Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tàng hình từ conducting polyme
127Tạp chí Hóa học, T. 41, số ĐB, Tr. 127 - 131, 2003 Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tàng hình từ CONDUCTING polyme Đến Tòa soạn 21-4-2003 Nguyễn Đức Nghĩa Viện Hóa học, Trung tâm KHTN&CNQG Summary In this paper, the rada absorption characteristics of conducting polymer nanocomposite were investigated. The complex permittivity and Rada attenuation values of nanocomposite were obtained using a network analyzer in the frequency ranges from 50 MHz to 50 GHz. Reflection loss strongly depends on thickness and complex permitivity and volume faction of conducting polymer of materials. I - Mở đầu Theo nguyên lý Maxwell khi ánh sáng chiếu vo vật thể thì sẽ xảy ra ba khả năng lphản xạ, hấp thụ v truyền qua. Vật liệu tng hình l vật liệu hấp thụ phần lớn sóng rada đi vo v hạn chế mức thấp nhất sóng rada phản xạ lại. Nh7 vậy tng hình l quá trình giảm thiểu hình dạng của vật thể cần trinh sát trên mn hình rada. Việc tạo đ7ợc tng hình cho máy bay, tu chiến đ7ợc thực hiện qua nhiều giải pháp công nghệ. Hình dạng bề ngoi lmsao giảm diện tích tiếp xúc sóng rada, động cơ, máy móc khí ti v cuối cùng l lớp sơn phủ hấp thụ sóng rada. Loại máy bay, tu chiến tnghình đD đ7ợc chế tạo nh7 máy bay F117, B2 . Hiện tại vật liệu tng hình đang đ7ợc nhiều n7ớc nh7 Mỹ, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc tập trung nghiên cứu. Vật liệu tng hình trên cơ sở conducting polyme lần đầu tiên đ7ợc hDng máy bay Lockheed phát hiện vo năm 1986. Từ đó các phòng thí nghiệm của các viện nghiên cứu hng đầu trên thế giới cũng nh7 của các cơ sở nghiên cứu quân sự của Nato, phòng thí nghiệm LosAlamos của Mỹ, phòng thí nghiệm DSTO của úc (Defence Science and Technology Organisation), các phòng thí nghiệm của Châu Âu, Nga, Nhật, Trung Quốc, Hn Quốc tập trung nghiên cứu về loại vật liệu mới đầy hấp dẫn ny. Các kết quả nghiên cứu ít đ7ợc công bố hoặc công bố một cách sơ l7ợc [1 - 3]. Conducting polyme l vật liệu có khả năng hấp thụ sóng điện từ, rada vì trong cấu trúc phân tử có liên kết đôi liên hợp chứa các điện tử tự do. Khi có bức xạ sóng điện từ, các điện tử linh động nhận năng l7ợng sóng đ7ợc hoạt hóa lên trạng thái kích động theo nguyên lý của Jablonsky. Quá trình ny lm thay đổi tổng trở, thay đổi hằng số điện môi, độ từ thẩm của vật liệu. Từ trạng thái kích động điện tử trở về trạng thái cơ bản v giải tỏa năng l7ợng. Năng l7ợng ny lm nóng vật liệu hấp thụ. Nh7 vậy về vật lý quá trình tng hình l quá trình chuyển hóa năng l7ợng sóng rada sang năng l7ợng nhiệt. Với những đặc tính 7u việt nh7 độ dẫn cao có thể thay đổi, cùng với sự dễ dng trong sản xuất với hm l7ợng nhỏ trong thnh phần tổ hợp compozit, ph7ơng pháp phủ đơn giản vnhất l có thể phủ đ7ợc nhiều lớp của conducting polyme nên polyme dẫn đD đ7ợcnghiên cứu nhiều để lm vật liệu tng hình ở dải sóng rada rộng từ 500 MHz đến 100 GHz [4]. 128ErEiZoSóng radaEaZaĐếdII - Nguyên liệu v thí nghiệm 1. Nguyên liệu Vật liệu tng hình hấp thụ sóng rada đ7ợcchế tạo từ conducting polyme đ7ợc phân tán đều trong polyme nền tạo thnh vật liệu composit. Các tấm tng hình thí nghiệm hấp thụ sóng rada đ7ợc chế tạo trên đế vải polyeste, vải thủy tinh hoặc tấm kim loại có độ rộng 23 ì 30(cm) đ7ợc phủ vật liệu conducting polyme compozit. Độ dy của tấm phủ từ 0,2 - 1 mm [5]. 2. Các thiết bị đo Độ hấp thụ sóng rada đ7ợc đo bằng máy Hewlett - Packard 8510 B Network Analyzer. Bộ dụng cụ đo hằng số điện môi HP 85070 B. Các loa thu phát ở dải băng tần S.C v X vcác đầu chuyển đổi. 3. Các giá trị cần đo ĐD tiến hnh đo các tham số điện của mẫu vật liệu ở dải sóng từ 500 MHz đến 50 GHz. Đo hằng số điện môi ( v ) v tổn hao tangent (tg)Tổn hao phản hồi tấm tng hình (Reflection loss): R. Tổn hao hấp thụ tấm tng hình (Absorption loss): A. Đo trở kháng của vật liệu sử dụng đồ thị SMITH thông qua hệ thống sóng đứng. III - Kết quả v thảo luận 1. Cơ sở lý thuyết tính toán Vật liệu tng hình khi có sóng rada đi qua nó lm tổn hao năng l7ợng bức xạ thông qua quá trình thay đổi tính chất vật lý cơ bản của vật liệu. Đó l sự thay đổi tổng trở, thay đổi độ từ thẩm, thay đổi hằng số điện môi. Vật liệu ny có khả năng dn đều năng l7ợng bức xạ trên bề mặt tấm chắn sóng đồng thời không có khả năng phản xạ lại. Hình 1 l sơ đồ tấm mn chắn bằng vật liệu tng hình hấp thụ sóng rada. Trong sơ đồ nynếu ta giả định tia bức xạ sóng rada đến thẳng góc với mn chắn với c7ờng độ l Ein. Một phần sóng phản hồi trở lại với c7ờng độ l ERv tổn hao phản hồi (Reflection loss) l R, một phần bị hấp thụ khi đi qua vật liệu với c7ờng độ hấp thụ EAv tổn hao hấp thụ (Absorption loss) A, cuối cùng mới đến vật đ7ợc che chắn. Khả năng tng hình của vật liệu hay l hiệu quả che chắn (shielding effective) SE của nó đ7ợc tính bằng tổng tổn hao phản hồi v tổn hao hấp thụ theo công thức: dARdEEEEdBSEinAinR++=++= lg20lg20)((1) ở đây d l số hiệu chỉnh (trong tr7ờng hợpvật liệu có độ hấp thụ cao thì d = 0). Hiệu quả che chắn SE của vật liệu còn phụ thuộc vo độ dy d, tính chất điện nh7 hằng số điện môi (), độ từ thẩm (à) của vật liệu tng hình v tần số lm việc (f) của sóng rada [6, 7]. Vật liệu tng hình hoạt động có hiệu quả khi tổn hao phản hồi R v tổn hao hấp thụ A phải lớn. Trên thực tế nếu tổn hao phản hồi khoảng -20 dB, tổn hao hấp thụ A -9 dB thì hiệu quả tng hình của vật thể đạt trên 99% hay độ phản xạ trở lại trên mn hình rada còn d7ới 1%. Trong công trình ny chúng tôi nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tng hình qua tổn hao hấp thụ , tổn hao phản hồi vmối quan hệ với độ dy, tính chất điện từ của mng trong dải tần từ 500 MHz đến 20 GHz. Hình 1: Sơ đồ thí nghiệm đo tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tng hình 129-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.202 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 181.61.651.71.751.81.851.91.9522 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.202 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617182.32.42.52.62.72.82.933.13.22 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1833.544.555.52 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18-2.5-2-1.5-1-0.5023456789101112131415161718Hằng số điện môi phần thựcHằng số điện môi phần ảoHằng số điện môi phần thựcHằng số điện môi phần ảo2. Kết quả v$ thảo luận a) ảnh h>ởng độ dBy lớp phủ tBng hình đến tính chất hấp thụ sóng rada Tấm phủ tng hình đ7ợc chế tạo trên nền đếvải bạt polyeste có độ rộng 25 ì 25 cm lần l7ợt phủ mng mỏng trên tấm đế vải. Các mẫu phủ một lớp, phủ hai lớp, phủ ba lớp, mỗi lớp độ dykhoảng 0,2 mm. Sau đó tiến hnh đo sự thay đổi hằng số điện môi trong dải tần từ 50 MHz - 20 GHz. Kết quả nh7 đồ thị hình 2, 3 v 4.(a) Tần số, GHz (b) Tần số, GHz Hình 2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hằng số điện môi vo tần số bức xạ (phủ một lớp vật liệu tng hình) (a) Tần số, GHz (b) Tần số, GHz Hình 3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hằng số điện môi vo tần số bức xạ (phủ hai lớp vật liệu tng hình) (a) Tần số, GHz (b) Tần số, GHz Hình 4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hằng số điện môi vo tần số bức xạ (phủ ba lớp vật liệu tng hình) 130Từ kết quả ny cho thấy mỗi tấm vải có phủ lớp CP có sự biến thiên của hắng số điện môi theo tần số sóng rada bức xạ. Hình 2a l biến thiên của có cực tiểu ở tần số 6 - 7 GHz v13 - 14 GHz. Tấm thứ hai có độ dy gấp hai lần tấm thứ nhất. Sự biến đổi của thấy rõ nét với điểm cực tiểu ở 3 - 4 GHz v ở 11 - 12 GHz (hình 3a). Tấm thứ ba có độ dy gấp 3 lần. Sự biến thiên hằng số điện môi có cực tiểu ở khoảng 3 GHz v 10 GHz (hình 4a). Bằng những mẫu ny cũng biểu hiện rõ sự biến thiên hằng số điện môi phần ảo () trong dải sóng 500 MHz - 20 GHz. Ng7ợc với phần đồ thị hằng số điện môi phần thực (), phần hằng số điện môi phần ảo () biểu hiện quá trình hấp thụ sóng điện từ có điểm cực đại trong dải tần khác nhau: ở tấm phủ 1 lớp điểm cực đại ở dải tần 5 - 6 GHz v 14 - 15 GHz (hình 2b), ở tấm phủ 2 lớp điểm cực đại ở dải tần 7 - 8 - 9 GHz v 14 - 15 - 16 GHz (hình 3b), ở tấm phủ 3 lớp điểm cực đại ở dải tần 7 - 8 - 9 GHz v 15 - 16 - 17 GHz (hình 4b). Nh7 vậy với tấm phủ cng dy sự thay đổi của complex permeability có điểm cộng h7ởng chuyển dịch về khu vực có tần số thấp. Tấm phủ cng dy thì điểm cộng h7ởng chuyển dịch về khu vực tần số cao hơn. b) Xác định khả năng tBng hình của vật liệu tBng hình (SE) qua tổn hao phản hồi R vBtổn hao hấp thụ A Khả năng tng hình của vật liệu hay hiệu quả che hữu chắn (shielding effective: SE) của nó đ7ợc tính bằng tổng tổn hao phản hồi v tổn hao hấp thụ theo công thức: SE (dB) = R + A Vật liệu tng hình hoạt động có hiệu quả khi tổn hao phản hồi R v tổn hao hấp thụ A phải lớn. Trên thực tế nếu giá trị SE {2} dB thì hiệu quả tng hình đạt 99% hay độ phản xạ trở lại mn hình rada còn 1%. Hình 5 l kết quả khảo sát độ che chắn của vật liệu tng hình phủ trên lớp polyeste với độ dy khác nhau. Độ che chắn hay khả năng tng hình của lớp vải ngụy trang phủ 1 lớp vật liệu tng hình trên hình 5a. Dải tần số, GHz Độ che chắn, dB Khả năng tng hình, %6 - 7 5 30 - 4011 - 12 4,2 30 - 40 Độ che chắn hay khả năng tng hình của lớp vải ngụy trang phủ 2 lớp vật liệu tng hình trên hình 5b. Dải tần số, GHz Độ che chắn, dB Khả năng tng hình, %8 - 9 9,5 60 - 7015 - 16 9,2 60 - 70 Độ che chắn hay khả năng tng hình của lớp vải ngụy trang phủ 3 lớp vật liệu tng hình trên hình 5c. Dải tần số, GHz Độ che chắn, dB Khả năng tng hình,% 7 - 10 21,0 99 15 - 16, 17 19,5 98 Độ che chắn ở lớp vải phủ 1 lần vật liệu tng hình. Độ che chắn đạt cực đại ở dải sóng 6 - 7 GHz với c7ờng độ l 5 dB v ở 12 GHz đạt 4,2 dB đ7ợc trình by trên hình 5a. Độ che chắn ở lớp vải phủ 2 lần vật liệu tng hình, độ che chắn đạt cực đại ở 8 - 9 GHz với độ che chắn 9,5 dB, ở 16 GHz đạt 9,2 dB đ7ợc trình by trên hình 5b. Độ che chắn ở lớp vải 3 lần phủ vật liệu tng hình, độ che chắn đạt cực đại ở 8 - 9 GHz với độ che chắn đạt cực đại ở 8 - 9 GHz với độ che chắn 21 dB v ở 16 GHz độ che chắn đạt 19,5 dB đ7ợc trình by trên hình 5c. Với kết quả ny cho phép chế thử v thử nghiệm tấm phủ tng hình hoặc khí ti tng hình với độ phản xạ d7ới 1%. IV - Kết luận Vật liệu tng hình l vật liệu kỹ thuật cao đ7ợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học, thông tin v quốc phòng. B7ớc đầu đề ti đDthnh công trong việc: 131-7-6.5-6-5.5-5-4.5-4-3.5-323456789101112131415161718-25-20-15-10-502 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18-7-6.5-6-5.5-5-4.5-4-3.5-323456789101112131415161718Khả năng tng hìnhKhả năng tng hìnhKhả năng tng hìnhHình thnh công nghệ chế tạo vật liệu tng hình để lm tấm phủ ngụy trang. ĐD nghiên cứu tính chất của vật liệu tng hình qua sự biến đổi hằng số điện môi, độ tổn hao c7ờng độ sóng rada trong các dải tần khác nhau từ 500 MHz đến 20 GHz. Tạo đ7ợc tấm tng hình có độ che chắn SE >{20}dB. Vật liệu ny có thể triển khai thử nghiệm ở quy mô lớn. Tần số, GHz Tần số, GHz Hình 5a: Khả năng tng hình của mẫu phủ 1 lớp vật liệu tng hình Hình 5b: Khả năng tng hình của mẫu phủ 1 lớp vật liệu tng hình Tần số, GHz Hình 5c: Khả năng tng hình của mẫu phủ 3 lớp vật liệu tng hình Lời cảm ơn: Đề tBi khoa học nBy đ>ợc sự giúp đỡ về kinh phí vB chỉ đạo trực tiếp của Ban chủ nhiệm ch>ơng trình vật liệu - Trung tâm KHTN&CNQG, ch>ơng trình nghiên cứu cơ bản của NhB n>ớc. Chúng tôi xin chân thBnh cảm ơn Giáo s>, Viện sỹ Nguyễn Văn Hiệu vBBan chủ nhiệm ch>ơng trình, phân viện Rada bộ Quốc phòng đ_ giúp đỡ chúng tôi hoBnthBnh công trình nBy. Ti liệu tham khảo 1. A. Feldblume and et al. J. Polym. Sci. Polym. Phys. Ed - 19, P. 173 - 179 (1981). 2. P. T. C. Wong, B. Chauber, Electronics Lett., 28, P. 1651 - 1655 (1992). 3. Van Tan Truong, SPIE. Vol. 3241, P. 98 - 125 (1997). 4. Hans. H. Kuhn and et al. Eletrically Conducting Textiles. 5. Nguyễn Đức Nghĩa v nnk. Hội nghị Vật lý chất rắn ton quốc - Nha Trang (2001). 6. Hyung Do Choi and et al. Polyme (Korea), Vol. 20, No. 4, P. 658 - 663 (1996). 7. Carl Maggiore and et al. J. Mater. Chem,. Vol. 3 No. 6, P. 563 - 569 (1993). -10-9-8-7-6-5-4-32 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18-10-9-8-7-6-5-4-32 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 132 . tôi nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tng hình qua tổn hao hấp thụ , tổn hao phản hồi vmối quan hệ với độ dy, tính chất điện từ của mng. học, T. 41, số ĐB, Tr. 127 - 131, 2003 Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tàng hình từ CONDUCTING polyme Đến Tòa soạn 21-4-2003 Nguyễn Đức