Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tàng hình từ Conducting Polyme

Nội dung text: Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tàng hình từ Conducting Polyme

1. Tạp 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 Organisation), các phòng thí nghiệm của Châu Âu, Nga, Nhật, Trung Quốc, Hn Quốc tập Theo nguyên lý Maxwell khi ánh sáng trung nghiên cứu về loại vật liệu mới đầy hấp chiếu vo vật thể thì sẽ xảy ra ba khả năng l dẫn ny. Các kết quả nghiên cứu ít đ7ợc công phản xạ, hấp thụ v truyền qua. Vật liệu tng bố hoặc công bố một cách sơ l7ợc [1 - 3]. hình l vật liệu hấp thụ phần lớn sóng rada đi Conducting polyme l vật liệu có khả năng vo v hạn chế mức thấp nhất sóng rada phản hấp thụ sóng điện từ, rada vì trong cấu trúc xạ lại. Nh7 vậy tng hình l quá trình giảm phân tử có liên kết đôi liên hợp chứa các điện tử thiểu hình dạng của vật thể cần trinh sát trên
   tự do. Khi có bức xạ sóng điện từ, các điện tử mn hình rada. Việc tạo đ7ợc tng hình cho
   linh động nhận năng l7ợng sóng đ7ợc hoạt máy bay, tu chiến đ7ợc thực hiện qua nhiều hóa lên trạng thái kích động theo nguyên lý của giải pháp công nghệ. Hình dạng bề ngoi lm Jablonsky. Quá trình ny lm thay đổi tổng trở, sao giảm diện tích tiếp xúc sóng rada, động cơ, thay đổi hằng số điện môi, độ từ thẩm của vật máy móc khí ti v cuối cùng l lớp sơn phủ liệu. Từ trạng thái kích động điện tử
   trở về hấp thụ sóng rada. Loại máy bay, tu chiến tng trạng thái cơ bản v giải tỏa năng l7ợng. Năng hình đD đ7ợc chế tạo nh7 máy bay F117, B2 l7ợng ny lm nóng vật liệu hấp thụ. Nh7 vậy Hiện tại vật liệu tng hình đang đ7ợc nhiều về vật lý quá trình tng hình l quá trình chuyển n7ớc nh7 Mỹ, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc tập hóa năng l7ợng sóng rada sang năng l7ợng trung nghiên cứu. nhiệt. Với những đặc tính 7u việt nh7 độ dẫn Vật liệu tng hình trên cơ sở conducting cao có thể thay đổi, cùng với sự dễ dng trong polyme lần đầu tiên đ7ợc hDng máy bay sản xuất với hm l7ợng nhỏ trong thnh phần tổ Lockheed phát hiện vo năm 1986. Từ đó các hợp compozit, ph7ơng pháp phủ đơn giản v phòng thí nghiệm của các viện nghiên cứu hng nhất l có thể phủ đ7ợc nhiều lớp của đầu trên thế giới cũng nh7 của các cơ sở nghiên conducting polyme nên polyme dẫn đD đ7ợc cứu quân sự của Nato, phòng thí nghiệm nghiên cứu nhiều để lm vật liệu tng hình ở LosAlamos của Mỹ, phòng thí nghiệm DSTO dải sóng rada rộng từ 500 MHz đến 100 GHz của úc (Defence Science and Technology [4]. 127
2. II - Nguyên liệu v thí nghiệm nếu ta giả định tia bức xạ sóng rada đến thẳng góc với mn chắn với c7ờng độ l Ein. Một phần 1. Nguyên liệu sóng phản hồi trở lại với c7ờng độ l ER v tổn hao phản hồi (Reflection loss) l R, một phần Vật liệu tng hình hấp thụ sóng rada đ7ợc bị hấp thụ khi đi qua vật liệu với c7ờng độ hấp chế tạo từ conducting polyme đ7ợc phân tán thụ EA v tổn hao hấp thụ (Absorption loss) A, đều trong polyme nền tạo thnh vật liệu cuối cùng mới đến vật đ7ợc che chắn. Khả composit. Các tấm tng hình thí nghiệm hấp thụ năng tng hình của vật liệu hay l hiệu quả che sóng rada đ7ợc chế tạo trên đế vải polyeste, vải chắn (shielding effective) SE của nó đ7ợc tính thủy tinh hoặc tấm kim loại có độ rộng 23 ì 30 bằng tổng tổn hao phản hồi v tổn hao hấp thụ (cm) đ7ợc phủ vật liệu conducting polyme theo công thức: compozit. Độ dy của tấm phủ từ 0,2 - 1 mm [5]. ER EA SE(dB) = 20lg  + 20lg  + d 2. Các thiết bị đo Ein  Ein  (1) Độ hấp thụ sóng rada đ7ợc đo bằng máy = R + A + d Hewlett - Packard 8510 B Network Analyzer. ở đây d l số hiệu chỉnh (trong tr7ờng hợp Bộ dụng cụ đo hằng số điện môi HP 85070 vật liệu có độ hấp thụ cao thì d = 0). B. Hiệu quả che chắn SE của vật liệu còn phụ Các loa thu phát ở dải băng tần S.C v X v thuộc vo độ dy d, tính chất điện nh7 hằng số các đầu chuyển đổi. điện môi (), độ từ thẩm (à) của vật liệu tng 3. Các giá trị cần đo hình v tần số lm việc (f) của sóng rada [6, 7]. ĐD tiến hnh đo các tham số điện của mẫu Vật liệu tng hình hoạt động có hiệu quả vật liệu ở dải sóng từ 500 MHz đến 50 GHz. khi tổn hao phản hồi R v tổn hao hấp thụ A phải lớn. Trên thực tế nếu tổn hao phản hồi Đo hằng số điện môi ( v ”) v tổn hao khoảng  -20 dB, tổn hao hấp thụ A  -9 dB thì tangent (tg) hiệu quả tng hình của vật thể đạt trên 99% hay Tổn hao phản hồi tấm tng hình (Reflection độ phản xạ trở lại trên mn hình rada còn d7ới loss): R. 1%. Tổn hao hấp thụ tấm tng hình (Absorption Trong công trình ny chúng tôi nghiên cứu loss): A. tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tng Đo trở kháng của vật liệu sử dụng đồ thị hình qua tổn hao hấp thụ , tổn hao phản hồi v SMITH thông qua hệ thống sóng đứng. mối quan hệ với độ dy, tính chất điện từ của mng trong dải tần từ 500 MHz đến 20 GHz. III - Kết quả v thảo luận 1. Cơ sở lý thuyết tính toán Sóng rada Zo Za Đế Vật liệu tng hình khi có sóng rada đi qua Ei Ea 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 Er 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 d khả năng phản xạ lại. Hình 1 l sơ đồ tấm mn chắn bằng vật liệu Hình 1: Sơ đồ thí nghiệm đo tính chất hấp thụ tng hình hấp thụ sóng rada. Trong sơ đồ ny sóng rada của vật liệu tng hình 128
3. 2. Kết quả v$ thảo luận vải bạt polyeste có độ rộng 25 ì 25 cm lần l7ợt phủ mng mỏng trên tấm đế vải. Các mẫu phủ a) ảnh h>ởng độ dBy lớp phủ tBng hình đến tính một lớp, phủ hai lớp, phủ ba lớp, mỗi lớp độ dy chất hấp thụ sóng rada khoảng 0,2 mm. Sau đó tiến hnh đo sự thay đổi hằng số điện môi trong dải tần từ 50 MHz - 20 Tấm phủ tng hình đ7ợc chế tạo trên nền đế GHz. Kết quả nh7 đồ thị hình 2, 3 v 4. 2 0 c 1.95 o ự -0.2 ả h t 1.9 n n ầ ầ 1 .85 h -0.4 h p p i i 1 .8 ô -0.6 ô m m 1 .75 n n ệ -0.8 i ệ 1.7 i đ đ ố ố 1.65 s -1 s g g 1 .6 n n ằ -1.2 ằ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 H H -1.4 (a) Tần số, GHz 2 3 4 5 6 7 (b)8 9 10 11 12 13 Tần14 15 số,16 GHz17 18 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) 3.2 0 3.1 -0.2 3 -0.4 2.9 -0.6 2.8 -0.8 2.7 2.6 -1 2.5 -1.2 2.4 -1.4 2.3 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 -1.6 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718 (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) 5.5 0 o ả c ự n h ầ t 5 -0.5 h n p ầ i h ô p m i 4.5 -1 ô n ệ m i đ n ệ 4 -1.5 ố i s đ g ố n s 3.5 ằ -2 g H n ằ H 3 -2.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 23456789101112131415161718 (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) 129
4. Từ kết quả ny cho thấy mỗi tấm vải có phủ trên hình 5a. lớp CP có sự biến thiên của hắng số điện môi theo tần số sóng rada bức xạ. Hình 2a l biến Dải tần số, Độ che Khả năng thiên của ’ có cực tiểu ở tần số 6 - 7 GHz v GHz chắn, dB tng hình, % 13 - 14 GHz. Tấm thứ hai có độ dy gấp hai lần 6 - 7 5 30 - 40 tấm thứ nhất. Sự biến đổi của ’ thấy rõ nét với 11 - 12 4,2 30 - 40 điểm cực tiểu ở 3 - 4 GHz v ở 11 - 12 GHz (hình 3a). Tấm thứ ba có độ dy gấp 3 lần. Sự Độ che chắn hay khả năng tng hình của biến thiên hằng số điện môi có cực tiểu ở lớp vải ngụy trang phủ 2 lớp vật liệu tng hình khoảng 3 GHz v 10 GHz (hình 4a). Bằng trên hình 5b. những mẫu ny cũng biểu hiện rõ sự biến thiên Dải tần số, Độ che chắn, Khả năng hằng số điện môi phần ảo (”) trong dải sóng GHz dB tng hình, % 500 MHz - 20 GHz. Ng7ợc với phần đồ thị hằng số điện môi phần thực (’), phần hằng số 8 - 9 9,5 60 - 70 điện môi phần ảo (”) biểu hiện quá trình hấp 15 - 16 9,2 60 - 70 thụ sóng điện từ có điểm cực đại trong dải tần khác nhau: Độ che chắn hay khả năng tng hình của lớp vải ngụy trang phủ 3 lớp vật liệu tng hình ở tấm phủ 1 lớp điểm cực đại ở dải tần 5 - 6 trên hình 5c. GHz v 14 - 15 GHz (hình 2b), Dải tần số, Độ che chắn, Khả năng ở tấm phủ 2 lớp điểm cực đại ở dải tần 7 - 8 GHz dB tng hình,% - 9 GHz v 14 - 15 - 16 GHz (hình 3b), 7 - 10 21,0 99 ở tấm phủ 3 lớp điểm cực đại ở dải tần 7 - 8 - 9 GHz v 15 - 16 - 17 GHz (hình 4b). 15 - 16, 17 19,5 98 Nh7 vậy với tấm phủ cng dy sự thay đổi Độ che chắn ở lớp vải phủ 1 lần vật liệu của complex permeability có điểm cộng h7ởng tng hình. Độ che chắn đạt cực đại ở dải sóng 6 chuyển dịch về khu vực có tần số thấp. Tấm - 7 GHz với c7ờng độ l 5 dB v ở 12 GHz đạt phủ cng dy thì điểm cộng h7ởng chuyển dịch 4,2 dB đ7ợc trình by trên hình 5a. về khu vực tần số cao hơn. Độ che chắn ở lớp vải phủ 2 lần vật liệu b) Xác định khả năng tBng hình của vật liệu tng hình, độ che chắn đạt cực đại ở 8 - 9 GHz tBng hình (SE) qua tổn hao phản hồi R vB với độ che chắn 9,5 dB, ở 16 GHz đạt 9,2 dB tổn hao hấp thụ A đ7ợc trình by trên hình 5b. Khả năng tng hình của vật liệu hay hiệu Độ che chắn ở lớp vải 3 lần phủ vật liệu quả che hữu chắn (shielding effective: SE) của tng hình, độ che chắn đạt cực đại ở 8 - 9 GHz nó đ7ợc tính bằng tổng tổn hao phản hồi v tổn với độ che chắn đạt cực đại ở 8 - 9 GHz với độ hao hấp thụ theo công thức: che chắn 21 dB v ở 16 GHz độ che chắn đạt 19,5 dB đ7ợc trình by trên hình 5c. SE (dB) = R + A Với kết quả ny cho phép chế thử v thử Vật liệu tng hình hoạt động có hiệu quả nghiệm tấm phủ tng hình hoặc khí ti tng khi tổn hao phản hồi R v tổn hao hấp thụ A hình với độ phản xạ d7ới 1%. phải lớn. Trên thực tế nếu giá trị SE ≥{2} dB thì hiệu quả tng hình đạt 99% hay độ phản xạ trở IV - Kết luận lại mn hình rada còn 1%. Hình 5 l kết quả khảo sát độ che chắn của vật liệu tng hình phủ Vật liệu tng hình l vật liệu kỹ thuật cao trên lớp polyeste với độ dy khác nhau. đ7ợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học, Độ che chắn hay khả năng tng hình của thông tin v quốc phòng. B7ớc đầu đề ti đD lớp vải ngụy trang phủ 1 lớp vật liệu tng hình thnh công trong việc: 130
5. Hình 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. -3 -3 h -3.5 h -4 n n ì ì h h g -4 g n n -5   t t g -4.5 g n n ă ă -6 n n ả -5 ả h h K K -7 -5.5 -6 -8 -6.5 -9 -7 -10 23456789101112131415161718 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Tần số, GHz Tần số, GHz Hình 5a: Khả năng tng hình của mẫu Hình 5b: Khả năng tng hình của mẫu phủ 1 lớp vật liệu tng hình phủ 1 lớp vật liệu tng hình 0 -5 h n ì h g n -10  t g n ă n -15 ả h K -20 -25 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 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 2. P. T. C. Wong, B. Chauber, Electronics đỡ về kinh phí vB chỉ đạo trực tiếp của Ban chủ Lett., 28, P. 1651 - 1655 (1992). nhiệm ch>ơng trình vật liệu - Trung tâm 3. Van Tan Truong, SPIE. Vol. 3241, P. 98 - KHTN&CNQG, ch>ơng trình nghiên cứu cơ 125 (1997). bản của NhB n>ớc. Chúng tôi xin chân thBnh 4. Hans. H. Kuhn and et al. Eletrically cảm ơn Giáo s>, Viện sỹ Nguyễn Văn Hiệu vB Conducting Textiles. Ban chủ nhiệm ch>ơng trình, phân viện Rada 5. Nguyễn Đức Nghĩa v nnk. Hội nghị Vật lý bộ Quốc phòng đ_ giúp đỡ chúng tôi hoBn chất rắn ton quốc - Nha Trang (2001). thBnh công trình nBy. 6. Hyung Do Choi and et al. Polyme (Korea), Ti liệu tham khảo Vol. 20, No. 4, P. 658 - 663 (1996). 1. A. Feldblume and et al. J. Polym. Sci. 7. Carl Maggiore and et al. J. Mater. Chem,. Polym. Phys. Ed - 19, P. 173 - 179 (1981). Vol. 3 No. 6, P. 563 - 569 (1993). 131