Caracterización de las propiedades de los materiales de polímero para aplicaciones de la industria automotriz

Su misión

Los parachoques en los automóviles por lo general suelen tener varias capas: el material base estructurado, el imprimante, la pintura y una capa transparente. El material base estructurado suele ser polipropileno (PP) o policarbonato (PC) que da la forma al parachoques. El material base a menudo es la capa más gruesa. Sin embargo, la capa base no necesariamente es la que más influye en las señales radar, ya que por lo general puede adaptarse con diversos rellenos que ajusten las propiedades para una mejor resistencia a los rayos ultravioletas, rigidez, atenuaciones de radar, etc.

El imprimante se aplica como una segunda capa para ayudar a que la pintura se fije mejor al material base. La capa de imprimante, por lo general suele tener un espesor de un par de micrómetros. Medir tanto el grosor de esta capa como de las siguientes puede involucrar cierta incertidumbre.

La tercera capa es la pintura que se aplica sobre el imprimante. El grosor de la capa de pintura depende de la opacidad de la pintura y suele ser muy delgada.

A fin de proteger la pintura de las influencias del entorno, se aplica, como cuarta y última capa, una capa transparente.

Se necesita información precisa sobre el grosor de cada capa para poder estimar sus propiedades electromagnéticas. Un microscopio electrónico de barrido determina el grosor de cada capa (véase Fig. 1).

Todas las capas deben caracterizarse de manera independiente. En la siguiente descripción se utilizan cuatro muestras diferentes para caracterizar las cuatro capas:

• En primer lugar, solo se analiza el material base
• En segundo lugar, se aplica el imprimante al material base que se ha caracterizado y se realiza el análisis
• El tercer y cuarto paso mantienen la misma lógica de aplicar la siguiente capa a la anterior

La muestra debe destruirse para crear el micrograma. Todas las mediciones anteriores deben haberse realizado con antelación. En la siguiente sección se examina el análisis de RF que se requiere para las muestras.

Frecuencia típica del radar en automóviles: f_radar= 76.5 GHz, longitud de onda: λ₀= 3.92 mm.

La longitud de onda dentro de un material determinado con la permitividad relativa ε_rse calcula como:

Si se toma como muestra la lámina de polipropileno (PP) con ε_r ~ 2.5, la longitud de onda en la lámina de PP se calcula como λ_PP= 2.34 mm. Como la permitividad reduce la longitud de onda, esta puede calcularse, en caso de que se conozca el espesor del material, mediante la fase que se haya medido. A continuación, se muestra el procedimiento general.

Cálculo de la permitividad mediante diferencias de fase relativas

Se normaliza el R&S®QAR50 a la propagación del aire y a cada material que se encuentra situado entre los dos clústeres altera la fase en las antenas receptoras. Para caracterizar la muestra, se desea que la diferencia de fase que se origina en el material se encuentre dentro del trayecto de medición.

Como referencia se calcula la fase Φ en grados sobre la distancia d en espacio libre como:

Se calcula la fase Φ’ a través del material de espesor d’ como:

El cambio de fase δΦ visto por el R&S®QAR50 es la diferencia entre Φ y Φ’ iguales:

Con una lámina de PVC de 2.92 mm y una permitividad ε_restimada de aproximadamente 2.5, la diferencia de fase que se estima es δΦ o casi 158°.

Como se está midiendo la diferencia de fase δΦ con el R&S®QAR50 y se desea calcular la permitividad ε_r, la fórmula anterior debe convertirse a:

La permitividad que resulta de esta fórmula no es única, ya que la diferencia de fase, podría ser, sin saberlo, múltiplos de 360°. Pueden calcularse para n Σ N0_{todas las soluciones posibles}.

Cuando una muestra cuenta con varias capas, es necesario caracterizar previamente todas las capas, excepto la que va a determinarse. Solo entonces pueden normalizarse las capas que se conocen.

El R&S®QAR50 cuenta con un software que simplifica estos cálculos. La calculadora de permitividad utiliza resultados de medición de fase precisos del R&S®QAR50 y pueden verse en el siguiente ejemplo.

Caracterización de una muestra de un parachoques pintado

Se utiliza el mismo conjunto de muestras anterior, se conoce el espesor de las diferentes capas y además dispone de diferentes placas con capas individuales para su caracterización. Véase la Fig. 1 para observar el grosor de las capas individuales.

La lámina base de PP tiene un grosor de 2.92 mm para una diferencia de fase medida de unos 153° a 76.5 GHz. Con los resultados de la medición como parámetros de entrada, la herramienta calcula un ε_r= 2.47 para esa placa en específico. La Fig. 2 muestra el resultado del cálculo en el software.

Con la herramienta de cálculo de RF que se describe a continuación, puede deducirse el espesor d_optóptimo a partir de los mínimos de reflexión y atenuación de transmisión. Los mínimos de reflexión se correlacionan con la frecuencia de resonancia de la muestra y se producen en múltiplos de la mitad de la longitud de onda dentro del material:

Para caracterizar las capas que restan, debe normalizarse el material de base. Ya que ahora se conoce la permitividad del material, la placa del imprimante también puede normalizarse.

Se añade una capa de normalización en el software y se carga el resultado de la siguiente medición.

La normalización puede realizarse a partir de una medición anterior o al adicionar manualmente una capa con un espesor y una permitividad definidos. En nuestro ejemplo, la capa que se ha normalizado tiene un espesor de 2.92 mm y se añade manualmente ε_r= 2.47 y se visualiza al lado derecho de la herramienta. En función del espesor de la capa de imprimante medido (véase Fig. 1), así como del desplazamiento de fase medido de 5.3° del R&S®QAR50, la permitividad que se estima para el imprimante es ε_r= 18.3. El resultado puede observarse en la Fig. 3.

Una vez que se haya caracterizado la segunda capa, las capas restantes pueden estimarse por medio de los pasos descritos anteriormente. Las capas que se han caracterizado se añaden para su normalización y la herramienta calcula la permitividad desconocida.

Debido a que el espesor de las capas de las muestras puede ser diferente, hay que tener mucho cuidado a la hora de añadir las capas de normalización. En la Fig. 4 puede observarse la micrografía de las muestras con un microscopio óptico. En la muestra #3 (para caracterizar la pintura) y en la muestra #4 (para caracterizar la capa transparente) pueden detectarse diferencias significativas en el espesor de la capa pintura.

Influencia de la falta de precisión en la medición
Tenga mucho cuidado al realizar mediciones de espesor ya que ambos valores influyen por igual en la permitividad calculada. En la Fig. 5 se muestra el impacto de un espesor incorrecto en las mediciones de fase de transmisión: una capa con un espesor de d = 20 μm y un desplazamiento de fase resultante Δφ = 6° da como resultado una permitividad con un ε_rde aproximadamente 17.8. Para ilustrar la influencia de mediciones incorrectas de fase y espesor, ambos parámetros se evalúan en base a precisiones de medición típicas: ±3 μm para mediciones de espesor y ±1° para la fase de transmisión. En la Fig. 5 se muestra que el resultado de la permitividad relativa que se ha calculado en el eje x varia considerablemente cuando los resultados de la medición son cada vez más imprecisos. Tenga cuidado a la hora de medir las características de RF de un material, así como al determinar el espesor de las capas.

El efecto revelado anteriormente es menos significativo para materiales con menor permitividad (p.ej. PC o PP), que por lo general suelen utilizar como material base en el proceso de recubrimiento.

Optimización de las propiedades dieléctricas
Para simular tanto materiales como pilas de materiales, así como crear un duplicado virtual de un radomo, es necesario conocer la permitividad y el factor de disipación. La permitividad relativa εr se correlaciona con el factor de compresión de la longitud de onda dentro del material, mientras que la tan δ (factor de disipación) caracteriza la atenuación específica de la señal en transmisión desde la capa.

La calculadora de permitividad de Rohde & Schwarz puede calcular ambos parámetros y es ideal para simulaciones de capas de radomo.

Las herramientas para estimar las propiedades dieléctricas están localizadas la esquina inferior izquierda del software de cálculo de permitividad. La calculadora utiliza un optimizador que intenta encontrar el mejor ajuste entre las respuestas en frecuencia medidas y calculadas en función de la permitividad y los factores de disipación. Existen dos modos disponibles:

• La función «Fixed εr obtained by transmission phase» optimiza solo la tan δ mientras que la permitividad relativa permanece fija
• Sin verificar, el optimizador tiene más libertad para mejorar la permitividad relativa, la permitividad relativa que se ha calculado a partir de la fase de transmisión actúa como el valor inicial

Ambos métodos conducen a resultados muy similares para la mayoría de materiales. Puede medirse la fase de transmisión con gran precisión y siempre es un buen punto para iniciar la optimización.

Las respuestas en frecuencia que se han medido y calculado pueden representarse de manera gráfica tras haber ejecutado la optimización para una orientación. La función «plot Opt. results» hace uso de las propiedades del material calculadas previamente para graficar tanto la respuesta en frecuencia para el material medido como para el material virtual. El operador debe verificar la validez de los resultados de ambos métodos. En las figuras 6 y 7 se muestran los gráficos generados. La Fig. 6 se creó con la permitividad fija de la fase de transmisión. La Fig. 7 se creó al optimizar tanto la permitividad como las tangentes de atenuación para lograr la respuesta en frecuencia más adecuada. Para estimar el factor de disipación se utiliza el material que previamente midió el R&S®QAR50.

La optimización de la permitividad y del factor de disipación son un poco más adecuados en nuestro ejemplo.

Herramienta de optimización de capas

La herramienta de optimización de capas que se encuentra a la derecha de la calculadora de permitividad ayuda a simular varias capas de pintura, así como a evaluar el efecto de cualquier diferencia en el espesor de las capas.

Las frecuencias de inicio y parada representan la banda de radar que se utiliza para la aplicación deseada. Se crea un gemelo digital con los parámetros de material que se obtuvieron previamente para una lámina de una sola capa. El botón «calculate optimal thickness» puede utilizarse para una simulación de RF de las capas. Los resultados del cálculo de material y espesor de la muestra se observan en la Fig. 8.

En la Fig. 8 se muestra que el espesor óptimo para una lámina de una sola capa es de 2.47 mm. Este espesor se aplica a las coberturas de radar sin pintar. Para simplificar, se asume que en lugar de tener tres capas (imprimante, pintura y revestimiento) se aplica una sola capa al material base. La capa que se añade tiene un espesor de d = 20 μm y un ε_r= 15 con una tan δ = 0.02. La capa representa la pintura que normalmente se utiliza en la industria automotriz.

El desafío sigue siendo el mismo: deseamos un espesor óptimo del material base para una capa de pintura. Tras añadir la capa a la herramienta de simulación de RF, podemos realizar los mismos cálculos que se observan en la Fig. 8. Se asume que el espesor de la capa de pintura es fijo y deseamos el espesor óptimo para capa base. En la Fig. 9 se muestra el resultado de la simulación de RF.

A pesar de la delgadez de la capa, puede apreciarse en la simulación su permitividad más o menos alta. En lugar de 2.47 mm para la lámina sin pintar, el espesor ideal sería de 2.31 mm. Puede realizarse el mismo procedimiento con todas las capas que restan, y así optimizar el espesor del parachoques (o de otras capas).

Otra función bastante útil puede activarse al situarse sobre un punto de espesor específico del gráfico y presionar «n». Esto creará un gráfico de frecuencia resuelta para el espesor específico.

Los resultados de simulación descritos en la Fig.10 pueden calcularse tanto para diversos espesores como ángulos de simulación. Si nos ceñimos a una lámina pintada simplificada, el ángulo de instalación de la cubierta en relación con el radar influye en el rendimiento. Puede utilizarse el software de cálculo de permitividad para determinar este efecto.

Si se varia del ángulo de instalación de 10°a 20° (ángulos típicos de instalación en la industria automotriz) puede verse claramente el efecto del ángulo de incidencia.

El ángulo de incidencia y la polarización del campo eléctrico en relación con el ángulo de incidencia influyen tanto en el espesor óptimo como en la optimización. La calculadora de permitividad puede utilizarse para simular los efectos del ángulo de polarización de la onda electromagnética entrante. 0° corresponde a la polarización perpendicular entre el plano de incidencia y el campo eléctrico de la onda electromagnética entrante.

Resumen

Combinar la calculadora de permitividad con el R&S®QAR50, es la cadena de herramientas ideal para la caracterización OTA de materiales. Basada en mediciones de atenuación de transmisión, fase y reflexión, puede calcularse la permitividad relativa, así como el factor de disipación del material. La utilización

de la potente herramienta de simulación, el espesor de las capas puede adaptarse para un radomo bien ajustado en la gama de frecuencias de radares en automóviles.

El software de cálculo de permitividad puede descargarse gratuitamente del sitio web del R&S®QAR50:

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