Содержание
- Введение в электромагнитную совместимость композитов
- Проблема прозрачности композитных материалов
- Требования ЭМС для авиационного оборудования
- Требования для радиоэлектронного оборудования
- Методы экранирования композитных конструкций
- Проводящие металлические сетки
- Металлизированные ткани
- Углеродные нанотрубки
- Измерение эффективности экранирования
- Стандарты испытаний ЭМС
- Часто задаваемые вопросы
Введение в электромагнитную совместимость композитов
Электромагнитная совместимость представляет собой способность технического средства функционировать с заданным качеством в определенной электромагнитной обстановке, не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам. Данное определение закреплено в ГОСТ Р 50397-2011 и является основополагающим для всех технических разработок.
Полимерные композиционные материалы находят все более широкое применение в авиационной, космической и радиоэлектронной промышленности благодаря высокой удельной прочности, малой массе и возможности формирования сложных геометрических форм. Однако использование композитов вместо традиционных металлических конструкций создает специфические проблемы в области электромагнитной совместимости.
Проблема прозрачности композитных материалов
Полимерные композиционные материалы на основе эпоксидных, полиэфирных и других неэлектропроводных матриц являются диэлектриками и практически прозрачны для электромагнитного излучения радиочастотного диапазона. Это свойство, называемое радиопрозрачностью, означает что композитные конструкции не обеспечивают естественного электромагнитного экранирования, в отличие от металлических корпусов.
Радиопрозрачные материалы пропускают электромагнитное излучение в диапазоне от 100 кГц до 1000 МГц при минимальном отражении. В составе таких материалов отсутствуют металлы и их производные. Данная особенность делает композитные конструкции уязвимыми как к внешним электромагнитным помехам, так и к утечке излучения от размещенного внутри радиоэлектронного оборудования.
Характеристики прозрачности различных композитов
| Тип композита | Тип армирования | Диапазон частот | Коэффициент пропускания |
|---|---|---|---|
| Стеклопластик эпоксидный | Стекловолокно | 1-1000 МГц | 0,85-0,95 |
| Углепластик однонаправленный | Углеволокно | 1-1000 МГц | 0,1-0,3 (поперек) |
| Углепластик тканый | Углеткань | 1-1000 МГц | 0,05-0,15 |
| Арамидный композит | Арамидное волокно | 1-1000 МГц | 0,8-0,9 |
| Органопластик | Полиэтиленовое волокно | 1-1000 МГц | 0,9-0,98 |
Требования ЭМС для авиационного оборудования
Авиационное бортовое оборудование работает в особо жестких условиях электромагнитной обстановки. На борту летательного аппарата размещается множество радиоэлектронных систем: навигационное оборудование, системы связи, радиолокационные станции, системы управления полетом, развлекательные системы. Все эти системы должны функционировать одновременно без взаимных помех.
Основным международным стандартом для авиационного оборудования является RTCA DO-160, разработанный Радиотехнической комиссией по авиации. Текущая редакция DO-160G определяет процедуры испытаний бортового оборудования на воздействие различных факторов окружающей среды, включая электромагнитные воздействия. Стандарт содержит требования по радиочастотной восприимчивости, излучению радиочастотной энергии, устойчивости к переходным процессам, вызванным молнией, и электростатическому разряду.
Разделы RTCA DO-160 по ЭМС:
Раздел 18: Наведенная волна напряжения на провода линий связи и корпуса оборудования
Раздел 19: Кондуктивные помехи по цепям питания постоянного и переменного тока
Раздел 20: Радиочастотная восприимчивость в диапазоне 10 кГц - 18 ГГц
Раздел 21: Излучение радиочастотной энергии
Раздел 22: Восприимчивость к переходным процессам, вызванным молнией
Раздел 25: Электростатический разряд до 15 кВ
Для композитных конструкций особое значение имеет защита от прямого воздействия молнии и вторичных эффектов молниевого разряда. Углекомпозиты обладают меньшей электропроводностью по сравнению с алюминиевыми сплавами, что требует специальных мер защиты. Типовое решение включает внедрение медной или алюминиевой сетки в наружные слои композитной обшивки с толщиной проводника не менее 0,05 мм.
Уровни испытаний по DO-160
| Категория испытания | Параметр | Уровень воздействия | Диапазон частот |
|---|---|---|---|
| Радиочастотная восприимчивость | Напряженность поля | 20-200 В/м | 10 кГц - 18 ГГц |
| Излучаемые помехи | Напряженность поля | До 50 дБмкВ/м | 150 кГц - 6 ГГц |
| Кондуктивные помехи | Напряжение | До 100 дБмкВ | 150 кГц - 152 МГц |
| Электростатический разряд | Напряжение | 15 кВ | - |
| Переходные процессы молнии | Ток | До 200 кА | - |
Требования для радиоэлектронного оборудования
Радиоэлектронное оборудование в корпусах из композитных материалов должно соответствовать требованиям Технического регламента Таможенного союза ТР ТС 020-2011 «Электромагнитная совместимость технических средств». Данный регламент устанавливает обязательные требования к техническим средствам в части помехоэмиссии и помехоустойчивости.
Основные группы стандартов, применяемых для радиоэлектронного оборудования, включают базовые стандарты IEC 61000-4 серии по помехоустойчивости и CISPR стандарты по помехоэмиссии. Для промышленного оборудования применяются стандарты EN 55011, для оборудования информационных технологий - EN 55022, для медицинского оборудования - IEC 60601-1-2.
Нормы излучаемых помех для различных классов оборудования
| Частота | Класс A (промышленное) | Класс B (бытовое) | Расстояние измерения |
|---|---|---|---|
| 30 МГц - 230 МГц | 40 дБмкВ/м | 30 дБмкВ/м | 10 м |
| 230 МГц - 1000 МГц | 47 дБмкВ/м | 37 дБмкВ/м | 10 м |
| 1 ГГц - 3 ГГц | 54 дБмкВ/м | 44 дБмкВ/м | 10 м |
| 3 ГГц - 6 ГГц | 57 дБмкВ/м | 47 дБмкВ/м | 10 м |
Методы экранирования композитных конструкций
Для обеспечения требуемого уровня электромагнитной совместимости композитных конструкций применяются различные методы экранирования. Выбор метода зависит от требуемой эффективности экранирования, диапазона рабочих частот, механических нагрузок на конструкцию, технологических возможностей и экономических факторов.
Экранирование может быть реализовано путем введения электропроводящих элементов в структуру композита на этапе его изготовления или нанесением экранирующих покрытий на готовую конструкцию. К основным методам относятся применение проводящих металлических сеток, металлизированных тканей, углеродных нанотрубок, металлизированных покрытий и комбинированных систем.
Сравнительная характеристика методов экранирования
| Метод экранирования | Эффективность, дБ | Диапазон частот | Прирост массы, % | Сложность интеграции |
|---|---|---|---|---|
| Медная сетка | 60-80 | 10 кГц - 10 ГГц | 3-5 | Средняя |
| Алюминиевая сетка | 50-70 | 10 кГц - 10 ГГц | 2-4 | Средняя |
| Металлизированная ткань | 70-85 | 1 МГц - 18 ГГц | 1-3 | Низкая |
| Углеродные нанотрубки | 30-60 | 100 МГц - 18 ГГц | 0,5-2 | Высокая |
| Токопроводящая краска | 40-55 | 1 МГц - 6 ГГц | 0,5-1 | Низкая |
| Комбинированная система | 80-100 | 10 кГц - 18 ГГц | 4-8 | Высокая |
Проводящие металлические сетки
Проводящие металлические сетки представляют собой один из наиболее эффективных и широко применяемых методов экранирования композитных конструкций. Сетка внедряется между слоями композита в процессе формования или укладки препрега. Материалом сетки служит медь, алюминий, латунь или нержавеющая сталь.
Эффективность экранирования металлической сетки зависит от размера ячейки, толщины проволоки и материала. Для обеспечения высокой эффективности в широком диапазоне частот размер ячейки сетки должен быть значительно меньше длины волны наименьшей рабочей частоты. Типичные размеры ячейки составляют от 1х1 мм до 10х10 мм.
Расчет эффективности экранирования сетки
Эффективность экранирования металлической сетки определяется по формуле:
SE = 20 × log₁₀(λ / d)
где SE - эффективность экранирования в децибелах, λ - длина волны излучения в метрах, d - размер ячейки сетки в метрах.
Пример: Для частоты 1 ГГц (λ = 0,3 м) и размера ячейки 5 мм (0,005 м): SE = 20 × log₁₀(0,3 / 0,005) = 20 × log₁₀(60) ≈ 35,6 дБ
При интеграции металлической сетки в композитную конструкцию необходимо обеспечить непрерывность электрического контакта между сегментами сетки. Для этого применяются специальные токопроводящие клеи, припои или механическое обжатие с использованием токопроводящих прокладок. Критически важным является обеспечение заземления экранирующей сетки.
Параметры металлических сеток для экранирования
| Материал сетки | Размер ячейки, мм | Диаметр проволоки, мм | Поверхностное сопротивление, мОм/□ | Температура применения, °C |
|---|---|---|---|---|
| Медь М1 | 2×2 | 0,2-0,5 | 5-15 | до 150 |
| Алюминий АД1 | 2×2 | 0,2-0,5 | 8-20 | до 200 |
| Латунь Л63 | 2×2 | 0,2-0,5 | 10-25 | до 180 |
| Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т | 1×1 | 0,1-0,3 | 100-200 | до 300 |
| Медь луженая | 5×5 | 0,3-0,6 | 6-18 | до 120 |
Металлизированные ткани
Металлизированные экранирующие ткани представляют собой текстильные материалы с нанесенным на волокна металлическим покрытием. Основой служат полиэфирные, арамидные или стеклянные ткани, на поверхность которых методами химической или электролитической металлизации наносится медь, никель, серебро или их сочетания.
Преимуществами металлизированных тканей являются высокая эффективность экранирования при малой толщине и массе, гибкость и драпируемость, возможность формирования сложных поверхностей, а также сохранение основных свойств текстиля. Металлизированные ткани применяются как в виде отдельных слоев в многослойных композитных конструкциях, так и для изготовления экранирующих оболочек и чехлов.
Эффективность экранирования металлизированных тканей достигает 77-85 дБ в диапазоне частот от 1 МГц до 7 ГГц. Типичный состав посеребренной металлизированной ткани включает полиэстер, медь и никель в соотношении 61%, 30% и 9% соответственно. Поверхностное сопротивление качественных металлизированных тканей составляет менее 0,05 Ом на квадрат.
Характеристики металлизированных тканей
| Тип ткани | Металлическое покрытие | Поверхностная плотность, г/м² | Эффективность экранирования на 1 ГГц, дБ | Диапазон частот, МГц |
|---|---|---|---|---|
| Полиэфирная посеребренная | Ag-Cu-Ni | 120-180 | 80-85 | 1-18000 |
| Полиэфирная с медным покрытием | Cu-Ni | 100-150 | 70-77 | 1-10000 |
| Арамидная посеребренная | Ag-Cu | 150-200 | 75-80 | 1-12000 |
| Стеклоткань с никелевым покрытием | Ni | 180-250 | 65-70 | 1-8000 |
| Огнестойкая металлизированная | Ag-Ni | 160-220 | 75-82 | 1-15000 |
Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки представляют собой аллотропную модификацию углерода в виде цилиндрических структур диаметром от 0,4 нм до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров. Различают одностенные, двухстенные и многостенные углеродные нанотрубки, обладающие уникальными электрическими, механическими и теплофизическими свойствами.
Благодаря особой структуре и диэлектрическим свойствам углеродные нанотрубки обладают сильными свойствами широкополосного поглощения микроволнового излучения. Они характеризуются легким весом, регулируемой электропроводностью, высокой стойкостью к окислению при высоких температурах и стабильностью свойств. Углеродные нанотрубки являются перспективными поглотителями электромагнитного излучения для технологий снижения радиолокационной заметности.
Применение углеродных нанотрубок в композитах
Углеродные нанотрубки вводятся в полимерную матрицу композита в концентрации от 0,5% до 5% по массе. Оптимальная концентрация для электромагнитного экранирования составляет 2-3%. При большей концентрации возникают проблемы с равномерным распределением нанотрубок в матрице.
Для эффективного использования нанотрубок критически важна их дисперсия в матричной смоле. Применяются ультразвуковая обработка, химическая функционализация поверхности нанотрубок и использование компатибилизаторов на основе кремнийфторорганических полимеров.
Композитные материалы с добавлением углеродных нанотрубок демонстрируют поглощение до 99,9% электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне при правильном подборе концентрации и типа нанотрубок. Комбинирование магнитного диэлектрического наполнителя и проводящих нанотрубок позволяет достичь максимальной эффективности поглощения.
Свойства углеродных нанотрубок для экранирования ЭМИ
| Тип УНТ | Внешний диаметр, нм | Длина, мкм | Удельная поверхность, м²/г | Оптимальная концентрация, % |
|---|---|---|---|---|
| Одностенные (SWCNT) | 1-2 | 1-10 | 400-900 | 0,5-2 |
| Двухстенные (DWCNT) | 2-4 | 5-20 | 300-600 | 1-3 |
| Многостенные (MWCNT) | 8-15 | 2-50 | 200-400 | 2-5 |
| Нанотрубки с функционализацией | 10-20 | 5-30 | 250-500 | 1,5-4 |
Измерение эффективности экранирования
Эффективность экранирования представляет собой количественную характеристику способности экрана ослаблять электромагнитное поле. Она определяется как отношение действующих значений напряженности электрического или магнитного поля в данной точке пространства при отсутствии и при наличии экрана. Эффективность экранирования выражается в децибелах.
Формула расчета эффективности экранирования
SE = 20 × log₁₀(E₀ / E₁) для электрического поля
SE = 20 × log₁₀(H₀ / H₁) для магнитного поля
где SE - эффективность экранирования в децибелах, E₀, H₀ - напряженность поля без экрана, E₁, H₁ - напряженность поля с экраном.
Пример: Если экран ослабляет поле в 100 раз, то SE = 20 × log₁₀(100) = 40 дБ. Ослабление в 1000 раз соответствует 60 дБ.
Измерение эффективности экранирования композитных материалов проводится методом сравнения, при котором сравниваются два последовательных измерения электромагнитного поля - без экрана и с экраном. Для различных диапазонов частот применяются различные методы и испытательное оборудование.
В диапазоне частот от 10 кГц до 1,5 ГГц измерения проводятся в экранированных камерах с использованием передающих и приемных антенн. Для более высоких частот до 12-18 ГГц применяются коаксиальные камеры или реверберационные камеры с механическими перемешивателями поля. Погрешность измерения эффективности экранирования методом сравнения не превышает ±3 дБ при использовании калиброванного оборудования.
Классификация эффективности экранирования
| Класс экрана | Эффективность экранирования, дБ | Коэффициент ослабления | Область применения |
|---|---|---|---|
| I (высший) | более 100 | более 100000 раз | Помещения специального назначения, испытательные камеры |
| II | 80-100 | 10000-100000 раз | Прецизионное оборудование, медицинская техника |
| III | 60-80 | 1000-10000 раз | Радиоэлектронное оборудование, серверное оборудование |
| IV | 40-60 | 100-1000 раз | Промышленное оборудование, бытовая техника |
| V | 20-40 | 10-100 раз | Общепромышленное применение |
Стандарты испытаний ЭМС
Испытания на электромагнитную совместимость композитных конструкций и размещенного в них оборудования регламентируются комплексом международных и национальных стандартов. Основными являются стандарты серии IEC 61000, стандарты CISPR по помехоэмиссии, военные стандарты MIL-STD для оборонной продукции и специализированные стандарты для авиационной и автомобильной промышленности.
В России действует ГОСТ Р 50397-2011, определяющий терминологию в области ЭМС, ГОСТ 30373-95 по экранированным камерам и комплекс стандартов ГОСТ Р 51317 серии, гармонизированных с IEC 61000. Для авиационного оборудования применяется КТ-160 - русскоязычный эквивалент RTCA DO-160.
Основные стандарты по ЭМС для композитных конструкций
| Обозначение стандарта | Название | Область применения | Диапазон частот |
|---|---|---|---|
| ГОСТ Р 50414-92 | Камеры экранированные. Классы и методы испытаний | Испытательное оборудование ЭМС | 0,01-37500 МГц |
| ГОСТ 30373-95 | Камеры экранированные. Технические требования | Экранированные помещения | 0,01-37500 МГц |
| IEC 61000-4-3 | Испытания на устойчивость к излучаемому РЧ полю | Радиоэлектронное оборудование | 80 МГц-6 ГГц |
| RTCA DO-160G | Условия окружающей среды для бортового оборудования | Авиационное оборудование | 10 кГц-18 ГГц |
| MIL-STD-461G | Требования по контролю электромагнитных помех | Военное оборудование | 10 кГц-40 ГГц |
| ASTM D4935 | Измерение эффективности экранирования пластин | Композитные материалы | 30 МГц-1,5 ГГц |
| IEC 61326-1 | ЭМС электрооборудования для измерения и управления | Измерительное оборудование | 0-6 ГГц |
| ГОСТ РВ 6601-001 | Оборудование бортовое авиационное. Требования к ЭМС | Авиационное оборудование | 10 кГц-18 ГГц |
Испытания на электромагнитную совместимость включают проверку помехоэмиссии технического средства и его помехоустойчивости. Помехоэмиссия характеризует уровень помех, создаваемых оборудованием и измеряется как в виде излучаемых помех в диапазоне от 30 МГц до 6 ГГц, так и кондуктивных помех в цепях питания и сигнальных линиях от 150 кГц до 30 МГц. Помехоустойчивость определяет способность оборудования сохранять работоспособность при воздействии внешних электромагнитных помех различной природы.
Часто задаваемые вопросы
Полимерные композиционные материалы на основе неэлектропроводных матриц являются диэлектриками и практически прозрачны для электромагнитного излучения. В отличие от металлических конструкций, которые обеспечивают естественное электромагнитное экранирование, композиты не препятствуют проникновению электромагнитных волн. Это создает две проблемы: композитные корпуса не защищают внутреннее электронное оборудование от внешних помех и не предотвращают утечку излучения от размещенных внутри радиоэлектронных систем.
Требования к эффективности экранирования авиационного оборудования определяются стандартом RTCA DO-160. Типичные требования составляют 60-80 дБ в диапазоне частот от 10 кГц до 18 ГГц. Для критически важного оборудования, такого как системы управления полетом и навигационные системы, требования могут достигать 100 дБ и выше. Конкретные значения зависят от типа оборудования, его расположения на борту и электромагнитной обстановки в месте установки.
Углеродные нанотрубки обеспечивают минимальный прирост массы композитной конструкции - от 0,5% до 2% при концентрации 2-3%, в то время как металлические сетки увеличивают массу на 3-5%. Нанотрубки не создают анизотропии механических свойств и не образуют концентраторов напряжений. Они обладают широкополосным поглощением электромагнитного излучения и высокой термостойкостью до 500-600°C. Однако эффективность экранирования нанотрубок ниже - 30-60 дБ против 60-80 дБ у металлических сеток, и их интеграция в композит технологически более сложна.
Эффективность экранирования измеряется методом сравнения в экранированных или безэховых камерах. Метод заключается в последовательном измерении уровня электромагнитного поля без образца и с образцом материала, помещенного между передающей и приемной антеннами. Эффективность рассчитывается как отношение напряженностей полей, выраженное в децибелах. Для диапазона до 1,5 ГГц применяется стандарт ASTM D4935, для более высоких частот до 12-18 ГГц используются коаксиальные измерительные камеры. Погрешность измерений составляет ±3 дБ.
Выбор метода экранирования определяется следующими факторами: требуемая эффективность экранирования и рабочий диапазон частот; допустимый прирост массы конструкции; температурные условия эксплуатации; механические нагрузки на конструкцию; технологические возможности производства; требования к коррозионной стойкости; необходимость обеспечения молниезащиты. Для авиационных конструкций критичны масса и надежность, поэтому предпочтительны металлизированные ткани или комбинированные системы. Для промышленного оборудования с менее жесткими массовыми ограничениями эффективны металлические сетки.
Заземление экранирующего слоя обязательно для обеспечения эффективной работы экрана. Незаземленный экран может работать как антенна, переизлучая помехи. Заземление должно быть выполнено через низкоомные токопроводящие соединения с использованием специальных токопроводящих клеев, прокладок или механических контактов. Сопротивление заземляющего соединения не должно превышать 2,5 мОм согласно требованиям авиационных стандартов. Для композитных конструкций критически важно обеспечить непрерывность электрического контакта между сегментами экранирующего слоя и точками заземления.
Для композитных конструкций применяются различные стандарты в зависимости от области применения. Для авиационного оборудования основным является RTCA DO-160 и его российский эквивалент КТ-160, для военной техники - MIL-STD-461G, для промышленного оборудования - серия IEC 61000-4 и ГОСТ Р 51317. Экранированные камеры должны соответствовать ГОСТ 30373-95 или ГОСТ Р 50414-92. Для измерения эффективности экранирования плоских образцов применяется ASTM D4935. Испытания должны проводиться в аккредитованных лабораториях с калиброванным оборудованием.
Температура существенно влияет на эффективность экранирования через изменение электропроводности материалов и структурные изменения в композите. При повышении температуры возрастает удельное сопротивление металлов экранирующего слоя, что снижает эффективность экранирования на 1-3 дБ при нагреве на каждые 100°C. Полимерная матрица при приближении к температуре стеклования может изменять геометрию экранирующих элементов. Для авиационных применений материалы должны сохранять требуемую эффективность экранирования в диапазоне от -55°C до +125°C, что подтверждается испытаниями по RTCA DO-160.
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационный характер. Приведенная информация предназначена для технических специалистов и не может рассматриваться как руководство к действию без учета конкретных условий применения и действующих нормативных требований.
Автор не несет ответственности за любые последствия, возникшие в результате использования информации из данной статьи. При проектировании, изготовлении и испытании композитных конструкций с требованиями по электромагнитной совместимости необходимо руководствоваться действующей нормативно-технической документацией, стандартами и привлекать квалифицированных специалистов.
Источники
- ГОСТ Р 50397-2011 Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения
- ГОСТ 30373-95 Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование для испытаний. Камеры экранированные
- ГОСТ Р 50414-92 Совместимость технических средств электромагнитная. Камеры экранированные. Технические требования
- ТР ТС 020-2011 Технический регламент Таможенного союза «Электромагнитная совместимость технических средств»
- RTCA DO-160G Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment
- IEC 61000-4-3 Electromagnetic compatibility. Testing and measurement techniques. Radiated radio-frequency electromagnetic field immunity test
- MIL-STD-461G Requirements for the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment
- ГОСТ РВ 6601-001 Оборудование бортовое авиационное. Общие требования к восприимчивости при воздействии электромагнитных помех
- ASTM D4935 Standard Test Method for Measuring the Electromagnetic Shielding Effectiveness of Planar Materials
- Кечиев Л.Н., Степанов П.В. ЭМС и информационная безопасность в системах телекоммуникаций. М.: МЭИ, 2005
- Журавлев В.А. Разработка радиопоглощающих материалов с заданными параметрами тепловых и электрофизических свойств. Диссертация, МАИ, 2013
- Научные статьи из журнала «Авиационные материалы и технологии» ФГУП ВИАМ
