Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tàng hình từ conducting polyme

127
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
Theo nguyên lý Maxwell khi ánh sáng
chiếu vo vật thể thì sẽ xảy ra ba khả năng l
phản xạ, hấp thụ v truyền qua. Vật liệu tng
hình l vật liệu hấp thụ phần lớn sóng rada đi
vo v hạn chế mức thấp nhất sóng rada phản
xạ lại. Nh7 vậy tng hình l quá trình giảm
thiểu hình dạng của vật thể cần trinh sát trên
mn hình rada. Việc tạo đ7ợc tng hình cho
máy bay, tu chiến đ7ợc thực hiện qua nhiều
giải pháp công nghệ. Hình dạng bề ngoi lm
sao giảm diện tích tiếp xúc sóng rada, động cơ,
máy móc khí ti v cuối cùng l lớp sơn phủ
hấp thụ sóng rada. Loại máy bay, tu chiến tng
hình đD đ7ợc chế tạo nh7 máy bay F117, B2 ...
Hiện tại vật liệu tng hình đang đ7ợc nhiều

n7ớc nh7 Mỹ, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc tập
trung nghiên cứu.
Vật liệu tng hình trên cơ sở conducting
polyme lần đầu tiên đ7ợc hDng máy bay
Lockheed phát hiện vo năm 1986. Từ đó các
phòng thí nghiệm của các viện nghiên cứu hng
đầu trên thế giới cũng nh7 của các cơ sở nghiên
cứu quân sự của Nato, phòng thí nghiệm
LosAlamos của Mỹ, phòng thí nghiệm DSTO
của úc (Defence Science and Technology
Organisation), các phòng thí nghiệm của Châu
Âu, Nga, Nhật, Trung Quốc, Hn Quốc tập
trung nghiên cứu về loại vật liệu mới đầy hấp
dẫn ny. Các kết quả nghiên cứu ít đ7ợc công
bố hoặc công bố một cách sơ l7ợc [1 - 3].
Conducting polyme l vật liệu có khả năng
hấp thụ sóng điện từ, rada vì trong cấu trúc
phân tử có liên kết đôi liên hợp chứa các điện tử
tự do. Khi có bức xạ sóng điện từ, các điện tử
linh động nhận năng l7ợng sóng đ7ợc hoạt
hóa lên trạng thái kích động theo nguyên lý của
Jablonsky. Quá trình ny lm thay đổi tổng trở,
thay đổi hằng số điện môi, độ từ thẩm của vật
liệu. Từ trạng thái kích động điện tử trở về
trạng thái cơ bản v giải tỏa năng l7ợng. Năng
l7ợng ny lm nóng vật liệu hấp thụ. Nh7 vậy
về vật lý quá trình tng hình l quá trình chuyển
hóa năng l7ợng sóng rada sang năng l7ợng
nhiệt. Với những đặc tính 7u việt nh7 độ dẫn
cao có thể thay đổi, cùng với sự dễ dng trong

sản xuất với hm l7ợng nhỏ trong thnh phần tổ
hợp compozit, ph7ơng pháp phủ đơn giản v
nhất l có thể phủ đ7ợc nhiều lớp của
conducting polyme nên polyme dẫn đD đ7ợc
nghiên cứu nhiều để lm vật liệu tng hình ở
dải sóng rada rộng từ 500 MHz đến 100 GHz
[4].
128
Er
Ei
Zo
Sóng rada
Ea
Za
Đế
d
II - Nguyên liệu v thí nghiệm
1. Nguyên liệu
Vật liệu tng hình hấp thụ sóng rada đ7ợc
chế tạo từ conducting polyme đ7ợc phân tán
đều trong polyme nền tạo thnh vật liệu
composit. Các tấm tng hình thí nghiệm hấp thụ
sóng rada đ7ợc chế tạo trên đế vải polyeste, vải
thủy tinh hoặc tấm kim loại có độ rộng 23 ì 30
(cm) đ7ợc phủ vật liệu conducting polyme
compozit. Độ dy của tấm phủ từ 0,2 - 1 mm
[5].
2. Các thiết bị đo
Độ hấp thụ sóng rada đ7ợc đo bằng máy
Hewlett - Packard 8510 B Network Analyzer.

Bộ dụng cụ đo hằng số điện môi HP 85070
B.
Các loa thu phát ở dải băng tần S.C v X v
các đầu chuyển đổi.
3. Các giá trị cần đo
ĐD tiến hnh đo các tham số điện của mẫu
vật liệu ở dải sóng từ 500 MHz đến 50 GHz.
Đo hằng số điện môi ( v ) v tổn hao
tangent (tg)
Tổn hao phản hồi tấm tng hình (Reflection
loss): R.
Tổn hao hấp thụ tấm tng hình (Absorption
loss): A.
Đo trở kháng của vật liệu sử dụng đồ thị
SMITH thông qua hệ thống sóng đứng.
III - Kết quả v thảo luận
1. Cơ sở lý thuyết tính toán
Vật liệu tng hình khi có sóng rada đi qua
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
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
khả năng phản xạ lại.
Hình 1 l sơ đồ tấm mn chắn bằng vật liệu
tng hình hấp thụ sóng rada. Trong sơ đồ ny
nếu ta giả định tia bức xạ sóng rada đến thẳng
góc với mn chắn với c7ờng độ l E
i

n
. Một phần
sóng phản hồi trở lại với c7ờng độ l E
R
v tổn
hao phản hồi (Reflection loss) l R, một phần
bị hấp thụ khi đi qua vật liệu với c7ờng độ hấp
thụ E
A
v tổn hao hấp thụ (Absorption loss) A,
cuối cùng mới đến vật đ7ợc che chắn. Khả
năng tng hình của vật liệu hay l hiệu quả che
chắn (shielding effective) SE của nó đ7ợc tính
bằng tổng tổn hao phản hồi v tổn hao hấp thụ
theo công thức:
dAR
d
E
E
E
E
dBSE
in
A
in
R
++=
+

+






= lg20lg20)(
(1)
ở đây d l số hiệu chỉnh (trong tr7ờng hợp
vật liệu có độ hấp thụ cao thì d = 0).
Hiệu quả che chắn SE của vật liệu còn phụ
thuộc vo độ dy d, tính chất điện nh7 hằng số
điện môi (), độ từ thẩm (à) của vật liệu tng
hình v tần số lm việc (f) của sóng rada [6, 7].
Vật liệu tng hình hoạt động có hiệu quả
khi tổn hao phản hồi R v tổn hao hấp thụ A
phải lớn. Trên thực tế nếu tổn hao phản hồi
khoảng -20 dB, tổn hao hấp thụ A -9 dB thì
hiệu quả tng hình của vật thể đạt trên 99% hay
độ phản xạ trở lại trên mn hình rada còn d7ới
1%.
Trong công trình ny chúng tôi nghiên cứu
tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tng
hình qua tổn hao hấp thụ , tổn hao phản hồi v
mối quan hệ với độ dy, tính chất điện từ của

mng trong dải tần từ 500 MHz đến 20 GHz.

Hình 1: Sơ đồ thí nghiệm đo tính chất hấp thụ
sóng rada của vật liệu tng hình
129
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1
.6
1.65
1.7
1
.75
1
.8
1
.85
1.9
1.95
2
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
-1.6
-1.4

-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
3.2
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
3
3.5
4
4.5
5
5.5
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
-2.5
-2
-1.5
-1

-0.5
0
23456789101112131415161718
Hằng số điện môi phần thực
Hằng số điện môi phần ảo
Hằng số điện môi phần thực
Hằng số điện môi phần ảo
2. Kết quả v$ thảo luận
a) ảnh h>ởng độ dBy lớp phủ tBng hình đến tính
chất hấp thụ sóng rada
Tấm phủ tng hình đ7ợc chế tạo trên nền đế
vải bạt polyeste có độ rộng 25 ì 25 cm lần l7ợt
phủ mng mỏng trên tấm đế vải. Các mẫu phủ
một lớp, phủ hai lớp, phủ ba lớp, mỗi lớp độ dy
khoảng 0,2 mm. Sau đó tiến hnh đo sự thay đổi
hằng số điện môi trong dải tần từ 50 MHz - 20
GHz. Kết quả nh7 đồ thị hình 2, 3 v 4.
(a)
Tần số, GHz
(b)
Tần số, GHz
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)

(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)

(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)
130
Từ kết quả ny cho thấy mỗi tấm vải có phủ
lớp CP có sự biến thiên của hắng số điện môi
theo tần số sóng rada bức xạ. Hình 2a l biến
thiên của có cực tiểu ở tần số 6 - 7 GHz v
13 - 14 GHz. Tấm thứ hai có độ dy gấp hai lần
tấm thứ nhất. Sự biến đổi của thấy rõ nét với
điểm cực tiểu ở 3 - 4 GHz v ở 11 - 12 GHz
(hình 3a). Tấm thứ ba có độ dy gấp 3 lần. Sự
biến thiên hằng số điện môi có cực tiểu ở
khoảng 3 GHz v 10 GHz (hình 4a). Bằng
những mẫu ny cũng biểu hiện rõ sự biến thiên
hằng số điện môi phần ảo () trong dải sóng
500 MHz - 20 GHz. Ng7ợc với phần đồ thị
hằng số điện môi phần thực (), phần hằng số
điện môi phần ảo () biểu hiện quá trình hấp
thụ sóng điện từ có điểm cực đại trong dải tần
khác nhau:
ở tấm phủ 1 lớp điểm cực đại ở dải tần 5 - 6
GHz v 14 - 15 GHz (hình 2b),
ở tấm phủ 2 lớp điểm cực đại ở dải tần 7 - 8
- 9 GHz v 14 - 15 - 16 GHz (hình 3b),
ở tấm phủ 3 lớp điểm cực đại ở dải tần 7 - 8

- 9 GHz v 15 - 16 - 17 GHz (hình 4b).
Nh7 vậy với tấm phủ cng dy sự thay đổi
của complex permeability có điểm cộng h7ởng
chuyển dịch về khu vực có tần số thấp. Tấm
phủ cng dy thì điểm cộng h7ởng chuyển dịch
về khu vực tần số cao hơn.
b) Xác định khả năng tBng hình của vật liệu
tBng hình (SE) qua tổn hao phản hồi R vB
tổn hao hấp thụ A
Khả năng tng hình của vật liệu hay hiệu
quả che hữu chắn (shielding effective: SE) của
nó đ7ợc tính bằng tổng tổn hao phản hồi v tổn
hao hấp thụ theo công thức:
SE (dB) = R + A
Vật liệu tng hình hoạt động có hiệu quả
khi tổn hao phản hồi R v tổn hao hấp thụ A
phải lớn. Trên thực tế nếu giá trị SE {2} dB thì
hiệu quả tng hình đạt 99% hay độ phản xạ trở
lại mn hình rada còn 1%. Hình 5 l kết quả
khảo sát độ che chắn của vật liệu tng hình phủ
trên lớp polyeste với độ dy khác nhau.
Độ che chắn hay khả năng tng hình của
lớp vải ngụy trang phủ 1 lớp vật liệu tng hình
trên hình 5a.
Dải tần số,
GHz
Độ che
chắn, dB
Khả năng
tng hình, %

6 - 7 5 30 - 40
11 - 12 4,2 30 - 40
Độ che chắn hay khả năng tng hình của
lớp vải ngụy trang phủ 2 lớp vật liệu tng hình
trên hình 5b.
Dải tần số,
GHz
Độ che chắn,
dB
Khả năng
tng hình, %
8 - 9 9,5 60 - 70
15 - 16 9,2 60 - 70
Độ che chắn hay khả năng tng hình của
lớp vải ngụy trang phủ 3 lớp vật liệu tng hình
trên hình 5c.
Dải tần số,
GHz
Độ che chắn,
dB
Khả năng
tng hình,%
7 - 10 21,0 99
15 - 16, 17 19,5 98
Độ che chắn ở lớp vải phủ 1 lần vật liệu
tng hình. Độ che chắn đạt cực đại ở dải sóng 6
- 7 GHz với c7ờng độ l 5 dB v ở 12 GHz đạt
4,2 dB đ7ợc trình by trên hình 5a.
Độ che chắn ở lớp vải phủ 2 lần vật liệu
tng hình, độ che chắn đạt cực đại ở 8 - 9 GHz

với độ che chắn 9,5 dB, ở 16 GHz đạt 9,2 dB
đ7ợc trình by trên hình 5b.
Độ che chắn ở lớp vải 3 lần phủ vật liệu
tng hình, độ che chắn đạt cực đại ở 8 - 9 GHz
với độ che chắn đạt cực đại ở 8 - 9 GHz với độ
che chắn 21 dB v ở 16 GHz độ che chắn đạt
19,5 dB đ7ợc trình by trên hình 5c.
Với kết quả ny cho phép chế thử v thử
nghiệm tấm phủ tng hình hoặc khí ti tng
hình với độ phản xạ d7ới 1%.
IV - Kết luận
Vật liệu tng hình l vật liệu kỹ thuật cao
đ7ợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học,
thông tin v quốc phòng. B7ớc đầu đề ti đD
thnh công trong việc:
131
-7
-6.5
-6
-5.5
-5
-4.5
-4
-3.5
-3
23456789101112131415161718
-25
-20
-15
-10

-5
0
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
-7
-6.5
-6
-5.5
-5
-4.5
-4
-3.5
-3
23456789101112131415161718
Khả năng tng hình
Khả năng tng hình
Khả năng tng hình
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.
Tần số, GHz Tần số, GHz
Hình 5a: Khả năng tng hình của mẫu
phủ 1 lớp vật liệu tng hình
Hình 5b: Khả năng tng hình của mẫu
phủ 1 lớp vật liệu tng hình
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
đỡ về kinh phí vB chỉ đạo trực tiếp của Ban chủ
nhiệm ch>ơng trình vật liệu - Trung tâm
KHTN&CNQG, ch>ơng trình nghiên cứu cơ
bản của NhB n>ớc. Chúng tôi xin chân thBnh
cảm ơn Giáo s>, Viện sỹ Nguyễn Văn Hiệu vB
Ban chủ nhiệm ch>ơng trình, phân viện Rada
bộ Quốc phòng đ_ giúp đỡ chúng tôi hoBn
thBnh công trình nBy.
Ti liệu tham khảo
1. A. Feldblume and et al. J. Polym. Sci.
Polym. Phys. Ed - 19, P. 173 - 179 (1981).
2. P. T. C. Wong, B. Chauber, Electronics
Lett., 28, P. 1651 - 1655 (1992).
3. Van Tan Truong, SPIE. Vol. 3241, P. 98 -
125 (1997).
4. Hans. H. Kuhn and et al. Eletrically
Conducting Textiles.
5. Nguyễn Đức Nghĩa v nnk. Hội nghị Vật lý
chất rắn ton quốc - Nha Trang (2001).
6. Hyung Do Choi and et al. Polyme (Korea),
Vol. 20, No. 4, P. 658 - 663 (1996).
7. Carl Maggiore and et al. J. Mater. Chem,.
Vol. 3 No. 6, P. 563 - 569 (1993).
-10
-9
-8
-7
-6
-5

-4
-3
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18