1 Радиоэкранирующие и радиопоглощающие полимерные материалы и конструкции

1.1 Теоретические основы

Эффективность радиопоглощающих ЭМЭ (электромагнитную эмиссию) 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.

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 (Т- период колебаний) и длиной λ=c / f (λ - длина волны; с - скорость распространения волн; f – частота).

Радиоволны (10³-10¹² Гц) делят на: сверхдлинные (10-30 км); длинные (1-10 км); средние (1000-100 м); короткие (100-10 м); УКВ (λ < 10м) (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Частотные диапазоны электромагнитного излучения.

Взаимодействие ЭМЭ различных частотных диапазонов с материалами имеют свою специфику.

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 (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Схема взаимодействия материалов с электрической и магнитной

компонентами электромагнитного поля радиодиапазона.

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

L= A+R+B, дБ

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.

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

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·или А=8,686b·а.

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

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

Значения волновых сопротивлений Z₂ составляют для:

- проводников (γ>10⁵ Ом^-1∙м^-1 до 10⁸) Z₂=

- полупроводников (10⁵<γ<10⁴ )

- диэлектриков (<10⁶, до 10¹⁴=10¹⁸) Z₂=

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.

Дополнительным средством, повышающим поглощающую способность, является оптимизация формы поверхности («архитектуры»). Для уменьшения отражения наружной поверхности радиопоглощающего покрытия придается рельефность за счет выступов, пирамидальных шипов, сотовых ячеек (рисунок 1.3). 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.

Рисунок 1.3 - 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.

Совершенствование радиоэкранирующих (РЭМ) и радиопоглощающих (РПМ) материалов достигается использованием электроактивных полимеров, наноразмерных наполнителей в электропроводящих и магнито-диэлектрических 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 кислоты), полиоснования (поливиниламин, поли-4-винилпиридин), сополимеры акриловых кислот с 4-винилпиридином, акрилонитрилом, под воздействием ЭМЭ изменяют свой рельеф, обеспечивая диффузное отражение.