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