Infrared low observable material design, synthesis and characterization
Kızılötesi düşük gözlenebilir malzeme tasarım, sentez ve karakterizasyonu
- Tez No: 782645
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSNÜ EMRAH ÜNALAN, PROF. DR. ALPAN BEK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Metallurgical Engineering, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 145
Özet
Kızılötesi düşük görünürlük teknolojisi, kızılötesi arama ve takip sistemlerinin sahada verimli operasyonlar gerçekleştirmesi ile birlikte havacılık ve savunma endüstrisinde ön plana çıkmıştır. Elektromanyetik prensipler doğrultusunda malzeme bilimi ve mühenisliğine dayalı uçak yüzeyine uygulanan kaplamalar için geliştirilen pigment malzemeleri bu konuda kritik rol oynamaktadır. Bu bağlamda, malzemenin kızılötesi radyasyon oranını belirleyen emisivite parametresi göz önünde bulundurularak, literatürde kızılötesi düşük-emisvite partikül çalışmaları yapılmıştır. Partikül çalışmalarında, 8-14 µm kızılötesi dalga boyu aralığında düşük görünür yapılar elde edilse de, düşük görünürlük gereksinimlerinden olan radar ve görünür bölge görünmezliği en büyük zorluğu oluşturmuştur. Çoklu dalga boyu aralığında düşük görünürlük sağlamak için geliştirilen çekirdek-kabuk partiküller bu konudaki verimli çalışmalar olmuştur. Literatürde bu konuda yapılan çalışmalarda, radar ve görünür bölge için verimli sonuç alınsa da yeterince düşük kızılötesi emisivite elde edilememiştir. Bunun yanında, literatürde geliştirilen parçacıkların kaplama formundaki verimliliğinin araştırıldığı kısıtlı sayıda çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmada, kızılötesi düşük emisivite çekirdek-kabuk parçacıkların geliştirilmesine odaklanılıp, bunun yanında radar ve görünür bölge yansıtma oranları da göz önünde bulundurulmuştur. İlk adımda, çekirdek-kabuk parçacıkların geliştirilmesi için literatürde bulunan çalışmalardan aday malzemeler araştırılmış, çekirdek için bu konudaki en verimli malzeme olan alüminyum, kabuk için Fe3O4, SiO2, TiO2 ve ZnO belirlenmiştir. Belirlenen malzemelerin kabuk kalınlığına göre, metal çekirdek - metal oksit kabuk formunda aynı şartlardaki simülasyon ortamında kızılötesi yansıtma performansları FDTD metodu ile analiz edilmiş, Al/ZnO çekirdek-kabuk partikül, tüm kalınlıklardaki en yüksek performansı göstererek, sentez malzemesi olarak belirlenmiştir. Solvotermal sentez yöntemi ile sıcaklık ve Zn molar oranına göre üretilen Al/ZnO parçacıkların XRD, SEM-EDX yöntemleri ile yapısal analizleri gerçekleştirilmiş, malzeme doğrulanmıştır. Malzemeler, havacılık standartlarındaki poliüretan ile birleştirilip, malzeme kompozit haline getirilmiştir. İlk olarak, toz ve kompozit malzemelerin 8-14 µm FTIR spektrometresi soğurma ve yansıtma performansları incelenmiş, sonrasında UV-Vis spektrofotometresi ile malzemelerin görünür bölge yansıtma oranları araştırılmıştır. Toz malzemelerden %0.48 yansıtma oranına sahip alüminyuma en yakın performans gösteren %1.66 en düşük soğurma oranı ile 0.005 mol Zn oranına sahip ve 150 C reaksiyon sıcaklığı ile sentezlenen, pulcuk morfoloji içeren Al/ZnO çekirdek-kabuk malzeme, alüminyum plaka ve cam altıklara kaplanan kompozit formda da uyumlu sonuçlar vermiştir. Kompozit malzemelerin 60, 80 ve 100 C° sıcaklıklarda termal görüntüleme testleri yapılmış, 0.888 emisivite değerine sahip Al-bazlı malzemeye en yakın değeri 0.931 ile Al/ZnO kompozit vermiştir. Son olarak malzemenin ağırlıkça kompozit dolgu oranına göre emisivite oranındaki değişim incelenmiştir. Ağırlıkça 2/1 partikül/bağlayıcı oranındaki kompozit malzemelerden en düşük Al partiküllü 0.724, Al/ZnO partiküllü olan ise 0.805 emisivite değeri elde edilmiştir. Ayrıca, aynı dolgu oranındaki saf Al ve Al/ZnO bazlı kompozitlerden, çekirdek kabuk oranı artırıldığında, saf alüminyuma göre daha düşük emisivite değerinin elde edildiği kanıtlanmıştır. En düşük emisivite değerini veren kompozit malzemelerin X-band radar soğurma performansları incelenmiş, core/shell parçacığa sahip kompozit malzemelerden, %51 ile alüminyum bazlı kaplamalara göre %10 düşük yansıtma oranı elde edilmiştir. Bu çalışmada, alüminyum partikül üzerinde büyütülen ZnO nanoparçacıkları ile, kızılötesi düşük emisivite partiküller üretilmiş, bunun yanında görünür bölge ve radar soğurma performansları alüminyuma göre iyileştirilmiştir. Sonuç olarak, görünmezlik teknolojisinin tüm gereksinimleri göz önüne alındığında, LWIR düşük radyasyon sağlamanın yanı sıra, çekirdek-kabuk yapıların radar ve görünür bölge düşük görünürlüğü karşılamak için umut verici malzemeler olduğu kanıtlanmıştır.
Özet (Çeviri)
In recent years, infrared low-observable technology has come to the fore in the aerospace and defense industry to conceal military aircraft against rapidly developing infrared search and tracking systems. Pigment materials developed for coatings applied to aircraft surfaces based on materials science and engineering in line with electromagnetic principles play a crucial role in this regard. Although low-observable structures were obtained in the 8-14 µm infrared wavelength range in particle studies, radar and visible region invisibility, which are among the stealth requirements, posed the major challenge. Core/shell particles developed to provide low observability in the multiband range resulted in succesful demonstrations on this subject. Although efficient results were obtained for the radar and visible region in the literature, sufficiently low infrared emissivity could not be obtained. In addition, there are only limited number of studies investigating the efficiency of the particles embedded in the coating in the literature. In this study, the focus is on the development of infrared low emissivity core/shell particles, as well as radar and visible region reflectance. In the first step, candidate materials were screened for the development of core/shell particles. Aluminum, which is the most efficient material in this field, was determined as the core, and magnetite (Fe3O4), silica (SiO2), titania (TiO2) and zinc oxide (ZnO) were determined as the shell materials. Depending on the shell thickness of the determined materials, 8-14 µm infrared reflectance performances in the form of metal/metal oxide core/shell particles in the simulation environment under the same conditions were analyzed by FDTD method. Al/ZnO core/shell particles were decided to be synthesized, showing the highest performance in all shell thicknesses. Solvothermal synthesis method was used for the synthesis of Al/ZnO core/shell particles and the effect of temperature and Zn molar ratio were investigated in detail. A systematic material characterization study was performed on the Al/ZnO particles using X-Ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-Ray Analysis (EDX) methods. Following characterisation, powders were combined with aerospace-standard polyurethane by 1/1 weight ratio and the composites were coated onto glass and aluminum substrates. Firstly, 8-14 µm FTIR spectrometer transmittance and reflectance performances of powder and composite coatings were investigated, and then the visible region reflectance of the composite coatings were investigated with UV-Vis spectrophotometer. As the closest value to Al absorbance, Al/ZnO core/shell powder with flake-shaped shell structure synthesized at a reaction temperature of 150 °C demonstrated the closest absorbance to Al in LWIR band. The absorbance and reflectance characteristics of the PU-matrixed composite coatings with pure Al and core/shell particles were evaluated. The average FTIR reflectance of the core/shell composite coating closest to composite coating with Al particle was measured as 45.45%. The results obtained from coatings were consistent with the powder samples. Thermal images of composite materials were obtained at 60, 80 and 100 °C, and the closest value to Al/PU composite coating (emissivity of 0.888) was obtained from Al/ZnO composite coating (emissivity of 0.931). The coatings of Al/PU and Al/ZnO/PU resulted with low-emissivity in previous test were examined depending on the filler fraction from 0.5/1 to 2/1 by weight. The lowest emissivity values of 0.724 and 0.805 were measured in Al/PU and Al/ZnO/PU composite coatings at a particle/binder ratio of 2/1 by weight, respectively. In addition, it has been proven that lower emissivity values were obtained from Al/ZnO-filled composites than pure Al/PU composites when the core/shell filler fraction is increased. The X-band radar absorbance performances of the composite materials with the lowest emissivity value were examined. As average, X-band radar reflectance was decreased by 10% and visible reflectance was reduced by 4.1% in composite materials with core/shell particles when compared to Al/PU composite coatings. In this study, the visible band absorbance and radar absorbance performances were improved compared to pure Al with development core/shell particles. Consequently, considering all the requirements of stealth characteristics, besides providing LWIR low radiation, it has been proven that the core/shell structures are promising materials to meet radar and visible range low observability.
Benzer Tezler
- Investigating the emission properties and the geometry of black hole X-ray binaries in the outburst cycle
Karadelik X-ışın çiflerinin ışıma özellikleri ve geometrisinin patlama döngüsünde incelenmesi
ARMIN VAHDAT MOTLAGH
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAZIM YAVUZ EKŞİ
- Lageos I ve lageos II için doğruluk analizi
Başlık çevirisi yok
GAYE KIZILSU
Doktora
Türkçe
1998
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiÖlçme Tekniği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMET ŞAHİN
- The effect of ecotoxicants on the aquatic food web and prey-predator relationships
Çevresel kirleticilerin sucul besin ağı ve av-avcı ilişkilerine olan etkileri
SARA BANU AKKAŞ
Doktora
İngilizce
2009
BiyolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FERİDE SEVERCAN
PROF. DR. MERYEM BEKLİOĞLU YERLİ
- RV TAU türü post-AGB yıldızlarında kırmızıöte özellikler ve kimyasal bolluklar
Infrared properties and chemical abundances of RV TAU type post-AGB stars
İLKNUR GEZER
Doktora
Türkçe
2016
Astronomi ve Uzay BilimleriEge ÜniversitesiAstronomi ve Uzay Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEYNEP BOZKURT
- Termal görüntülere derin öğrenme tabanlı süper çözünürlük yöntemlerinin uygulanması
Application of deep learning based super resolution in thermal images
CANER CİVE
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENDER METE EKŞİOĞLU