2011/803 ISSN 1797-3457 (verkkojulkaisu) ISBN (PDF) 978-951-25-2286-6 TIIVISTELMÄRAPORTTI (SUMMARY REPORT) Matalaemissiivinen ja tutkasäteitä absorboiva hybridimaali Pertti Lintunen, VTT PL 1300, 33101 Tampere, Pertti.Lintunen@vtt.fi, 020722 3701 Arto Hujanen VTT Tiivistelmä: Hankkeen tavoitteena on kehittää hybridimaali, jolla on samanaikaisesti tutkaabsorptio ja IR- suoja. IR- suojassa on tavoitteena matalaemissiivinen ratkaisu, jolloin kuumat kohdat eivät erottuisi niin helposti ympäristöstä. Aiemmin on tutkittu suojauksia erikseen, nyt oli tarkoitus yhdistää nämä kaksi erillistä suojaa samaan pinnoiteratkaisuun. Projektissa tutkittiin ja kehitettiin vaihtoehtoja täyteainepartikkeleiden tasaisen jakautumisen varmistamiseksi maalikerroksessa. Perusmaaliksi valittiin 2-komponenttinen polyuretaanilakka. Tutkasäteitä absorboiva maalikerros toteutettiin rautakarbonyyli (Fe) täytepartikkeleiden avulla. IR- suojaa varten valittiin maalin täyteaineeksi alumiinihiutaleet (Al). Maalikerros päädyttiin toteuttamaan kaksikerrosratkaisuna, jossa alempi kerros koostuu tutkasäteitä absorboivasta maalista ja sen päällä oleva, ulompi kerros toimii matalaemissiivisenä IR- suojana. Maalikerroksille tehtyjen mikroskooppitarkastelujen pohjalta voitiin todeta täyteainepartikkeleiden jakautuneen tasaisesti koko maalikerroksen poikkileikkauksen alueelle: tutkimuksessa ei havaittu täytepartikkeleiden sedimentoitumista maalikerroksen pohjalle. IR- mittaukset suoritettiin lämpöhaudemittauksina, joissa havaittiin maaliin seostettujen Al- hiutaleiden täyteainepitoisuuden ja emissiviteettiarvon välillä johdonmukainen riippuvuus. Emissiviteettiarvo oli säädettävissä tasolle 0.70-0.77 seostuksen avulla. Tutka-absorptiomittauksissa todettiin rautakarbonyyliseostuksen toimivan kohtuullisen hyvin. Lisäksi ohuen Al- maalikerroksen ei todettu antavan merkittäviä sähköisiä tai magneettisia häiriöitä mittaustuloksiin tutka-absorptiopuolella. Optimaalisella maalikerroksen paksuudella on mahdollista saavuttaa noin 12dB:n heijastusvaimennus 10 GHz:n taajuusalueella. Projektin loppuvaiheessa testattiin Al- hiutaleilla seostetun maalin toimivuus ruiskumaalauksessa. Testeissä voitiin ruiskumaalata projektissa kehitettyä maalia mm. teräs,- vaneri- ja lasialustoille. 1. Johdanto Nykyisin käytetyissä matalaemissiivisissä (IR-suoja) suojamaaleissa on osittain ongelmana käytetyn täyteainepartikkeleiden epähomogeeninen jakautuminen maalikerrokseen. Tähän on syynä epästabiili maalidispersio: täyteainepartikkeleina käytetyt metallipartikkelit pyrkivät lajittumaan (painumaan) maalikerroksen pohjalle. Kun taas IR- suojaa ajatellen tilanteen pitäisi olla juuri päinvastoin eli täyteainepartikkeleiden tulisi olla järjestäytyneenä mieluummin maalikerroksen ulkopintaan. Myöskään näihin IR suojamaaliratkaisuihin ei ole ajateltu samanaikaisesti muuta toiminnallisuutta. Kaluston suojaamiseksi tutkasäteilyä varten on yleensä rakennettava erilliset suojaratkaisut. Kaluston suojauksen kannalta olisi kustannustehokasta sekä varmempaa, jos yhdellä prosessointivaiheella voitaisiin integroida (liittää) molemmat suojaratkaisut suojattavaan kohteeseen. 2. Tutkimuksen tavoite ja suunnitelma Tässä hankkeessa oli tavoitteena tutkia ja kehittää hybridimaalia, jolla on samanaikaisesti tutka-absorptio ja IR- suoja. IR suojassa oli tavoitteena matalaemissiivinen ratkaisu, jolloin kuumat kohdat eivät erottuisi ympäristöstä. Tutka-absorptio ominaisuuden lisäys maaliin samanaikaisesti on tärkeä tutkimuksen kohde, koska saadaan samalla kertaa kaksi tärkeää, Postiosoite: MATINE PL 919 00131 HELSINKI Puhelin (vaihde): 0299 800 Käyntiosoite: Pääesikunta Fabianinkatu 2 00130 HELSINKI Pääsihteeri 0299 510950 Laskutusosoite: Pääesikunta ja sen alaiset laitokset Suunnittelusihteeri 0299 510951 Pääesikunta / Materiaaliosasto / MATINE Toimistosihteeri 0299 510913 PL 5512 Telekopio 0299 510999 00021 LASKUTUS Sähköposti matine@mil.fi WWW-sivusto www.puolustusvoimat.fi/matine
herätteitä vähentävää ominaisuutta lisättyä suojattaviin kohteisiin. Tällä hetkellä käytetyssä naamiomaalissa metallihiutale ei jakaudu tasaisesti maalikerrokseen. Nyt käytetyllä partikkelilla on taipumus sedimentoitua eli painua alaspäin. Maali on myös nyt tarkoitettu vain IR suojaksi, tutka-absorptiota ei maaliin ole integroitu. Projektissa tutkitaan saadaanko metallihiutale/-partikkeli jakautumaan tasaisemmin maalikerrokseen. Ja onko mahdollista kohdistaa/paikoittaa metallihiutaleet/-partikkelit pelkästään esim. maalikerroksen ulkopintaan. Tutka-absorptiosuojan samanaikaista lisäämistä maaliin tutkitaan käyttämällä tunnettuja absorboivia jauhepartikkeleita, joita on tutkittu aiemmissa MATINEhankkeissa (mm. TS-ABSO). 3. Aineisto ja menetelmät Hanke toteutettiin VTT:n kahden osaamiskeskuksen Uudet materiaalit ja Anturit ja langattomat laitteet yhteistyönä. VTT:llä on pitkältä ajalta kokemusta erilaisten raaka-aine jauheiden käsittelystä ja valmistamisesta haluttuun, loppukäsittelyn vaatimusten mukaiseen muotoon ja jakaumaan. VTT:llä on myös mittauslaitteistoa tutkittavien pintojen heijastus- ja absorptio-ominaisuuksien mittaamiseen laboratorio olosuhteissa melkein aukottomasti 5-110 GHz taajuus-alueilla. Myös materiaalin sähköisten ja magneettisten aineparametrien analysointi on mahdollista samalla taajuuskaistalle. VTT:llä on tehty ko. mittauksia mm. Merivoimien ja PVTT:n tarpeisiin. Projektissa yhdistettiin poikkitieteellisesti VTT:n eri alojen osaamisia, jolloin oli mahdollista tavoitella haluttuja tuloksia. Vaimentavien pintojen toteutustavaksi valittiin maalit, joten se antoi reunaehdot tutkittaville materiaaleille ja niiden ominaisuuksille. Emissiviteettimittaukset päätettiin suorittaa Puolustusvoimien Teknillisessä Tutkimuslaitoksessa, Lakialassa. PVTT:llä on vankka kokemus IR- mittauksista ja tässä projektissa kehitetyt uudet maalikoostumukset oli perusteltua mitata PVTT:n laitteistolla vertailun helpottamiseksi aiemmin suoritettuihin mittaustuloksiin. Tausta-aineistona tälle projektille toimi vuonna 2010 toteutettu MATINE-projekti TSABSO- Termisellä ruiskutuksella tutkasäteitä vaimentava pinta. Projektissa todettiin häivemateriaalin ominaisuuksien säilyvän parhaiten muovimatriisin sekoitettuna, jolloin prosessointilämpötilaa voitiin laskea. Toinen merkittävä taustatieto oli rautakarbonyyli-hartsi seosten toimivuus häivemateriaalina. Tähän mennessä nämä materiaalit oli valmistettu lähinnä ns. bulkkituotteina, ei pinnoitteina. Näiden taustatietojen pohjalta oli perusteltua tutkia maalipinnoitteen toimivuus häiveratkaisuna. Tässä projektissa valittiin perusmaaliksi 2 komponenttinen polyuretaanilakka. Häivemateriaaliksi rautakarbonyyli- jauhe, laatu BASF EW, puhtaus >97 %, keskimääräinen partikkelikoko 3 µm. IR- suojaa varten valittiin maalin täyteaineeksi alumiinijauhe (Al), joka kuulamyllytettiin hiutalemaiseksi pyöreästä metallipartikkelista alkaen. Käytetyn alumiinijauheen valmistaja oli MEPURA, puhtaus 99.5 %, partikkelikoko < 45 µm. Ensimmäiset koemaalaukset täyteaineistetuille lakoille tehtiin tavallista pensseliä käyttäen. Näin saatiin perustietoa maalidispersion käyttäytymisestä mikä hyödytti jatkossa tehtäviä maalauksia. Varsinaiset koelevyt lakattiin ns. contol coaterin avulla, jossa maalipinnoite levitetään tankojen avulla alustalle. Tämä maalaustapa mahdollisti toistettavien pinnoitekerrosten aikaansaamisen ja siten keskenään vertailukelpoisten näytteiden mittaamisen. Kuvassa 1 on esitetty control coaterilla tehtävä maalikerrosten valmistus. PVTT:llä tehtäviä IR- mittauksia varten maalikerrokset tehtiin lämpöhaudemittauksissa käytettävän teräksisen Q- levyn päälle, jotka näkyvät kuvassa 1. Tutka-absorbtiota varten maalaukset tehtiin 100x100 mm lasilevyn päälle, jotta näytealusta olisi mittauksia ajatellen sähköisesti- ja magneettisesti riittävän häiriötön. Projektin alkupuoliskolla valmistettiin erikseen pelkästään Al- pitoisia ja/tai Fe- pitoisia maalikerroksia mittauksiin. Kun sopivat kerrospaksuudet ja täyteainepitoisuudet oli saatu määritettyä, niin tehtiin 2 kerroksinen maalipinnoite, jossa alla oli Fe- pitoinen maalikerros ja yläpinnalla Al- pitoinen maalikerros. Keskenään samankaltaiset 2 kerrospinnoitteet valmistettiin sekä IR- mittauksiin että tutka-absorptiomittauksiin, ainoastaan alustamateriaali oli mittauksesta riippuen joko terästä tai lasia.
Kuva 1. Koelevyjen maalaus ns. control coaterin avulla. Maalattujen näytteiden IR-mittaukset suoritettiin PVTT:lla, Lakialassa. Käytössä oli kaksi erillistä IR- kameraa, joiden mittausikkunat olivat aallonpituusalueilla 3-5 µm (MW) ja 7.5-9.5 µm (LW). Maalatut näytelevyt asetettiin näytepaneeliin, jonka takana oleva lämpöhaude lämmitettiin 75 asteeseen. Näytepaneelissa oli mittauksissa aina mukana ns. musta kappale, joka toimi mittauksissa referenssinä emissiviteettiarvoja määritettäessä. Kuvassa 2 on esitetty mittausjärjestely ja näytepaneeli. Kuva 2. IR- mittausten koejärjestely: vasemman puoleisessa kuvassa IR- kamerat aallonpituusalueille 3-5 µm ja 7.5-9.5 µm. Oikealla näytepaneeli, johon maalatut näytelevyt asetettiin mittausten ajaksi. Keskirivin vasen paikka on ns. musta kappale (referenssi). Tutka-absorptiomittauksissa näytteiden sähkömagneettiset ominaisuudet mitattiin perustuen siirtojohtoanalogiaan taajuusalueella 10-19 GHz. Menetelmässä mitataan näytteen heijastusja läpäisykertoimet. Heijastus- ja läpäisyparametrien mittaukseen käytettiin VTT kehitettyä mittauslaitteistoa. Mitatuista heijastus- ja läpäisyominaisuuksista voidaan laskea näytteen sähkömagneettiset aineparametrit (permittiivisyys, permiabiliteetti), kun tiedetään pinnoitekerroksen paksuus. Tutkittava pinnoite on aineparametrien mittausta varten oltava radioaal-
toja läpäisevän materiaalin päällä. Tässä projektissa käytettiin lasialustaa. Alustamateriaalin vaikutus voidaan erottaa mittaustuloksesta, kunhan alustan ominaisuudet tunnetaan. Mitattujen aineparametrien avulla voidaan laskennollisesti optimoida pinnoitekerroksen paksuus. Taajuusalueella 8-12 GHz suoritettavia mittauksia varten vaadittava näytekoko on mitoiltaan 100x100 mm. 4. Tulokset ja pohdinta Käytetyt täyteainepartikkelit kuvattiin elektronimikroskoopilla (SEM) niiden muodon ja koon varmistamiseksi. Alumiinijauhetta myllytettiin 2 tunnin ajan kuulamyllyllä hiutalemaisen muodon aikaansaamiseksi. Kuvassa 3 on esitetty Al- partikkelit ennen ja jälkeen 2 h myllytyksen. a) b) Kuva 3. SEM kuva Al- jauheesta a) lähtötilanne b) 2 h myllytyksen jälkeen. Rautakarbonyyli- jauheen (Fe) partikkelimuoto on esitetty puolestaan kuvassa 4. Kuva 4. SEM kuvat Fe- jauheesta eri suurennoksilla. Täyteaineiden dispergointi valittuun lakkamatriisin sujui sekoitusvaiheessa ongelmitta. Silmämääräisesti ei sekoitusvaiheessa havaittu täytepartikkeleiden lajittumista (sedimentoitumista) sekoitusastian pohjalle. Maalikerroksista valmistettiin poikkileikkausnäytteet täytepar-
tikkeleiden tasaisen jakautumisen varmistamiseksi. Poikkileikkaukset valmistettiin murtamalla maalikerros nestetypen lämpötilassa. SEM- tarkasteluissa havaittiin täytepartikkeleiden jakautuneen tasaisesti maalikerroksen koko poikkileikkauksen alueelle. Kuvassa 5 a on esitetty tyypillinen poikkileikkausrakenne Al- hiutaleilla seostetusta maalikerroksesta. Al- hiutaleiden ääriviivat erottuvat lakkamatriisista ja kooltaan useamman 10 µm:n hiutaleita on nähtävissä aivan maalikerroksen pinnan alla. Vastaavasta näytteestä tutkittiin SEM:llä myös maalikerroksen pintaa, kuva 5 b. Maalipintojen SEM tarkastelut tukivat havaintoja poikkipinnasta: Al- hiutaleet ovat aivan maalikerroksen ulkopinnassa. a) b) Kuva 5. SEM kuva Al- seostetun maalikerroksen a) poikkileikkauksesta b) pinnasta. IR- mittauksia varten maalattiin Q- levyjä maaliseoksilla, joissa oli eri Al- hiutalepitoisuudet. Seostusta kasvattamalla päästiin emissiviteettiarvoihin 0.7. Tietyn rajan jälkeen seostuksen lisäys ei enää muuttanut emissiviteettiarvoa. Lopuksi mitattiin emissiviteetti yhdistelmämaalikerroksesta, jossa alla oli Fe- pitoinen lakka ja päällä Al- pitoinen lakkakerros. Yhdistelmäkerroksen emissiviteettiarvoksi saatiin MW ikkunassa 0.74 ja LW- ikkunassa 0.83. Tutka-absorptiomittauksia tehtiin sekä pelkästään Fe- pitoiselle maalikerrokselle että yhdistelmäkerrokselle, jossa päällimmäisenä oli Al- pitoinen kerros. Näin saatiin määritettyä onko IR- suojaksi tarkoitetuilla Al- hiutaleilla merkittävää vaikutusta tutka-absorptiomittauksiin. Rautakarbonyyliseostettu maalikerros näyttäisi toimivan kohtuullisen hyvin. Määritetyt sähkömagneettiset parametrit olivat: permittiivisyys luokkaa ε r 6.1-j0.09 ja permiabiliteetti μ r 1.35-j0.5 taajuusalueella 10 GHz. Vastaavalla tavalla lasin päälle maalatun yhdistelmäkerroksen sähkömagneettiset parametrit olivat samaa luokkaa eli Al- pitoinen kerros ei vaikuta yhdistelmäkerroksen tutka-absorptioon heikentävästi. Kun tarvittavat materiaaliparametrit oli saatu mitattua, voitiin laskea heijastusvaimennus teräslevyn päällä olevalle maalikerrokselle. Kuvassa 6 on esitetty optimaalisella maalikerrospaksuudella maalatun teräsalustan vaimennus taajuuden funktiona. Taajuudella 10 GHz on maksimaalinen heijastusvaimennus 12 db.
Kuva 6. Optimaalisella kerrospaksuudella valmistetun maalikerroksen laskettu maksimi heijastusvaimennus tässä projektissa tutkitulla Fe- ja Al- pitoisella lakkasysteemillä. 5. Loppupäätelmät HYBRIDPAINT projektissa maalikerros toteutettiin kaksikerrosratkaisuna, jossa alempi kerros koostuu tutkasäteitä absorboivasta maalista ja sen päällä oleva, ulompi kerros toimii matalaemissiivisenä IR- suojana. Tällä ratkaisulla voitiin toteuttaa projektin tavoitteena ollut matalaemissiivinen ja tutkasäteitä absorboiva maalikerros. Maalikerroksille tehtyjen mikroskooppitarkastelujen pohjalta voitiin todeta täyteainepartikkeleiden jakautuneen tasaisesti koko maalikerroksen poikkileikkauksen alueelle: tutkimuksessa ei havaittu täyteainepartikkeleiden sedimentoitumista maalikerroksen pohjalle. IR- mittaukset suoritettiin lämpöhaudemittauksina, joissa havaittiin maaliin seostettujen Al- hiutaleiden täyteainepitoisuuden ja emissiviteettiarvon välillä johdonmukainen riippuvuus. Emissiviteettiarvo oli säädettävissä tasolle 0.70-0.77 seostuksen avulla. Saavutettua emissiviteettitasoa voidaan pitää hyvänä: alhaisemman emissiviteettitason omaavilla pinnoilla voi tulla ongelmaksi heijastukset, jotka mahdollisesti ovat helposti havaittavissa. Tutkaabsorptiomittauksissa todettiin rautakarbonyyliseostuksen toimivan kohtuullisen hyvin eikä yhdistelmäkerroksen päällä ollut Al- maalikerros aiheuttanut merkittäviä sähköisiä tai magneettisia häiriöitä mittaustuloksiin tutka-absorptiopuolella. Optimaalisella maalikerroksen paksuudella on mahdollista saavuttaa noin 12dB:n heijastusvaimennus 10 GHz:n taajuusalueella. Projektin loppuvaiheessa testattiin Al- hiutaleilla seostetun maalin toimivuus ruiskumaalauksessa. Testeissä voitiin ruiskumaalata projektissa kehitettyä maalia mm. teräs,- vaneri- ja lasialustoille. Haasteeksi tälle maali/täyteainepartikkeli-yhdistelmälle käytäntöön sovellettaessa voi osoittautua riittävän paksun kerroksen aikaansaaminen kustannustehokkaasti. Lisäksi jatkossa olisi hyvä testata maaliyhdistelmän kulumisja säänkestävyys.
6. Tutkimuksen tuottamat julkaisut ja muut mahdolliset raportit Projektin aikana ei syntynyt tieteellisiä julkaisuja tai muita raportteja. VTT Uudet materiaalit PL 1300, Tampere Pertti Kauranen Teknologiapäällikön varamies Liite 1 Kustannusselvitys projektikustannuksista
7. Hankkeen seuraajan lausunto raportista (Tutkimuksen hyödyntäjän tai seuranneen tahon esim. jaoston tai puolustushaaran lausunto projektin onnistumisesta ja tulosten hyödynnettävyydestä. Lausunnon pyytämisestä vastaa hankkeen johtaja. Vapaaehtoisesti täytettävä kenttä.)