиксируемые на стенках эхокамеры (рис. 73,1). Шиповидные материалы поглощают ЭМ-волны, если их направление относительно оси пирамид не превышает 60˚. На поверхность внутренних полостей пирамид наносят токопроводящее покрытие. Для расширения рабочего диапазона частот боковые поверхности имеют шиповидные формы меньших размеров. Высота (и состав) основных пирамид определяет нижнюю границу поглощаемых частот, высота меньших - верхнюю.

Панели с R < 3% при частотах свыше 3МГц представляют собой систему полых конусов или пирамид (высота 15 см, угол при вершине 24˚) из термопластов (например, ПВХ).

На наружную поверхность наносят электропроводящее покрытие, используя эмаль с полимерными (например, полистирольными) микросферами диаметром 3 мм.

Поверхности в виде ячеистых структур изготавливают из диэлектрических пенопластов. Стенки ячеек с токопроводящим покрытием имеют характеристики, обеспечивающие возрастание затухания ЭМЭ с увеличением глубины проникновения энергии внутрь ячеек (на стенки ячеек поглощающее покрытие наносится в виде поперечных полос). На дне ячеек находятся пирамиды (конусы) из поглощающего материала.

Поглощающие ЭМЭ поглотители с повышенными упруго-прочностными свойствами состоят из стеклопластиковых плоских, трубчатых или сотовых элементов (рис. 73; 2, 3. 4), ориентированных параллельно направлению распространения электромагнитного излучения. На внешнюю поверхность этих элементов наносится проводящее покрытие, в результате чего поверхностное сопротивление уменьшается в направлении распространения электромагнитного излучения. Пространство между элементами заполняют пено(поро)пластами, композициями с полыми микрочастицами (сферопластиками). Элементы разнесены на расстояние, меньше 1/5 максимальной длины волны поглощаемого излучения.

Нанесение проводящего слоя проводят различными способами, используя порошки углеродных материалов, карбида кремния. Поглотители обеспечивают ослабление сигнала 30 дБ и более в широком диапазоне длин волн. Трубчатые элементы получают намоткой. Для защиты поглотителей от воздействия окружающей среды (для воды = 8,0, tg =0,03) используются покрытия, толщина которых не превышает 1/8 минимальной длины волны поглощаемого излучения. В сотовых элементах из диэлектриков боковые плоскости, параллельные направлению электромагнитных волн, покрывают слоем поглощающего материала с большим удельным сопротивлением.

Рис73. Элементы поверхностных слоев радиопоглощающих материалов безэховых камер: 1)- пирамидальные, 2)- плоские, 3)- трубчатые, 4)- сотовые.

Согласование со свободным пространством и обеспечение независимости от поляризации ЭМ-волны достигается сужением стволов сотовых ячеек, встраиванием полых конических поглотителей, использованием слоев с определенным сопротивлением, расположенных под углом друг к другу (образуют своеобразный клин).

Крупногабаритные поглощающие экраны - конструкции с ячейками сот, заполненными пено- и сферопластами на основе композиций с электропроводными (сажа, графит) и ферромагнитными (карбонильное железо, ферриты) наполнителями, концентрация которых для согласования Z₁ и Z₂ постепенно уменьшается в направлении распространения ЭМ - волн.

В широкополосном поглотителе радиоволн сантиметрового диапазона на основание наклеивают диэлектрические сотовые ячейки с покрытием, включающим материал с высокими потерями. Размеры и взаимное расположение ячеек выбираются так, чтобы ослабление спадало к краю по экспоненте, а входное волновое сопротивление поглотителя примерно равнялось волновому сопротивлению свободного пространства. Для поглощения высоких частот применяют скошенные сотовые ячейки. Если для пропитывания ячеек используют растворы с постоянной концентрацией примесей, то размеры ячеек выбираются различными. При использовании ячеек постоянных размеров концентрация примесей изменяется от максимальной в нижнем слое до минимальной в наружном слое.

В поляризовано-независимых сотовых ("шахтных") поглотителях горизонтально и вертикально поляризованные ЭМ-волны частотой до 100 МГц поглощаются системой слоев с горизонтально и вертикально расположенными электропроводными и магнитными компонентами.

Поверхность РПП может быть и плоской формы, а приближение показателей сопротивления поверхности, приближение входных волновых сопротивлений РПП к волновому сопротивлению среды (воздуха), оптимизация диэлектрических и магнитных потерь осуществляется за счет сложной внутренней структуры РПП (например, размещение в объеме РПП специальных, различных форм, вставок, рис. 74).

Клиновидные выступы широкополосного поглотителя, поверхности которых изменяются по экспоненциальному закону имеют в одной плоскости треугольную форму, в другой - прямоугольную (рис. 74,2). Выступы заполнены гофрированным (зубчатыми) слоями поглощающего материала, разделенными слоями диэлектрика с малым значением е. Широкая полоса поглощаемых частот обеспечивается поглощением длинноволнового диапазона клиньями, ЭМ - волн малой длины - зубчатыми внутренними слоями.

Одна из конструкций поглотителя состоит из ряда слоев с согласованным импедансом, выполненных из пенорезины с показателем преломления электромагнитного излучения 1,1. На каждом таком слое имеются печатные диски из материала, поглощающего электромагнитное излучение. Края каждой группы дисков расположены так, что вместе с кромками других групп образуют конусообразные формы, поглощающие и рассеивающие электромагнитную энергию.

Способность поглощать ЭМЭ такими конструкциями изменяется не более чем на 3 дБ при углах падения излучения до 60°, с уменьшением уровня сигнала на 140 дБ.

Широкодиапазонные материалы могут поглощать энергию до б Вт/с . При использовании воздушного охлаждения при мощности 1,25 Вт/ - температура поглотителя достигает 100 °С, при 2,5 Вт/см²-150 °С, при 3 Вт/см² - 200 °С.

В качестве компонентов радиопоглощающих материалов с рабочими температурами до 300°С (кратковременно до 400°С) используют термоустойчивые полимеры (ароматические ЖК полиэфиры, полиамиды, ПФС, ПЭЭК), выше 300°С - керамики.

Рис.74. Радиопоглощающие конструкции с плоскими входящими поверхностями с коническими углублениями, заполненными диэлектрическими вставками (а), с коническими вставками и зазорами в конических углублениях (б), с двумя коническими вставками (в), с клиновидными вставками (г, вид сверху и сбоку);

1. блок из фенолоальдегидного пенопласта;

2. конические углубления с токопроводящим покрытием 5;

3. передняя поверхность;

4. диэлектрические вставки (в "а"- высота шипов 5 см, диаметр основания шипов 2 см, угол при вершине 15°; в "в"- с образующими, изменяющимися по экспоненте) из пенопластов с Ti0₂ с > фенолоальдегидного пенопласта;

5. алюминиевый отражающий экран (фольга);

6. клиновидные элементы из поглощающего материала;

7. зубчатые гофрированные поглощающие слои;

8. межслоевые диэлектрические слои с малыми значениями .

За рубежом экранирующие и поглощающие ЭМЭ радиодиапазона материалы, покрытия и конструкции на основе полимерных и керамических диэлектриков и магнитодиэлектриков производят фирит LNP Plastics, Wilson Fiberfil, Bayer AG, Aron Kasei, Premix Inc., Fiberite Corp., Mc Millan, Raytheon, Plessey, Grunzweig/ Hartmann, TDK Electronics и др. Стоимость материалов, обеспечивающих поглощение 99,99% ЭМИ и ослабление ЭМЭ в 10000 раз (30-40дБ), находится на уровне 100 долл. США за кг (2005г), материалов ЭМИСТОП, Спецпласт-М (Россия), ослабляющих ЭМЭ в 100-500 раз-10 долл. США за кг.