Caracterização das propriedades dos materiais poliméricos para aplicações automotivas

Sua tarefa

Normalmente, os para-choques automotivos têm várias camadas: material de base estrutural, primer, pintura e o verniz automotivo. O material de base estrutural é geralmente polipropileno (PP) ou policarbonato (PC) e dá forma ao para-choque. O material de base geralmente compõe a camada mais grossa. No entanto, a camada base não é necessariamente o que mais influi sobre os sinais de radar, já que esta geralmente pode ser adaptada com vários enchimentos que ajustam as propriedades da camada para melhorar a resistência aos raios UV, a rigidez, a atenuação do radar, entre outros aspectos.

O primer é aplicado como uma segunda camada para ajudar a pintura a aderir ao material de base. Normalmente, a camada de primer tem alguns micrômetros de espessura. A medição da espessura dessa camada e das subsequentes pode envolver alguma imprecisão.

A terceira camada é a pintura aplicada sobre o primer. A espessura da camada de pintura depende da opacidade da tinta e geralmente é muito fina.

Para protegê-la das influências do ambiente, uma camada de verniz é aplicada como a quarta e última camada.

São necessárias informações precisas sobre a espessura de cada camada para estimar suas propriedades eletromagnéticas. Um microscópio eletrônico de varredura determina a espessura de cada camada (veja a Fig. 1).

Todas as camadas devem ser caracterizadas de forma independente. A descrição a seguir usa quatro amostras diferentes para caracterizar todas as quatro camadas:

• Primeiro, apenas o material de base é analisado
• Depois, o primer é aplicado ao material de base caracterizado e logo analisado
• A terceira e a quarta etapas seguem a mesma lógica de aplicar a próxima camada à anterior

A amostra deve ser destruída para criar o micrograma. Todas as medições acima devem ser feitas antecipadamente. A seção a seguir examina a análise de radiofrequência necessária das amostras.

Frequência típica de radar automotivo: f_radar= 76.5 GHz, comprimento de onda: λ₀= 3.92 mm.

O comprimento de onda dentro de um determinado material com a permissividade relativa_ré calculado da seguinte forma:

Utilizando a amostra de chapa de polipropileno (PP) com ε_r ~ 2.5, o comprimento de onda na chapa de PP é calculado como λ_pp= 2.34 mm. Como a permissividade reduz o comprimento de onda, ela pode ser calculada usando a fase medida se a espessura do material a ser testado for conhecida. O procedimento geral está demonstrado abaixo.

Cálculo da permissividade usando diferenças de fase relativas

O R&S®QAR50 é normalizado para propagação no ar e cada material posicionado entre os dois agrupamentos altera a fase nas antenas receptoras. Para caracterizar a amostra, queremos a diferença de fase resultante do material dentro do caminho de medição.

Para fins de referência, a fase Φ em graus sobre a distância d no espaço livre é calculada da seguinte forma:

A fase Φ' através do material de espessura d' é calculada assim:

A mudança de fase δΦ observada pelo R&S®QAR50 é a diferença entre Φ e Φ', e é igual a:

Com uma chapa de PVC de 2,92 mm e uma estimativa de permissividade ε_rde aproximadamente 2,5, a diferença de fase esperada é δΦ ou quase 158°.

Como estamos medindo a diferença de fase δΦ com o R&S®QAR50 e queremos calcular a permissividade ε_r, a fórmula acima deve ser convertida em:

A permissividade resultante não é única, pois a diferença de fase pode ser, de forma inesperada, múltipla de 360°. Todas as soluções possíveis podem ser calculadas para n Σ N₀.

Quando uma amostra tem diversas camadas, todas as camadas (exceto a que será determinada) precisam ser caracterizadas previamente. Só então as camadas conhecidas poderão ser normalizadas.

O R&S®QAR50 tem um software para facilitar os cálculos. A calculadora de permissividade utiliza resultados precisos de medição de fase do R&S®QAR50 e pode ser vista no exemplo abaixo.

Caracterização de uma amostra de para-choque pintado

Usando o mesmo conjunto de amostras acima, a espessura das diferentes camadas é conhecida e as placas com camadas individuais estão disponíveis para caracterização. Consulte a Fig. 1 para ver a espessura das camadas individuais.

A chapa de PP da base tem uma espessura de 2,92 mm para uma diferença de fase medida de cerca de 153° a 76,5 GHz. Usando os resultados da medição como parâmetros de entrada, a ferramenta calcula um ε_r= 2.47 para essa chapa específica. A Fig. 2 mostra o resultado do cálculo no software.

Usando a ferramenta de cálculo de radiofrequência descrita abaixo, a espessura ideal d_optpode ser derivada dos mínimos para perda de transmissão e reflexão. Os mínimos de reflexão estão correlacionados à frequência de ressonância da amostra e ocorrem em múltiplos da metade do comprimento de onda dentro do material:

Para caracterizar as camadas restantes, o material de base deve ser normalizado. Como a permissividade do material agora é conhecida, a camada de primer também pode ser normalizada.

Uma camada de normalização é adicionada ao software e o próximo resultado de medição é carregado.

A normalização pode ser feita em uma medição anterior ou adicionando manualmente uma camada com espessura e permissividade definidas. No nosso exemplo, a camada de normalização que tem uma espessura de 2,92 mm e ε_r= 2.47 é adicionada manualmente e visualizada no lado direito da ferramenta. Com base na espessura medida do primer (consulte a Fig. 1) e na mudança de fase medida de 5,3° do R&S®QAR50, a permissividade estimada para o primer é ε_r= 18.3. O resultado pode ser visto na Fig. 3.

Assim que a segunda camada é caracterizada, as camadas restantes podem ser estimadas usando as etapas descritas acima. As camadas caracterizadas são adicionadas para normalização e a ferramenta calcula a permissividade desconhecida.

Como as espessuras das camadas nas amostras podem ser diferentes, tenha cuidado ao adicionar camadas de normalização. A Fig. 4 mostra a micrografia das amostras com um microscópio óptico. Diferenças significativas na espessura da camada de pintura podem ser observadas na amostra intermediária #3 (para caracterizar a pintura) e na amostra #4 (para caracterizar o verniz).

Influência da imprecisão na medição
Tenha cuidado com as medições de espessura, pois ambos os valores têm a mesma influência na permissividade calculada. A Fig. 5 ilustra o impacto da espessura inexata nas medições de fase de transmissão: um revestimento com uma espessura de d = 20 μm e uma mudança de fase resultante de Δφ = 6° resulta em uma permissividade com um ε_rde aproximadamente 17,8. Para ilustrar a influência de medições imprecisas de fase e espessura, ambos os parâmetros são avaliados em relação às precisões de medição típicas: ±3 μm para a medição de espessura e ±1° para a fase de transmissão. A Fig. 5 mostra que a permissividade relativa calculada resultante no eixo x varia drasticamente quando os resultados da medição se tornam cada vez mais imprecisos. Tome cuidado ao medir as características de radiofrequência de um material e ao determinar a espessura das camadas.

O efeito revelado anteriormente é menos significativo para materiais com menor permissividade (por exemplo, PC ou PP), que geralmente são usados como material de base no processo de revestimento.

Otimização da propriedade dielétrica
Para simular materiais e grupos de materiais e criar uma réplica virtual de um radome, a permissividade e o fator de perda devem ser conhecidos. A permissividade relativa εr se correlaciona com o fator de compressão do comprimento de onda dentro do material, enquanto o tan δ (fator de perda) caracteriza a atenuação específica de um sinal transmitido da camada.

A calculadora de permissividade da Rohde & Schwarz pode calcular ambos os parâmetros e é ideal para simulações de camadas de radome.

As ferramentas para estimativa das propriedades dielétricas estão no canto inferior esquerdo do software de cálculo de permissividade. A calculadora usa um otimizador que busca encontrar o melhor ajuste entre as respostas em frequência medidas e calculadas com base nos fatores de permissividade e perda. Há dois modos de operação disponíveis:

• «Fixed εr obtained by transmission phase» (εr fixo obtido a partir da fase de transmissão) otimiza apenas o tan δ enquanto a permissividade relativa permanece fixa
• Desmarcado, o otimizador tem mais liberdade para melhorar a permissividade relativa; a permissividade relativa calculada a partir da fase de transmissão funciona como o valor inicial

Ambos os métodos levam a resultados muito semelhantes para a maioria dos materiais. A fase de transmissão pode ser medida com muita precisão e é sempre um bom ponto para iniciar a otimização.

As respostas em frequência medidas e calculadas podem ser ilustradas após a execução da otimização para orientação. A função «plot Opt. results» (ilustrar resultados otimizados) ilustra a resposta em frequência para o material medido, assim como para o material virtual, usando as propriedades do material calculadas anteriormente. O operador deve verificar a validade dos resultados de ambos os métodos. As Figuras 6 e 7 mostram os gráficos gerados. A Fig. 6 foi criada usando a permissividade fixa da fase de transmissão. A Fig. 7 foi criada ao otimizar as tangentes de permissividade e perda para obter a resposta de frequência mais adequada. O material medido anteriormente com o R&S®QAR50 é usado para estimar o fator de perda.

A otimização da permissividade e do fator de perda é um pouco mais adequada no nosso exemplo.

Ferramenta de otimização de camadas

A ferramenta de otimização de camadas, que esta ao lado direito da calculadora de permissividade, ajuda a simular várias camadas de pintura e a avaliar o efeito de quaisquer diferenças na espessura da camada.

As frequências de início e parada representam a banda de radar usada para a aplicação desejada. Um gêmeo digital de uma peça é criado usando os parâmetros do material obtidos anteriormente para uma chapa de camada única. O botão «calculate optimal thickness» (calcular espessura ideal) pode ser usado para uma simulação de radiofrequência das camadas. Os resultados do cálculo para a espessura e o material da amostra estão na Fig. 8.

Na Fig. 8, a espessura ideal para uma chapa de camada única é de 2,47 mm. Essa espessura se aplica aos revestimentos de radar não pintados. Para simplificar, suponha que, em vez de ter três camadas (primer, pintura e verniz), uma única camada seja aplicada ao material de base. A camada adicionada tem uma espessura de d = 20 μm e um ε_r= 15 com um tan δ = 0,02. A camada representa a pintura típica usada no setor automotivo.

O desafio ainda é o mesmo: queremos uma espessura ideal de material de base para uma camada de tinta. Depois de adicionar a camada à ferramenta de simulação de radiofrequência, podemos realizar os mesmos cálculos vistos na Fig. 8. Suponha que a espessura da camada de pintura seja fixa e que desejamos a espessura ideal para a camada de base. A Fig. 9 mostra o resultado da simulação de radiofrequência.

Apesar da espessura fina da camada, sua permissividade muito alta pode ser vista na simulação. Em vez de 2,47 mm para a chapa sem pintura, 2,31 mm seria a espessura ideal. O mesmo procedimento pode ser feito com todas as camadas restantes e a espessura do para-choque (ou de outras camadas) pode ser otimizada.

Outro recurso útil pode ser ativado ao passar o mouse sobre um ponto de espessura específico no gráfico e pressionar «n». Isso criará um gráfico de frequência resolvida para essa espessura específica.

Os resultados da simulação descritos na Fig. 10 podem ser calculados para ângulos de simulação e espessuras variadas. Continuando com uma chapa pintada simplificada, o ângulo de instalação da cobertura em relação ao radar afeta o desempenho. O software de cálculo de permissividade pode ser usado para determinar esse efeito.

A variação do ângulo de instalação de 10° a 20° (que representa os ângulos típicos de instalação automotiva) revela claramente o efeito do ângulo de incidência.

O ângulo de incidência e a polarização do campo elétrico em relação ao ângulo de incidência afetam a espessura ideal e a otimização. A calculadora de permissividade pode ser usada para simular os efeitos do ângulo de polarização da onda eletromagnética de entrada. 0° corresponde a uma polarização perpendicular entre o plano de incidência e o campo elétrico da onda elétrica de entrada.

Resumo

Quando combinada com o R&S®QAR50, a calculadora de permissividade é o conjunto de ferramentas ideal para a caracterização de materiais over-the-air. Com base nas medições de perda de transmissão, fase e reflexão, é possível calcular a permissividade relativa e o fator de perda do material. Com o uso

dessa poderosa ferramenta de simulação de radiofrequência, a espessura de todas as camadas pode ser ajustada para um radome bem adaptado na faixa de frequência do radar automotivo.

O software de cálculo de permissividade pode ser baixado gratuitamente do site do R&S®QAR50:

www.rohde-schwarz.com/de/software/qar50/