Nghiên cứu chế tạo Composite trong suốt điện từ cho sóng ngắn và Band X
Nghiên cứu khoa học công nghệ
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 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
tgδ nằm trong khoảng 1,03 – 5,5 và (1,5 - 39) 10-4 tương ứng. Các yếu tố chính ảnh hưởng
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
Epoxy epon 828 (N07), nhập khẩu từ Mỹ có hằng số điện môi 3,9-4,2. Polyimid-2501
(N011), nhập khẩu từ Mỹ (trong thời hạn < 90 ngày, được bảo quản ở nhiệt độ <4 oC). Vải
hay sợi thuỷ tinh D và S 250g/m2 có hằng số điện môi thấp (3,5 -4,2). Các chất đóng rắn đi
kèm (Aliphatic Amins EPIKURE 3230).
191
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017
Hóa học & Kỹ thuật môi trường
Khuôn 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
kết hợp với nhau hoàn toàn. Sau đó, để đóng rắn ở nhiệt độ 155 0F trong thời gian 24 giờ
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.
Hằng số
điện môi hao tg
Tổn
Hàm lượng Tỷ trọng
nhựa, %
TT Loại vật liệu
Chú giải
g/cm3
1
2
3
Epoxy
thuỷ tinh
Polyimid sợi
thuỷ tinh
Polyimid vải
thuỷ tinh
vải
3,52
3,92
3,31
0,031
0,016
0,012
28,0
1,83
Epoxy với vải
thuỷ tinh D
Nhựa PI với
sợi thuỷ tinh S
Nhựa PI với
vải thuỷ tinh D
29,9
22,6
1,74
1,54
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.
Chỉ tiêu
Compozit epoxy
Compozit polyimit
Sợi thủy tinh Sợi thủy tinh
Sợi thủy tinh
Sợi thủy tinh
D
S
D
S
Độ bền kéo (MPa)
Độ bền va đập
(kJ/m2)
533,97
185
362,1
160
497,4
165
350,3
155
192
L. Q. Tuấn, “Nghiên cứu chế tạo composite trong suốt điện từ cho sóng ngắn và band X.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ
Mẫu 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
thực hiện với sự thay đổi góc quét từ 0 đến 90o. Kết quả được trình bày ở bảng sau:
(a)
(b)
(c)
(d)
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 – 0o; b – 30o; c – 60o; d – 90o.
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
2,0
Góc quét (o)
0
30
60
90
- 0,02dB
0,290dB
0,514dB
- 0,813dB
0,83dB
-0,96dB
0,346dB
0,648dB
0,263dB
0,445dB
-0,505dB
-1,365dB
0,222dB
0,401dB
-1,390dB
-1,410dB
2,5
3,0
3,5
Với dải tần 2 – 3,5 GHz và góc quét thay đổi từ 0 – 90o hầu hết cho sóng điện từ đi qua,
khả năng sóng điện từ đi qua từ 90 – 100%. Ở bước sóng 3,5 GHz thì khả năng đi qua của
sóng điện từ là thấp nhất, đặc biệt là ở góc quét 60o (-1,365 dB) và ở 90o (-,1,410 dB)
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.
193
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017
Hóa học & Kỹ thuật môi trường
(a)
(b)
(c)
(d)
Hình 2. Đồ thị kết quả đo độ trong suốt sóng điện từ của mẫu compozit epxy sợi thủy tinh
D: a – 0o; b – 30o; c – 60o; d – 90o.
Bảng 4. Kết quả đo độ trong suốt sóng điện từ của mẫu compozit epoxy sợi thủy tinh D.
Tần số quét
Góc quét (o)
GHz
0
30
60
90
2,0
2,5
3,0
3,5
0,350dB
0,390dB
0,505dB
-0,710dB
0,865dB
-0,214dB
-0,191dB
-0,472dB
0,546dB
0,401dB
-0,023dB
-0,850dB
0,394dB
0,382dB
-1,133dB
-1,500dB
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
suốt điện từ. Đối với compozit sợi thủy tinh D ở góc quét 90o với tần số 3,5 GHz khả năng
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:
n2
2
1
sin
sin n1
194
L. Q. Tuấn, “Nghiên cứu chế tạo composite trong suốt điện từ cho sóng ngắn và band X.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ
Với : Góc tới.
: Góc khúc xạ.
n2: Chiết suất tỷ đối của vật liệu làm quả cầu với chân không.
n1: Là chiết suất tỷ đối của không khí với chân không.
2 : Là hằng số điện môi của vật liệu làm quả cầu (vật liệu có 2 = 2,8)
1 : Là hằng số điện môi của không khí (1 = 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:
d
h
.sin( )
cos
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.
0
2
4
6
8
10
15
25
35
45
0 0,0349 0,06975 0,10453 0,1391 0,1736 0,2588 0,4226 0,573 0,707
0 0,0208 0,04168 0,0624 0,0832 0,10377 0,1546 0,2525 0,3419 0,4226
sin
sin
0
1,195 2,3887 3,581
4,77
5,956 8,898 14,62 19,99 24,997
2,5sin( )
h
cos()
0 0,0351 0,07035 0,1057 0,14135 0,1768 0,269 0,4655 0,6889 0,9436
(mm)
Góc (rađían)
0 4,13.10-4
-3 0,0001
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
h
(rad)
r
180rad
Góc độ =
0 0,000237 0,00047 0,0007 0,00095 0,0012 0,0018 0,0031 0,0046 0,006
1’ = 0,01667
Kết quả tính toán chỉ ra rằng sai số góc ~ 0,016670, với kết quả này compozit hoàn toàn
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
quét từ -60; -30; +30; +45 và +60o và kết quả được trình bày ở bảng 5 và hình 3.
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
9,0
Góc quét (o)
+30
-60
-30
+45
+60
-2,38dB
-3,31dB
-2,92dB
-3,50dB
-3,88dB
-4,46dB
-1,20dB
-2,53dB
-2,27dB
-1,26dB
-2,39dB
-2,72dB
-1,95dB
-1,90dB
-1,25dB
-2,16dB
-2,33dB
-2,02dB
-2,15dB
-3,02dB
-2,44dB
-3,16dB
-3,41dB
-3,51dB
-2,95dB
-3,18dB
-3,11dB
-3,76dB
-3,91dB
-4,37dB
9,25
9,38
10.0
11,0
11,4
195
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017
Hóa học & Kỹ thuật môi trường
+
60o
+ 30o
+ 45o
-60o
-30o
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 – 0o; b – 30o; c – 60o; d – 90o.
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
196
L. Q. Tuấn, “Nghiên cứu chế tạo composite trong suốt điện từ cho sóng ngắn và band X.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ
cho 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
khả năng cho qua > 90% sóng điện từ với bước sóng ngắn ở các góc quét từ 0-90o. Đối với
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”.
[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: [email protected].
197
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017
7 trang
13/01/2024
18820
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu chế tạo Composite trong suốt điện từ cho sóng ngắn và Band X", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_che_tao_composite_trong_suot_dien_tu_cho_song_nga.pdf
