Разработка и исследование радиоматериалов для антенных устройств подповерхностного зондирования
|
Скачать 343.74 Kb.
|
|
На правах рукописи УДК 621.317.34:621.793 Смольникова Ольга Николаевна РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АНТЕННЫХ УСТРОЙСТВ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ Специальность 05.16.09 – «Материаловедение» (машиностроение, машиноведение) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук МОСКВА – 2010 Работа выполнена на кафедре “Материаловедение” Московского авиационного института (государственного технического университета)
Защита диссертации состоится «15» декабря 2010 г. в 10 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.125.10 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ. Автореферат разослан «8» ноября 2010 г. Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.125.10 кандидат технических наук, профессор _____________ Комаров Ю.Ю. Общая характеристика работыАктуальность работы. В настоящее время широкое распространение получили методы исследования почвы, 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. Несмотря на резкое увеличение эффективности вычислительной техники и технологий шумоподавления, решение вопросов защиты 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 материаловедческой задачей. На сегодняшний день подробно разработаны принципы построения радиопоглощающих материалов (РПМ) и конструкций. Для различных диапазонов частот 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. 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. Разрабатываемые в данной работе резистивные материалы представляют собой объемные пористые материалы на основе вспененных полиуретанов (ППУ) с углеродными наполнителями, 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 образуемого им проводящего покрытия на резистивные (диэлектрические) свойства пористого электропроводящего композиционного материала (ЭКМ) не исследовано достаточно подробно. Кроме того, одной из принципиальных задач, которые необходимо решать при создании 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 научной 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 измерений 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. 5. Разработка, изготовление и проведение натурных испытаний опытных образцов композиционных многослойных материалов, а также помехоподавляющих экранов на их основе для георадаров «ОКО-2» и «ЛОЗА-В». Объекты исследования. Объектами исследований являлись пористые ЭКМ, изготовленные методом пропитки ППУ в коллоидно-графитовых препаратах (КГП) с последующей сушкой. В качестве полимерной основы использовали ППУ эластичный коммерческой марки 2536 (ТУ 2254-001-53938077-2001) в виде листов прямоугольной формы толщиной 20 мм. В качестве электропроводящего наполнителя использованы различные виды углеродных наполнителей, отличающиеся размерами частиц и условиями активации порошков графита марок «ТО-3» и «ТО-6» без стабилизирующих добавок, а также водно-аммиачная суспензия высокодисперсного графита, стабилизированная поверхностно-активными веществами («стабилизированный КГ»). Методы исследования. При выполнении работы использованы апробированные экспериментальные методы. Применялись математические методы моделирования многослойных структур с диэлектрическими потерями, решения задачи определения электрофизических параметров материалов по данным радиотехнических измерений, а также статистические методы обработки результатов экспериментов. Измерения размеров частиц КГП проводился методами рентгеноструктурного анализа порошков и оптической лазерной дифракции на приборе Analizette22 фирмы Fritch. Измерения рентгеноструктурных характеристик углеродных материалов проводили на рентгеновских аппаратах для структурного анализа ДРОН 2,0 (CuK-излучение) и ДРОН 3,0 (FeK-излучение) (НПО «Буревестник»). Морфология поверхности углеродных покрытий на ППУ изучалась методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе EVO 40 фирмы Karl-Zeiss. Электрическое сопротивление образцов ЭКМ постоянному электрическому току измеряли двухконтактным и четырехконтактным способами на электростатической подложке с помощью двух универсальных измерителей В7-21А. Для исследования электрофизических свойств пористых ЭКМ в сантиметровом диапазоне длин волн использованы методы измерений в волноводном тракте и в свободном пространстве. Измерения коэффициентов прохождения и отражения проводили на базе модифицированных автоматизированных измерителей КСВН и ослаблений серии Р2-61 и Р2М-18, а также векторного анализатора цепей марки Rohde-Shwarz ZWA-40. Использовали стандартные элементы волноводного тракта, рупорно-линзовые антенны типа П6-23М, П6-59М и П6-64, измерительное оборудование СВЧ диапазона (измерительные аттенюаторы, генераторы гармонических сигналов, измерительные линии, резонансные вольтметры, волноводно-рупорные антенны). 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 структуры высокодисперсных 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 создания многослойных конструкций на их основе. 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 георадаров «ОКО-2» и «ЛОЗА-В» на основе четырех- и 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", ИЗМИРАН 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 ХАГ 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…400С 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. Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на I Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения в области электромагнитной совместимости технических средств» (г. Н. Новгород, 2004 г.); 4-й Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь – перспективные технологии» (г. Москва, 2005 г.); II международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика – 2006» (г. Геленджик, 2006 г.); Third International Conference on «Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals» (Sevastopol, Ukraine, 2006); V Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь – перспективные технологии» (г. Москва, 2007 г.); XV Международной конференции «Радиолокация и радиосвязь» и XV международной конференции по спинтронике (г. Москва, 2007 г.); на Молодежной конференции, состоявшейся в рамках Международной аэрокосмической школы (Украина, Крым, 2009 г); III Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и связь» (г. Москва, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (г. Москва, 2009 г.); Научно-практической конференции молодых ученых и студентов МАИ «Инновации в авиации и космонавтике-2010» (г. Москва, 2010 г.); II Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях» (г. Москва, 2010 г.); Fifth International Conference on «Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals» (Sevastopol, Ukraine, 2010 г.). Достоверность полученных в работе результатов и выводов обоснована теоретическими решениями и экспериментальными данными, которые не противоречат известным положениям электродинамики сплошных сред и материаловедения, согласуются с известным опытом и обеспечиваются использованием современных методов физико-химических исследований (рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии) и радиофизических исследований (СВЧ измерения в свободном пространстве и в волноводе). Правомерность применения рассматриваемых в работе физических моделей подтверждается соответствием результатов теоретического анализа и электродинамического моделирования разрабатываемых материалов и конструкций полученным экспериментальным данным и результатам испытаний. Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в тринадцати печатных работах, из них две статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ. 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. |
Похожие:
 |
Исследование алгоритмов идентификации для систем бездатчикового векторного... Разработка и исследование алгоритмов идентификации и векторного управления в асинхронном электроприводе |
|
Дипломная работа по специальности 230401. 65 «Прикладная математика»... Исследование проблемы моделирования феномена самосборки и разработка требований к инструментальным средствам моделирования |
 |
Методическая разработка грамматика технического текста. Дидактическое... Методическая разработка предназначена для студентов 4 курса. Цель разработки познакомить учащихся с особенностями технического перевода,... |
|
Выбор направления исследований ... |
|
Техническое задание на поставку осциллографа в рамках реализации... «Техническое перевооружение производства малогабаритных адаптивных антенных систем для спутниковых систем связи ао «нпц «Вигстар»,... |
|
Согласовано Утверждаю Исполнитель Заказчик (должность) Разработка устройств защиты от импульсных перенапряжений (узип) для низковольтных цепей цифровых подстанций |
|
Разработка и исследование алгоритмов идентификации и векторного управления... |
|
Исследование №2 30 Исследование №3 31 Исследование №4. Создание сайта... Поэтому школьнику необходимо не только усвоить основные понятия и положения теории экономики, но и научится применять полученные... |
|
Темы рефератов для заочного отделения. Приборы дистанционного зондирования Геофизические методы исследования земной коры. В. К. Хмелевской. Издательство ун-та Дубна |
|
Разработка и исследование двухканального приемника оптических импульсов... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «южный федеральный университет» |
|
Конкурсная документация На право заключения договора купли-продажи установки статического зондирования усз-20. Zbt на базе шасси а/м камаз-43118-6013-46... |
|
Разработка рабочей документации на модернизацию упээ 220 в станции... |
|
Методические указания для студентов по выполнению лабораторных работ... Лабораторная работа 4, 5 Исследование регистров, счетчиков и дешифраторов Лабораторная работа 6, 7 Исследование генератора псевдослучайной... |
|
Курсовая работа по дисциплине «Управление процессами» Разработка и исследование алгоритма повышения эффективности процесса за счет управления входными данными и ресурсами |
|
Московский институт электроники и математики На тему “Разработка и исследование системы дополненной реальности с поддержкой распознавания жестов в режиме реального времени” |
|
1. законодательное регулирование «Исследование, разработка технологий и изготовление экспериментальных образцов узлов и систем преобразователей тепловой энергии в... |