ЦЕНТРАЛЬНОЕ
КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО
СПЕЦИАЛЬНЫХ РАДИОМАТЕРИАЛОВ
Главная / Статьи / Применение наноматериалов для поглотителей электромагнитных волн

 

Применение наноматериалов для поглотителей электромагнитных волн*
Л. Г. Устименко, Е. Н. Хандогина, Д. Н. Владимиров
ОАО "ЦКБ РМ", Москва

  *Статья базируется на докладе, представленном на Первой международной конференции "Нанотехнологии и наноматериалы в металлургии"
Опубликовано в журнале "Проблемы черной металлургии и материаловедения", №2, 2009 г.
   
 

     Рассмотрены некоторые примеры применения нанотехнологий для поглотителей электромагнитных волн (ПЭВ). Такие поглотители имеют сразу несколько применений в самых различных сферах: маскировка военной техники от радиолокационного обнаружения; защита информации, то есть предупреждение несанкционированного съема по электромагнитному каналу; решение проблем электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры; решение проблем медико-биологической электромагнитной безопасности (защита от вредного воздействия побочных излучений электронных приборов). Разработаны ПЭВ на основе наноструктурного ферромагнитного микропровода, а также новые пленочные и тканые радиопоглощающие материалы, получаемые методом магнетронного напыления. Этот метод позволяет получать тонкие до 5 нм слои металлов и сплавов. Предложена радиотехническая конструкция поглотителя, позволяющая эффективно поглощать или рассеивать падающие электромагнитные волны.

     Ключевые слова: поглотители электромагнитных волн, радиопоглощающие материалы, ферромагнитный микропровод, магнетронное напыление.


      A selection of applications of nanotechnologies for development of electromagnetic wave absorbers (EWA) is presented. These type absorbers have diverse applications in various fields: radar camouflage of military equipment; protection of information from unauthorized access; provision of electromagnetic compatibility of radio-electronic equipment; solving of problems of medical-biological safety from spurious emission of electronic instruments. EWA based on nanostructured ferromagnetic microwires have been developed. Magnetron sputtering was used for making new film and woven materials for adsorption of radio radiation. The latter technique allowed obtaining thin layers from metals and alloys up to 5nm in thickness. A device has been constructed that effectively absorbs or scatters incident electromagnetic waves.
Key words: electromagnetic wave absorber, radar absorbing material, ferromagnetic microwires, magnetron sputtering.

 

          В ближайшие десятилетия развитие нанотехно¬логий станет основой для следующей промышленной революции. Нанотехнология, по сути, относится к междисциплинарным исследованиям и обещает огромные перспективы, прежде всего в технике, в том числе и в области военного применения. Так, например, в 2007 году объем финансирования в сфере военных нанотехнологий в США составил около одного млрд. долларов
Нанометровый масштаб открывает новые свойства вещества. Для наноструктурированных материалов меняются параметры кристаллической решетки, ближнего порядка в расположении атомов, а, следовательно, и физико-механические, химические и электрофизические характеристики.

      Рассмотрим некоторые примеры применения нанотехнологий для поглотителей электромагнитных волн (ПЭВ). Такие поглотители имеют сразу несколько применений в самых различных сферах. Перечислим основные:
— маскировка военной техники от радиолокационного обнаружения;
—защита информации, то есть предупреждение от несанкционированного съема по электромаг¬нитному каналу [1];
—решение проблем электромагнитной совмес¬тимости радиоэлектронной аппаратуры [2,3];
— решение проблем медико-биологической электромагнитной безопасности (зашита от вредного воздействия побочных излучений электронных приборов).

      Следует при этом заметить, что наиболее эффективные поглотители электромагнитных волн должны обладать сочетанием диэлектрических и магнитных потерь в широком диапазоне частот.

      Теперь рассмотрим, что же даст применение наноматериалов в ПЭВ. Прежде всего, можно упомянуть о создании защитных и маскировочных покрытий на основе технологий, используемых в гибких дисплеях. Например, мобильные частицы пигмента, покрывающие поверхность скрываемого объекта, могут изменять свое положение или ориентацию, создавая новую окраску, подобно тому, что происходит при движении крыльев насекомых, когда восприятие окраски зависит от направления наблюдения. Такой "активный" камуфляж может применяться не только в обмундировании личного состава, но и для маскировки ВВТ. Уже сейчас методами фотоники можно создавать нити и ткани, поглощающие излучение в видимом и инфракрасном диапазоне, причем коэффициент отражения для такого покрытия можно регулировать в реальном масштабе времени. Такие покрытия могут одновременно создавать в других частотных диапазонах некоторые "отражательные паттерны". Такие узоры или образы можно будет видеть специальными устройствами по известному принципу "свой -чужой". Предполагается, что практическое применение подобных покрытий осуществится в ближайшие 5 лет [4].

      ОАО "ЦКБ РМ" занимается исследованием и применением ультрадисперсных и наноструктурных материалов более 10 лет. Так, например, совместно с Московским институтом стали и сплавов был разработан радиопоглощающий материал на основе макропористого носителя с частицами никеля  размером 10 - 100 нм. В качестве носителя был выбран материал ТЗМК 10, который применялся на космическом аппарате "Буран". Энергия падающей электромагнитной волны (ЭМВ) преобразуется в тепловую за счет колебаний частиц, при этом бла¬годаря различному размеру последних, поглощение осуществляется в широком диапазоне частот. Коэффициент отражения такого РПМ не хуже —15 дБ в диапазоне 8 - 30 ГГц.

      Нами разработан сверхширокодиапазонный радиопоглощающий материал на основе нанострук-турного ферромагнитного микропровода (НФМП) в стеклянной изоляции. Основным радио поглощающим элементом в нем является НФМП, представляющий собой тонкий металлический сердечник в стеклянной изоляции. Технология получения НФМП (рис. 1) обеспечивает одновременное плавление металла, размягчение стеклянной трубки, окружающей навеску металла, и закалку получающегося композита со скорость 10град/с.
   
   
Схема получения микропровода в стеклянной изоляции.
1 - стеклянный капилляр
2 - навеска металла
3 - ВЧ индуктор
4 - кристаллизатор
5 - микропровод
6 – приемное устройство
   

      В результате получается трехслойный композит, состоящий из металлического проводника d = = 1-30 мкм, наноструктурного переходного слоя, толщиной порядка 5 нм и стеклянной изоляции, толщиной 2-30 мкм (рис. 2). Благодаря разнице коэффициента термического расширения (КТР) метала и стекла, а также наличию наноструктурного переходного слоя, материал металлического сердечника находится под воздействием гигантских напряжений (109 Па) и обладает уникальными электрофизическими характеристиками в СВЧ диапазоне.
 

Рис. 2  Электронная микрофотография строения наноструктурного ферромагнитного микропровода в стеклянной изоляции.
Длина масштабного штриха на снимке –20 мкм

      Вполне понятно, что магнитные свойства [5] литого микропровода в стеклянной изоляции существенно зависят от магнитной структуры, которая, главным образом, определяется двумя факторами: магнитоупругой анизотропией и анизотропией формы. При этом анизотропия формы включает анизотропию формы доменов и анизотропию, вызванную цилиндрической формой жилы. Магнитоупругая анизотропия зависит, в основном, от разницы КТР, знака и величины магнитострикции материала жилы.

      Из физических расчетов следует, что максимальная проницаемость достигается при компенсации анизотропии формы магнитоупругой анизотропией. Оценки позволяют ожидать проявления магнитных свойств микропровода. В течение ряда лет были проведены исследования зависимости электросопротивления наноструктурного ферромагнитного микропровода от частоты в диапазоне СВЧ. Ано¬мальное увеличение относительного погонного электросопротивления, обнаруженное для НФМП на основе Fe и Со позволило интерпретировать это явление, как естественный ферромагнитный резо¬нанс (ЕФМР), частота которого находится в диапазоне 5-7 ГГц и определяется составом сплава, стеклянной изоляции и геометрическими факторами.

      В результате исследований была получена зависимость погонного сопротивления микро¬провода от частоты. Характер изменения погонного сопротивления от частоты различен для проводников с одинаковой электропроводностью и геометрией. В ходе исследования была показана возможность изменения параметров резонансной кривой в зависимости от режима технологической обработки (температуры, времени отжига), толщины и химического состава сплава. Выявлена доминирующая роль магнитоупругих напряжений в формировании  формы кривой погонного сопротивления и резонансной частоты. Оценка максимальной магнитной проницаемости микропровода в СВЧ-диапазоне показала, что для сплава на основе Fe магнитная проницаемость составляет более 300.

      Такой уровень магнитных свойств в этом частотном диапазоне достигнут впервые и аналогичного материала в литературе не описано. Таким образом, микропровод с аморфной жилой в стеклянной изоляции оказался уникальным материалом, обладающим следующим сочетанием свойств:
—наличие магнитных потерь в диапазоне СВЧ;
— возможность простыми технологическими приемами изменять величину, частоту ЕФМР и регулировать погонное сопротивление микропровода;   возможность получать непрерывные, до нескольких километров, отрезки микропровода, обладающего заранее заданными характеристиками;
—химическая инертность изоляции;
— крайне выигрышные массо-габаритные характеристики—масса микропровода < 1 Г/км.

      Все это делает микропровод весьма привлекательным объектом для создания на его основе тканых поглотителей электромагнитных волн раз¬личного назначения.

      Радиопоглощающий материал на основе НФМП, разработанный и выпускаемый в ОАО "ЦКБ РМ", предназначен для маскировки военной техники от обнаружения и наведения высокоточного оружия противника в радиолокационном и оптическом диапазоне. Он обладает коэффициентом отражения не хуже 17 дБ (то есть менее 0,5%) в рабочем диапазоне длин волн от 0,2 до 15 см, и принят на снабжение МО РФ в 2007 г.
Ведутся работы по поиску технологии создания поглощающей "краски" с наполнителем из НФМП. На нашем предприятии разработаны новые пленочные и тканые РПМ, получаемые методом магне-тронного напыления. Метод позволяет получать тонкие — до 5 нм слои металлов и сплавов. Была разработана радиотехническая конструкция поглотителя, позволяющая эффективно поглощать или рассеивать падающую ЭМВ (рис. 3).
     
   
 Рис. 3    

      Соотношение радиуса воздушной петли, ширины вплетенных в сетевую основу пленки или ткани и радиус ячеи позволяют создавать целую номенклатуру материалов, работающих в различных диапазонах длин волн. Вес 1 м2 таких РПМ, в зависимости от модификации, составляет от 200 до 600 Г, коэффициент отражения ЭМВ от -17 до -3 5 дБ в диапазоне длин волн 0,8 - 25 см.
     
   
 Рис. 4    Рис. 5
      Кроме этого, разработана технология изготовления экологически чистых экранирующих тканей для  обеспечения медико-биологической защиты персонала и населения, работающего и проживающего в условиях вредного воздействия электромагнитных полей различной частоты и интенсивности, а также для решения задач защиты информации. Экранирующие, поглощающие и радиорассеивающие ткани могут быть изготовлены как на базе комплексных нитей с наноструктурным ферромагнитным микропроводом (рис. 4), так и с напыленными металлическими слоями нанометровой толщины (рис. 5). Эффективность работы таких тканей в качестве ПЭВ зависит от типа НФМП, структуры плетения, толщины и химического состава напыленного металлического слоя и, разумеется, радиотехнической схемы ПЭВ. В среднем, коэффициент отражения таких тканых ПЭВ в сантиметровом диапазоне длин волн не хуже 1% .Такие ткани могут применяться для пошива спецодежды, защитных штор, жалюзи и других швейных изделий, предназначенных для локализации повышенного уровня ЭМ излучений в помещениях, перенасыщенных электронными приборами (лаборатории СВЧ-техники, диагностические и физиотерапевтические медицинские центры, компьютерные клубы, редакции СМИ и т.д.)

 

Литература
1. Владимиров Д.Н., Хандогина Е.Н. Электромагнитное экранирование радиоэлектронной аппаратуры. // Экономика и производство. 2003. № 2. С. 62 - 67.
2. Коваленко В.Н., Владимиров Д.Н., Хандогина Е.Н.  Многофункциональные экранированные объемы. // Современные технологии безопасности. 2003. № 2. С. 23-25.
3. Владимиров Д.Н., Хандогина Е.Н. Материалы для защиты от электромагнитных полей. //Мир техники и технологий. 2007. № 5. С. 46 - 48.
4. Альтман Ю. Военные нанотехнологии. Возможности применения и превентивного контроля вооружений. М.: Техносфера, 2006,416 с.
5. Khandogina E.N., Petelin E.N.. Magnetic, mechanical properties and structure of amorphous glass coated microwires. // J. Magn. Mater. 2002. V. 249. No. 1 - 2. P. 55 - 59.

   
   

 

© Центральное конструкторское бюро специальных радиоматериалов карта сайта | главная | разработки (495)361-4504, (495)362-4844ф
Главная
Разработки
История
Статьи
Лицензии
Патенты
Информация
Контакты
Форма запроса на радиопоглощающие или экранирующие материалы
«Expopriority\'2012»
Награды
день инноваций 2013
Expopriority2013
Акционерам
Дни Инноваций МО РФ 2014
EXPOPRIORITY-2015
  Главная      Написать письмо      Карта сайта