Carbon-based electrically conductive composite materials and coatings for stealth technology

Thumbnail Image

Files

master_Kuismin_Niko_2023.pdf (3.04 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2023-06-13

Department

Major/Subject

Functional Materials

Mcode

CHEM3025

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

70

Series

Abstract

The main objective of this research considered design, fabrication and characterization of two different carbon-based composite structures as potential radar absorbing materials at frequency range of 8-12 GHz. The carbon-based composite structures would need to have conductivity, porosity, low density and possibly other properties such as water repellent properties. To achieve the research objective and the desired material properties, FDM 3D printing was utilized to fabricate two different carbon-based composite structure designs. FDM 3D printing was utilized to fabricate an inverted hollow pyramid structure based on previous researchs. The structure was made of PLA in size of 150x150x2.1 mm with low porosity. The 3D printed inverted hollow pyramid structure was surface treated and subsequently spray coated with water resistant conductive ink (resistivity 1.2 mOhmm) with varying deposition times using a commercially available airbrush. FDM 3D printing was also utilized to fabricate a radar absorbing hexagonal honeycomb (RAHH) structure based on previous researchs. The RAHH structure in size of 150x150x4.25 mm consisted of 6 continuous carbon fiber layers and 18 polymer layers and it was fabricated directly by using a composite 3D printer producing resistivity of 2.4 mOhmm to the structure. All fabricated carbon-based composite structures were characterized with scanning electron microscope, two point probe and radiofrequency measurements to evaluate film thickness, electrical resistivity and reflection attenuation properties. The radiofrequency measurements revealed that two spray coated inverted hollow pyramid structures provided reflection attenuations of -10 and -14 dB with high transmission attenuation with film thickness of 18 microm and 27 microm respectively at frequency range of 8-12 GHz. The spray coated structures were partly in scope of research target (-10 dB reflection attenuation) while not providing low transmission attenuation. RAHH structure provided reflection attenuation of -4 dB with high transmission which was not in scope of the research target. Conductive foams or carbon fiber tissues could be attached to the back plate of the structures to produce multilayer conductive structure to achieve low transmission attenuation. By lowering the radar cross section, structural design and thickness affects to the ability to absorbs radiation. By these corrections, the structures would exhibit numerous reflections while absorbing radar radiation producing a promising radar absorbing material.

Tämän tutkimuksen päätavoitteina oli suunnitella, valmistaa ja karakterisoida kaksi erilaista hiilipohjaista sähköä johtavaa komposiittirakennetta potentiaalisina tutkasäteilyä absorboivina materiaaleina taajuusalueella 8-12 GHz. Hiilipohjaisilla sähköä johtavilla komposiittirakenteilla tulisi olla pieni tiheys, huokoisuutta, sähkönjohtavuutta sekä mahdollisesti myös muita ominaisuuksia kuten vettä hylkiviä ominaisuuksia. Tutkimustavoitteiden ja haluttujen materiaaliominaisuuksien saavuttamiseksi FDM 3D-tulostusta hyödynnettiin kahden erilaisen hiilipohjaisen sähköä johtavan komposiittirakennemallin valmistuksessa. FDM 3D-tulostusta hyödynnettiin aiempien tutkimusten perusteella käänteisen ja onton pyramidirakenteen valmistamiseen. Kyseinen rakenne, jonka koko oli 150x150x2.1 mm tulostettiin PLA polymeeristä ja sillä saavutettiin matala huokoisuusarvo. 3D-tulostettu käänteinen ja ontto pyramidirakenne pintakäsiteltiin ja sen jälkeen ruiskupinnoitettiin vettä hylkivällä ja sähköä johtavalla musteella (resistiivisyys 1.2 mOhmm) vaihtelevilla kerrostumisajoilla kaupallisesti saatavilla olevalla kynäruiskulla. FDM 3D-tulostusta hyödynnettiin myös aiempien tutkimusten perusteella tutkasäteilyä absorboivan kuusikulmaisen hunajakennorakenteen valmistukseen. Kuusikulmainen hunajakennorakenne oli kooltaan 150x150x4.25 mm ja se koostui 6 jatkuvasta hiilikuitukerroksesta ja 18 polymeerikerroksesta ja se valmistettiin suoraan käyttämällä komposiitti 3D-tulostinta, joka tuotti rakenteeseen 2.4 mOhmm resistiivisyyden. Kaikki valmistetut hiilipohjaiset sähköä johtavat komposiittirakenteet karakterisoitiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, kaksipistemittauksella ja radiotaajuusmittauksilla kalvonpaksuuden, sähköisen resistiivisyyden ja rakenteiden heijastusvaimennusominaisuuksien arvioimiseksi. Radiotaajuusmittauksien tulokset paljastivat, että kaksi ruiskupinnoitettua käänteistä onttoa pyramidirakennetta tarjosivat -10 ja -14 dB heijastusvaimennuksen korkealla läpäisyvaimennuksella taajuusalueella 8-12 GHz kalvonpaksuuksien ollessa 18 microm ja 27 microm. Nämä kaksi tulosta olivat heijastusvaimennuksen osalta tutkimustavoitteen sisällä (-10 dB heijastusvaimennus) mutta korkea läpäisyvaimennus ei ollut tutkimustavoitteen sisällä. Kuusikulmainen hunajakennorakenne tarjosi heijastusvaimennuksena -4 dB korkealla läpäisyvaimennuksilla, jonka tulos oli kaukana tutkimustavoitteesta. Sähköä johtavia vaahtoja tai hiilikuitukankaita voitaisiin kiinnittää rakenteiden takalevyyn monikerroksisen sähköisesti johtavan rakenteen sekä alhaisen läpäisyvaimennuksen tuottamiseksi. Myös rakenteen kerrospaksuuudella voidaan vaikuttaa säteilyn absorbointikykyyn vähentämällä tutkan poikkileikkausta. Näillä parannuskeinoilla saavutettaisiin lupaava tutkasäteilyä absorboiva materiaalirakenne.

Description

Supervisor

Franssila, Sami

Thesis advisor

Jokinen, Ville

Keywords

composite materials, electrically conductive coatings, additive manufacturing, fused deposition modeling, stereolithography, stealth technology

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202306184048

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM