Багатофункціональний композиційний матеріал

Реферат: Багатофункціональний композиційний матеріал, виконаний на основі конструкційного вуглепластику з наповнювачем у вигляді струмопровідної структури з металевих дискретних волокон, причому струмопровідна структура розташована між двома шарами вуглепластика й виконана з консолідованих між собою супертонких дискретних сталевих волокон, рівномірно розподілених у всьому об'ємі структури й орієнтованих в одній площині. UA 97305 U (12) UA 97305 U UA 97305 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Багатофункціональний композиційний матеріал (далі БФКМ), призначений для екранування високочастотного електромагнітного випромінювання (ЕМВ), належить до області ракетнокосмічної техніки. Кращими конструкційними матеріалами для РКТ є вуглепластики завдяки їхній високій питомій міцності. Однак більш низька, ніж в алюмінію, електропровідність не забезпечує достатній рівень екранування ЕМВ вуглепластиковими конструкціями, що не дозволяє в ряді випадків використовувати їх як матеріали конструкцій РКТ [1, 2, 3]. Одним зі шляхів підвищення ефективності екранування (ЕЕ) полімерних композиційних матеріалів, у тому числі вуглепластиків, є збільшення їх електропровідності. Однак, різні електропровідні наповнювачі, у тому числі керамічні сфери, покриті сріблом, і металеві сітки, що вводяться в вуглекомпозити з безперервними волокнами, практично не вплинули на здатність вуглекомпозитів екранувати ЕМВ [4-5], тому для підвищення електропровідності вуглепластиків необхідно використовувати спеціальні методи введення електропровідних наповнювачів [6]. Збільшує ефективність екранування вуглепластикових конструкцій нанесення металевих покриттів або фольг на їхню поверхню [7, 8]. Недоліками такого підходу є зміна термооптичних властивостей матеріалів, що призводить до порушення теплових режимів виробів РКТ при їхній експлуатації, виникненню внутрішніх напружень у конструкціях при циклічних змінах температур на орбіті, що призводять до руйнування матеріалу при тривалому знаходженні таких конструкцій на орбіті. Найбільш близьким рішенням по технічній суті є багатофункціональний композиційний матеріал на основі вуглеволокна з нанесеним на поверхню волокон нікелем, що утворюють струмопровідну структуру, який при складі нікелю 7 % об. забезпечив ослаблення ЕМВ 87дБ при 1ГГц за рахунок високої електропровідності струмопровідної структури [9]. 3 Недоліком цього матеріалу є висока питома вага. Щільність нікелю становить 8,9 г/см , тобто він у шість раз (8,9/1,56) важче вуглепластику. Вага матеріалу при цьому збільшується на 29 %. Задачею технічного рішення, що заявляється, є зниження маси виробів РКТ за рахунок підвищення екранування ЕМВ БФКМ шляхом збільшення його електропровідності. Дана задача вирішується за рахунок сукупності відомих ознак пропонованого багатофункціонального композиційного матеріалу, який: - Виконаний на основі конструкційного вуглепластику з наповнювачем, - Наповнювач виконаний у вигляді струмопровідної структури з металевих волокон, І нових ознак: - струмопровідна структура з дискретних сталевих волокон розташована між двома шарами вуглецевого наповнювача (тканина, припрег та ін.), що дозволяє послабити ЕМВ матеріалом, - струмопровідна структура виконана з консолідованих між собою супертонких дискретних сталевих волокон, що значно знижує питомий опір між волокнами й збільшує електропровідність наповнювача, - усі волокна рівномірно розподілені у всьому об'ємі структури й орієнтовані в одній площині, що забезпечує максимальну кількість контактів між волокнами й дозволяє знизити зміст наповнювача в матеріалі. Забезпечує одержання нового технічного результату: зниження маси виробів за рахунок підвищення екранування електромагнітного випромінювання БФКМ шляхом збільшення його електропровідності, Для демонстрації провідної структури з високою електропровідністю на кресленні наведена її схема (Фіг. 1). 1, 3 - нижній і верхній шари вуглепластику відповідно, 2 - струмопровідна структура з дискретних сталевих волокон. Багатофункціональний композиційний матеріал, що екранує електромагнітне випромінювання, для виробів ракетно-космічної техніки працює таким чином струмопровідна структура з високою електропровідністю, представлена на фото нижче, введена всередину матеріалу між двома шарами вуглецевого наповнювача, що дозволяє: - значно послабити енергію електромагнітного випромінювання в матеріалі за рахунок збільшення витрат на відбиття й на поглинання ЕМВ, - зберегти вихідні значення термооптичних характеристик вуглекомпозита, - струмопровідна структура виконана у вигляді супертонких дискретних сталевих волокон Фіг. 2, що запобігає появі внутрішніх напружень у матеріалі, що викликає його руйнування при циклічних змінах температур у процесі експлуатації. Ефективність волокна зростає зі зменшенням його діаметру. Це відбувається внаслідок того, що волокно ефективно поглинає ЕМВ тільки на глибину скін-шару. Глибина скін-шару це 1 UA 97305 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 відстань, яку хвиля повинна пройти до того, як буде ослаблена в є раз, або до 37 % свого первісного значення [10]. (Глибина скін-шару сталевих волокон для частоти 2ГГц становить порядку 10 мкм). Не менш важливим фактором, що пояснює перевагу використання волокон як можна меншого діаметра, є збільшення числа контактів між волокнами. Чим менше діаметр волокна, тим більше його питома поверхня при однаковому масовому складі, і відповідно більше кількість контактів, що дозволяє збільшити провідності металевої структури, і, відповідно, збільшити її ЕЕ. Залежність ЕЕ від діаметра сталевих волокон представлена на наведеному нижче Фіг. 3 й підтверджує теоретичні оцінки. Практично мінімальний діаметр сталевих волокон, що мають достатній рівень міцнісних і технологічних властивостей, становить 10 мкм. Використання цих волокон для створення струмопровідної структури дозволяє підвищити ЕЕ ЕМВ при мінімальному (5-7 %) масовому складі до рівня 87-88 дБ (див. графік на Фіг. 3). Усі волокна лежать в одній площині, що забезпечує: - високу питому щільність струмопровідних елементів, - максимальну кількість контактів між волокнами, - високу електропровідність структури при мінімальній масі наповнювача. Додаткове підвищення електропровідності структури забезпечується також за рахунок поліпшення якості міжволоконних контактів. Струмопровідна структура утворена консолідацією дискретних волокон за рахунок створення когезійного або адгезійного зв'язків між ними шляхом термообробки, що дозволяє знизити питомий опір між волокнами наповнювача. Металева провідна структура виконана у вигляді дискретних волокон, що запобігає (завдяки малій площі безперервних міжфазних меж) виникненню внутрішніх напружень у матеріалі, що викликає його руйнування при циклічних змінах температур у процесі експлуатації. Експерименти показали: У результаті отримано БФКМ на основі вуглепластику з наповнювачем у. вигляді струмопровідної структури з високою електропровідністю при мінімальному збільшенні маси вихідного матеріалу 5-7 %, що в 5-6 раз нижче, ніж у прототипу, що підтверджується експериментальними даними на графіку. Збільшення питомої ваги вихідного вуглепластику при товщині виробу 1мм становить 5-7 %. Послаблення електромагнітної енергії збільшується від 72 дБ у вихідному композиті до 87-88 дБ у новому БФКМ у діапазоні частот 1-3 ГГц. Визначення ефективності екранування проводилось на просвіт в екранованому приміщенні. Результати вимірів залежно від масового складу наповнювача й діаметра волокна наведені на графіку Фіг. 3. Таким чином, отриманий новий БФКМ, що забезпечує підвищення екранування ЕМВ за рахунок збільшення електропровідності, який має меншу питому вагу, ніж в прототипі, що забезпечує зниження маси виробів РКТ. Джерела інформації: [1] (Гуняев Г.М., Митрофанова Е.А., Ярцев В.А., Соболевская Е.Г. "Молниестойкость углепластиковых конструкций" / В сб. Авиационные материалы на рубеже ХХ-ХХІ веков. М: ВИАМ. 1994. С. 595-599. [2] Гуняев Г.М., Митрофанова Е.А., Ярцев В.А., Сорина Т.Г., Соболевская Е.Г., Ларионов В.П., Агапов В.Г., Сергиевская И.М. "Молниезащита высокомодульных полимерных композиционных материалов // Авиационная промышленность. 1985. №10. С. 44-48. [3] Гуняев Г.М., Чурсова Л.В., Раскутан А.Е., Гуняева А.Г. Молниестойкость современных полимерных композитов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 36-42.) [4] Gan YX, Jang BZ, 2nd Int. Conf. Composites Engineering, 1995, pp.243-244. [5] Левин Л. Теория волноводов / Левин Л. - М.: Радио и связь, 1981. [6] Ан.А. Сафонов, Ал.А. Сафонов, Математическое моделирование технологического процесса изготовления углепластикового электромагнитного экрана методом вакуумной инфузии, Технологии ЭМС, 2010, № 3 (34), стр. 80-85. [7] О.С. Островский, Е.Н. Одаренко, А.А. Шматько, "Защитные экраны и поглотители электромагнитных волн", ФИП PSE, 2003, том 1, № 2, vol. 1, No. 2. [8] Крылов В.А., Юченкова Т.В. Защита от электромагнитных излучений. - М.: Сов. радио, 1972. - 216 с. [9] Shui X, Chung DDL. Nickel filament polymer-matrix composites with low surface impedance and high electro-magnetic interference shielding effectiveness. J Electron Mater 1997; 26 (8):928-34. прототип. [10] Г. Отт, Методы подавления шумов и помех в электронных системах, изд. "Мир", М., 1979. 2 UA 97305 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Багатофункціональний композиційний матеріал, виконаний на основі конструкційного вуглепластику з наповнювачем у вигляді струмопровідної структури з металевих дискретних волокон, який відрізняється тим, що струмопровідна структура розташована між двома шарами вуглепластика й виконана з консолідованих між собою супертонких дискретних сталевих волокон, рівномірно розподілених у всьому об'ємі структури й орієнтованих в одній площині. 3 UA 97305 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4