Geri Dön

Design and fabrication of metamaterials for military applications

Askeri uygulamalar için metamalzeme tasarımı ve üretimi

PDF İndir

  1. Tez No: 856257
  2. Yazar: BETÜL YILDIRIM BUDAK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Engineering Sciences, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 93

Özet

Bir malzemenin ne tür özellikler sergileyeceği, içerdiği elementlere ve kimyasal bağlara bağlıdır. Gelişen nanoteknoloji ile birlikte malzemelerin optik, termal, mekanik ve elektronik özelliklerini atomik ve moleküler seviyede değiştirmek ve ihtiyaca uygun malzemeleri üretmek mümkün olsa da malzemelerin davranışları içerdikleri bileşenlerin özellikleri ile sınırlı kalmaktadır. Metamalzemeler, alt dalga boyu özelliklerinden dolayı gelen elektromanyetik dalgayı (EM dalgayı) soğurarak veya yansıtarak fiziksel olarak manipüle etme yeteneğine sahip maddelerdir. Metamalzemelerin geliştirilmesiyle malzeme özellikleri, bileşenlerinin kimyasal özelliklerinden ziyade birim boyutu ve şekli gibi geometrik tasarım parametrelerine bağlı duruma gelmiştir. Malzeme üzerine gelen elektromanyetik ve akustik dalgalar, arzu edilen özelliklere göre uyarlanmış parametreleri sayesinde bileşen özelliklerinin ötesinde davranış gösterirler. Metamalzemelerin uyarlanabilen özellikleri, askeri sistemlerin gereksinimlerine uygun özel malzemeler oluşturulabilmesinin yolunu açmıştır. Düşman tarafından yayılan elektromanyetik radyasyonun kolayca tespit edilebilmesi veya düşman sistemlerine karşı görünmezlik gibi operasyonların gerçekleştirilmesi için her zaman özel malzemelere ihtiyaç duyulmuştur. Bu malzemelerle oluşturulan cihaz kaplamaları günümüz askeri uygulamalarında kullanılmaktadır. 2. Dünya Savaşı sırasında geliştirilen radar teknolojisi ile bir cismin radar menzilinde olup olmadığı tespit edilebilir. Radar ile ortamdaki bir cisim, ortama elektromanyetik dalgaların gönderilmesi ve bir cisimle çarpıştığında yansıyan dalgaların sistem tarafından geri toplanması yoluyla tespit edilir. Gelişen radar teknolojisi ile birlikte radar sisteminden gizlenme teknolojisine ulaşmak da önemli bir askeri hedef haline gelmiştir. Bir cismin radar tarafından tespit edilememesi için cismin radar kesit alanının (RKA) azaltılması gerekmektedir. RKA düşürmek için gereken teknolojiler aktif ve pasif iptal etme, hedef cismin geometrisi ve kullanılan malzemeler olmak üzere dört sınıfta toplanabilir. Radar sinyallerini başka bir sinyal üreteci ile iptal etmek ve keskin kenarlı yapılar tasarlamak radar kesitini azaltmada etkili yöntemlerdir. Örneğin, yüzey geometrisi düz yüzeyler ve keskin kenarlarla oluşturulduğunda, gelen dalga geldiği yöne dönmek yerine farklı bir yöne saçılır. Geometrinin iki veya daha fazla yöne paralel hizalanmış çizgileri olduğunda, radarın onu bir hava aracı yerine bir kuş sürüsü gibi birden fazla hareketli nesne olarak algılamasına neden olur. Bu şekilde araç antene yaklaşana kadar farklı algılanacağı için zaman kazanılabilir. Radar sistemi tarafından tespit edilmekten kaçınmak, aynı anda birden fazla faktöre bağlı olan karmaşık bir hedeftir. Bu nedenle, tüm senaryolar göz önünde bulundurularak bu kategorilerin bir kombinasyonunun kullanılması etkili bir çözüm olacaktır. Bir cismin radarla arka plandan ayırt edilemez hale gelmesi için geliştirilen çözümlerden biri de bu radar dalgalarını soğurarak gönderilen sinyallerin minimuma indirilmesini sağlamaktır. Bir araç böyle bir soğurucu malzeme ile kaplanırsa, RKA önemli ölçüde azaltılabilir. RKA yükselten bileşenler araştırıldığında, hava aracı üzerindeki antenlerin önemli bir yansıma kaynağı olduğu fark edilmiştir. Ancak antenler bu frekansları soğuran malzemelerle kaplanırsa kendi işlevini yerine getiremez. Bu nedenle, uçak veya araç antenlerinin çalıştığı frekanslara şeffaf, diğer tüm frekanslara opak bir davranış sergileyen bir çözüm bulunmalıdır. Böylece dahili antenin çalışmasına engel olmadan RKA azaltılabilir. İstenilen frekansları geçirecek ve istenmeyen frekansları bloke edecek şekilde tasarlanabilen metamalzeme yapılara frekans seçici yüzeyler (FSY) denir. Bu yüzeyler, seçici davranış istenen bölgelere kaplama olarak uygulanan periyodik desenlerden oluşur. Bu örüntülerin şekli, boyutu, periyodisitesini birleştiren uygun bir tasarım ile istenen frekanslarda çalışma sağlanabilir.“Radar”ve“dome”kelimelerinin birleşiminden oluşan radom, radar antenini harici mekanik tehlikelerden koruyan ve FSY ile kaplanan bir yapıdır. Radom yüzeyinin kompozit yapısına gömülü FSY katmanları, tek veya çok katmanlı olarak uygulanabilir. Bu katmanlar üzerindeki örüntüler birbirinin aynısı olabileceği gibi, farklı örüntülerin birbiri ile birleştirilmesinden oluşan etkileşimlerden de faydalanılabilir. İstenen sonuçlara ulaşmak için ele alınması gereken çeşitli zorluklar vardır. Optimum sonucu elde etmek için FSY tipi ve parametreleri doğru seçilmelidir. Aksi durumda, kötü tasarlanmış bir yapı RKA değerinin yükselmesine neden olabilir. Frekans seçici yüzeyler üzerine yapılan son çalışmalarla elektromanyetik hesaplamalarda önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Ancak üretim süreçleri ile ilgili çalışmaların henüz o kadar olgun olmadığı söylenebilir. Tasarlanan yüksek performanslı FSY yapıları, değişen sayıda katman ve çeşitli altlıklarla simüle edilebilse de, bu tasarımlar simülasyona yakın ölçümler verecek şekilde üretilmedikçe hayata geçirilemez. Bu tezin amacı, malzeme bilimi ve elektromanyetik alanlarında disiplinlerarası bir çalışma yaparak askeri uygulamalarda kullanılmak üzere tasarlanmış frekans seçici yüzey desenlerinin tek katman cam fiber kumaş üzerine yüksek doğrulukla aktarılmasını sağlamaktır. Kumaş yüzeyinde frekans seçici desenler oluşturmak, desenlerde sürekli iletkenlik elde etmek, simüle edilen sonuçlara mümkün olduğunca yakın elektromanyetik ölçümler elde etmek ve üretim sırasında karşılaşılan sorunlara çözüm bulmak çalışmanın ana hedefleridir. Metalik desenlerden oluşan FSS yapılarının frekans cevabı CST Studio programı kullanılarak simüle edilmiştir. Bant durdurma ve bant geçirme özelliklerine sahip“artı”ve“kafesli daire”şekillerinde olmak üzere iki farklı tipte FSY yapısı tasarlanmıştır.“Artı”tasarımın parametreleri değiştirildiğinde oluşan frekans ve desibel kaymaları yorumlanmıştır. Ayrıca iki katmanlı versiyon kullanıldığındaki performansı ve üç boyutlu bir yapıya dönüştüğünde frekans cevabındaki değişimleri incelenmiştir. Daha ince ve üretilmesi hassasiyet gerektiren bir tasarımı olduğu için, üretim aşamalarının optimizasyonunda“artı”tasarımı kullanılmıştır. Ardından optimize edilmiş üretim parametreleriyle bant geçiren ve bant durduran“kafesli daire”tasarımları büyük ölçekteki kumaş üzerine aktarılmıştır. Üretim aşamasında, cam fiber kumaş altlık üzerinde periyodik metalik desenlerin oluşturulması amacıyla karar verilmesi gereken 2 aşama bulunmaktadır: 1. Kaplama tekniği 2. Desen aktarma tekniği Üretim tekniklerine karar verilmeden önce kullanılması muhtemel yöntemler incelenmiştir ve kumaş türü, kullanılacak metaller ve laboratuvar imkanları göz önünde bulundurularak bakır elektrodepozisyonu, katodik ark biriktirme, magnetron saçtırma biriktirme, folyo laminasyonu ve fotolitografi olmak üzere farklı deneysel yolların uygulanmasına karar verilmiştir. Seçilen yöntemlere göre 4 farklı deney planı kurgulanmıştır. Deneylerin uygulanması ayrıntılı bir şekilde aktarılmıştır. Ölçüm sonuçları, katodik ark biriktirme tekniği ile kaplanan kumaşın metalik yüzeyinde tüm yönlerde sürekli iletkenlik elde edildiğini göstermektedir. Ayrıca simülasyon ile karşılaştırıldığında, folyo laminasyon tekniği ile üretilen numunenin oldukça benzer bir frekans cevabı verdiği görülmüştür.

Özet (Çeviri)

Metamaterials are substances with the ability to physically manipulate electromagnetic waves (EM waves) by absorbing or reflecting waves because of their subwavelength properties, and metamaterials with subwavelength thickness are categorized as metasurfaces. EM waves in a specific frequency range can be passed through or blocked using the electrical polarization property of metasurfaces. Identical two-dimensional arrays of elements are placed on a dielectric substrate to produce frequency selective surfaces (FSS). These element arrays can be designed in a variety of ways. If the EM wave's frequency is the same as the resonance frequency of the element pattern, it will either be totally or partially transmitted (pass-band) or reflected back (stop-band) when it reaches the surface. One of the most common applications of FSSs, which are frequently used in military applications, is the radome coatings that behave as permeable at the operating frequencies of the antenna and reflective at other frequencies. Integrating these surfaces into composite structures is preferred to provide mechanical requirements for airborne systems. Therefore, single or multi-layer frequency selective surfaces according to the desired performance should be integrated between the layers of the composite. Significant progress has been made in electromagnetic calculations with recent studies on frequency selective surfaces. Although the high-performance FSS structures can be designed and simulated on various layer numbers and surfaces, there are many challenges in the fabrication of these designs. The aim of this thesis is to conduct an interdisciplinary study in the fields of materials science and electromagnetics, to present a design proposal for the improvement of the electromagnetic response of frequency selective surface patterns designed for use in military applications, as well as to transfer frequency selective patterns on a fabric surface, to obtain continuous conductivity in the patterns, to obtain electromagnetic measurements as close as possible to the simulated results and to find solutions to the problems encountered during production. The FSS structures consisting of metallic patterns were created using the CST Studio program. In the fabrication stage, different experimental paths with magnetron sputtering deposition together with copper electrodeposition, cathodic arc deposition, foil lamination and photolithography are applied. Measurement results show that continuous conductivity was obtained in all directions on the metallic surface of the fabric coated with cathodic arc deposition technique. Also, foil lamination technique gives free space measurement results quite compatible with the simulation. Thus, a detailed study was brought into the literature on the production of patterns.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    428737

    Geniş bantlı metamalzeme tabanlı mikroşerit anten yapıların tasarım, optimizasyon, fabrikasyon ve ölçümleri

    Design, optimization, fabrication and measurements of wide band metamaterial based microstrip antenna structures

    HÜSEYİN AKÇELİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Bilim ve TeknolojiKara Harp Okulu Komutanlığı

    Teknoloji Yönetimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HASAN KOÇER

    DR. ERDAL TORUN

  2. Tez No

    488478

    Mikrodalga ve terahertz bölgesinde anten, yapay manyetik iletken ve enerji hasatına yönelik metamalzemelerin tasarım, üretim ve ölçümü

    Design, fabrication and measurement of metamaterials for the application areas of antennas, artificial magnetic conductor, and energy harvesting in microwave and terahertz region

    SULTAN CAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ASIM EGEMEN YILMAZ

  3. Tez No

    484354

    Yüzeyde güçlendirilmiş spektroskopi uygulamaları için plazmonik nanoanten tabanlı fotonik metamalzemelerin tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu

    Design, fabrication and characterization of plasmonic nanoantenna based photonic metamaterials for surface enhanced spectroscopy applications

    ERDEM ASLAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Mühendislik BilimleriErciyes Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER GALİP SARAÇOĞLU

  4. Tez No

    695320

    Dielektrik çok katmanlı geniş bantlı kızılötesi metamalzeme soğurucunun tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu

    Design, fabrication and characterization of a dielectric multilayer broadband infrared metamaterial absorber

    BUKET AKIN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Fizik ve Fizik MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞEMSETTİN ALTINDAL

  5. Tez No

    851533

    Development of nanostencil lithography and its applications for plasmonics and vibrational biospectroscopy

    Nanoşablon litografisinin geliştirilmesi ve plazmonik yapılar ile titreşimli biospektroskopi uygulamaları

    SERAP AKSU RAMAZANOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Fizik ve Fizik MühendisliğiBoston University

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HATİCE ALTUG

Geri Dön