Nghiên cứu chế tạo composite trong suốt điện từ cho sóng ngắn và band X - Lê Quang Tuấn

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 191 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). Hóa học & Kỹ thuật môi trường L. Q. Tuấn, “Nghiên cứu chế tạo composite trong suốt điện từ cho sóng ngắn và band X.” 192 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 250C 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. TT Loại vật liệu Hằng số điện môi  Tổn hao tg Hàm lượng nhựa, % Tỷ trọng g/cm3 Chú giải 1 Epoxy vải thuỷ tinh 3,52 0,031 28,0 1,83 Epoxy với vải thuỷ tinh D 2 Polyimid sợi thuỷ tinh 3,92 0,016 29,9 1,74 Nhựa PI với sợi thuỷ tinh S 3 Polyimid vải thuỷ tinh 3,31 0,012 22,6 1,54 Nhựa PI với 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. Chỉ tiêu Compozit epoxy Compozit polyimit Sợi thủy tinh D Sợi thủy tinh S Sợi thủy tinh D Sợi thủy tinh S Độ bền kéo (MPa) 533,97 362,1 497,4 350,3 Độ bền va đập (kJ/m2) 185 160 165 155 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 193 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 Góc quét (o) 0 30 60 90 2,0 - 0,02dB 0,83dB 0,263dB 0,222dB 2,5 0,290dB -0,96dB 0,445dB 0,401dB 3,0 0,514dB 0,346dB -0,505dB -1,390dB 3,5 - 0,813dB 0,648dB -1,365dB -1,410dB 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. Hóa học & Kỹ thuật môi trường L. Q. Tuấn, “Nghiên cứu chế tạo composite trong suốt điện từ cho sóng ngắn và band X.” 194 (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 GHz Góc quét (o) 0 30 60 90 2,0 0,350dB 0,865dB 0,546dB 0,394dB 2,5 0,390dB -0,214dB 0,401dB 0,382dB 3,0 0,505dB -0,191dB -0,023dB -1,133dB 3,5 -0,710dB -0,472dB -0,850dB -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: 1 2 1 2n sin sin      n Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 195 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: )sin(. cos    d 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.  0 2 4 6 8 10 15 25 35 45 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 =  rad180 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 Góc quét (o) -60 -30 +30 +45 +60 9,0 -2,38dB -1,20dB -1,95dB -2,15dB -2,95dB 9,25 -3,31dB -2,53dB -1,90dB -3,02dB -3,18dB 9,38 -2,92dB -2,27dB -1,25dB -2,44dB -3,11dB 10.0 -3,50dB -1,26dB -2,16dB -3,16dB -3,76dB 11,0 -3,88dB -2,39dB -2,33dB -3,41dB -3,91dB 11,4 -4,46dB -2,72dB -2,02dB -3,51dB -4,37dB Hóa học & Kỹ thuật môi trường L. Q. Tuấn, “Nghiên cứu chế tạo composite trong suốt điện từ cho sóng ngắn và band X.” 196 + 30o + 45o + 60o -30o -60o 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 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 50, 08 - 2017 197 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”. [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.