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]
Trang 1NGHIÊN 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 trong suốt điện từ (> 90%) đối với
dải sóng ngắn đã được nghiên cứu ở nhiều nơi nhưng những kết quả công bố cụ thể chi tiết chưa nhiều Vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy và nhựa polyimit gia cường bằng sợi thủy tính dạng D, S đã được nghiên cứu chế tạo Các mẫu compozit
đã được khảo sát cơ lý tính thông qua xác định độ bền kéo đứt và độ bền va đập Khả năng trong suốt sóng điện từ của mẫu đã được khảo sát và đánh giá Mẫu compozit thể hiện tính trong suốt điện từ ở dải sóng ngắn và băng X
Từ khóa: Vật liệu trong suốt điện từ
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Tính năng điện từ của vật liệu compozit chế tạo, chóp tên lửa, vòm che chắn cho rada gồm hằng số điện môi ε’, tổn hao điện môi tgδ và độ truyền qua sóng radar ở tần số sử dụng Vật liệu compozit làm tổn hao sóng điện từ khi truyền qua càng nhỏ càng tốt Một số polyme hữu cơ có thể sử dụng làm vật liệu chóp có giá trị hằng số điện môi ε’ và tổn hao điện môi
đến hằng số điện môi ε’ và tgδ của các polymer hữu cơ là cấu tạo hóa học của đơn vị mạch, mức độ khâu mạng lưới, bản chất và sự có mặt của các nhóm phân cực, kích thước nhóm thế, cấu trúc hình thái học, mức độ kết tinh, các tạp chất ion có mặt trong polymer, Đối với tên lửa bay với tốc độ lớn hơn siêu âm do ma sát với không khí, kết cấu chóp sẽ bị đốt nóng lớn nhất, do vậy, việc lựa chọn vật liệu chế tạo chóp phải có sự biến đổi hằng số điện môi ε’
và tgδ trong giới hạn cho phép ở khoảng nhiệt độ làm việc [1- 5]
Hiện nay, các trạm ra đa sử dụng sóng ngắn m và cm thường dùng cho canh gác bầu trời và dẫn đường bay Do vậy, các trạm ra đa thường được che chắn bởi các vòm composite trong suốt điện từ đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật sau: Chiều dây composite 2,5 mm; Hằng số điện môi thấp; Độ bền cơ lý cao chịu đựng các tải trọng tác dụng như gió; Bền với nhiệt và tia tử ngoại; Độ trong suốt điện từ trung bình (sóng ngắn) > 90%; Sai số góc khi đi quả cầu che ra đa < 1’
Đối với hệ polyme compozit trong suốt sóng điện từ ứng dụng trong lĩnh vực quân sự cũng đã được Bộ Quốc phòng đầu tư nghiên cứu Tác giả Thái Doãn Tường và nhóm nghiên cứu thuộc Viện Kỹ thuật không quân [6] thực hiện đề tài nghiên cứu công nghệ chế tạo vòm bảo vệ anten đài ra đa dẫn bay gần trên cơ sở nhựa polyeste không no gia cường bằng sợi thủy tinh đóng rắn bằng metyl etyl keton peroxit (MEKP) có tính trong suốt sóng điện từ Nhóm tác giả Nguyễn Thanh Liêm trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cũng có những nghiên cứu vật liệu polyme compozit trong suốt điện từ trên cơ sở nhựa epoxy biến tính gia cường sợi thủy tinh [6, 7] Phương pháp gia công chế tạo hệ vật liệu này vẫn tiến hành trên các thiết bị gia công thông thường
Trong bài báo này, chúng tôi đề cập tới căn cứ lựa chọn nhựa nền và chế tạo vật liệu compzit trong suốt điện từ ở dải sóng ngắn và dải băng X (8 – 12 GHz)
2 THỰC NGHIỆM 2.1 Các thiết bị, vật tư dùng để chế tạo mẫu
kèm (Aliphatic Amins EPIKURE 3230)
Trang 2Khuôn thép kích thước 200 x 300 x 3 mm, máy ép thủy lực 1000kg, thiết bị gia nhiệt
tự động
2.2 Các thiết bị để kiểm tra
- Máy đo cơ tính vật liệu: Máy Instron 100KN của Mỹ tại Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme ĐH Bách Khoa
- Cơ sở kiểm nghiệm chất lượng ra đa và các sản phẩm siêu cao tần tại Phòng thí nghiệm Ra đa – Viện Ra đa – Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự
- Các thông số điện của vật liệu được đo trên máy phân tích mạng vecto E8362B và các phần mềm tương ứng
2.3 Phương pháp chế tạo mẫu
Đối với mẫu composite epoxy,
Dải 8 lớp vải thủy tính dạng D hoặc S lên bàn kính rồi đổ nhựa epoxy với chất đóng rắn theo tỉ lệ thích hợp (35 phần khối lượng) tiến hành lăn bằng tay đến khi hết bọt nhựa và sợi
lấy mẫu ra khỏi khuôn kính (sau 7 ngày sản phảm được ổn định)
Đối với nhựa Polyimit:
Dải 8 lớp vải sợi thủy tinh dạng D hoặc S lên khuôn sau đó cho nhựa Polyimit đă được hòa tan trong dung môi MEK với tỉ lệ thích hợp để thuận lợi cho việc gia công chế tạo vào trong khuôn và dùng con lăn, lăn đều vải và nhựa Ép khuôn vào, đặt dưới máy ép 1000
kg, gia nhiệt từ từ lên đến 250C giữ trong thời gian 4 giờ, sau đó để nguội tháo sản phẩm
ra khỏi khuôn
3 KẾT QUẢ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả khảo sát chỉ tiêu kỹ thuật của compozit
Mẫu compozit trên cơ sở epoxy và polyimit gia cường bằng sợi thủy tinh sau khi chế tạo theo yêu cầu, được xác định các thông số điện Kết quả được thể hiện ở bảng 1
Bảng 1 Tính năng điện của một số vật liệu polyme compozit
điện môi
Tổn hao tg
Hàm lượng nhựa, %
Tỷ trọng
thuỷ tinh
thuỷ tinh D
thuỷ tinh
sợi thuỷ tinh S
thuỷ tinh
vải thuỷ tinh D Kết quả chỉ ra rằng, đối với các mẫu compozit trên cơ sở epxy sợi thủy tinh và polyimit sợi thủy tinh đều có hằng số điện môi thấp (3,31-3,92), tổn hao tg trong giới hạn cho phép của vật liệu trong suốt điện từ (0,031-0,012) hoàn toàn phù hợp và đáp ứng được yêu cầu sử dụng trong chế tạo vật liệu trong suốt sóng điện từ
Bảng 2 Kết quả về cơ tính của mẫu compozit
Sợi thủy tinh
D
Sợi thủy tinh
S
Sợi thủy tinh
D
Sợi thủy tinh
S
Độ bền va đập
Trang 3Mẫu vật liệu compozit tiếp được xác định tính năng cơ lý như: độ bền kéo đứt và độ bền va đập, kết quả được đưa ra ở bảng 2
Mẫu compozit chế tạo được có độ bền cơ học tốt có thể ứng dụng chế tạo mái vòm che cho các thiết bị rada trong quá trình làm việc
3.2 Kết quả đo độ trong suốt điện từ ở dải sóng ngắn
Mẫu compozit được chế tạo trên cơ sở epoxy và vải thủy tinh S và D và được gia công phù hợp với thiết bị đo mức độ trong suốt sóng điện từ ở dải sóng ngắn Phép đo được
Hình 1 Đồ thị kết quả đo độ trong suốt sóng điện từ của mẫu compozit trên cơ sở epoxy
và sợi thủy tinh S: a – 0 o ; b – 30 o ; c – 60 o ; d – 90 o
Bảng 3 Kết quả đo độ trong suốt sóng điện từ của mẫu compozit
trên cơ sở epoxy và sợi thủy tinh S
Tần số quét
GHz
khả năng sóng điện từ đi qua từ 90 – 100% Ở bước sóng 3,5 GHz thì khả năng đi qua của
tương ứng khả năng truyền qua của sóng điện từ khoảng 92 – 91%
Tương tự như sợi thủy tinh S, compozit trên cơ sở epoxy với sợi thủy tinh D đã được gia công chế tạo và được xác định mức độ truyền qua của sóng điện từ Kết quả đo đạc được trình bày hình 2 và bảng 4
Trang 4(a) (b)
Hình 2 Đồ thị kết quả đo độ trong suốt sóng điện từ của mẫu compozit epxy sợi thủy tinh
D: a – 0 o ; b – 30 o ; c – 60 o ; d – 90 o
Bảng 4 Kết quả đo độ trong suốt sóng điện từ của mẫu compozit epoxy sợi thủy tinh D
Tần số quét
GHz
Góc quét ( o )
Kết quả khảo sát trong suốt sóng điện từ của mẫu compozit thấy rằng so sánh với sợi thủy tinh S và sợi thủy tinh D hoàn toàn tương tự nhau về khả năng cho sóng điện từ đi qua ở các góc khác nhau, cả 02 loại sợi đều có thể được sử dụng để chế tạo vật liệu trong
cho sóng điện từ đi qua là nhỏ nhất (-1,500 dB) Tuy nhiên, đối với sợi thủy tinh D vật liệu compozit có độ bền cơ lý của vật liệu là tốt hơn sợi S (bảng 2)
3.3 Tính toán sai số góc khi đi qua vật liệu compozit độ dày 2,5 mm
Một yêu tố quan trọng quyết định đến khả năng áp dụng của vật liệu compozit trong chế tạo quả cầu che rada là sai số góc khi đi qua vật liệu compozit có độ dày nhất định Để tính toán sai số góc dựa vào công thức:
1 2 1
2
n sin
sin
n
Trang 5Với : Góc tới
2
1
- Tia tới và tia ló qua bản mặt song song dày d = 2,5 mm song song và cách nhau một khoảng tính theo công thức:
) sin(
.
h
Kết quả tính toán sai số góc được đưa ra trong bảng 5
Bảng 5 Số liệu tính toán sai số góc của compozit sợi thủy tinh D với chiều dày 2,5 mm
sin 0 0,0349 0,06975 0,10453 0,1391 0,1736 0,2588 0,4226 0,573 0,707
sin 0 0,0208 0,04168 0,0624 0,0832 0,10377 0,1546 0,2525 0,3419 0,4226
0 1,195 2,3887 3,581 4,77 5,956 8,898 14,62 19,99 24,997
h
) cos(
) sin(
5 ,
2
(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) 0 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 0,000237 0,00047 0,0007 0,00095 0,0012 0,0018 0,0031 0,0046 0,006
1’ = 0,01667
có thể sử dụng để chế tạo vòm che rada trong suốt điện từ ở dải sóng 2 – 3,5 GHz
3.4 Kết quả khảo sát mẫu compozite trong suốt điện từ trên cơ sở nhựa epoxy với sợi thủy tinh D trong dải tần số band X (8 – 12 GHz)
Mẫu compozit của trên cơ sở nhựa epoxy với sợi thủy tinh D đã được chế tạo và khảo sát mức độ trong suốt điện từ ở bang X (8-12GHz) đã được khảo sát với sự thay đổi góc
Bảng 5 Kết quả đo độ trong suốt sóng điện từ của mẫu compozit
trên cơ sở epoxy và sợi thủy tinh D
Tần số quét
GHz
Trang 6+ 30o + 45o
+
Hình 3 Đồ thị kết quả đo độ trong suốt sóng điện từ của mẫu compozit trên cơ sở epoxy
và sợi thủy tinh D ở dài tần số 8-12GHz: a – 0 o ; b – 30 o ; c – 60 o ; d – 90 o
Kết quả đo đạc ở bảng trên chỉ ra rằng mẫu compozit trên cơ sở epoxy với sợi thủy tinh
D đều có tổn hao đi qua là tương đối nhỏ, giá trị nhỏ nhất xác định ở tần số 11,4 GHz tương ứng với tồn hao đi qua là -4,46dB (tương đương với khoảng 63% sóng đi qua) Đại
đa số các điểm khác đều có giá trị tồn hao đi qua từ -2dB đến -4dB (tương đương với 80-60% sóng đi qua) Như vậy, có thể nói rằng mẫu compozit trên cơ sở epoxy và sợi thủy tinh D không đáp ứng yêu cầu cảu vật liệu trong suốt điện từ ở dải tần số 8 – 12GHz
3.5 Kết quả khảo sát mẫu compozit trong suốt điện từ trên cơ sở polyimit và sợi thủy tinh D
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 nhau, kết quả được trình bày ở hình 4
Hình 4 Đồ thị đo hệ số tổn hao tangent ở các bước sóng khác nhau
Hệ số tổn hao tangent được ghi lại ở các bước sóng khác nhau (trong bài báo này, chúng tôi khảo sát ở bước sóng từ 10 kHz đến 100 GHz) hệ số này phản ánh sự thay đổi tính chất điện của vật liệu dưới tác dụng của sóng điện từ Hệ số tổn hao càng nhỏ thì khả năng truyền qua của sóng điện từ càng lớn Hệ số tổn hao tangent < 0,0003 mẫu compozit
Trang 7cho phép >90% sóng điện từ đi qua Với kết quả này khẳng định rằng compozit trên cơ sở polyimit và sợi thủy tinh D trong suốt điện từ ở dải sóng ngắn và bang X
4 KẾT LUẬN
- Đã chế tạo thành công hai mẫu vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy và nhựa polyimit với sợi thủy tinh dạng D và dạng S Đã khảo sát đánh giá cơ lý tính của các mẫu compozit
-Kết quả mẫu tạo thành có độ bền cơ lý tính tốt, đáp ứng được yêu cầu chế tạo vòm che rada trong suốt điện từ
- Đã xây dựng phương pháp khảo sát đo đạc đánh giá mức độ trong suốt điện từ của mẫu compozit chế tạo được Compozit trên cơ sở epoxy với sợi thủy tinh dạng D và S có
dải băng X (8-12 GHz) compozit trên cơ sở polyimit với sợi thủy tinh D cho phép >90% sóng điện từ đi qua
TÀI LIỆU THAM KHÁO
[1] DR Almassy Gyorgy, “Mikrohullamu Tapvonalelemek es uregrezonatorok
szerkesztese”, Muszaki Konyvkiano Budapest 1967, p.159 – 161 (Kết cấu các hốc
cộng hưởng và 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 Doãn Tường (2011) “Nghiên cứu công nghệ chế tạo vòm bảo vệ anten đài ra đa
dẫn bay gần”, Cục Khoa học Công nghệ và Môi trường, Bộ Quốc phòng
[6] Nguyễn Thanh Liêm, Nguyễn Việt Thái, Vũ Mạnh Cường (2013) “Ảnh hưởng của cao
su thiên nhiên lỏng epoxy hóa đến tính chất cơ lý của vật liệu compozit trên cơ sở nhựa epoxy DER331 gia cường bằng 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 của
dầu lanh epoxy hóa đến tính chất cơ lý của 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 bài ngày 27 tháng 7 năm 2017 Hoàn thiện ngày 15 tháng 8 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 18 tháng 8 năm 2017
Địa chỉ: Viện Hóa học Vật liệu
*
Email: quangtuan_0209@yahoo.com.vn