автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Принципы конструирования и разработка диэлектрического материала с улучшенными свойствами для радиопрозрачных конструкций мощных антенных устройств СВЧ диапазона

На правах рукописи

• Родионов Николай Николаевич

ПРИНЦИПЫ ЮЭНСТРУИЮВАНШ И РАЗРАБОТКА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА С УЛУЧШЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ РАДИОПРОЗРАЧНЫХ КОНСТРУКЦИИ МОЩНЫХ АНТЕННЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ ДИАПАЗОНА

Специальность 05.09.02 - электротехнические материалы

и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

- £ -

Работа выполнена в акционерном обществе "Луч", г. Сызрань и Самарском Государственном техническом университете, филиал в г. Сызрань

Научный руководитель:

кандидат техняческих наук Дмитревский В.С.

доцент

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Зайцев Ю.В.

кандидат технжческих наук Цеханович О.М.

Ведущая организация:

Акционерное общество "НПО Стеклопластик" , Всероссийский научно- исследовательский институт стеклопластиков и волокон (ВНИИСПВ)

Защита состоится на заседании Диссертационного

1997 г. ¿/7% «г.. совета Д 053.16.06 <?с?а/ин.

Московского энергетического института (технического

университета) по адресу:

105635-, г. Москва, Красноказарменная ул. 14. Г408 Ш250 9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета) по адресу: .

105035. г. Москва. Красноказарменная ул. 14. Ш 250

Автореферат разослал

Ж

1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук профессор

А.С. Шнитников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Современная антенная техника развивается в направлении обеспечения дальности и надежности радиосвязи, радиолокации, управлении объектами на расстоянии, что достигается увеличением энергии излучаемых сигналов, переходом в область СВЧ. Эти тенденции ставят новые проблемы при создании радиопрозрачных конструкций (РПК), обеспечивающих защиту антенных устройств (АУ) и радиотехнических комплексов от внешних воздействущих Факторов, и обязанных обеспечить минимальные потери при прохождении электромагнитной энергии высокой плотности потока (ВПП), достигающей V/ = 400-600-1000 кВт/м2. Поэтому ставится под сомнение использование для РПК традиционно применяемых в метровом диапазоне при УГл-Ю кВт/м2 диэлектрических композиционных материалов (ДКМ) - стеклопластиков.

Возникает проблема разработки нового класса ДКМ с улучшенными характеристиками, для прогрессивного развития РПК, а следовательно и антенной техники.

Отсутствие нормативно-технических требований к материалам РПК не позволяет обоснованно вести разработку новых ДКМ. Важным вопросом является надежная эксплуатация РПК и АУ, что обеспечивается сохранением должного уровня показателей ДКМ при воздействии внешних фалсторов и энергии ВПП.

Разработка и исследование новых ДКМ для РПК мощных АУ является актуальной проблемой как для создания новых радиотехнических устройств специального назначения, так и физики диэлектриков, технологии получения материалов с заданными свойствами. Актуальность разработки новых ДКМ для РПК мощных АУ подгвервдается тем, что эти вопросы являются темой для научных работ ряда крупных институтов и организаций. (Материалы научно-технического семинара "Радиопрозрачные обтекатели (РПО) и радиопрозрачные укрытия (РПУ), Минск, 11-13 сентября, 1990 г.)

ЦЕЛЫ) РАБОТЫ является разработка и исследование методик создания, а также исследование свойств новых ДКМ, обеспечивающих Функциональное назначение радиопрозрачной конструкции в СВЧ диапазоне.

Для достижения поставленной цели решались ЗАДАЧИ:

- разработка и исследование критериев пригодности ДКМ для РПК мощных АУ, анализ существующих материалов с целью над±жной защита АУ от внешних факторов и обеспечения требуемых ее характеристик,;

- разработка унифицированных и оперативных методик анализа пригодности ДКМ и их компонентов для РПК мощных АУ

- разработка расчетных моделей и методик для проектирования ДКМ с заданными свойствами;

- оптимизация промышленных технологических процессов получения ДКМ, установление расчетных зависимостей, позво-лящих определить связь основных показателей со структурой материала;

-исследование свойств нового ДКМ с целью определения характера влияния и механизма воздействующих Факторов на сохраняемость показателей в условиях эксплуатации РПК.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При решении поставленных задач использовались методы математической обработки данных, пла нирования эксперимента, аппарат дифференциального и интегрального исчисления, численные методы расчета на ЭВМ, методы математической статистики. В экспериментальных исследованиях применялись как стандартные, так и оригинальные методики, обусловленные спецификой материала, условиями испытаний.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА состоит в: впервые разработанных, клас сиФицированных требованиях к ДКМ РПК мощных АУ;

- алгоритме оценки пригодности ДКМ для РПК;

- определении расчетной модели и получении зависимостей для уточненых диэлектрических показателей разрабатыва-материалов от их состава, оптимизации состава материалов с учетом примесей;

- решении задачи по оптимизации новых технологических режимов, позволивших улучшить показатели ДКМ;

- установлении методик и прогнозировании сохраняемости свойств нового ДКМ РПК для условий эксплуатации.

ПРАКТИЧЕСКУЮ ЦЕННОСТЬ имеют следующие результаты работ

-критерии требований для разработки новых ДКМ;

-алгоритм оперативной оценки пригодности ДКМ для РПК;

-методика определения диэлектрических показателей для получения ДКМ с улучшенными характеристиками;

- оптимизированные технологические режимы получения

ДРСМ -позволившие улучшить его показатели;

- методики ускоренной оценки сохраняемости показателей материала при эксплуатационных воздействиях.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по конструированию нового ДЕСМ, оптимизации технологического процесса получения слоистого стеклопластика, исследования сохраняемости показателей использованы при разработке перспективного ДКМ, примененного в новых радиотехнических конструкциях специального назначения. Акт о внедрении результатов работы приведен в приложении 7.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на,- 6-й Всесоюзной конференции по Физике диэлектриков, Томск, 1988 г.

- межведомственном научно-техническом семинаре "Радиопрозрачные обтекатели (РПО) и укрытия (РПУ). Минск, 1990 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам работы опубликовано б научных работ. В том числе 3 статьи, 3 тезиса докладов на Всесоюзной и межведомственной конференциях.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, 4-х разделов, заключения, 7-ми приложений, содержит 145 страниц машинописного текста, 38 рисунков, 36 таблиц, спи-х>к литературы содержит 142 наименования.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Разработка, обоснование и классификация комплекса гребований к ДКМ РПК мощных АУ СВЧ диапазона.

2. Методика и алгоритм выбора ДКМ, а также компонентов ргя разработки и создания РПК.

3. Расчетная модель и методика определения уточненных диэлектрических показателей ДКМ. Расчетные и экспериментальные данные по снижению диссипативных потерь за счет уменьшения доли технологических примесей. Состав ДКМ, наи-1учшим образом отвечающий предъявляемым требованиям.

4. Решение задачи по оптимизации технологического про-*есса, что позволило улучшить показатели ДКМ и установить :вязь основных показателей ДЕСМ и его структурой.

5. Методика и результаты прогнозирования сохраняемости показателей композиции Фторопласт-кварцевая ткань.

6. Методика повышения гидрофобности поверхности ради-

- б -

опрозрачной мембраны, обеспечивающей снижение потерь излучаемой АУ энергии в условиях доздя.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ представлено Функциональное назначение РПК и их особенности для мощных АУ, обоснована актуальность темы и даны краткие сведения по работе.

В ПЕРВОМ РАЗДЕЛЕ рассмотрены: теоретические-расчетные 1 практические методы создания РПК, влияние показателей ДКМ на радиотехнические характеристики и температурные режимы РПК, характеристики ДКМ в условиях эксплуатации РПК.

Проведенный анализ создания и эксплуатации РПК позволил установить: диэлектрические стенки РПК состоят из N -слойных панелей с прочными сгеклопластиюовьии обшивками, разделенными заполнителем (пенопласт, решетчатый и т.д.), имеющим величины £г и значительно меньшие чем стеклопластики 5до 2-х порядков), т.е. прохоздение энергии излучения АУ, ее потери определяются параметрами обшивок, которые также обеспечивают механическую прочность РПК.

При частотах более 4004-700 МГц и плотностях электромагнитного потока более 100 кВг/м2 происходит интенсивный нагрев ( Л Т составляет 1004-120 К) стеклопластиковьк слоев, имеющих £г= 3,04-5,5 и0,00840,010. Коэффициент прохождения становится менее 0,90; что обусловлено возрастанием потерь и температурной зависимостью <5 г и <5 . Расчегг коэффициента прохождения [Т|2 и приращения температуры ДТ показал, что для получения приемлемых величин. 0,95;

ДТ.^ 50-70 К), применение используемых в метровом диапазоне стеклопластиков невозможно.

В ряде режимов на элементах АУ напряженность электрического поля в 8410 раз (Е = 0,440.6 МВ/м) превышает Е в раскрыве АУ. В этих случаях наблюдаются электрические пробои по поверхности диэлектрической стенки, имеют место: значительный нагрев (ДТг-300 К), разрушения и возгорания.

В значительной мере воздействию климатических Факторов подвержена полимерная матрица ДКМ. Так при повышенных температурах механическая прочность ДКМ снижается из-за понижения црочности матрицы. Циклическое изменение температуры с переходом через 0°С ведет к нарушениям структуры

ДКМ. Наблюдается возрастание £ г и как у полимерного связующего, так и у армирующей стеклоткани, что при достаточно высоких температурных коэффициентах ведет к нелинейному возрастании ДТ диэлектрической стенки в электромагнитном поле.

Воздействие повышенной влажности снижает показатели ДКМ как за счет увлажнения армирующей ткани, так и нарушения структуры ДКМ. Ухудшение £г и при этом воздействии весьма значительно, особенно в области СВЧ (за счет высоких значений бг и ^ воды) для ДКМ с улучшенными значениями этих показателей.

Существующие математические зависимости, кале правило, позволяют прогнозировать качественные изменения показателей, получение более точных зависимостей требует исследования конкретного разрабатываемого материала. В результате воздействия влаги и осадков на поверхности РПК возможно образование водяной пленки, приводящей к увеличению потерь и даже "ослеплению" АУ, данный Фактор требует повышения гидрофобности поверхности РПК.

Надежность работы РПК определяется сохраняемостью требуемых показателей ДКМ на должном уровне в течении всего срока эксплуатации изделия.

Особенностью разрабатываемых ДКМ является улучшенные значения, и в первую очередь диэлектрических показателей, по сравнению с ранее применяемыми ДКМ, когда относительно невысокий уровень примесей в материале или воздействующего Фактора оказывает значительное влияние на свойства ДКМ; а также многообразие, довольно жестких Факторов, воздействующих на РПК.

В первом разделе установлены эксплуатационные Факторы РПК, характер их влияния на свойства ДКМ, что конкретизирует поставленные задачи и позволяет установить перечень и уровень требований для ДКМ.

Во ВТОРОМ РАЗДЕЛЕ обосновываются и определяются значения показателей ДКМ исходя из: радиотехнических характеристик (|Т| 0,95), допустимой температуры нагрева стеклопластиков С4Т <: 50т-70 К), механической прочности (при воздействии ветрового напора) и т.д.. эксплуатационной стабильности показателей. Численными методами (решением волновых уравнений и уравнений теплопроводности от внутренних

источников) исследовано влияние диэлектрических показателе ДКМ на коэффициент прохоздения температуру нагрева стенки.

Исходя из высокой стоимости РШС (сотни млн. дол. США) обязательным техническим требованием к РШС является пожаре безопасность,. что обеспечивается применением только негорк чих или трудносгораемых ДКМ. Прочностные показатели ДКМ, приняты расчетным исследованием усредненных типов панелей.

Для удобства классификации все показатели разделены на диэлектрические, физико-механические, теплофизические, общефизические, технологические. Требуемые показатели ДКМ и их уровни представлены в табл.1.

Таблица 1

N

п/п

Наименование показателя

Значение показателя

2

3

4

5

6

7

8 9

10 11 12

13

14

(1) ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТЬ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ (1) Относительная диэлектрическая проницаемость, £г (ЗтЗО ГГц), не более

(1) Тангенс угла диэлектрических потерь,

, (ЗгЗО ГГц), не более Температурная зависимость относительной диэлектр. проницаемости, ¿Р-Т/С£,1/К,не более Температурная зависимость тангенса угла диэлектр. потерь, ¿рЯ-ТК^З, 1/К, не более

(2) Электрическая прочность на переменном напряжении 50 Гц, Епр МБ/м, не менее (2) Удельное объем, сопрот. р^,Ом м.не менее (2) Удельное поверх, сопрот.Он, не менее Стойкость к поверхностным электрическим пробоям, ЕПР , мв/м

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ (1) Разруш. напр. при растяж. Зр,мПа не мен Разруш. напряжение при сжатии, 6С , МПа Разруш. напряжение при изгибе, ^, МПа Модуль упругости при растяжении, Е р , МПа Модуль упругости при сжатии, Ес , МПа

негорючий трудногор.

1

3,5т2,0 ю"3М -10

(14-5) -10

(1г-8)

■10 4

10

10

8

ю10

для конкр изделия

30

информат

Продолжение табл. 1

1 2 3

15 Модуль упругости при изгибе. Ей - МПа 11

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

16 Коэффициент теплопроводности, Я , Вт/(м-К) 0,24-1,0

17 Температ. завис. коэФ. теплопров.Л ■ ТКд, 1/к информат.

18 Температ. коэФ. линейного расширения,«* 1/К ч

ОЩЕФИЗИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

19 Водопоглощение, %, (по объему) не более 0,2

20 Гидрофобность, в , градус, не менее 90

21 (1) Срок сохран. показателей, т лет не мен. 10

22 Стойкость к загрязнениям сохран.

23 Стойкость к мощим, дегазирующим средствам показател.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

24 (1) Технологичность промьшшен.

изготовл.

Примечание: 1 - главные , 2 - гарантийные показатели.

Главные показатели ДКМ являются обязательными для РПК. арантийные могут служить как контрольные, остальные ис-ользукггся в радиотехнических, прочностных, теплофизичес-их расчетах, конструировании РПК.

Для проведения анализа существунщих ДКМ, выбора не-бходимых компонентов при конструировании нового материала, РПК разработан алгоритм поиска, на основе алгебры логики нахождения целевой Функции. Пригодность ДКМ для РПК оп-еделяляется значением Т = 1, а непригодность Г = 0.

Г = Кп-Кд-Км-Кт-КФ-Ктх

где Кп - показатель пожаробезопасности, Кд - диалек-рические. Км - Физико-механические, Юг - теплофизические, Ф - общефизические, Ктх - технологические.

В свою очередь каждую характеристику согласно правдам логических операций можно представить в виде, например,

Кп = Н-Т-Г

где Н = 1, Т= 1, Г = 1, если материал относится соогг-

- 10 -

ветственно к группе негорючих, трудногорючих, горючих; или

= k£'kt?b Ат«£- аТК^'(ае + Av + As)

где соответствующие 1 при удовлетворении предъявляемым требованиям (табл. 1). Коэффициенты гарантийных показателей объединены в один сомножитель.

Остальные коэффициенты "К" определяются по подобным выражениям. Разработанный алгоритм позволяет оперативно анализировать материал по совокупности показателей при значительном объеме банков данных по материалам. Анализ, в том числе с использованием банка данных ГСССД "Полимер", около 150 типов стеклопластиков, отечественного и иностранного производства, показал отсутствие ДКМ, которые могут обоснованно применяться в РПК мощных АУ СВЧ диапазона.

Для конструирования нового ДКМ, на предварительной стадии, исходя из требований к ДКМ и условий, налагаемых на компоненты, были выбраны ткани из: алкмоборосиликатного. кварцевого и кремнеземного стекол, как наиболее прочные и обладающие лучшими диэлектрическими показателями. В качестве связующих выбраны: кремнийорганические, полиимидные и Фторопласты. Из этих компонентов изготавливались опытные партии ДКМ. Расчетным и экспериментальным путем установлено, что наилучшим комплексом показателей обладает композиция Фторопласта Ф-4Д с кварцевой тканью ТС-8/3-К-Т0, имеющая £г = 2,40 и tgS = 6-Ю-4, причем почти на порядок меньше чем у других опытных ДКМ. Эта композиция была выбрана для дальнейших исследований.

Слоистый ДКМ для обшивок панелей РПК изготавливался на промышленном оборудовании путем контактно-термической сварки кварцевой Фторлакоткани с прокладкой между ее слоями легкоплавкой Фторопластовой пленки типа Ф-4МБ.

Диэлектрические показатели измерялись резонансным методом на частоте 9,365-109 Гц.

В качестве расчетных моделей были выбраны: слоистый пластик, волокнонаполненный материал, статистическая смесь - Формула Лихтенеккера, хотя и не соответствующая предполагаемой модели, но дающая хорошее совпадение расчетных и опытных значений £г для 2-х компонентной смеси.

Поскольку кварц и Фторопласт, практически, не погло-

- 11 -

щаьогг вору, а водопоглощение исследуемой композиции составляло 0,03-:-0,05 %, что подтверждает наличие пор, последние были учтены в уточненной модели, представляющей слоистую структуру из связующего, армирующего наполнителя и воздушной прослойки. Направление вектора электрического поля принято параллельно слоям ДКМ согласно направлению составляю-луча АУ. Для этой модели выведена следующая зависимость.

¿гП ~ 1 ■+■ (£-гспп)

Релл

где <£гп диэлектрическая проницаемость пористого ДЕСМ;

Рпор ~ плотность пористого ДКМ; рслл - плотность сплошного ДКМ; ¿ГСГГЛ-диэлектрическая проницаемость сплошного ДКМ. Были исследованы композиции с объемным содержанием Фторопласта от 60 до 85 % и пористостью от 1,0 до 8,0 %. Анализ расчетных и экспериментальных данных показал, что только модель пористого слоистого ДКМ дает удовлетворительное согласование результатов во всем исследованном диапазоне соотношений компонентов и пористости, при вероятности 0.9.

Значения для всех исследованных композиций при

<5 менее (3,044,0) • 10~3 не укладывались в пределы установленные неравенством Кувшинского

макс

и превосходили значения компонента, обладающего наибольшими потерями.

Было сделано предположение о влиянии влаги, примесей и образования полярной силоксановой связи. Просушка материала показала, что влияние влаги в нормальных условиях незначительно. С помощью спектрального анализа удалось установить наличие остатков замасливателя (0,1040,40 типа парафиновая эмульсия (ПЭ) на отожженной кварцевой ткани. Экспериментальные исследования показали что диэлектрические показатели замасливателя имели значения ¿^ = 2,9 и г^Г =0,048. Расчет диэлектрических показателей композиции с учетом замасливателя дал хорошее совпадение с экспериментальными величинами ¿у¿5. Следовательно превышение значений ¿'ДКМ определяется содержанием примеси-замасливателя. Так как значение ¿р замасливателя близко к Фторопласта и меньше :

- 12 -

¿г кварца, его малое содержание на композиции не сказывается.

Попытка снизить ^Ь путем более полного отжига ткани (до 0,03-0,07 % ПЭ) с последующим апретированием не дала значительного эффекта, т.к. происходило снижение механической прочности кварцевой ткани (на 10,СК-20,0 уменьшить же возможно лишь на 17 %.

ЖС - спектры термически сформованного Фторопласта и кварца показали отсутствие полос поглощения, соответствующих полярным группам. Следовательно ухудшение обусловлено наличием остатков замасливателя.

Наличие пор в ДКМ дало основание предполагать заполнение их влагой. Расчет по Формулам * *

где >¿#¿1* и ¿гб » ~ диэлектрические по-

казатели материала и воды соответственно,- а Ун и Ув их объемные доли, и анализ экспериментальных данных по исследованию водопоглощения ДКМ показал, что при водопоглощении до 0,15 % расчетные и экспериментальные данные удовлетворительно согласуются. При большем водопоглощении нарушается структура материала, экспериментальные и расчетные величины значительно различаются, при этом 3,0 иф^0,002.

Частотная зависимость композиции весьма стабильна и определяется частотными свойствами Фторопласта. ТегоюФизи-ческие, электрические показатели, а также температурные зависимости диэлектрических значительно лучше требуемых для ДКМ (табл. 1).

В расчете разрушающего напряжения при растяжении, для монослоя ДКМ (Фгорлакоткани), использован "закон смеси", где предполагается, что компоненты не взаимодействуют.

6сгг + ¿>к а-У<р)

где ¿>к разрушающее напряжение при растяжении волокон кварца, ¿ф напряжение возникающее во Фторопласте при разрушении волокон, \/ф объемная доля Фторопласта, в ДКМ. Но проникновение расплавленного Фторопласта между нитями обеспечивает механическую связь, упрочняя ДКМ, что учтено в рас чете увеличением . прочность армирующих волокон в пучке

- 13 -

значительно (до 50 %) отличается от прочности отдельных во-кон, зависит от структуры ткани, поэтому прочность кварцевого наполнителя определялась по прочности ткани. Расчетные значения композиции в зависимости от объемного о:дегж1-ния Фторопласта приведены в табл. 2, для согласования с6г.

Таблица 2

Содержание Фторопласта, % 50 60 70 75 80 90

Разрушающее напряжение 200 164 118 110 93 56

¿ро, МПа, по основе

Разрушающее напряжение

¿ру, МПа, по утку 130 108 86 75 64 42

При содержании Фторопласта в ДКМ мене 50-^60 ¿г =2,65^-2,80; что близко к. допустимому пределу, а при 80-90 % значения

близки к допустимому пределу разрушащего напряжения. Поэтому содержание Фторопласта в монослое принято 75 %.

Статистическая обработка 186 партий кварцевой Фторла-коткани показала, что распределяется по нормальному закону. Среднее значение <Ьро = 114 МПа (S = 26 МПа) и ¿>рУ = 67 МПа (S = 17 МПа) хорошо согласуются с расчетными. Установленная закономерность распределения прочности (6р) материала позволяет использовать ДКМ в разнонагруженных частях РПК. Расчетные диэлектрические и прочностные зависимости позволили оптимизировать содержание Фторопласта.

В ТРЕТЬЕМ РАЗДЕЛЕ рассмотрены технологические аспекта получения ДКМ. При изготовлении слоистого ДКМ в рекомендованных для стеклопластиков с армирующей стеклотканью режимах (температура прессования 573 К, 663 К и давление прессования 5f10 МПа), на промышленном оборудовании для листов (600x600) мм наблюдались местные разрывы армирующей кварцевой ткани в результате передавливания. Поэтому отрабатывался новый режим, для устранения дефектов и получения наилучших показателей. Математическое планирование эксперимента проведено по методу Бокса - Уилсона по типу 2 Параметры оптимизации приведены в табл. 3.

Влияние воздействующих Факторов определялось по уравнению регрессии, адекватность оценивалась по Фишеру, q=0,95

Уа = Во - Bi- Xi - В2 Х2

Таблица 3

Факторы Уровень Факторов Интервалы

нижний средний верхний варьиров.

-температура, К 563 583 603 20

К2 -давление, МПа 0,5 0,75 1 0,25

Контролируемыми параметрами выбраны £r , , ¿>p , плотность ДКМ и водопоглщение. Значимым оказался лишь коэФФици ент В1 , при X ¿ для óp . Опьггы, проведенные при повышен! давления на один шаг варьирования, показали, что происходи передавливание ткани. Оптимальными параметрами выбраны тем пература 603 К и давление 1 МПа. В атом случае бьш получен ДКМ с наибольшей плотностью Р =2,094-10 кг/м3 , водопог лощение снизилось с 0,126 до 0,030 % , повысилось 75,7 МПа ДО 120,8 МПа по основе и С 67,3 МПа до 75,4 МПа по утку, при незначительном повышении <£г и tgb .

Улучшение параметров, и в первую очередь прочности объясняется тем, что при температуре 603 К происходит "пла ление" Фторопласта 4Д, который находится непосредственно в контакте с армирующей кварцевой тканью. Улучшаются реологические свойства Ф - 4Д, что способствует проникновению его мезду нитями ткани, о чем свидетельствут увеличение плотности ДКМ, снижение водопоглощения, уменьшение пористо сти с 5,5 % до 3,0 Установлена зависимость основных показателей от плотности ДКМ. Уравнения регрессии получены п методу наименьших квадратов, размерность р в ур-ниях г/см

<зр<9 = - 1277 + 661 р

6р У = - 841 + 439 Я

W = 4,32 - 2,05 р

ÍCj<5 = - 0,002649 + 0,001463Я

6Г = 0,735 + 0,8182 р

- 15 -

Зависимости позволили спрогнозировать уровень показателей ю одному обобщенному аргументу - плотности материала.

Для получения конструкций из композиции Фторопласт -кварцевая ткань были исследованы сварные соединения. Порченные зависимости разрушающих усилий от геометрических размеров шва позволили оптимизировать эти соединения.

В ЧЕТВЕРТОМ РАЗДЕЛЕ рассмотрены вопросы сохраняемости юказателей ДКМ в условиях эксплуатации РПК. Проведены па-шшельные испытания ДКМ в натурных и искусственных условиях. Контролировались главные показатели , ¿¿¡6 , ¿>р , I. также платность и водопоглощение. В натурных условиях ис-ытывались наружная и внутренняя обшивки панелей РПК (т.е. мет ДКМ закрывался вторым наружным листом). Испытания доводились в течении года в зоне умеренного климата.

После 2-х месяцев натурной экспозиции цвет наружных истов ДКМ изменился от бежевого до белого, поэтому было делано предположение о процессах, происходящих в связующем, а год экспозиции £г наружных образцов снизилась с 2,50 до ,40; внутренних с 2,45 до 2,42. Значения& после одного есяца экспозиции повысились с 4,5-104до 6,5-10~4 , что сог-асуется с влажными месяцами экспозиции, но к концу экспо-иции = 5,7-10"1 В течении года интенсивно снижалось ¿р, особенно в перше месяцы. Экспериментальная зависимо-ость р описывается выражениями:

<Ьр0 = 30- е 7 + 67- е

у _ -оЛТЬ __ -о,оИ 6аи = 24-е ^ + 52-е '

ру

где <Ьро и бро разрушающие напряжения при растяжении о основе и утку соответственно, г* -время экспозиции в мес. 5е зависимости адекватны опытным данным согласно критерии ишера при вероятности 0,95. Финишные участки экспонециаль-ых кривых можно апроксимировать гиперболической зависимо-

ЬЮ:

У = t / (Ь0 + 1); Ь . У пред 1 /ъ1

асчет предельных величин дал значения ¿>ро = 57 МПа и ¿>ру = 33 МПа, опытные: 6ро - 5СН^58 МПа, бру = 344-33 МПа. эсле просушки восстанавливалось до 20 % ¿>р. Обратимые из-

- 16 -

менения обусловлены увлажнением армирувдей ткани. Необрата мые изменения <3р определятся снижением механического сцег ления связущего и армирующей ткани, что подтвервдаетс* увеличением пористости от 2,7 до 6,0 %. Эгим же объясняется снижение £r , ïgS. р и повышение водопоглощения.

С целью установления характера изменения показателей их предельных значений проведены термические испытания при 453. 473, 493 , 513 К. Некоторое снижение 6Г на 0,10,- а так же изменения /gS при термической экспозиции до 90 суток, аналогичны их изменениям для фторопластов. Снижение <ЬР на 40 % при Т = 513 К обусловлено некоторой деструкцией Фторопласта Ф-4МБ, имеющего более низкую рабочую температуру.

В этих испытаниях характер изменения показателей не соответствовал наблюдаемому в натурных условиях.

В результате воздействия искусственной солнечной радиации с дозой, соответсшущей годовой в натурных условиях, показатели ДКМ сохранились на начальном уровне. Установлено, что побеление ДКМ является результатом Фотоокисли тельных процессов замасливателя ПЭ ткани в длинноволновой части спектра, но на прочность ДКМ они не влияют.

Циклические изменения температуры, соответствующие гс довым в натурных условиях снизили лишь 6Р, но после просу ки ¿р полностью востановилось, т.е. процессы обратимы.

Учитывая значительное влияние влаги на стеклопластики были проведены термовлажностные испытания в режимах: 1-тем пература Т = 333 К, относительная влажность f = 80 %; 2 - Т = 333 К, f = 98 %: 3 - изменения Т от 296 до 333 К. f = 100 %. Первые два режима, практически, не оказали воздействия на показатели, в третьем ¿>р снизилось до 55-f60 % от исходного значения, т.е. подобно натурным условиям. Сни зилась плотность, повысилось водопоглощеше этим изменения соответствовало увеличение пористости от 2.5^-2,7 % до 5,3т-5,7 %, что подтверждает механизм изменений имеющий место в натурных испытаниях.

После натурных испытаний на отдельных участках поверхности ДКМ обнаружились дефекты в виде рисок и "игольчатых" проколов через которые предполагалось проникновение влаги. С целью их "залечивания", а также увеличения времен! проникновения влаги в ДКМ в сезоны повышенной влажности, нг ДКМ с обеих сторон приФормовывалась пленка Ф-4МБ с задел-

- 17 -

кой торцов. Как в искусственных термовлаасностных, так и в натурных испытаниях время достижения предельных значений увеличилось в 2,54-3,0 раза, что однако недостаточно для эксплуатации изделия. Трехлетние натурные испытания ДКМ показали что предельные значения не изменяются это подтверждает правильность описания их гиперболической зависимостью

ПриФормованная на поверхность диэлектрической мембраны Фторопластовая пленка повысила гадроФобность (по углу смачивания) поверхности с & = 97°т98сдо 108° , за счет снижения шероховатости поверхности» обусловленной просту-пащей текстурой ткани. В результате уменьшилось количество воды на поверхности диэлектрической стенки, испытанной при интенсивности давдя 5 мм/мин и 10 мм/мин. Потери электромагнитной энергии снизились на 0,304-0,40 дБ при частоте испытаний 37,5 ГГц.

Исследования показали, что композиция Фторопласт-кварцевая ткань устойчива к воздействию электромагнитного излучения с частотой 25 ГГц и напряженностью электрического поля 100 В/см, соизмеримой с напряженностью в раскрыве АУ. Образцы ДКМ облучались в объемном резонаторе в течении 1,5 часов, ДТ не превышало 60 К. Диэлектрические и Физико-механические показатели не изменялись.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ приводятся основные научные и практические результаты работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе теоретических-расчетных и экспериментальных результатов исследований, проведен анализ эксплуатации РПК мощных АУ при воздействии электромагнитной энергии ВПП и внешних Факторов, позволивший определить условия, в которых должны применяться новые ДКМ. Установлен допустимый вровень этих воздействий.

2. Впервые разработан классифицированный комплекс необходимых и достаточных требований к ДКМ РПК СВЧ , позволя-щий вести непосредственно разработку новых ДКМ. В основу требований положено обеспечение Функционального назначения РПК.

3. Разработан алгоритм поиска целевой Функции, позволявший оценивать пригодность ДКМ для РПК, используя банки

- 18 -

данных по свойствам материалов и применяя автоматизированные системы. Расчетным и экспериментальным путем установлено, что наилучшим комплексом свойств обладает композиция на основе Фторопласта и кварцевой ткани.

4. Выведена расчетная зависимость, подтвержденная экспериментально» которая с учетом структуры материала (пористости) позволяет расчитывать уточненные значения диэлектрической проницаемости ДКМ. Установлено что для ДШ с

2^2-£(3,СН-4,0) • 10"3армированных стеклотканями неравенство:

не выполняется при расчете только по двум основным компонентам. Содержание 0,1-г0,4 % замасливателя нарушает неравенство. Глубокий отжиг ткани, для снижения доли замасливателя, не дает значительного эффекта и при ее апретиро-вания. Слоистая модель пористого ДШ позволяет достоверно расчитывать 6Г и при водопоглощении до 0,15 %.

5. Экспериментальные значения разрушающего напряжения при растяжении Фгорлакоткани имеют статистический характер и описываются нормальным законом распределения.

6. Оптимизация промышленного технологического режима позволила повысить прочность слоистого ДКМ из кварцевой Фгоршакоткяни на 25 4 55 % . Получены эмпирические зависи мости, позволяющие прогнозировать ряд показателей ДКМ по обобщенной характеристике - плотности материала.

7. Установлена зависимость снижения разрушающего напряжения при растяжении в результате климатических воздействий. Снижение ¿р композиции обусловлено нарушением структур" ДКМ и падением прочности армирующей ткани в результате увлажнения. Определена методика ускоренных испытаний, позволяющая прогнозировать сохраняемость показателей ДКМ.

8. Установлено что дополнительная гермеризадия (покрытие) ДКМ Фторопластовой пленкой не дает существенного увеличения срока сохраняемости ¿> р , но данный способ повышения гидроФобности поверхности позволил заметно снизить (на 0,ЗОЮ,40 дБ) потери электромагнитной энергии в диэлектрической мембране при дозде.

9. Разработанный слоистый ДКМ устойчив в реальных электромагнитных СВЧ полях мощных АУ с напряженностью электрического поля до 100 В/см.

- 19 -

10. Все исследования проведены на материалах, полу-1енных в промышленных условиях. Результаты работы испольг-зованы при создании нового ДКМ, примененного в радиотехни-1еских конструкциях специального назначения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДСТАВЛЕНЫ В СЛЕДУЩИХ РАБОТАХ

1. Волков А.Г., Родионов H.H., Калмыков Н.Е. Создание i исследование диэлектрических материалов для конструкций Ш // Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. Общие эопросы радиозлекяроники.- Вып. 2.~ 1990.- С. 168-183.

2. Валков А.Г., Родионов H.H., Сальников И.В. Новые сонструкционные СВЧ диэлектрики : Тез. докл. б-й Всесоюз. сонф. по физике диэлектриков, Томск, ноябрь. 1988 г. // Электрофизика неоднородных диэлектриков: Сер. б: Материалы: Вып.З (279).- М.,- С.35-36.

3. Родионов H.H., Калмыков Н.Е.1, Куряев З.К. Экспериментальные исследования влааиосгных свойств и электричес-оой прочности нового композиционного материала: Тез. докл. 5-й Всесоюз. конФ. по Физике диэлектриков, Томск, ноябрь. L988 г. // Электрофизика неоднородных диэлектриков: Сер.6: Материалы: Вып.З (279). -М., - С.63

4. Волков А.Г. »Родионов H.H. .Тарасов В.В. »Шундер Ю.Л. Влияние состава материла на свойства СВЧ диэлектрика с улучшенными характеристиками. // Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. Теория и техника антенн. - 1990. ЗЫП.2 (45) - С. 75-69.

5. Баринова В.Г.. Ионова Г.И.. Родионов H.H. Оптимизация технологических процессов Формования материалов : для сонструкций радиотехнического назначения.// Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. Теория и техника антенн. -Зып. 3 (46).- 1990.- С. 50-61.

6. Родионов H.H. Климатическая устойчивость нового сомпозиционного СВЧ диэлектрика. // Тез. докл. научно-техн. зем. Радиопрозрачные обтекатели (РПО) и укрытая (РПУ), LI—13 сент. , 1990 Г.- Минск.- С.41-42.