En ciencia de materiales , el material absorbente de radiación ( RAM ) es un material que ha sido especialmente diseñado y moldeado para absorber la radiación de RF incidente (también conocida como radiación no ionizante ), de la manera más efectiva posible, desde tantas direcciones incidentes como sea posible. Cuanto más efectiva sea la RAM, menor será el nivel resultante de radiación de RF reflejada . Muchas mediciones de compatibilidad electromagnética (EMC) y patrones de radiación de antena requieren que las señales espurias que surgen de la configuración de prueba, incluidas las reflexiones, sean insignificantes para evitar el riesgo de causar errores y ambigüedades en las mediciones.
Uno de los tipos de RAM más efectivos comprende conjuntos de piezas en forma de pirámide , cada una de las cuales está construida a partir de un material con pérdidas adecuadas . Para que funcione eficazmente, todas las superficies internas de la cámara anecoica deben estar completamente cubiertas con RAM. Se pueden eliminar temporalmente secciones de RAM para instalar el equipo, pero se deben reemplazar antes de realizar cualquier prueba. Para tener suficientes pérdidas, la RAM no puede ser ni un buen conductor eléctrico ni un buen aislante eléctrico , ya que ninguno de los dos tipos absorbe energía. Normalmente, el RAM piramidal comprenderá un material de espuma cauchutado impregnado con mezclas controladas de carbono y hierro . La longitud desde la base hasta la punta de la estructura piramidal se elige en función de la frecuencia más baja esperada y la cantidad de absorción requerida. Para la amortiguación de baja frecuencia, esta distancia suele ser de 60 cm (24"), mientras que los paneles de alta frecuencia son tan cortos como de 7,5 a 10 cm (3 a 4"). Los paneles de RAM generalmente se instalan en las paredes de una cámara de prueba de EMC con las puntas apuntando hacia el interior de la cámara. La RAM piramidal atenúa la señal mediante dos efectos: dispersión y absorción. La dispersión puede ocurrir de manera coherente, cuando las ondas reflejadas están en fase pero dirigidas lejos del receptor, o de manera incoherente cuando el receptor capta las ondas pero están desfasadas y, por lo tanto, tienen una intensidad de señal más baja. Esta dispersión incoherente también se produce dentro de la estructura de la espuma, donde las partículas de carbono suspendidas promueven una interferencia destructiva. La dispersión interna puede producir hasta 10 dB de atenuación. Mientras tanto, las formas piramidales están cortadas en ángulos que maximizan el número de rebotes que hace una ola dentro de la estructura. Con cada rebote, la onda pierde energía hacia el material de espuma y, por lo tanto, sale con una señal de menor intensidad. [1] Un tipo alternativo de RAM comprende placas planas de material de ferrita , en forma de baldosas planas fijadas a todas las superficies interiores de la cámara. Este tipo tiene un rango de frecuencia efectivo más pequeño que la RAM piramidal y está diseñado para fijarse a superficies buenas conductoras. Generalmente es más fácil de instalar y más duradera que la RAM de tipo piramidal, pero es menos efectiva en frecuencias más altas. Sin embargo, su rendimiento podría ser bastante adecuado si las pruebas se limitan a frecuencias más bajas (las placas de ferrita tienen una curva de amortiguación que las hace más efectivas entre 30 y 1000 MHz). También existe un tipo híbrido, una ferrita en forma piramidal. Al contener las ventajas de ambas tecnologías, el rango de frecuencia se puede maximizar mientras la pirámide sigue siendo pequeña (10 cm). [2]
Para materiales absorbentes de radiación físicamente realizables, existe una compensación entre espesor y ancho de banda: la relación óptima entre espesor y ancho de banda de un material absorbente de radiación viene dada por el límite de Rozanov. [3]
Los materiales absorbentes de radar se utilizan en tecnología sigilosa para ocultar un vehículo o estructura de la detección de radar . La absorbencia de un material a una frecuencia determinada de onda de radar depende de su composición. La RAM no puede absorber perfectamente el radar en ninguna frecuencia, pero cualquier composición dada tiene mayor absorbencia en algunas frecuencias que en otras; ninguna RAM es adecuada para absorber todas las frecuencias de radar. Un malentendido común es que la RAM hace que un objeto sea invisible para el radar. Un material absorbente de radar puede reducir significativamente la sección transversal del radar de un objeto en frecuencias de radar específicas, pero no produce "invisibilidad" en ninguna frecuencia. [4]
Las primeras formas de revestimiento sigiloso fueron pinturas absorbentes de radar desarrolladas por el Mayor K. Mano del Instituto Técnico Tama y el Dr. Shiba de la Facultad de Ingeniería de Tokio para la IJAAF. Se probaron múltiples mezclas de pintura con óxido férrico y caucho líquido, así como óxido férrico, asfalto y droga para aviones, obteniendo los mejores resultados. A pesar del éxito en las pruebas de laboratorio, las pinturas tuvieron poca aplicación práctica ya que eran pesadas y afectarían significativamente el rendimiento de cualquier avión al que se aplicaran. [5]
Por el contrario, la IJN vio un gran potencial en los materiales antirradar y el Segundo Instituto Técnico Naval comenzó a investigar sobre materiales en capas para absorber ondas de radar en lugar de pintura. Se colocaron capas de caucho y plástico con polvo de carbono en proporciones variables para absorber y dispersar las ondas de radar. Los resultados fueron prometedores con frecuencias de 3000 megaciclos, pero pobres con radares de longitud de onda de 3 cm. El trabajo en el programa se detuvo debido a los bombardeos aliados, pero los estadounidenses continuaron la investigación después de la guerra con un éxito leve. [5]
En septiembre de 1944 [6] , se crearon materiales llamados Sumpf y Schornsteinfeger , revestimientos utilizados por la marina alemana durante la Segunda Guerra Mundial para los snorkels (o periscopios ) de los submarinos , para bajar su reflectividad en la banda de radar de 20 cm que utilizaban los aliados. El material tenía una estructura en capas y se basaba en partículas de grafito y otros materiales semiconductores incrustados en una matriz de caucho . La eficacia del material se vio parcialmente reducida por la acción del agua de mar. [7] [8]
Se planeó un uso relacionado para el avión Horten Ho 229 . El adhesivo que unía las láminas de madera contrachapada a su piel estaba impregnado con partículas de grafito cuyo objetivo era reducir su visibilidad para el radar británico. [9] [10]
Uno de los tipos de RAM más conocidos es la pintura con bolas de hierro. Contiene pequeñas esferas recubiertas de carbonilo de hierro o ferrita . Las ondas de radar provocan oscilaciones moleculares a partir del campo magnético alterno de esta pintura, lo que conduce a la conversión de la energía del radar en calor. Luego, el calor se transfiere al avión y se disipa. Las partículas de hierro de la pintura se obtienen por descomposición del pentacarbonilo de hierro y pueden contener trazas de carbono , oxígeno y nitrógeno . [ cita necesaria ] Una técnica utilizada en el F-117A Nighthawk y otros aviones furtivos similares es utilizar bolas de hierro carbonílico aisladas eléctricamente de dimensiones específicas suspendidas en una pintura epoxi de dos partes. Cada una de estas esferas microscópicas está recubierta de dióxido de silicio como aislante mediante un proceso patentado. Luego, durante el proceso de fabricación del panel, mientras la pintura aún está líquida, se aplica un campo magnético con una fuerza de Gauss específica y a una distancia específica para crear patrones de campo magnético en las bolas de carbonilo de hierro dentro del ferrofluido de pintura líquida . Luego, la pintura se endurece con el campo magnético que mantiene las partículas en su patrón magnético. Se han realizado algunos experimentos aplicando campos magnéticos opuestos de norte a sur en lados opuestos de los paneles pintados, lo que hace que las partículas de carbonilo de hierro se alineen (colocándose de punta para que sean tridimensionalmente paralelas al campo magnético). La pintura de bolas de hierro carbonílico es más efectiva cuando las bolas están uniformemente dispersas, aisladas eléctricamente y presentan un gradiente de densidad progresivamente mayor a las ondas de radar entrantes. [ cita necesaria ] Un tipo relacionado de RAM consiste en láminas de polímero de neopreno con granos de ferrita o partículas conductoras de negro de carbón (que contienen aproximadamente 0,30% de grafito cristalino por peso curado) incrustadas en la matriz polimérica. Los mosaicos se usaron en las primeras versiones del F-117A Nighthawk, aunque los modelos más recientes usan RAM pintada. La pintura del F-117 se realiza mediante robots industriales, por lo que la pintura se puede aplicar de manera consistente en espesores y densidades de capa específicos. El avión está cubierto de tejas "pegadas" al fuselaje y los huecos restantes se rellenan con "pegamento" de bolas de hierro. [ cita necesaria ] La Fuerza Aérea de los Estados Unidos introdujo una pintura absorbente de radar hecha de ferrofluidosy sustancias no magnéticas. Al reducir el reflejo de las ondas electromagnéticas, este material ayuda a reducir la visibilidad de los aviones pintados con RAM en el radar. La firma israelí Nanoflight también ha fabricado una pintura que absorbe radares y que utiliza nanopartículas . [11] El ejército de la República de China (Taiwán) también ha desarrollado con éxito pintura absorbente de radar que se utiliza actualmente en los buques de guerra furtivos taiwaneses y en el avión de combate furtivo construido en Taiwán que se encuentra actualmente en desarrollo en respuesta al desarrollo de la tecnología furtiva. por su rival, la República Popular China continental , que es conocida por haber exhibido al público tanto buques de guerra como aviones furtivos. [12] [13]
El absorbente de espuma se utiliza como revestimiento de cámaras anecoicas para mediciones de radiación electromagnética. [ cita necesaria ] Este material generalmente consiste en una espuma de uretano ignífuga cargada con negro de humo conductor [partículas esféricas de carbonilo de hierro y / o partículas de grafito cristalino] en mezclas entre 0,05% y 0,1% (en peso en el producto terminado) y cortado en pirámides cuadradas con dimensiones específicas para las longitudes de onda de interés. Se pueden realizar más mejoras cuando las partículas conductoras se colocan en capas en un gradiente de densidad, de modo que la punta de la pirámide tenga el porcentaje más bajo de partículas y la base contenga la mayor densidad de partículas. Esto presenta un cambio de impedancia "suave" en las ondas de radar entrantes y reduce aún más la reflexión (eco). La longitud desde la base hasta la punta y el ancho de la base de la estructura piramidal se eligen en función de la frecuencia más baja esperada cuando se busca un absorbente de banda ancha. Para la amortiguación de baja frecuencia en aplicaciones militares, esta distancia suele ser de 60 cm (24"), mientras que los paneles de alta frecuencia son tan cortos como de 7,5 a 10 cm (3 a 4"). Un ejemplo de aplicación de alta frecuencia sería el radar de la policía (radar de medición de velocidad de banda K y Ka), las pirámides tendrían unas dimensiones de unos 10 cm (4") de largo y una base de 5x5 cm (2"x2"). Esa pirámide se asentaría sobre una base cúbica de 5x5 cm (2"x2") que tiene 2,5 cm (1") de alto (altura total de la pirámide y la base de aproximadamente 12,5 cm o 5"). La pirámide son arcos que se extienden suavemente y le dan a la pirámide un aspecto ligeramente "hinchado". Este arco proporciona una dispersión adicional y evita que cualquier borde afilado cree un reflejo coherente. Los paneles de RAM se instalan con las puntas de las pirámides apuntando hacia el . fuente de radar. Estas pirámides también pueden estar ocultas detrás de una capa exterior casi transparente al radar donde se requiere aerodinámica [ cita necesaria ] .La RAM piramidal atenúa la señal mediante dispersión y absorción. La dispersión puede ocurrir de manera coherente, cuando las ondas reflejadas están en fase pero dirigidas lejos del receptor, o de manera incoherente cuando las ondas pueden reflejarse de regreso al receptor pero están desfasadas y, por lo tanto, tienen una intensidad de señal más baja. Un buen ejemplo de reflexión coherente es la forma facetada del avión furtivo F-117A, que presenta ángulos con respecto a la fuente del radar de modo que las ondas coherentes se reflejan lejos del punto de origen (normalmente la fuente de detección). También se produce una dispersión incoherente dentro de la estructura de la espuma, donde las partículas conductoras suspendidas promueven interferencias destructivas. La dispersión interna puede producir hasta 10 dB de atenuación. Mientras tanto, las formas piramidales están cortadas en ángulos que maximizan el número de rebotes que hace una ola dentro de la estructura. Con cada rebote, la onda pierde energía hacia el material de espuma y, por lo tanto, sale con una señal de menor intensidad. [14] Otros absorbentes de espuma están disponibles en láminas planas, utilizando un gradiente creciente de cargas de carbono en diferentes capas. La absorción dentro del material de espuma se produce cuando la energía del radar se convierte en calor en la partícula conductora. Por lo tanto, en aplicaciones en las que intervienen altas energías de radar, se utilizan ventiladores de refrigeración para expulsar el calor generado. [ cita necesaria ]
Un absorbente de Jaumann o una capa de Jaumann es una sustancia absorbente de radar. [ cita necesaria ] Cuando se introdujo por primera vez en 1943, la capa de Jaumann constaba de dos superficies reflectantes igualmente espaciadas y un plano de tierra conductor. Se puede considerarlo como una pantalla de Salisbury generalizada y de múltiples capas , ya que los principios son similares. Al ser un absorbente resonante (es decir, utiliza ondas que interfieren para cancelar la onda reflejada), la capa de Jaumann depende del espaciado λ/4 entre la primera superficie reflectante y el plano de tierra y entre las dos superficies reflectantes (un total de λ/4 + λ/4). Debido a que la onda puede resonar en dos frecuencias, la capa de Jaumann produce dos máximos de absorción en una banda de longitudes de onda (si se utiliza la configuración de dos capas). Estos absorbentes deben tener todas las capas paralelas entre sí y al plano de tierra que ocultan. Los absorbentes Jaumann más elaborados utilizan una serie de superficies dieléctricas que separan láminas conductoras. La conductividad de esas láminas aumenta con la proximidad al plano de tierra.
Se ha demostrado que los resonadores de anillo partido (SRR) en varias configuraciones de prueba son extremadamente eficaces como absorbentes de radar. La tecnología SRR se puede utilizar junto con las tecnologías anteriores para proporcionar un efecto de absorción acumulativa. La tecnología SRR es particularmente efectiva cuando se usa en formas facetadas que tienen superficies perfectamente planas que no presentan reflejos directos hacia la fuente del radar (como el F-117A). Esta tecnología utiliza un proceso fotográfico para crear una capa resistente sobre una lámina de cobre delgada (aproximadamente 0,1778 mm o 0,007") sobre un respaldo dieléctrico (material de placa de circuito delgado) grabada en conjuntos de resonadores sintonizados, cada resonador individual en forma de "C". forma (u otra forma, como un cuadrado). Cada SRR está aislado eléctricamente y todas las dimensiones se especifican cuidadosamente para optimizar la absorción en una longitud de onda de radar específica. Al no ser un circuito cerrado "O", la abertura en la "C" presenta una. espacio de dimensión específica que actúa como un condensador a 35 GHz, el diámetro de la "C" es cercano a los 5 mm. El resonador se puede sintonizar a longitudes de onda específicas y se pueden apilar múltiples SRR con capas aislantes de espesores específicos entre ellos para proporcionar. una absorción de energía de radar de banda ancha Cuando se apilan, los SRR (alta frecuencia) más pequeños del rango miran primero a la fuente del radar (como una pila de donas que se hacen progresivamente más grandes a medida que uno se aleja de la fuente del radar), pilas de tres. Se ha demostrado que son eficaces para proporcionar atenuación de banda ancha. La tecnología SRR actúa de forma muy parecida a como funcionan los revestimientos antirreflectantes en longitudes de onda ópticas [ dudoso – discutir ] . La tecnología SRR proporciona la atenuación de radar más efectiva de todas las tecnologías conocidas anteriormente y está un paso más cerca de alcanzar la invisibilidad total (total sigilo, "encubrimiento"). También se está avanzando en longitudes de onda visuales, así como en longitudes de onda infrarrojas (materiales absorbentes de LIDAR). [ cita necesaria ]
Los radares funcionan en el rango de frecuencia de las microondas, que pueden ser absorbidas por nanotubos de paredes múltiples (MWNT). La aplicación de los MWNT a la aeronave provocaría que el radar fuera absorbido y, por lo tanto, parecería tener una sección transversal de radar más pequeña . Una de esas aplicaciones podría ser pintar los nanotubos en el avión. Recientemente, la Universidad de Michigan ha realizado algunos trabajos sobre la utilidad de los nanotubos de carbono como tecnología sigilosa en aviones. Se ha descubierto que, además de las propiedades de absorción del radar, los nanotubos no reflejan ni dispersan la luz visible, lo que los hace esencialmente invisibles por la noche, muy parecido a pintar de negro los aviones furtivos actuales , excepto que es mucho más efectivo. Sin embargo, las limitaciones actuales en la fabricación significan que la producción actual de aviones recubiertos de nanotubos no es posible. Una teoría para superar estas limitaciones actuales es cubrir pequeñas partículas con nanotubos y suspender las partículas cubiertas de nanotubos en un medio como pintura, que luego se puede aplicar a una superficie, como un avión furtivo. [15]
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