Разработка и исследование радиоматериалов для антенных устройств подповерхностного зондирования

Актуальность работы.

В последнее время широкое распространение получили методы исследованияпочвы, льда, фундаментов сооружений и др. зондированием короткими электромагнитными импульсами (георадиолокация). Разработанные для этих целей антенные устройства (георадары) практически не защищены от индустриальных помех и регистрации ложных объектов в верхней полусфере. В настоящее время серийное выпускаются георадары как отечественного, так и зарубежного производства, в частности, в США (Microwave Associates — георадар TerrascanGeophysical Surveys Systems Inc. -георадар SIRRadar Exploration Systems), в Японии (OYO Corporationгеорадары Georadar Y1-R2, Model-2441- Komatsu, Ltd.- Tokyo and Osaka Co., Ltd.- NTT and Japan Radio Co., Ltd.- Koden Co., Ltd.- Tokyo Electric Power Co., Ltd), в Канаде (A-Cubed Inc.), в Великобритании (ERA Technology, Ltd), в Швеции (MALA), в Украине (Transient Technologies — георадар «Вий»), в России (НГ1Г1 «Спектр» — ООО «ВИИИСМИ» — георадар «ЛОЗА" — ЗАО' «ТАЙМЕР» -георадар «Грот" — ООО «ДОГИС» — георадар «ОКО" — ООО «Геологоразведка» -георадар, «ТР-ГЕО»).

Не смотря на резкое увеличение: эффективности вычислительной техники и технологий шумоподавления, решение вопросовзащиты георадарных устройств от внешних помех остается в значительной мере конструкторской и материаловедческой: задачей. Технические требования к радиоматериалам для этих целей, очень высоки. Для обеспечения электромагнитной совместимости, повышения' эффективности экранировки, снижения веса конструкции требуется разработка, новых объемных композиционных радиоматериалов, что является актуальной практической: материал оведческой задачей.

На сегодняшний день подробно разработаны принципы построения радиопоглощающих материалов (РПМ) и конструкций. Для различных диапазоновчастот используют материалы (конструкции) различной химической природы, структуры и геометрии, в частности, ферриты, магнитодиэлектрики, композиционные материалы с электропроводящими и магнитными включениями, профилированные электропроводящие материалы. Предпринимаются попытки построения широкополосных РПМ на основе тонкоплёночных структур [1]. Столь широкий спектр подходов к созданию РПМ связан, прежде всего, с принципиальным ограничением, связывающим толщину РПМ, необходимую для достижения необходимой функциональности, с эффективной длиной волны и дисперсией диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также с необходимостью учёта ряда эксплуатационных требований.

Практика показывает, что подход, связанный с применением резистивных материалов для сверхширокополосных приложений [2], имеет ряд достоинств при создании РПМ для диапазона частот 107 — 1010 Гц, что обусловлено технологичностью и гибкостью реализации. Например, по сравнению с материалами, использующими магнитные компоненты, эффективными для метровогои дециметрового диапазонов длин волн, резистивные материалы обладают меньшим весомболее технологичны, позволяют создавать покрытия любой формы. В то же время, тонкоплёночные конструкции не могут обеспечить достаточно низкого уровня отражения излучения и диссипации электромагнитной энергии в диапазоне частот ниже 109 Гц.

Разрабатываемые в данной работе резистивные материалы представляют собой объемные пористые материалы на основе вспененных полиуретанов (ППУ), обладающих заданным уровнем' электропроводности. На основе таких материалов с различной концентрацией проводящей фазы и, следовательно, электропроводности и диэлектрической проницаемости, можно получать оптимальные по радиотехническим характеристикам многослойные и градиентные конструкции. Несмотря на всё более широкое практическое применение, некоторые важные вопросы, в частности, влияние структуры ППУ, свойств углеродного наполнителя и параметров пленочных покрытий на резистивные (диэлектрические) свойства пористого электропроводящего композиционного материала (ЭКМ) не исследовано достаточно подробно. Кроме того, одной из принципиальных задач, которые необходимо решать при создании радиопоглощающих материалов (РПМ) на базе материалов резистивного типа, является учёт частотной зависимости диэлектрической проницаемости и проводимости. Поэтому изучение зависимостей интегральных электрофизических характеристик разрабатываемых материалов от структуры и физико-химических свойств проводящей фазы является актуальной задачей, представляющей фундаментальный и прикладной научный интерес.

Целью работы является разработка электропроводящих композиционных материалов с заданными свойствами и построение многослойных радиопоглощающих материалов на их основе, предназначенных для обеспечения помехозащищенности георадарных устройств.

В процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ существующих решений средств защиты георадара от электромагнитных полей методом экранирования. Анализ существующих резистивных материалов с электропроводящими наполнителями типа сажи, графита, углеродных волокон. Выбор принципа построения и состава ЭКМ.

2. Исследование структуры углеродных наполнителей и оценка влияния технологии получения на их свойства.

3. Проведение измерения электрофизических параметров полученных материалов в СВЧ диапазоне и на постоянном токе. Изучение взаимосвязи между составом, структурой и электрофизическими параметрами ЭКМ.

4. Моделирование частотных зависимостей радиофизических характеристик однослойных и многослойных структур и проведение экспериментальных исследований.

8. Разработка, изготовление и проведение натурных испытаний опытных образцов композиционных многослойных материалов, а также помехоподавляющих экранов на их основе для георадаров «ОКО» и «ЛОЗА».

Решение этих задач позволило создать оптимальные многослойные радиопоглощающие структуры, которые имеют наименьшую толщину поглощающего слоя для заданного уровня коэффициента отражения и поглощения, что актуально для обеспечения электромагнитной развязки георадаров и аналогичных сверхширокополосных (СШП) систем.

Научная новизна:

1. Разработаны новые композиционные радиопоглощающие материалы резистивного типа, которые использованы при создании помехоподавляющих экранов широкополосных радаров подповерхностного зондирования.

2. Оптимизирована технология формирования углеродного электропроводящего покрытия на пенополиуретановой основе.

3. Получены новые данные о размерах, форме частиц, степени совершенства кристаллической структурывысокодисперсных углеродных наполнителей в диапазоне размеров частиц от 10 нм до 10 мкм, а также результаты исследования структуры графитовых покрытий, образующих резистивные пленки на плоских и вспененных полимерных подложках.

4. Экспериментально подтверждена применимость к объемно-пористым материалам на основе вспененных полиуретанов с углеродными наполнителями электродинамической модели" поляризации дипольно-релаксационного типа с параллельно включённой резистивной частью.

5. Изучено влияние основных эксплуатационных факторов на радиофизические характеристики пористых ЭКМ, в частности, на дисперсию диэлектрической проницаемости и СВЧ проводимость.

Практическая значимость результатов работы.

Составлен аналитический обзор патентно-технической литературы по вопросам разработки композиционных РПМ, исходных компонентов для их изготовления и способам соединения в многослойных и объемных композициях.

Разработаны новые композиционные многослойные материалы на основе ППУ и ультрадисперсных углеродных наполнителей с высокими массогабаритными характеристиками, используемых для обеспечения функциональности СШП систем. Разрабатываемые ЭКМ ориентированы на применение разработчиками и пользователями георадарных устройств.

Разработаны и испытаны в реальных условиях образцы помехоподавляющих экранов для устройств подповерхностного зондирования (георадаров «ОКО-2» и «ЛОЗА-В») на основе четырехи пятислойных ЭКМ. Подтверждена эффективность использования экранов для снижения уровня помех на величину от 7 до 18 дБ.

Результаты работы могут быть использованы в научно-исследовательских и отраслевых организациях радиотехнического, материаловедческого, профиля, в электронной промышленности, в частности, в ИРЭ РАН, ИТПЭ РАН, ОИХФ РАН, НИИДАР, ОАО «Радиофизика», ОКБ МЭИ, ЦКБ РМ, НИИП им. Тихомирова, ООО НПП «Радиострим», ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», ИЗМИР АН им. Н. В. Пушкова, ООО «Логические системы», 32 ГосНИИ МО РФ.

Реализация и внедрение результатов работы.

Научные и практические результаты работы использованы в процессе выполнения работ по гранту по программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса 2009» («У.М.Н.И.К.») на выполнение НИОКР по теме: «Разработка композиционных материалов с мелкодисперсными углеродными наполнителями для георадарных устройств».

Результаты диссертационной работы использованы в деятельности ООО НПП «Радиострим» при разработке радиопоглощающих материалов. Разработанные опытные образцы помехоподавляющих экранов использованы в деятельности ООО «Лаборатория ПЭС» и Ростовского Государственного Строительного Университета (для защиты георадара «ОКО-2» с центральной частотой 400 МГц), а также внедрены в деятельности ООО «Всероссийского научно-исследовательского института специальных методов исследований» (для защиты георадара «ЛОЗА-В» с центральной частотой 300 МГц). Акты об использовании и внедрении результатов работы прилагаются.

На защиту выносятся следующие положения и результаты.

1. Предложена оригинальная технология получения ЭКМ для широкополосных радиотехнических систем методом осаждения ультрадисперсных частиц графита из коллоидно-графитовых препаратов на объемно-вспененные эластичные ППУ с открытой пористостью.

2. На основании рентгеноструктурных исследований ХАТ в виде паст и покрытий, установлено, что в процессе активации порошков графита происходит образование трех фаз: кристаллического, аморфизированного и окисленного графитов. Сделано предположение, что в условиях высокотемпературной активации и в процессе последующей термообработки происходит структурное уплотнение материала и частичное выгорание аморфной составляющей.

3. Изучено влияние технологических операций на электрические свойства композиционных материалов. Термообработка при температурах 100.400°С приводит к увеличению удельной проводимости графитовых покрытий.

4. Получены новые данные о размерах, форме частиц, степени совершенства кристаллической структуры высокодисперсных углеродных наполнителей в диапазоне размеров частиц от 10 нм до 10 мкм, а также исследована структура графитовых покрытий, обеспечивающих проводимость ЭКМ.

5. Показано, что комплексная диэлектрическая проницаемость электропроводящих вспененных полимерных материалов в радиочастотном диапазоне зависит от состава и содержания углеродного наполнителя и хорошо описывается дипольно-релаксационной моделью поляризации с параллельно включенной резистивной частью.

6. Механическая обработка пористых ЭКМ приводит к существенному изменению их электрофизических характеристик, в частности, снижению глубины дисперсии диэлектрической проницаемости и СВЧ проводимости, что обусловлено частичным разрушением проводящей структуры.

7. Подтверждена эффективность применения многослойных экранов для снижения уровня помех при использовании георадаров, в частности, для «ОКО-2» (с центральной частотой 400 МГц) — на 7.13 дБ, для георадаров «ЛОЗА-В» (с центральной частотой 300 МГц) — на 18 дБ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 160 машинописных страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Иллюстративный материал представлен в виде 60 рисунков и 31 таблицы. Библиографический список включает 63 наименования.

Основные результаты работы, полученные диссертантом, состоят в следующем:

1. Предложена оригинальная технология получения электропроводящих композиционных материалов (ЭКМ) для широкополосных радиотехнических систем методом осаждения ультрадисперсных частиц графита из коллоидно-графитовых препаратов (КГП) на объемно-вспененные эластичные пенополиуретаны с открытой пористостью.

2. Методом рентгеноструктурного анализа исследованы химически активированные графиты в виде паст и покрытий установлено, что в процессе активации порошков графита происходит образование трех фаз:* кристаллического, аморфизированного и окисленного графитов. Сделано предположение, что в условиях высокотемпературной активации и в процессе последующей термообработки и наблюдается структурное уплотнение материала и частичное выгорание аморфной составляющей.

3. Изучено влияние технологических операций на электрические свойства композиционных материалов. Показано, что термообработка при температурах 100.400 °С приводит к увеличению удельной проводимости графитовых покрытий.

4. Методами сканирующей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и оптической лазерной дифракции получены новые данные о размерах-, форме частиц и степени совершенства кристаллической структуры высокодисперсных углеродных наполнителей в диапазоне размеров частиц от 10 нм до 10 мкм, а также исследована структура графитовых покрытий, обеспечивающих проводимость ЭКМ.

5. Показано, что комплексная диэлектрическая проницаемость электропроводящих вспененных полимерных материалов в радиочастотном-диапазоне зависит от состава и содержания углеродного наполнителя и I 154- '• хорошо описывается дипольно-релаксацйонной моделью' поляризации с параллельно, включенной резистивной частью. .

6. Показано, что механическая обработка пористых ЭКМ приводит к существенному изменению их радиофизических характеристик, в частности, снижению глубины, дисперсии диэлектрической проницаемости и СВЧ проводимости^ что обусловлено частичным разрушениемпроводящей структуры.

7. Изготовлены опытные образцы помехоподавляющих экрановна основе четырехи пятислойных ЭКМ. для георадаров «ОКО-2» и «ЛОЗА-В» с центральной частотой 400 МГц и 300 МГц, соответственно. Установленочто использование экрана позволяет обеспечить снижение уровня помех сигналов для георадара «ОКО-2» — до 7. 13 дБ,.а для георадара «ЛОЗА-В» -до 18 дБ.

Материалььдиссертационной работы вошли в содержаниедокладов на 12-ти Международных и Всероссийских конференциях и опубликованы, в работах [2, 7, 33, 34, 36,37, 42,.43-, 46];

БЛАГОДАРНОСТИ?

Автор выражает искреннюю благодарность М. В. Прокофьеву за выбор тематики-исследования-и научное руководство на разных этапах работы. При разработке алгоритма расчета и проведении радиофизических измерений материалов, а также при обсуждениигрезультатов работ неоценимую помощь оказал С. Б. Бибиков (ИБХФ РАН). Автор признателен коллективу ООО НГГП «Радиострим» за поддержку, а также генеральному директору Э. И. Куликовскому за предоставленную производственную и измерительную: базу. Благодарность выражается В.II. Семененко и В. А. Чистяеву (ИТПЭ РАН) за помощь в проведении экспериментов по исследованию электрофизических свойств материалов, С. А. Новикову (ООО «ПЭС») и В. В. Копейкину (ООО4 «ВНИИСМИ») за предоставление георадара для проведения натурных испытаний помехоподавляющего экрана A.M. Кузнецову (ООО «ЮЛСЭМ Интериешенл») за помощь и консультации при выполнении экспериментальных работ с коллоидно-графитовыми препаратами.

153 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.