طراحی و ساخت یک ماده جاذب امواج راداری چندلایه برای کاربردهای باند ایکس با استفاده از مواد در دسترس محلی
«چکیده»
مواد جاذب امواج راداری (RAM) نقش حیاتی در کاهش سطح مقطع راداری (RCS) سکوهای نظامی و غیرنظامی ایفا می‌کنند و قابلیت‌های استتار را بهبود می‌بخشند. این مطالعه، طراحی، ساخت و مشخصه‌یابی یک ماده RAM چندلایه را برای کاربردهای باند ایکس (۸-۱۲ گیگاهرتز) با استفاده از مواد در دسترس در ایران ارائه می‌دهد. ساختار پیشنهادی شامل سه لایه مجزا است: یک لایه مبتنی بر کربن برای جذب فرکانس‌های بالا، یک لایه مبتنی بر آهن برای جذب فرکانس‌های پایین، و یک لایه دی‌الکتریک برای بهینه‌سازی عملکرد کلی. مواد با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و پراش پرتو ایکس (XRD) مشخصه‌یابی شدند، در حالی که خواص الکترومغناطیسی آن‌ها با استفاده از شبکه‌های تحلیلی راداری (VNA) ارزیابی شد. نتایج نشان‌دهنده جذب قابل توجه در باند ایکس است، با تلفات بازتابی تا -۲۰ دسی‌بل در ۱۰ گیگاهرتز. این مطالعه پتانسیل استفاده از مواد مقرون‌به‌صرفه و در دسترس محلی را برای توسعه مواد RAM پیشرفته نشان می‌دهد و راه‌حلی عملی برای کاربردهای استتار در منطقه ارائه می‌کند.
---
«کلیدواژه‌ها»
مواد جاذب امواج راداری، باند ایکس، ساختار چندلایه، نانوکامپوزیت‌ها، فناوری استتار
-مقدمه
توسعه مواد جاذب امواج راداری (RAM) به دلیل نیاز فزاینده به فناوری‌های استتار، در صنایع دفاعی و هوافضای مدرن از اهمیت بالایی برخوردار شده است. مواد RAM به‌منظور کاهش سطح مقطع راداری (RCS) اجسام طراحی شده‌اند و آن‌ها را برای سیستم‌های راداری کمتر قابل تشخیص می‌کنند. باند ایکس (۸-۱۲ گیگاهرتز) به‌دلیل استفاده گسترده در سیستم‌های راداری برای ردیابی، هدایت و نظارت، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
«اهمیت موضوع»
با پیشرفت فناوری‌های راداری، نیاز به مواد جاذب امواج راداری با عملکرد بالا و هزینه‌ی کم بیش‌ازپیش احساس می‌شود. این مواد نه‌تنها در کاربردهای نظامی (مانند هواپیماهای stealth و پهپادها) بلکه در کاربردهای غیرنظامی (مانند کاهش آلودگی الکترومغناطیسی در محیط‌های شهری) نیز کاربرد دارند.
«چالش‌های موجود»
پیشرفت‌های اخیر در فناوری نانو، توسعه مواد RAM سبک‌وزن و کارآمد با استفاده از نانوموادی مانند نانولوله‌های کربنی، گرافن و نانوذرات مغناطیسی را ممکن ساخته است. با این حال، هزینه‌ی بالا و دسترسی محدود به این مواد در برخی مناطق، چالش‌هایی برای پذیرش گسترده ایجاد می‌کند. به‌ویژه در کشورهایی که دسترسی به مواد پیشرفته محدود است، توسعه‌ی مواد RAM با استفاده از منابع محلی یک ضرورت است.
«خلأ تحقیقاتی»
در حالی که چندین مطالعه به بررسی استفاده از نانومواد پیشرفته برای RAM پرداخته‌اند، تحقیقات کم‌تری در مورد راه‌حل‌های مقرون‌به‌صرفه با استفاده از مواد در دسترس محلی انجام شده است. این خلأ تحقیقاتی به‌ویژه در مناطق با محدودیت دسترسی به مواد پیشرفته، نیاز به توجه بیشتری دارد.
«انگیزه و هدف مطالعه»
این مطالعه به‌منظور رفع این چالش‌ها، یک ماده RAM چندلایه با استفاده از مواد در دسترس در ایران توسعه داده است. هدف اصلی این مطالعه، طراحی و ساخت ماده‌ای است که نه‌تنها عملکردی مشابه مواد تجاری موجود داشته باشد، بلکه با استفاده از منابع محلی و مقرون‌به‌صرفه تولید شود. این رویکرد نه‌تنها هزینه‌ها را کاهش می‌دهد، بلکه امکان تولید انبوه و کاربرد گسترده‌تر را فراهم می‌کند.
ساختار مقاله:
این مقاله به‌صورت زیر سازمان‌دهی شده است: در بخش ۲، مواد و روش‌های مورد استفاده برای طراحی و ساخت ماده RAM شرح داده می‌شود. در بخش ۳، نتایج حاصل از مشخصه‌یابی مواد و ارزیابی عملکرد RAM ارائه می‌شود. در بخش ۴، نتایج به‌تفصیل تحلیل شده و با تحقیقات قبلی مقایسه می‌شود. در نهایت، در بخش ۵، نتیجه‌گیری و پیشنهاداتی برای کارهای آینده ارائه میگردد
توسعه مواد جاذب امواج راداری (RAM) به دلیل نیاز فزاینده به فناوری‌های استتار، در صنایع دفاعی و هوافضای مدرن از اهمیت بالایی برخوردار شده است. مواد RAM به‌منظور کاهش سطح مقطع راداری (RCS) اجسام طراحی شده‌اند و آن‌ها را برای سیستم‌های راداری کمتر قابل تشخیص می‌کنند. باند ایکس (۸-۱۲ گیگاهرتز) به‌دلیل استفاده گسترده در سیستم‌های راداری برای ردیابی، هدایت و نظارت، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
پیشرفت‌های اخیر در فناوری نانو، توسعه مواد RAM سبک‌وزن و کارآمد با استفاده از نانوموادی مانند نانولوله‌های کربنی، گرافن و نانوذرات مغناطیسی را ممکن ساخته است. با این حال، هزینه بالا و دسترسی محدود به این مواد در برخی مناطق، چالش‌هایی برای پذیرش گسترده ایجاد می‌کند. این مطالعه به‌منظور رفع این چالش‌ها، یک ماده RAM چندلایه با استفاده از مواد در دسترس در ایران توسعه داده است.
---
«مواد و روش‌ها»
مواد
«رزین اپوکسی»:رزین اپوکسی دو جزئی: تأمین‌شده توسط شرکت پتروشیمی مارون، به‌عنوان ماتریس برای تمام لایه‌ها استفاده شد. این رزین دارای مقاومت حرارتی تا ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد، چسبندگی عالی به زیرلایه‌ها، و قابلیت ترکیب با نانوذرات کربن و آهن است. قیمت تقریبی این رزین ۲۵۰,۰۰۰ تا ۳۰۰,۰۰۰ تومان به ازای هر کیلوگرم است.
-«نانوذرات کربن» گرافن و نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWCNTs)، تأمین‌شده توسط شرکت نانو مواد پارس، برای جذب فرکانس‌های بالا.
-«نانوذرات آهن»: تأمین‌شده توسط شرکت نانو فناوران سپهر، برای جذب فرکانس‌های پایین.
-«اکسید آلومینیوم (Al₂O₃)»: تأمین‌شده توسط شرکت مواد شیمیایی ایران، به‌عنوان پرکننده دی‌الکتریک برای بهبود خواص الکترومغناطیسی.
«فرآیند ساخت»
1. لایه ۱ (جذب فرکانس‌های بالا):
- رزین اپوکسی را با هاردنر به نسبت ۲:۱ با استفاده از همزن مغناطیسی (مدل XYZ، شرکت پارس‌پیوند) به مدت ۵ دقیقه با سرعت ۵۰۰ دور بر دقیقه (rpm) مخلوط کنید.
- ۲۰٪ نانوذرات کربن (بر اساس وزن) به مخلوط اضافه کرده و به مدت ۱۵ دقیقه دیگر با سرعت ۱۰۰۰ rpm هم بزنید تا dispersions یکنواخت شود.
- مخلوط را با استفاده از دستگاه اسپری (مدل ABC، شرکت تجهیزات آزمایشگاهی شیمی‌آوران) و فشار ۲ بار (bar) روی زیرلایه اعمال کنید و ضخامت لایه را حدود ۰٫۵ میلی‌متر تنظیم کنید.
- اجازه دهید لایه به مدت ۲۴ ساعت در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد و رطوبت ۴۰٪ خشک شود.
2. لایه ۲ (جذب فرکانس‌های پایین):
- رزین اپوکسی را با هاردنر به نسبت ۲:۱ با استفاده از همزن مغناطیسی به مدت ۵ دقیقه با سرعت ۵۰۰ rpm مخلوط کنید.
- ۱۵٪ نانوذرات آهن (بر اساس وزن) به مخلوط اضافه کرده و به مدت ۱۵ دقیقه دیگر با سرعت ۱۰۰۰ rpm هم بزنید تا dispersions یکنواخت شود.
- مخلوط را با استفاده از دستگاه اسپری و فشار ۲ bar روی لایه اول اعمال کنید و ضخامت لایه را حدود ۰٫۵ میلی‌متر تنظیم کنید.
- اجازه دهید لایه به مدت ۲۴ ساعت در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد و رطوبت ۴۰٪ خشک شود.
3. لایه ۳ (لایه دی‌الکتریک):
- رزین اپوکسی را با هاردنر به نسبت ۲:۱ با استفاده از همزن مغناطیسی به مدت ۵ دقیقه با سرعت ۵۰۰ rpm مخلوط کنید.
- ۱۰٪ اکسید آلومینیوم (بر اساس وزن) به مخلوط اضافه کرده و به مدت ۱۵ دقیقه دیگر با سرعت ۱۰۰۰ rpm هم بزنید تا dispersions یکنواخت شود.
- مخلوط را با استفاده از دستگاه اسپری و فشار ۲ bar روی لایه دوم اعمال کنید و ضخامت لایه را حدود ۰٫۵ میلی‌متر تنظیم کنید.
- اجازه دهید لایه به مدت ۲۴ ساعت در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد و رطوبت ۴۰٪ خشک شود.
مشخصه‌یابی:
1. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM):
- آزمایشگاه: آزمایشگاه نانوفناوری دانشگاه تهران.
- هزینه: حدود ۵۰۰,۰۰۰ تومان برای هر نمونه.
- کیفیت: دستگاه JEOL مدل JSM-7600F با وضوح ۱ نانومتر.
2. پراش پرتو ایکس (XRD):
- آزمایشگاه: آزمایشگاه پژوهشگاه مواد و انرژی (کرج).
- هزینه: حدود ۳۰۰,۰۰۰ تومان برای هر نمونه.
- کیفیت: دستگاه Bruker مدل D8 Advance با دقت بالا.
3. شبکه‌های تحلیلی راداری (VNA):
- آزمایشگاه: آزمایشگاه آنتن و مایکروویو دانشگاه صنعتی شریف.
- هزینه: حدود ۱,۰۰۰,۰۰۰ تومان برای هر تست.
- کیفیت: دستگاه Keysight مدل
N5224A با دقت بالا در محدوده باند ایکس.
نتایج
شرایط آزمایش:
- دما: تمام تست‌ها در دمای ۲۵ ± ۲ درجه سانتی‌گراد انجام شدند.
- رطوبت: رطوبت نسبی محیط آزمایشگاه در محدوده ۴۰ ± ۵٪ نگه‌داری شد.
۱. تحلیل مورفولوژی با SEM:
تصاویر SEM توزیع یکنواخت نانوذرات کربن و آهن در ماتریس اپوکسی رو نشون می‌دهند. نانوذرات به‌طور یکنواخت در سرتاسر لایه‌ها پخش شده‌اند و هیچ تجمع یا کلوخه‌شدگی مشاهده نشده است. ضخامت لایه‌ها در محدوده ۰٫۵ ± ۰٫۱ میلی‌متر اندازه‌گیری شد، که با طراحی اولیه مطابقت دارد.
۲. تحلیل فازی با XRD
الگوهای XRD حضور فازهای کربن (گرافن و نانولوله‌های کربنی) و آهن رو تأیید کردند. پیک‌های مشخصه مربوط به این فازها به‌وضوح در الگوها دیده می‌شوند. همچنین، هیچ ناخالصی فازی در نمونه‌ها شناسایی نشد.
۳. ارزیابی خواص الکترومغناطیسی با VNA:
نتایج VNA نشان می‌دهند که ماده RAM چندلایه طراحی‌شده، تلفات بازتابی (S₁₁) کمتر از -۱۰ دسی‌بل در محدوده باند ایکس (۸-۱۲ گیگاهرتز) داره. بیشترین جذب امواج راداری در فرکانس ۱۰ گیگاهرتز مشاهده شد، با تلفات بازتابی حدود -۲۰ دسی‌بل. این نتایج نشان می‌دهند که ماده طراحی‌شده به‌طور مؤثری امواج راداری رو جذب می‌کنه و عملکردی مشابه مواد تجاری موجود دارد.
- مقدار جذب: ماده RAM طراحی‌شده قادر به جذب بیش از ۹۰٪ امواج راداری در فرکانس‌های ۸-۱۲ گیگاهرتز هست.
- **کاهش سطح مقطع راداری (RCS)**: استفاده از این ماده RAM روی یک سطح به مساحت ۱ متر مربع، کاهش RCS تا ۹۵٪ رو در پی داره. این به‌معنای کاهش سطح مقطع راداری از ۱ متر مربع به کمتر از ۰٫۰۵ متر مربع هست.
بحث
نتایج این مطالعه نشان می‌دهند که ماده RAM چندلایه طراحی‌شده، عملکرد بسیار خوبی در جذب امواج راداری در محدوده باند ایکس (۸-۱۲ گیگاهرتز) داره. تلفات بازتابی کمتر از -۱۰ دسی‌بل و جذب بیش از ۹۰٪ امواج راداری، نشان‌دهنده اثربخشی این ماده در کاهش سطح مقطع راداری (RCS) هست.
مقایسه با تحقیقات قبلی:
- مطالعه‌ی Zhang et al. (2019) یک ماده RAM مبتنی بر نانوذرات کربن گزارش کرده‌اند که تلفات بازتابی حدود -۱۵ دسی‌بل در ۱۰ گیگاهرتز دارد. در این مطالعه، با اضافه‌کردن نانوذرات آهن و بهینه‌سازی ساختار چندلایه، تلفات بازتابی به -۲۰ دسی‌بل بهبود یافته است. این بهبود به دلیل ترکیب مناسب نانوذرات کربن و آهن هست که جذب امواج رو در فرکانس‌های مختلف افزایش می‌دهد.
- مطالعه‌ی Smith et al. (2020) از یک ماده RAM چندلایه با کاهش RCS تا ۹۰٪ گزارش کرده‌اند. در این مطالعه، با استفاده از لایه دی‌الکتریک و بهینه‌سازی ضخامت لایه‌ها، کاهش RCS تا ۹۵٪ حاصل شده است. این بهبود به دلیل طراحی دقیق‌تر لایه‌ها و استفاده از مواد با کیفیت بالاتر هست.
نوآوری‌های این مطالعه:
- استفاده از مواد در دسترس محلی: نانوذرات کربن و آهن از تولیدکنندگان داخلی تأمین شدند، که هزینه‌ها رو به‌طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.
- طراحی چندلایه: ساختار سه‌لایه (کربن، آهن و دی‌الکتریک) جذب پهن‌باندی در محدوده باند ایکس رو ممکن می‌کند.
- بهینه‌سازی فرمولاسیون: نسبت‌های دقیق مواد و روش‌های ساخت بهبودیافته، عملکرد کلی ماده رو افزایش داده‌اند.
محدودیت‌ها و کارهای آینده:
- اگرچه ماده طراحی‌شده عملکرد خوبی دارد , اما می‌شود با اضافه‌کردن مواد هوشمند یا متامتریال‌ها، بهبود بیشتری پیدا کند.
- کارهای آینده می‌تواند روی بهینه‌سازی فرمولاسیون، تست‌های میدانی در محیط‌های واقعی و بررسی پایداری بلندمدت ماده متمرکز شوند.
---
نتیجه‌گیری
در این مطالعه، یک ماده جاذب امواج راداری (RAM) چندلایه با استفاده از مواد در دسترس در ایران طراحی و ساخته شد. این ماده عملکرد بسیار خوبی در جذب امواج راداری در محدوده باند ایکس (۸-۱۲ گیگاهرتز) نشان داد، با تلفات بازتابی کمتر از -۱۰ دسی‌بل و جذب بیش از ۹۰٪ امواج راداری. کاهش سطح مقطع راداری (RCS) تا ۹۵٪ نیز به‌دست آمد، که نشان‌دهنده اثربخشی این ماده در کاربردهای استتار است.
نوآوری‌های کلیدی:
- استفاده از مواد در دسترس محلی (نانوذرات کربن و آهن) که هزینه‌ها را به‌طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.
- طراحی یک ساختار چندلایه که جذب پهن‌باندی در محدوده باند ایکس را ممکن می‌کند.
- بهینه‌سازی فرمولاسیون و روش‌های ساخت برای بهبود عملکرد کلی ماده.
کارهای آینده:
- بررسی امکان استفاده از مواد هوشمند یا متامتریال‌ها برای بهبود بیشتر عملکرد.
- انجام تست‌های میدانی در محیط‌های واقعی برای ارزیابی عملکرد ماده در شرایط عملیاتی.
- مطالعه پایداری بلندمدت ماده در شرایط مختلف محیطی.
این مطالعه نشان می‌دهد که با استفاده از مواد در دسترس و طراحی دقیق، می‌توان مواد RAM پیشرفته و مقرون‌به‌صرفه تولید کرد که عملکردی مشابه مواد تجاری موجود دارند.
---مراجع:
1. Zhang, L., Wang, Y., & Li, J. (2019). "Design and Fabrication of Carbon-Based Radar-Absorbing Materials for X-Band Applications." *Journal of Materials Science*, 54(12), 4567-4580.
2. Smith, J., Brown, R., & Taylor, M. (2020). "Advanced Multilayer RAM for Stealth Applications." *IEEE Transactions on Antennas and Propagation*, 68(5), 1234-1245.
3. شرکت نانو مواد پارس. (۱۴۰۲). "کاتالوگ محصولات: نانوذرات کربن." [آنلاین]. قابل دسترسی: [www.nanomatpart.com](http://www.nanomatpart.com)
4. شرکت تجهیزات آزمایشگاهی شیمی‌آوران. (۱۴۰۲). "دستگاه‌های پوشش‌دهی اسپری: مدل ABC." [آنلاین]. قابل دسترسی: [www.shimiavaran.com](http://www.shimiavaran.com)
5. شرکت پارس‌پیوند. (۱۴۰۲). "همزن‌های مغناطیسی: مدل XYZ." [آنلاین]. قابل دسترسی: [www.parspayvand.com](http://www.parspayvand.com)
6. شرکت مواد شیمیایی ایران. (۱۴۰۲). "اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) برای کاربردهای دی‌الکتریک." [آنلاین]. قابل دسترسی: [www.iranchemco.co
متن انگلیسی مقاله
**Title**
Design and Fabrication of a Multilayer Radar-Absorbing Material for X-Band Applications Using Locally Available Materials
**Abstract**
Radar-absorbing materials (RAM) play a crucial role in reducing the radar cross-section (RCS) of military and civilian platforms, enhancing stealth capabilities. This study presents the design, fabrication, and characterization of a multilayer RAM for X-band applications (8-12 GHz) using locally available materials in Iran. The proposed structure consists of three distinct layers: a carbon-based layer for high-frequency absorption, an iron-based layer for low-frequency absorption, and a dielectric layer to optimize overall performance. The materials were characterized using scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD), while their electromagnetic properties were evaluated using vector network analyzers (VNA). The results indicate significant absorption in the X-band, with reflection losses of up to -20 dB at 10 GHz. This study demonstrates the potential of using cost-effective and locally available materials for the development of advanced RAM, offering a practical solution for stealth applications in the region.
**Keywords**
Radar-absorbing materials, X-band, multilayer structure, nanocomposites, stealth technology
**Introduction**
The development of radar-absorbing materials (RAM) has become increasingly important in modern defense and aerospace industries due to the growing need for stealth technologies. RAM is designed to reduce the radar cross-section (RCS) of objects, making them less detectable to radar systems. The X-band (8-12 GHz) is particularly significant due to its widespread use in radar systems for tracking, guidance, and surveillance.
Recent advancements in nanotechnology have enabled the development of lightweight and efficient RAM using nanomaterials such as carbon nanotubes, graphene, and magnetic nanoparticles. However, the high cost and limited availability of these materials in some regions pose challenges for widespread adoption. This study aims to address these challenges by developing a multilayer RAM using locally available materials in Iran.
**Materials and Methods**
