ВЛИЯНИЕ ДЕСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА СВОЙСТВА РАДИООТРАЖАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ РЕФЛЕКТОРОВ АНТЕНН ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полный текст

Введение. Для развития современной телекоммуникационной техники необходимо решить проблему создания агрегатов с новыми сочетаниями свойств, которые нельзя обеспечить, применяя только металлы и традиционные технологические методы. Для обеспечения высокого уровня научных разработок и обеспечения конкурентных позиций отечественных производителей наземных систем связи необходимо разрабатывать перспективные методы проектирования и технологические процессы изготовления антенных рефлекторов. Основной задачей, стоящей перед антенным рефлектором, является усиление сигнала. Эффективность решения этой задачи зависит от двух основных факторов: точность исполнения отражающей поверхности рефлекторов, задаваемая средним значением квадратичного отклонения (СКО) реальной поверхности от геометрической, и коэффициент отражения поверхности рефлектора. При этом важным является не только достижение заданных значений СКО, но и сохранение этих характеристик при различных условиях эксплуатации антенного рефлектора в условиях деструктивных факторов окружающей среды. Основными дестабилизирующими факторами, воздействующими на антенный рефлектор, являются ветер, дождевание, тепловые колебания, ультрафиолетовое воздействие. В настоящее время антенные конструкции, стойкие к ветровым нагрузкам, дождеванию, циклическому изменению температуры, обладающие высокой жесткостью, прочностью, близким к нулю коэффициентом температурного расширения, создаются, как правило, из композиционных материалов на полимерной основе. Прочность таких материалов позволяет заменить ими многие металлические детали, а их высокие удельные характеристики - значительно уменьшить массу изделий. В связи с этим в последнее время перспективным направлением науки и техники является изготовление рефлекторов из ПКМ (углепластика и стеклопластика). Уникальной возможностью полимерных углепластиков является ярко выраженная анизотропия свойств армированных слоев, которая наряду с наличием больших технологических возможностей по реализации практически любых схем армирования позволяет получать конструкции с большим отрицательным коэффициентом линейного термического расширения, чем КЛТР исходного армированного слоя [1; 2]. Анализ литературных данных указывает на несколько важных моментов. Первый момент связан с тем, что большая часть работ по данной тематике посвящена космическому назначению антенных рефлекторов [3-5]. Другим важным моментом является тот факт, что при наличии на рынке антенных рефлекторов из ПКМ наземного использования наблюдается очень малое количество публикаций по вопросам влияния условий эксплуатации таких рефлекторов на качество связи. Все это обусловливает актуальность настоящего исследования. В состав изготавливаемых современных систем связи входят высокоточные углепластиковые рефлекторы антенн диаметром от 0,6 до 3,0 м, работающие в высокочастотных (Кu-, К-, Ка-) диапазонах. Их преимущество заключается в том, что малые длины волн и высокая частота передачи и приема информации позволяют передавать большие объемы информации, предоставлять более качественные услуги связи. Кроме того, занятость более низких диапазонов частот с каждым годом растет, вынуждая операторов систем связи переходить на более высокие частоты [3-6]. Собственное отражение радиосигнала у углепластика в высокочастотном диапазоне недостаточное (85-92 %). Для повышения эффективности антенно-фидерных систем необходимо обеспечить максимальное отражение радиоизлучения рефлекторами антенн с целью увеличения мощности излучения и отношения сигнал/шум. Нанесение на рабочую поверхность рефлектора тонкопленочного покрытия из металла с высокой электропроводностью должно придать требуемое значение коэффициента отражения поверхности рефлектора. Тонкоплёночное покрытие представляет собой многослойную структуру, где каждый слой отвечает за определённую функцию [7-9]. При создании радиоотражающего покрытия необходимо учитывать множество факторов, непосредственно влияющих на возможность применения разработанной схемы в конструкции АФС, начиная со структуры (изотропности) поверхности углепластиковой подложки, состава, толщины материалов слоев радиоотражающего покрытия, согласования их электрохимических, тепловых, адгезионных, прочностных характеристик и заканчивая стабильностью характеристик покрытий к воздействию деструктивных факторов. Технология изготовления рефлекторных антенн предполагает, что метод осаждения покрытия должен обеспечивать равномерность его толщины по всей площади подложки. В первую очередь это связано с тем, что тонкие пленки при разных толщинах могут отличаться уровнем проводимости, что напрямую влияет на коэффициент отражения излучения [7]. В течение эксплуатации поверхность радиоотражающих покрытий антенных рефлекторов подвергается различным воздействиям, которые могут ухудшать эксплуатационные характеристики покрытия, а также самого рефлектора. Так, основными факторами воздействия являются влага, обмерзание поверхности рефлектора, воздействие пылью, песком или другими частицами [10]. В связи с этим существует потребность исследования влияния деструктивных факторов на характеристики покрытий рефлекторов. Экспериментальные исследования. Для проведения исследований было проведено напыление одно- и двухслойных покрытий на образцы из углепластиков и стеклопластиков. Однослойное покрытие состояло только из радиоотражающего слоя - алюминия. В двухслойных покрытиях первый слой материала - это подслой, связывающий основной функциональный слой и подложку, а второй - основной функциональный слой материала, выполняющий функцию радиоотражения. Подслой выполняет две функции: обеспечивает прочную адгезионную связь с материалами подложки и основного покрытия и гальванически разделяет углеродсодержащую подложку (углепластик) и алюминий. Нами был выбран нихром, имеющий высокие адгезионные характеристики к неметаллам и металлам, химическую устойчивость, коэффициент температурного расширения, промежуточный по сравнению с углепластиком и алюминием, низкую стоимость, доступность и хорошие технологические свойства. Толщина подслоя из нихрома предварительно определена в указанном ранее [4] диапазоне: от 50 до 200 нм. Выбор толщины радиоотражающего слоя алюминия проведен с учетом результатов предыдущих работ [11]. Для защиты композиции от внешних факторов может применяться третий, защитный, радиопрозрачный слой, защищающий радиоотражающий слой от механических, коррозионных и прочих повреждений. Этот слой может быть выполнен из оксидов металлов и неметаллов или полимеров. В большинстве случаев для защиты антенн космических аппаратов от истирания применяют покрытия из оксида кремня толщиной 10 до 200 нм. Испытание экспериментальных образцов [10; 12; 13] показали, что слой оксида кремния ввиду его малой толщины не дает эффективной защиты антенных рефлекторов наземных систем связи от деструктивных факторов окружающей среды, а также данный метод является затратным, поэтому в качестве защитного слоя целесообразнее использовать радиопрозрачные полимерные покрытия. Для отработки технологий вакуумного нанесения покрытий была изготовлена серия образцов радиоотражающих покрытий на углепластике и стеклопластике методом магнетронного распыления. Изготовленные образцы представлены на рис. 1. Для нанесения радиоотражающих покрытий была разработана и изготовлена вакуумная установка магнетронного испарения, позволяющая наносить многослойные покрытия и проводить дегазацию и очистку подложки за один цикл. Данная установка может наносить различные металлы и их соединения, а также позволяет работать в различных режимах и диапазонах работы. В настоящее время самым перспективным способом для нанесения радиоотражающего слоя на рефлекторы антенн является ионно-плазменный [7; 14-17]. Данный способ позволяет наносить как однослойные, так и многослойные покрытия без извлечения изделия из вакуумной камеры, что приводит к повышению качества получаемого слоя, позволяет контролировать скорость нанесения и толщину покрытия, а также дает возможность наносить различные соединения металлов (оксиды, карбиды, нитриды). Технология ионно-плазменного нанесения многослойных радиоотражающих покрытий на изделия различной геометрии и большой площади весьма сложна. Она требует взаимодействия многих систем и агрегатов высоковакуумной установки (системы термического отжига, магнетронов и ионных источников, напуска рабочего газа, механических приводов, систем контроля и т. д.) в реальном масштабе времени [8; 14; 17-19]. Все это обусловливает необходимость создания автоматической системы управления установкой и формулирует требования к ней. напыленные%20образцы%20лицевая образцы%20зад Рис. 1. Образцы с покрытием (лицевая сторона и тыльная сторона) Разработанная установка состоит из вакуумной камеры из нержавеющей стали с охлаждающим контуром (рис. 2). Внутренние размеры камеры: диаметр - 800 мм; высота - 1100 мм. Основой установки являются два вакуумных насоса - форвакуумный и турбомолекулярный, которые позволяют создавать в установке вакуум на уровне 10-4 Па. В состав разработанного рабочего оборудования для нанесения покрытий на рефлекторы антенн входит протяженная магнетронная распылительная система APEL-ML-1000 с габаритными размерами 40×140×940 мм. Схема вакуумной установки и расположение рабочих элементов показано на рис 3. Подложки с образцами, устанавливаются на манипулятор, который крепится на верхнем фланце камеры через изолированный водоохлаждаемый вакуумный вывод. Манипулятор с подложками вращается вокруг установленного в центре оборудования при помощи шагового двигателя. Таким образом, может осуществляться изменение положения подложек относительно магнетронов, ионного источника и нагревателя. Ионный источник предназначен для очистки поверхности подложки потоком ионов перед осаждением покрытия, так как химическая отчистка не исключает остаточных включений на поверхности образцов, что влияет на качество нанесенного слоя. Нагревательный элемент позволяет термически воздействовать на подложки с целью улучшения адгезионной прочности между покрытием и подложкой. Процедура осаждения радиоотражающего покрытия на поверхность рефлектора на установке включает в себя следующие операции: - тепловая дегазация рефлектора; - очистка поверхности рефлектора с помощью ионного пучка; - осаждение адгезионного слоя из сплава Ni-Cr; - осаждение плёнки алюминия. Параметры обработки варьировались в следующих пределах: - мощность 0,5-1,5 кВт; - ток 1-4 А; - напряжение 350-432 В; - давление в камере 1,8·10-1-3,1·10-1 Па; - время 60-1200 с. Для напыления использовали мишени из нихрома Х20H80 ГОСТ 10994 и алюминия чистотой 99,999 по ГОСТ 25905. После нанесения покрытий на образцах из ПКМ были проведены ускоренные климатические испытания (УКИ). Для определения влияния деструктивных факторов окружающей среды до и после УКИ была проведена оценка адгезионной прочности, измерение толщины и массы образцов с покрытием и исследована морфология и стехиометрический состав покрытий. Исследования влияния деструктивных факторов окружающей среды на образцы из ПКМ проводили в испытательной климатической камере ATLAS Weather-Ometer Ci 3000+, внешний вид и схема которой приведены на рис. 4. Камера позволяет моделировать воздействие повышенной температуры и относительной влажности воздуха, дождевых осадков и солнечного излучения. Оборудование оснащено ксеноновыми лампами, имеющими наиболее близкий спектр излучения к дневному свету, что облегчает корреляцию с экспозициями при дневном свете. Испытания проводились согласно ГОСТ РВ 20.57.416 [12; 13] в течение 120 ч, с перерывом по 16 ч. Интенсивность излучения составила порядка 300-800 нм, и интегральная плотность теплового потока - 1120 Вт/м2, включая излучение, отражаемое от стенок камеры. Интенсивность УФ-излучения была равна 69 Вт/м2. Испытания проводились при влажности до 98 % и температуре до +70 °C. Размещение образцов в камере изображено на рис. 5. камера Рис. 2. Внешний вид вакуумной установки Рис. 3. Взаимное размещение компонентов вакуумной камеры: 1 - подложки; 2 - магнетроны; 3 - ионный источник; 4 - нагревательный элемент а б Рис. 4. Внешний вид (а) и схема (б) климатической камеры: 1 - образцы; 2 - вращающийся барабан с закрепленными на нем образцами; 3 - ксеноновая лампа Рис. 5. Вращающийся барабан с размещенными на нем образцами из углепластика и стеклопластика В перечень определяемых показателей до и после УКИ входит: - внешний вид радиоотражающего покрытия; - изменение массы образца контролировали на весах ВЛАО -20 г; - толщину напыленных слоев алюминия и нихрома определяли на стеклянных образцах-свидете-лях на микроинтерферометре МИИ-4; - определение адгезионной прочности определяли методом поперечных надрезов с помощью тестера адгезии ELCOMETR-107; - исследование морфологии осуществлялось на низковакуумном сканирующем электронном микроскопе ТМ-3000 (Hitachi); - исследования химического состава покрытия проводили с помощью энергодисперсионного спектрометра с системой микрорентгеноспектрального анализа Quantax-70 (Bruker); - коэффициент радиоотражения измеряли волноводным методом с помощью генератора Anritsu MG3696B, аттенюатора Д3-35 и измерительной линии Р1-30. Результаты и обсуждения. Осмотр внешнего вида образцов радиоотражающих покрытий показал, что после проведенных ускоренных испытаний внешний вид покрытий не изменился. Измерение массы образцов и толщины покрытий до и после УКИ показали, что они остались неизменными, в пределах погрешности приборов. На образцах радиоотражающих покрытий на углепластике без адгезионного подслоя наблюдается незначительное ухудшение адгезии. Так, у однослойного покрытия адгезия составляет 1-2 балла по ISO 2490, в то время как двухслойное покрытие «нихром + алюминий» имеет адгезию 0-1 балл. Возможно, это может быть объяснено возникновением электрохимического взаимодействия алюминия и углеволокна, что приводит к коррозионным повреждениям. В то же время уменьшение адгезии после УКИ не наблюдается ни у двухслойных, ни у однослойных покрытий. Одно- и двухслойные покрытия на образцах стеклопластика имеют хорошую адгезионную прочность как до, так и после УКИ. В среднем она составляет 0-1 балл по ISO 2490. Исследования морфологии и химического состава покрытий проводили на низковакуумном сканирующем электронном микроскопе ТМ-3000 (Hitachi) со встроенным энергодисперсионным спектрометром и системой микрорентгеноспектрального анализа Quantax-70 (Bruker) (изображения получали в обратно отраженных электронах при ускоряющем напряжении 15 кВ). Результаты представлены на рис. 6-10. Выявлено, что образцы с покрытиями имеют дефекты в виде пор размерами 1-10 мкм, выступающих волокон на поверхность материала, неровностей и пр. (рис. 6, а). Данные дефекты возникли на этапе производства углепластиков и стеклопластиков и очевидно связаны с несовершенством технологии получения образцов из ПКМ. На участках материала, где отсутствуют дефекты, покрытие нанесено равномерно, дефектов на покрытиях не выявлено (рис. 6, б). Химический анализ образцов до УКИ, результаты которого представлены на рис. 7, 8 показал, что в покрытиях есть большое количество алюминия и кислорода, а также углерода, который входит в состав ПКМ. Вследствие того, что нанесенные слои имеют малую толщину, на результаты стехиометрического анализа большое влияние оказывает состав образцов из ПКМ (углерод, азот), тем не менее анализ отчетливо показывает равномерное распределение алюминия на поверхности образца (рис. 8). Наличие кислорода объясняется присутствием оксидной пленки на поверхности алюминия. На электронно-микроскопических изображениях образцов после проведения УКИ поры в покрытии также не выявлены, покрытие равномерное, следы коррозионного разрушения и отслаивание покрытия не обнаружено. TM3000_9849(x100) TM3000_9853(x1 а б Рис. 6. Поверхность однослойного покрытия на образце из углепластика до УКИ: х100 (а); х1000 (б) Рис. 7. Результаты химического анализа образца из ПКМ до УКИ (распределение элементов по поверхности) Рис. 8. Распределение химических элементов по поверхности образца с покрытием до УКИ TM3000_9843(x180) а б Рис. 9. Поверхность однослойного покрытия на образце из углепластика после УКИ: х100 (а); х1000 (б) Рис. 10. Результаты химического анализа образца из ПКМ после УКИ (распределение элементов по поверхности) Следует отметить незначительное увеличение содержания кислорода в образцах после проведения УКИ. Измерения коэффициентов радиоотражения показали, что при частоте 24 ГГц коэффициенты радиоотражения всех образцов до и после УКИ соответствуют предъявляемым требованиям и составляют около 0,98. Заключение. В результате работы была разработана схема компоновки оборудования вакуумной камеры, позволяющая получать более качественные многослойные покрытия. Благодаря увеличению количества магнетронов и оптимальному расположению манипулятора с подложками, занимающего максимальный объем, увеличено количество одновременно напыляемых образцов. При помощи ионного излучателя и нагревательного элемента возможна наиболее полная подготовка поверхности подложки перед нанесением покрытия, что благоприятно влияет на адгезию, а значит, на качество напыляемого покрытия. Были получены образцы из ПКМ с радиоотражающим покрытием, состоящим из двух слоев, для рефлекторов антенн наземного использования. Полученные образцы были исследованы на воздействие деструктивных факторов с помощью ускоренных климатических испытаний, была проведена оценка адгезионной прочности и исследована морфология и стехиометрический состав покрытия. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: - радиоотражающее покрытие на углепластике и стеклопластике имеет хорошую адгезионную прочность, в среднем она составляет 0-1 балл по ISO 2490; после проведения УКИ уменьшение адгезии не наблюдалось; - образцы с покрытиями имеют дефекты в виде пор размерами 1-10 мкм, выступающих волокон на поверхность материала, неровностей и пр., которые возникли на этапе производства углепластиков и стеклопластиков. На участках материала, где отсутствуют дефекты, покрытие нанесено равномерно, дефектов на покрытиях не выявлено. На микрофотографиях образцов после проведения УКИ поры в покрытии также не выявлены, покрытие равномерное, следы коррозионного разрушения и отслаивание покрытия не обнаружены. - химический анализ образцов до УКИ показал в покрытиях большое количество алюминия и кислорода, а также углерода, который входит в состав ПКМ. - коэффициенты радиоотражения всех образцов до и после УКИ соответствуют предъявляемым требованиям и составляют около 0,98.

Об авторах

А. Е. Михеев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

А. В. Гирн

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Д. В. Раводина

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

И. И. Хоменко

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Р. В. Алякрецкий

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: vah@iss-reshetnev.ru
Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Список литературы

Дополнительные файлы