Направление
"Новые материалы"
Умные материалы-невидимки
Национальный исследовательский институт "МИСиС"
Калужский приборостроительный завод "Тайфун"

Что такое метаматериалы?
Метаматериалы представляют собой искусственно созданные среды, необычным образом взаимодействующие с электромагнитной волной вследствие геометрии.
На уровне взаимодействия с электромагнитной волной, метаматериал состоит из мета-атомов так же, как и обычное вещество состоит из атомов.
Таким образом, метаматериалы представляют собой новый уровень структурной организации материи.

Решение проблемы
Создаем метаматериал
Самолет невидимый
Проблема и актуальность
На сегодняшний день существуют различные технологии, позволяющие скрыть объект от радаров, например, СТЭЛС-технологии и метаматериалы. СТЭЛС-маскировки поглощают радиоволну с помощью специального покрытия, которое наносится на поверхность самолета, но данные технологии имеют ряд существенных недостатков. У самолета должно быть много острых граней, высокая стоимость краски, хотя 100% невидимость не достигается, а при использовании средств связи возникают большие помехи. Поэтому важной задачей является создание умного планарного метаматериала, способного поглощать сигналы радаров на разных частотах.

Метаматериалы позволяют получить высокое поглощение электромагнитных волн, а возможность перестройки частоты резонанса открывает возможность использования их в качестве средства снижения радиолокационной заметности антенн
Гипотеза

Этапы работы
- Постановка проблемы
- Поиск решения
- Подбор возможной геометрии молекулы

- Выбор 1-2 наиболее подходящих форм
- Определение необходимых размеров молекулы
- Подбор материала
- Создание компьютерной модели прототипа
- Проведение виртуального эксперимента
- Очистка и обезжиривание текстолита
- Перенос структуры материала с помощью термопресса
- Травление текстолита
- Припаивание варикапов и pin-диодов

- Создание безэховой среды
- Сборка оборудования
- Исследование зависимости частоты резонанса в прототипах с различными переменными конденсаторами от напряжения тока
- Визуализация результатов эксперимента (построение графиков зависимостей)
- Анализ полученных результатов

Обзор литературы:
Моделирование
Создание метаматериала
Эксперимент
Моделирование
Выбор формы метаматериала
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Были выбраны структуры 7 и 8, отличающиеся наиболее высокой добротностью и сильной локализацией магнитных полей в субволновых областях (центральных перемычках. Структура 7 представляют собой металлическую поверхность формы двух отраженных букв "э", а структура 8 - металлическую поверхность с вырезами формы двух отраженных букв "э".
f,
S11,
f,
Было проведено моделирование эксперимента, показывающего зависимость добротности резонанса от материала, взятого для изготовления мета-молекулы. Результаты показали, что при использовании разных металлов добротность различается не более, чем на 1%. Это показывает, что выбранный металл не влияет на электромагнитные свойства метаматериала.
Прямая структура
Обратная структура 1
Обратная структура 2
Безэховая камера
Безэховая камера - это помещение, в котором не возникает отражения электромагнитных волн от стен. Такие камеры применяются в разных целях, в том числе и для экспериментальных исследований характеристик электродинамических объектов (антенн, рассеивателей, объектов СТЭЛС-технологий).
Цель создания такой камеры в нашем эксперименте - повышение точности измерения S-параметров (коэффициентов поглощения и отражения).
Наша безэховая камера по устройству аналогична уже существующим в мире. Изнутри она покрыта радиопоглощающими материалами типов "мох" и "терновник", что позволило значительно уменьшить размеры камеры, по сравнению с уже существующими.
На графике представлен результат, показывающий, что безэховая камера поглощает паразитное излучение, благодаря чему, мы можем добиться более точных результатов эксперимента.
Анализ результатов экспериментов
Анализ результатов эксперимента с прототипом А3
Прототип материала А3 выполнен из мета-молекул прямой структуры.
Была построена схема распространения электрических полей и в зоне их наибольшей концентрации был установлен варикап.
Варикап - это полупроводниковый диод, основным параметром которого является изменяемая под напряжением емкость.
Было установлено, что при увеличении напряжения резонанс смещается в область более высоких частот.
Анализ результатов эксперимента с прототипом С1
Также как и в случае с прототипом А3, к прототипу С1 в области наибольшей концентрации электрических токов были припаяны варикапы. Для большей наглядности был просторен график в виде тепловой карты, где по левой оси отмечены значения частот резонанса, по нижней - значение напряжения, подаваемого на варикап, а справа представлена шкала соответствия S11 параметра цветам.
Из полученных данных можно сделать вывод, что при повышении напряжение происходит смещение резонанса в область более высоких частот
Анализ результатов эксперимента с прототипом С2
В прототипе материала С2 использовалась обратная структура мета-молекулы.
Здесь, в области наибольшей концентрации токов были припаяны не варикапы, а pin-диоды.
pin-диоды - это своего рода переключатели: мы подаем ток, сопротивление возрастает до 1 Ом, "включается" резонанс на полосе пропускания; если перестать подавать ток, то сопротивление возрастает до 1000 Ом, и включается резонанс на полосе отражения.
Анализ результатов эксперимента с прототипом С3
В прототипе С3 в области наибольшей концентрации электрических токов были припаяны варикапы. Для большей наглядности был просторен график в виде тепловой карты, где по левой оси отмечены значения частот резонанса, по нижней - значение напряжения, подаваемого на варикап, а справа представлена шкала соответствия S11 параметра цветам.
Из полученных данных можно сделать вывод, что при повышении напряжение происходит смещение резонанса в область более высоких частот
План проекта
1
2
3
Анализ возможностей
Публикация статьи
Внедрение в производство
Результаты работы
•Исследованы перестраиваемые свойства метаматериала в области 3 ГГц
•Проведена калибровка свойств структуры
•Рассчитаны добротности резонансов, Qтеор>105 Qэксп>103
•Стоимость проекта - 15863 руб (1 м2)
•Полная себестоимость - 17192 руб (1 м2)
•Цена продукта – 22370 руб (1 м2)
•Окупаемость – 4 года
•Изготовлен прототип "умного" метаматериала для авиации и
космической промышленности


Команда
Софья Кондратьева
Участник проекта
Михаил Вахрушев
Участник проекта
Дарья Плужник
Участник проекта
Никита Никонов
Участник проекта
Василиса Касаткина
Участник проекта
Виктория Ткачук
Участник проекта
Иван Стенищев
Преподаватель 
Мария Кожокарь
Преподаватель
Алексей Башарин
Преподаватель 
Фотоотчет
Направление
"Новые материалы"
Контакты
+79108670027
Iv.steni@yandex.ru
©Большие вызовы, 2021