Nghiên cứu chế tạo composite trong suốt điện từ cho sóng ngắn và band X

Để khảo sát mức độ trong suốt điện từ của mẫu compzit trên cơ sở polyimit với sợi thủy tinh D, chúng tôi tiến hành đo đạc hệ số tổn hao tangent ở các dải tần số khác nh[r]

(1)

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO COMPOSITE TRONG SUỐT ĐIỆN TỪ

CHO SÓNG NGẮN VÀ BAND X

Lê Quang Tuấn

Tóm tắt: Hiện nay, việc chế tạo composite suốt điện từ (> 90%) dải sóng ngắn nghiên cứu nhiều nơi kết công bố cụ thể chi tiết chưa nhiều Vật liệu compozit sở nhựa epoxy nhựa polyimit gia cường sợi thủy tính dạng D, S nghiên cứu chế tạo Các mẫu compozit đã khảo sát lý tính thơng qua xác định độ bền kéo đứt độ bền va đập Khả suốt sóng điện từ mẫu khảo sát đánh giá Mẫu compozit thể tính suốt điện từ dải sóng ngắn băng X

Từ khóa: Vật liệu suốt điện từ

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Tính điện từ vật liệu compozit chế tạo, chóp tên lửa, vịm che chắn cho rada gồm số điện mơi ε’, tổn hao điện môi tgδ độ truyền qua sóng radar tần số sử dụng Vật liệu compozit làm tổn hao sóng điện từ truyền qua nhỏ tốt Một số polyme hữu sử dụng làm vật liệu chóp có giá trị số điện môi ε’ tổn hao điện môi tgδ nằm khoảng 1,03 – 5,5 (1,5 - 39) 10-4 tương ứng Các yếu tố ảnh hưởng đến số điện môi ε’ tgδ polymer hữu cấu tạo hóa học đơn vị mạch, mức độ khâu mạng lưới, chất có mặt nhóm phân cực, kích thước nhóm thế, cấu trúc hình thái học, mức độ kết tinh, tạp chất ion có mặt polymer, Đối với tên lửa bay với tốc độ lớn siêu âm ma sát với khơng khí, kết cấu chóp bị đốt nóng lớn nhất, vậy, việc lựa chọn vật liệu chế tạo chóp phải có biến đổi số điện môi ε’ tgδ giới hạn cho phép khoảng nhiệt độ làm việc [1- 5]

Hiện nay, trạm đa sử dụng sóng ngắn m cm thường dùng cho canh gác bầu trời dẫn đường bay Do vậy, trạm đa thường che chắn vòm composite suốt điện từ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật sau: Chiều dây composite 2,5 mm; Hằng số điện môi thấp; Độ bền lý cao chịu đựng tải trọng tác dụng gió; Bền với nhiệt tia tử ngoại; Độ suốt điện từ trung bình (sóng ngắn) > 90%; Sai số góc cầu che đa < 1’

Đối với hệ polyme compozit suốt sóng điện từ ứng dụng lĩnh vực quân Bộ Quốc phòng đầu tư nghiên cứu Tác giả Thái Doãn Tường nhóm nghiên cứu thuộc Viện Kỹ thuật khơng qn [6] thực đề tài nghiên cứu công nghệ chế tạo vòm bảo vệ anten đài đa dẫn bay gần sở nhựa polyeste không no gia cường sợi thủy tinh đóng rắn metyl etyl keton peroxit (MEKP) có tính suốt sóng điện từ Nhóm tác giả Nguyễn Thanh Liêm trường Đại học Bách Khoa Hà Nội có nghiên cứu vật liệu polyme compozit suốt điện từ sở nhựa epoxy biến tính gia cường sợi thủy tinh [6, 7] Phương pháp gia công chế tạo hệ vật liệu tiến hành thiết bị gia công thông thường

Trong báo này, đề cập tới lựa chọn nhựa chế tạo vật liệu compzit suốt điện từ dải sóng ngắn dải băng X (8 – 12 GHz)

2 THỰC NGHIỆM 2.1 Các thiết bị, vật tư dùng để chế tạo mẫu

(2)

Khuôn thép kích thước 200 x 300 x mm, máy ép thủy lực 1000kg, thiết bị gia nhiệt tự động

2.2 Các thiết bị để kiểm tra

- Máy đo tính vật liệu: Máy Instron 100KN Mỹ Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme ĐH Bách Khoa

- Cơ sở kiểm nghiệm chất lượng đa sản phẩm siêu cao tần Phịng thí nghiệm Ra đa – Viện Ra đa – Viện Khoa học Công nghệ Quân

- Các thông số điện vật liệu đo máy phân tích mạng vecto E8362B phần mềm tương ứng

2.3 Phương pháp chế tạo mẫu

Đối với mẫu composite epoxy,

Dải lớp vải thủy tính dạng D S lên bàn kính đổ nhựa epoxy với chất đóng rắn theo tỉ lệ thích hợp (35 phần khối lượng) tiến hành lăn tay đến hết bọt nhựa sợi kết hợp với hồn tồn Sau đó, để đóng rắn nhiệt độ 155 0F thời gian 24 lấy mẫu khỏi khn kính (sau ngày sản phảm ổn định)

Đối với nhựa Polyimit:

Dải lớp vải sợi thủy tinh dạng D S lên khn sau cho nhựa Polyimit đă hịa tan dung mơi MEK với tỉ lệ thích hợp để thuận lợi cho việc gia cơng chế tạo vào khuôn dùng lăn, lăn vải nhựa Ép khuôn vào, đặt máy ép 1000 kg, gia nhiệt từ từ lên đến 250C giữ thời gian giờ, sau để nguội tháo sản phẩm khỏi khuôn

3 KẾT QUẢ THẢO LUẬN 3.1 Kết khảo sát tiêu kỹ thuật compozit

Mẫu compozit sở epoxy polyimit gia cường sợi thủy tinh sau chế tạo theo yêu cầu, xác định thông số điện Kết thể bảng

Bảng Tính điện số vật liệu polyme compozit

TT Loại vật liệu Hằng số

điện môi 

Tổn

hao tg

Hàm lượng nhựa, %

Tỷ trọng

g/cm3 Chú giải

1 Epoxy vải

thuỷ tinh

3,52 0,031 28,0 1,83 Epoxy với vải

thuỷ tinh D

2 Polyimid sợi

thuỷ tinh

3,92 0,016 29,9 1,74 Nhựa PI với

sợi thuỷ tinh S

3 Polyimid vải

thuỷ tinh

3,31 0,012 22,6 1,54 Nhựa PI với

vải thuỷ tinh D Kết rằng, mẫu compozit sở epxy sợi thủy tinh polyimit sợi thủy tinh có số điện mơi thấp (3,31-3,92), tổn hao tg giới hạn cho phép vật liệu suốt điện từ (0,031-0,012) hoàn toàn phù hợp đáp ứng yêu cầu sử dụng chế tạo vật liệu suốt sóng điện từ

Bảng 2. Kết tính mẫu compozit

Chỉ tiêu Compozit epoxy Compozit polyimit

Sợi thủy tinh D

Sợi thủy tinh S

Sợi thủy tinh D

Sợi thủy tinh S

Độ bền kéo (MPa) 533,97 362,1 497,4 350,3

Độ bền va đập (kJ/m2)

(3)

Mẫu vật liệu compozit tiếp xác định tính lý như: độ bền kéo đứt độ bền va đập, kết đưa bảng

Mẫu compozit chế tạo có độ bền học tốt ứng dụng chế tạo mái vịm che cho thiết bị rada trình làm việc

3.2 Kết đo độ suốt điện từ dải sóng ngắn

Mẫu compozit chế tạo sở epoxy vải thủy tinh S D gia công phù hợp với thiết bị đo mức độ suốt sóng điện từ dải sóng ngắn Phép đo thực với thay đổi góc quét từ đến 90o Kết trình bày bảng sau:

(a) (b)

(c) (d)

Hình 1. Đồ thị kết đo độ suốt sóng điện từ mẫu compozit sở epoxy và sợi thủy tinh S: a – 0o; b – 30o; c – 60o; d – 90o

Bảng 3. Kết đo độ suốt sóng điện từ mẫu compozit trên sở epoxy sợi thủy tinh S

Tần số quét GHz

Góc quét (o)

0 30 60 90

2,0 - 0,02dB 0,83dB 0,263dB 0,222dB

2,5 0,290dB -0,96dB 0,445dB 0,401dB

3,0 0,514dB 0,346dB -0,505dB -1,390dB

3,5 - 0,813dB 0,648dB -1,365dB -1,410dB

Với dải tần – 3,5 GHz góc quét thay đổi từ – 90o hầu hết cho sóng điện từ qua, khả sóng điện từ qua từ 90 – 100% Ở bước sóng 3,5 GHz khả qua sóng điện từ thấp nhất, đặc biệt góc quét 60o (-1,365 dB) 90o (-,1,410 dB) tương ứng khả truyền qua sóng điện từ khoảng 92 – 91%

(4)

(a) (b)

(c) (d)

Hình 2. Đồ thị kết đo độ suốt sóng điện từ mẫu compozit epxy sợi thủy tinh D: a – 0o; b – 30o; c – 60o; d – 90o

Bảng 4. Kết đo độ suốt sóng điện từ mẫu compozit epoxy sợi thủy tinh D

Tần số quét GHz

Góc quét (o)

0 30 60 90

2,0 0,350dB 0,865dB 0,546dB 0,394dB

2,5 0,390dB -0,214dB 0,401dB 0,382dB

3,0 0,505dB -0,191dB -0,023dB -1,133dB

3,5 -0,710dB -0,472dB -0,850dB -1,500dB

Kết khảo sát suốt sóng điện từ mẫu compozit thấy so sánh với sợi thủy tinh S sợi thủy tinh D hoàn toàn tương tự khả cho sóng điện từ qua góc khác nhau, 02 loại sợi sử dụng để chế tạo vật liệu suốt điện từ Đối với compozit sợi thủy tinh D góc quét 90o với tần số 3,5 GHz khả cho sóng điện từ qua nhỏ (-1,500 dB) Tuy nhiên, sợi thủy tinh D vật liệu compozit có độ bền lý vật liệu tốt sợi S (bảng 2)

3.3 Tính tốn sai số góc qua vật liệu compozit độ dày 2,5 mm

Một yêu tố quan trọng định đến khả áp dụng vật liệu compozit chế tạo cầu che rada sai số góc qua vật liệu compozit có độ dày định Để tính tốn sai số góc dựa vào cơng thức:

1

2

n

sin









(5)

Với





n2: Chiết suất tỷ đối vật liệu làm cầu với chân không

n1: Là chiết suất tỷ đối khơng khí với chân không



1



- Tia tới tia ló qua mặt song song dày d = 2,5 mm song song cách khoảng tính theo cơng thức:

)

sin(

.

cos











d

h

Kết tính tốn sai số góc đưa bảng

Bảng 5. Số liệu tính tốn sai số góc compozit sợi thủy tinh D với chiều dày 2,5 mm





sin 0,0349 0,06975 0,10453 0,1391 0,1736 0,2588 0,4226 0,573 0,707



sin 0,0208 0,04168 0,0624 0,0832 0,10377 0,1546 0,2525 0,3419 0,4226 



h   ) cos( ) sin( ,    (mm)

0 0,0351 0,07035 0,1057 0,14135 0,1768 0,269 0,4655 0,6889 0,9436

Góc (rađían)

r h

(rad) 4,13.10

-4

5,28.10-4 1,24.10-3 1,66.10-3 2,10.10-3 3,16.10-3 3,47.10-3 8,1.10-3 0,0001

Góc độ =



rad

180

0,000237 0,00047 0,0007 0,00095 0,0012 0,0018 0,0031 0,0046 0,006

1’ = 0,01667 

Kết tính tốn sai số góc ~ 0,016670, với kết compozit hồn tồn sử dụng để chế tạo vịm che rada suốt điện từ dải sóng – 3,5 GHz

3.4 Kết khảo sát mẫu compozite suốt điện từ sở nhựa epoxy với sợi thủy tinh D dải tần số band X (8 – 12 GHz)

Mẫu compozit sở nhựa epoxy với sợi thủy tinh D chế tạo khảo sát mức độ suốt điện từ bang X (8-12GHz) khảo sát với thay đổi góc quét từ -60; -30; +30; +45 +60o kết trình bày bảng hình

Bảng 5. Kết đo độ suốt sóng điện từ mẫu compozit trên sở epoxy sợi thủy tinh D

Tần số quét GHz

Góc quét (o)

-60 -30 +30 +45 +60

9,0 -2,38dB -1,20dB -1,95dB -2,15dB -2,95dB

9,25 -3,31dB -2,53dB -1,90dB -3,02dB -3,18dB

9,38 -2,92dB -2,27dB -1,25dB -2,44dB -3,11dB

10.0 -3,50dB -1,26dB -2,16dB -3,16dB -3,76dB

11,0 -3,88dB -2,39dB -2,33dB -3,41dB -3,91dB

(6)

+ 30o + 45o

+ 60o

-30o -60o

Hình 3. Đồ thị kết đo độ suốt sóng điện từ mẫu compozit sở epoxy và sợi thủy tinh D dài tần số 8-12GHz: a – 0o; b – 30o; c – 60o; d – 90o

Kết đo đạc bảng mẫu compozit sở epoxy với sợi thủy tinh D có tổn hao qua tương đối nhỏ, giá trị nhỏ xác định tần số 11,4 GHz tương ứng với tồn hao qua -4,46dB (tương đương với khoảng 63% sóng qua) Đại đa số điểm khác có giá trị tồn hao qua từ -2dB đến -4dB (tương đương với 80-60% sóng qua) Như vậy, nói mẫu compozit sở epoxy sợi thủy tinh D không đáp ứng yêu cầu cảu vật liệu suốt điện từ dải tần số – 12GHz 3.5 Kết khảo sát mẫu compozit suốt điện từ sở polyimit sợi thủy tinh D

Để khảo sát mức độ suốt điện từ mẫu compzit sở polyimit với sợi thủy tinh D, tiến hành đo đạc hệ số tổn hao tangent dải tần số khác nhau, kết trình bày hình

Hình Đồ thị đo hệ số tổn hao tangent bước sóng khác

(7)

cho phép >90% sóng điện từ qua Với kết khẳng định compozit sở polyimit sợi thủy tinh D suốt điện từ dải sóng ngắn bang X

4 KẾT LUẬN

- Đã chế tạo thành công hai mẫu vật liệu compozit sở nhựa epoxy nhựa polyimit với sợi thủy tinh dạng D dạng S Đã khảo sát đánh giá lý tính mẫu compozit

-Kết mẫu tạo thành có độ bền lý tính tốt, đáp ứng yêu cầu chế tạo vòm che rada suốt điện từ

- Đã xây dựng phương pháp khảo sát đo đạc đánh giá mức độ suốt điện từ mẫu compozit chế tạo Compozit sở epoxy với sợi thủy tinh dạng D S có khả cho qua > 90% sóng điện từ với bước sóng ngắn góc quét từ 0-90o Đối với dải băng X (8-12 GHz) compozit sở polyimit với sợi thủy tinh D cho phép >90% sóng điện từ qua

TÀI LIỆU THAM KHÁO

[1] DR Almassy Gyorgy, “Mikrohullamu Tapvonalelemek es uregrezonatorok

szerkesztese”, Muszaki Konyvkiano Budapest 1967, p.159 – 161 (Kết cấu hốc cộng hưởng phân tử dẫn sóng siêu cao tần)

[2] Киселев В.А., Блувич В.И, Плаc масcы, N011 С41-46, (1963)

[3] W.ww Nurad Com., “Dielectric constant, loss tangent and Temperature range of typical radome materials”

[4] www Ceradyne com., “Ceramic radomes for tactical missles systems”

[5] Thái Dỗn Tường (2011) “Nghiên cứu cơng nghệ chế tạo vòm bảo vệ anten đài đa dẫn bay gần”, Cục Khoa học Công nghệ Môi trường, Bộ Quốc phòng

[6] Nguyễn Thanh Liêm, Nguyễn Việt Thái, Vũ Mạnh Cường (2013) “Ảnh hưởng cao su thiên nhiên lỏng epoxy hóa đến tính chất lý vật liệu compozit sở nhựa epoxy DER331 gia cường sợi thủy tinh” Tạp chí Hóa học T.51 (6ABC), 326-330 [7] Nguyễn Thanh Liêm, Nguyễn Việt Thái, Vũ Mạnh Cường (2013) “Ảnh hưởng dầu lanh epoxy hóa đến tính chất lý nhựa epoxy DER331” Tạp chí Hóa học T.51 (6ABC), 853-856

ABSTRACT

RESEARCH OF ELECTROMAGNETIC TRANSPARENT COMPOSITE MATERIALS AT SHORT-WAVELENGTH BANDS AND X-RAYS

Currently, the production of electromagnetic transparent composites (> 90%) for shortwave band has been studied in many places, but the detailed results are not published The study of electromagnetic composites in the X-band has been studied hardly in Vietnam due to the lack of important materials In this paper, we will discuss the results of the study of electromagnetic transparent materials with two waves above

Keywords: Transparent radar material

Nhận ngày 27 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 15 tháng năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 18 tháng năm 2017

Địa chỉ: Viện Hóa học Vật liệu

*