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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines graduierten
Mikrowellenabsorbers, dessen Matrix aus einem mit ferrimagnetischen
Partikeln versetzten, geschlossenzelligen, polymeren Schaumstoff
besteht, in denen vorwiegend kugelförmige Objekte mit niedriger
Permittivität so eingebettet sind, dass eine gezielte graduierte
Anpassung des Freifeldwellenwiderstandes ermöglicht wird.
Der graduierte Mikrowellenabsorber hat für orthogonal auf die
Absorberoberfläche treffende elektromagnetischen Wellen
ein hohes Absorptionsvermögen im Frequenzbereich 1–18
GHz mit Reflektionskoeffizienten von << –25
dB.
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Stand der Technik
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Die
angegebenen Absorber bestehen aus offenzelligen bzw. retikulierten,
polymeren Schaum, dessen Zellwände nachträglich
mit den dazu notwendigen elektrisch leitenden Kohlenstoffpartikeln,
ferrimagnetischen Material in Pulverform oder Metallsalzen nebst
Binder graduiert beschichtet werden.
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Des
Weiteren gibt es Absorber aus geschlossenzelligen, polymeren Schaum
mit eingelagerten elektrisch leitenden Teilchen, z. B. Ruß,
bzw. ferrimagnetischen Material in Pulverform nebst den dazu erforderlichen
Binder. Die Graduierung wird dadurch erreicht, dass der Absorber
aus einzelnen übereinander gestapelten Schichten mit unterschiedlichen
Anteil an verlustbehafteten Material zusammengesetzt wird.
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In ähnlicher
Weise werden Absorber hergestellt, die aus mit unterschiedlichen
Anteilen an verlustbehafteten Material beschichteten kugelförmigen Objekten
bestehen und nach einer progressiven Sortierung zu einer Kugelpackung
verklebt werden.
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Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lösungsweg
zur Herstellung eines graduierten Absorbern anzugeben, bei denen
sich eingelagerte Polystyrolschaumkugeln in einer mit ferrimagnetischen
Pulver versetzten polymeren Schaummatrix zwecks Anpassung des Freifeldwellenwiderstandes befinden.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, in einem Verfahrensschritt
die erforderliche graduierte Verteilung der Polystyrolschaumkugeln
in der polymeren Schaummatrix zu erreichen, d. h. beginnend mit
der anfangs hohen Konzentration von Polystyrolschaumkugeln pro Volumeneinheit
in der vor den einfallenden elektromagnetischen Wellen zugewandten
Absorberschicht nimmt diese in Fortpflanzungsrichtung der Strahlung
soweit stetig ab, dass die Schaummatrix der abgewandten Absorberschicht
frei von Polystyrolschaumkugeln ist.
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Ausführungsbeispiel
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Für
die polymere Schaummatrix eignet sich vorzugsweise ein starr eingestellter,
geschlossenzelliger Polyurethanschaum. Er hat eine ausreichende Steifigkeit
gegenüber mechanischer Belastung und die Wasser- bzw. Wasserdampfaufnahme
aus der Umgebung ist klein, bedingt durch seine geschlossenen Zellen,
verbunden mit einen geringen Diffusionskoeffizienten für
Wassermoleküle im Polymer und den Polystyrolschaumkugeln.
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Vor
Beginn der Polyaddition wird das MnZn-Ferritpulver (Mf 102 von der
Tridelta GmbH) zu gleichen Anteilen in die getrennt vorliegenden
Ausgangsprodukte aus Polyolen und Polyisocyanaten mit Additiven
für die Schaumentwicklung eingemischt. Das MnZn-Pulver
sollte eine Partikelgröße von 5–100 μm
aufweisen, wobei die Vorzugsgröße bei 30 μm
liegt. Die Ausgangspermeabilität von ca. 3000 wurde an
verpressten Partikeln bei 1 MHz gemessen. Die relative, effektive
Permeabilität μr des später
aufgeschäumten Mischkörpers ist abhängig von
der Permeabilität μP der
einzelnen MnZn-Partikel, viel stärker jedoch vom Füllungsgrad
Cv in den Ausgangsprodukten und der geschlossenen Porosität
in der entstandenen Schaummatrix, d. h. infolge des Entmagnetisierungsfaktors
wird die effektive Permeabilität durch die dielektrischen
Zwischenräume stark erniedrigt und liegt bei Füllfaktoren
Cv von ca. 40 Gew.-% MnZn-Ferrit, bezogen auf die entstandene Schaummatrix
unter 100.
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Es
hat sich herausgestellt, dass bezogen auf die Ausgangsprodukte ein
Mischungsverhältnis von 70 Gew-% MnZn-Ferrit und 30 Gew-%
Polymeranteile (PU-Schaum 43-10 + PU-Härter 1000) herstellbar und
ausreichend ist. Eine weitere Erhöhung der MnZn-Ferrit-Anteile
hätte zur Folge, dass, bedingt durch die zunehmende Viskosität,
die Mischbarkeit der Ausgangsprodukte untereinander und auch die Festigkeit
der Schaummatrix beeinträchtigt wird.
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Nach
dem Vermischen der beiden mit MnZn-Ferrit versetzen Ausgangsprodukten
beginnt die Polyaddition und das chemische Verschäumen, damit
wird die weitere Abfolge zeitabhängig von den beginnenden
Reaktionsprozess bestimmt. Die sog. Topfzeit kann jedoch um ca.
50% verlängert werden, wenn der Mischung ca. 5 Gew.-Anteile
Styrol zugesetzt werden. Höhere Anteile an Styrol würden
die Festigkeit der Schaummatrix verschlechtern.
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Das
vermischte Material wird in eine Form gegeben, die mit einem Innenüberdruck
von ca. 2 bar beaufschlagt werden kann. Ist eine sog. Abformung vorgesehen,
dann müssen die Formoberflächen entsprechende
Antihafteigenschaften, z. B. mit einer PTFE-Beschichtung, aufweisen.
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Nach
dem Einfüllen der vorbereiteten Mischung wird das verbleibende,
freie Volumen von ca. 80% bezogen auf das Gesamtvolumen der Form
mit Polystyrolschaumkugeln von bevorzugt 3 mm Durchmesser randvoll
aufgefüllt. Dann wird die Kugelschüttung bis zum
Formboden in die flüssige Mischung gedrückt und
das wieder entstandene, freie Formvolumen erneut randvoll aufgefüllt.
Anschließend wird die Form so verschlossen, dass kein aufsteigender Schaum
aus der Form entweichen kann.
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Mit
dem Ablauf der Topfzeit beginnt mit Hilfe der vorhandenen Additive
das Aufschäumen während der Polyaddition, gleichzeitig
steigt bedingt durch die exotherme Reaktion die Temperatur auf ca. 70°C
an und verringert die Viskosität des aufsteigenden Schaumes.
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Zunächst
werden die in die Mischung gedrückten Polystyrolschaumkugeln
mit Schaum umhüllt. Die darüber liegende lose
Schüttung von Polystyrolschaumkugeln wird nachfolgend nicht
nur vom Schaum umhüllt sondern die noch offene Porosität zwischen
den Polystyrolschaumkugeln durch den anliegenden Schaumdruck zunehmend
verschlossen. Im letzten, oberen Teilabschnitt der Form hat die
offene Porosität unter der zunehmenden Druckbelastung ihr
Minimum erreicht und die Polystyrolschaumkugeln wurden teilweise
zu Polyedern verformt, so dass nur noch ein geringer Anteil an Schaum
die Kugeln umhüllt.
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Nach
ca. 5 min ist die Polyaddition beendet und die Schaummatrix mit
den eingeschlossenen Polystyrolschaumkugeln hat ihre Endfestigkeit
erreicht.
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Es
konnte festgestellt werden, dass eine optimale, stetig ansteigende
graduierte Anordnung nur dann erreicht wird, wenn die Ausgangsmischung eine
mittlere Viskosität von mindestens 2000 mPa·s aufweist,
anderenfalls nimmt bei zu geringer Viskosität der Fließwiderstand
im Kugelbett ab und der Schaum dringt ohne Druckaufbau durch die
offene Porosität des Kugelbettes, bis er den oberen, letzten Teilabschnitt
der Form erreicht hat.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung das Ergebnis der in einer polymeren
Schaummatrix (1) graduiert eingebetteten Polystyrolschaumkugeln
(2).
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Mit
dem vorgeschlagenen Verfahrensweg entsteht ein graduierter Mikrowellenabsober
mit Reflexionskoeffizenten von << –25 dB
im Frequenzband von 1–18 GHz, da die nachfolgenden Randbedingungen
für eine nahezu reflexionsfreie Absorption der elektromagnetischen
Wellen erfüllt werden.
- 1. Das Anpassungsverhältnis
a für die der einfallenden Strahlung zugewandten Absorberschicht (3)
in 1 sollte gemäß Gl. 1 a = εr/μr Gl.
1 relative,
mittlere Permittivitätszahl εr = ε'r – jε''r Gl. 6 relative, mittlere Permeabilitätszahl μr = μ'r – jμ''r Gl.
7nahezu 1 sein.
Mit ausreichender
Näherung ist für Luft nach Gl. 1 a = 1
und
der dazugehörige Reflexionskoeffizient R gemäß Gl.
2 für den Grenzflächenübergang Luft-Absorberschicht
(Pos. 3; 1) wird dann unter Einhaltung der o. g. Bedingungen
entsprechend klein sein. R = |(√a – 1)/(√a
+ 1)| Gl. 2
In
der 1 ist zu erkennen, dass die Konzentration von
Polystyrolschaumkugeln (2) in der der einfallenden Strahlung
zugewandten Absorberschicht (3) groß und der Anteil
von der mit MnZn-Ferrit versetzten Schaummatrix (1) klein
ist.
Daraus folgt, dass die relative, mittlere Permittivität,
additiv aus den Volumenanteilen der Komponenten zusammengesetzt,
stark vermindert wurde, denn die Permittivität des überwiegenden
Volumenanteils von Polystyrolschaumkugeln ist nahezu 1,2. Ebenfalls
nimmt durch den „Verdünnungseffekt” der
Anteil an MnZn-Ferrit pro Volumeneinheit und damit auch die relative,
mittlere Permeabilität ab.
Bekannt ist, dass unter
solchen Randbedingungen die Permittivität stärker
reduziert wird als die Permeabilität, so dass sich nach
Gl. 1 das Anpassungsverhältnis a bei relativ geringen Werten
von εr und μr immer
mehr den Wert 1 nähert und damit der Reflexionskoeffizient
nach Gl. 2 klein wird.
Die Bedingungen für eine mittlere,
relative Permittivität bzw. Permeabilität sind
trotz der unterschiedlichen Größe von Polystyrolschaumkugeln und
MnZn-Ferrit-Teilchen, gegeben, da die Ausdehnung der einzelnen Komponenten
die halbe Wellenlänge nicht überschreitet, so
dass die Absorberschicht bei der angegebenen Frequenzbandbreite
für die Strahlung wie ein einheitliches Material betrachtet
werden kann.
Durch die abnehmende relative, mittlere Permeabilität
und Permittivität wird der Brechungsindex n nach Gl. 3 n = √(εrμr) Gl.
3ebenfalls klein sein.
Mit
der nachfolgenden Beziehung nach Gl. 4 lässt sich die Wellenlänge λa der Strahlung in der Absorberschicht bestimmen λa = λo/n Gl.
4wobei λo =
c/f ist.
Die erforderliche Absorberschichtdicke d ist dann mindestens
d = λa.
Eine Verringerung
der Absorberschichtdicke durch Erhöhung des Brechungsindexes
n wäre möglich, wenn anstelle der benannten Materialkomponenten
(Polystyrolschaumkugeln, MnZn-Ferrit-Partikel und Polyurethan) andere
mit höherer Permittivität bzw. Permeabilität
(z. B. Keramik- bzw. Glaskugeln, NiZn-Ferrit-Partikel, Melaminharz
etc.) verwendet werden. Dabei ist zu beachten, dass sich im Vergleich
zu den vorgeschlagenen Materialkomponenten der Wert für
die elektrischen und magnetischen Verlustfaktoren tg δ(ε)
und tg δ(μ) in Abhängigkeit von der Frequenz zunehmend
und teilweise dimetral verändert. Die anteilige Abstimmung
der Komponenten muss dann so eingestellt sein, dass innerhalb des
vorgegebenen Frequenzbandes nach Gl. 6 und 7 die effektiven Beträge
nahezu gleich sind, damit das mittlere Anpassungsverhältnis
a für die zugewandte Absorberschicht nach Gl. 1 den Wert
1 erreicht.
- 2. In Fortpflanzungsrichtung der einfallenden Strahlung sollte
der Brechungsindex n möglichst kontinuierlich ansteigen
und somit die Absorption zunehmen. Der Anstieg ist dann optimal,
wenn zum einen eine ausreichende Absorption stattfindet und anderseits
aber die Reflexion im Inneren des Absorbers nur so groß wird,
dass die elektromagnetische Strahlung nicht in umgekehrter Richtung
an die Oberfläche des Absorbers gelangt. 1 zeigt
wie im mittleren Drittel des Absorbers (4) der Anteil an
Polystyrolschaumkugeln stetig abnimmt und damit die o. g. Bedingung
erfüllt wird.
Im unteren Drittel des Absorbers (5)
ist dann gemäß 1 der Anteil
an Polystyrolschaumkugeln gegen Null abgesunken und der Brechungsindex
n hat den maximal möglichen, materialabhängigen
Wert erreicht., gebildet aus der Permittivität und Permeabilität
der Mischung aus Polymer und Ferritpartikeln.
Wie unter Pkt.
1 dargelegt ist die Wellenlänge der Strahlung im Absorber
vom Brechungsindex n abhängig und daraus resultierend die
erforderliche Absorberdicke.
Für das im Ausführungsbeispiel
verwendete Material hat die nicht vollständig expandierte PU-Schaummatrix
im unteren Drittel des Absorbers (4) eine relative, effektive
Permittivität von ≈ 3 und das MnZn-Ferrit-Pulver,
bedingt durch seine geringe Anfangspermeabilität und den
niedrigen Füllungsgrad, eine relative, effektive Permeabilität
von ≈ 10. Nach Gl. 3 und 4 ergibt sich dann für
n ≈ 5,5 und bei 1 GHz eine Wellenlänge im Absorber
von λa ≈ 6 cm.
Für
den Fall, dass λa = d ist, wäre
im unteren Drittel des Absorbers (4) eine recht große
Absorberdicke d von 6 cm erforderlich. Im realen Anwendungsfall
wird der Absorber aber vor einer stark reflektierenden Fläche
(1, Pos. 6) positioniert, so dass die Strahlen
entgegen ihrer anfänglichen Fortpflanzungsrichtung wieder
zurück in den Absorber gelangen und damit nur noch die halbe
Absorberdicke erforderlich wird.
- 3. Im Ausführungsbeispiel wird MnZn-Ferrit als bestimmende
Größe für die Permeablität angegeben.
Allgemein ist aber bekannt, dass mit steigender Frequenz der reale
und imaginäre Anteil der Permeablitiät μ'r und μ''r von Ferriten aus der Gruppe der MexFeyOz-Spinelle
(MnZn-, NiZn-, NiCoZn-Ferrite etc.) stark absinkt (siehe 2).
Daraus
könnte man ableiten, dass die MexFeyOz-Spinelle für
den Absorptionsprozess ungeeignet sind. Bei dem Permeabilitätsverlauf
nach 2 handelt es sich aber um Messungen an MnZn-Ferritpulver,
dessen Partikel unter hohem Druck aneinander gefügt wurden.
Im
angegebenen Absorber sind aber die ferrimagnetischen Partikel durch
das Dielektrikum der Schaummatrix voneinander getrennt und der Füllfaktor
Cv ist verfahrensbedingt klein.
Nach dem Gesetz von Snoek (Gl.
5) ist (μ' – I)·f
= (Γ Ms)/3π = const. Gl.5
In
Gl. 5 ist Γ der gyromagnetische Faktor, Ms die Sättigungsmagnetisierung,
und f die Frequenz.
Dem Gesetz von Snoek (Gl. 5) folgend ist
in 3 der Verlauf der Permeabiltiät für
den realen und imaginären Teil in Abhängigkeit
vom Füllfaktors Cv und der Frequenz dargestellt. Der verwendete
Ferrit, dessen Anfangspermeabilität bei 3500 liegt, ist
in etwa mit denen im Anwendungsbeispiel verwendeten MnZn-Ferrit
vergleichbar.
Der Kurvenverlauf in 3 sagt aus,
dass die Verwendung von MexFeyOz-Spinellen im GHz-Bereich durchaus realisiert
werden kann, wenn wie im Anwendungsbeispiel dargelegt der Füllfaktor Cv
= 40% ist, denn dann ist auch die erforderliche Permeabilität
in dem höheren Frequenzbereich noch vorhanden.
Von
Nachteil ist, dass wie im Pkt. 2 dargelegt mit geringeren Füllfaktor
Cv der Brechungsindex n klein bleibt und dadurch die erforderliche
Absorberdicke steigt. Im Vergleich zu den bekannten Schaumstoffabsorbern,
bei denen zwecks dielektrischer Anpassung Kohlenstoffpartikel eingesetzt werden,
ist die benötigte Absorberdicke aber immer noch größer
als bei den vorgeschlagenen graduierten Mikrowellenabsober, wenn
man voraussetzt, dass bei gleichen Reflexionskoeffizienten die elektromagnetischen
Wellen orthogonal auf die Absorberoberfläche auftreffen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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