DE29621804U1

DE29621804U1 - Strahlung absorbierendes Material

Info

Publication number: DE29621804U1
Application number: DE29621804U
Authority: DE
Original assignee: AMS POLYMERS Pty Ltd
Current assignee: AMS POLYMERS Pty Ltd
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1996-12-16
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2006-12-17
Also published as: GB9625975D0; GB2308127A

Description

Strahlung absorbierendes Material

Die vorliegende Erfindung betrifft Strahlung absorbierende Materialien.
5

Bei elektromagnetischen Messungen wird das Strahlungsmuster eines Streufeldes gemessen, das direkt von einer Primärquelle ausströmt. Vorzugsweise mißt man Strahlungsmuster bei nicht vorhandener elektromagnetischer Interferenz, die typischerweise von Sekundärfeldern erzeugt wird, welche aus der Reflexion oder der Streuung nahegelegener Körper resultieren, die ebenfalls von der Primärquelle bestrahlt werden. Diese Felder stören die Messung der Felder der Primärquelle und verringern dadurch die Meßgenauigkeit oder verhindern die korrekte Interpretation der Messung.

Eine interferenzfreie Messung eines Strahlungsmusters kann dadurch erreicht werden, daß man ein strahlendes Objekt direkt aufhängt oder im "freien Raum", auch bekannt als Himmel, streut. In vielen praktischen Anwendungen ist dies nicht durchführbar, und die Messung muß auf dem Boden erfolgen. Die Erde selbst und jedes Objekt, das sich in der Nähe des gemessenen Objektes befindet, kann eine unerwünschte elektromagnetische Interferenz über direkte Streuung oder über mehrere Wege erzeugen. Um diese unerwünschte Interferenz auszuschalten, kann man die Umgebung im Bereich der Meßvorrichtung und des strahlenden oder streuenden Objekts mit einem geeigneten Material zum Absorbieren der Strahlung abdecken, die sonst das gewünschte Signal stört und so die Bedingung des freien Raumes imitiert.

&bgr; ··

nt

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Strahlung absorbierendes Material zu schaffen, das dem oben beschriebenen Zweck dient.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, indem das Strahlung absorbierende Material einen mit einem elektrisch leitenden Bestandteil vermischten feinkörnigen Bestandteil und ein Bindemittel enthält, das den feinkörnigen Bestandteil und den elektrisch leitenden Bestandteil miteinander verbindet.

Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Material wird beispielsweise wie folgt hergestellt: zunächst werden Kohlenstoffteilchen mit Harz in eine bestimmten Gewichts- oder Volumenanteil vermischt. Anschließend wird eine bestimmte Menge expandierten Polystyrols mit dem mit Kohlenstoff beaufschlagten Harz gemischt. Der Harzkatalysator kann fast zu jedem Zeitpunkt während des Mischvorganges hinzugefügt werden.

Die endgültige Mischung kann je nach Bedarf gegossen werden. Sie kann in eine Gußform eingebracht werden, die jede beliebige Form aufweisen kann, und man läßt sie, falls nötig, mit Hilfe von milder Hitze aushärten. Bei einem praktischen Beispiel hat man festgestellt, daß nur durch eine geringe exothermische Reaktion eine beträchtliche Zeit vergeht, bis sich der Körper setzt bzw. aushärtet. Die exothermische Reaktion ist gering genug, um den Polystyrolbestandteil nicht thermisch abzubauen.

Nachdem der Körper aus seiner Form herausgelöst wurde, kann er gesandet, verarbeitet oder in eine gewünschte Form geschnitten werden.
5

Das Material kann auch auf verschiedene Weise mit Hilfe eines Klebstoffes verbunden werden, der den Polystyrolbestandteil nicht beschädigt. Das Material kann in der Gußform verbleiben, die eine Plastikschicht oder eine Haut aus Verbundstoff sein kann, die auch Teil eines größeren Objektes, beispielsweise eines Tragflügels eines Flugzeugs, sein kann.

Bei einem Beispiel gleicht der Körper einem aus expandierten Polystyrolkornern bestehenden Konglomerat, dessen Oberfläche mit dem mit Kohlenstoff beaufschlagten Harz benetzt wurde. Das Harz dringt nicht in die expandierten Polystyrolkorner ein. Das Harz bindet alle Körner zusammen, während es gleichzeitig eine turbulente aber kontinuierliche Phase erzeugt, die bei allen Frequenzen elektrisch leitend ist.

In der Praxis hat man festgestellt, daß ein gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellter Körper eine offene Porosität besitzt, die mit dem Fülldruck, der Wahl der Volumenanteile von Harz und Polystyrol und der Wahl der Partikelgröße bzw. der Partikelgrößenverteilung des expandierten Polystyrols variiert werden kann.

Vorzugsweise wird expandiertes Polystyrol verwendet, da dieses Material billig ist, eine geringe Dichte (17 bis 25 kg/m³) aufweist und in einer großen Vielzahl von Formen und Größen zur Verfügung steht.

• ·

-A-

In einem Ausführungsbeispiel ist der Körper jedoch kein geschäumtes, kohlenstoffhaltiges Harz, sondern ein kohlenstoffhaltiges Harz, das mit einem vorgeschäumten, kohlenstoffreien Material gemischt wurde.
5

Obwohl expandiertes Polystyrol bevorzugt wird, können auch Glasmikroperlen, expandierte Polyvinylchloride oder jede andere Art oder Verbindung von undurchlässiger, leichter, geschäumter Keramik, Gestein oder PoIymer in Partikelform verwendet werden.

Vorzugsweise werden Harze verwendet, die frei von Lösungsmitteln oder Bestandteilen sind, die andere Bestandteile des Strahlung absorbierenden Materiales beschädigen können. Das Harz besitzt vorzugsweise eine Viskosität, die gering genug ist, um eine Vermischung der Kohlenstoffteilchen mit dem Harz und anschließend eine Vermischung des mit Kohlenstoff beaufschlagten Harzes mit den vorgeschäumten Materialteilchen zu gestatten. Es ist auch von Vorteil, daß das verwendete Harz ein Harz ist, womit die Kohlenstoffteilchen nicht völlig benetzt werden können. Durch die Manifestation von Oberflächenspannung und Oberflächenenergie benetzen "nässende" Harze den Kohlenstoff während der gesamten Mischstufe bis zum gänzlichen Aushärten, während sie letztlich den Kontakt der Partikel untereinander und folglich eine effiziente ohmisch-elektrische Kontinuität zwischen den leitenden Füllpartikeln verhindern.

0 Ein Kontakt der Partikel untereinander ist wünschenswert, jedoch ist dies keine notwendige Eigenschaft eines Mikrowellenabsorbers. Phenolharze und ihre verwandten Harzsysteme, wie z.B. Harnstoff-Formaldehyd, Phenol-Formaldehyd, Furan usw. , weisen nicht nur eine ge-

O	* · *	•	«	•	•	• ·	···
&agr;	» *	•		• ···	•
«	> · ·	*	•	•
	···

ringe Viskosität und eine gute Festigkeit auf, auch wenn sie nach dem Aushärten mit einem Füllstoff beaufschlagt werden, sie beschädigen auch nicht den Polystyrolbestandteil und gestatten eine elektrische Filterung bei niedrigen Volumenanteilen der leitenden Füllstoffe auch nach dem gänzlichen Aushärten.

Vorzugsweise werden unschädliche Lösungsmittel verwendet, um, falls nötig, die Viskosität des Harz-Kohlenstoff-Gemisches beim Vermischen mit dem vorgeschäumten Material zu verringern. Phenolharze besitzen Eigenschaften, die eine Verdünnung mit Wasser, Äthanol und Methanol gestatten. Diese Lösungsmittel sind ebenfalls nicht schädlich für geschäumte Polystyrole.

Als leitender Füllstoff werden vorzugsweise Kohlenstoff teilchen verwendet, sie sind jedoch nicht unbedingt der einzige Zusatzstoff. Es können auch Metallpartikel verwendet werden. Jedoch enthalten die meisten Metalle eine elektrisch isolierende, stabile Oxidschicht auf ihrer Oberfläche und verhindern daher das gewünschte Ohmsche Filterungsphänomen. Obwohl ein Körper, der unter Verwendung von Metallpartikeln hergestellt wurde, verlustbehaftet ist, weist er nicht dieselben Eigenschaften auf, wie ein aus Kohlenstoff hergestellter Körper. Platin und andere Edelmetalle wären viel zu teuer. Bei der Herstellung des Körpers müssen Kohlenstoffteilchen nicht die einzige verwendete Form sein. Es können auch zusätzlich zu den Kohlenstoffteilchen leitende Kohlenstoffasern, wie z.B. Graphit oder auf unterschiedliche Temperaturen pyrolysiertes Phenolharz, verwendet werden. Für die Verwendung als leitender Füllstoff stehen viele Arten von Kohlenstoffteilchen zur Verfügung. Solche Kohlenstoff-

teilchen werden im allgemeinen nach Partikelgröße, Form, Krystallinität, Morphologie und Eigenleitfähigkeit klassifiziert.

Die Kohlenstoffteilchen sollten frei von Oberflächenbehandlungen oder Zusatzstoffen sein, die möglicherweise hinzugefügt wurden um das Dispersationsvermögen des Materials in Harzsysteme zu unterstützen. Diese Behandlungen oder Zusatzstoffe können den Beginn der Filterung im Wirtphenolharzsystem herabsetzen oder werden möglicherweise sonst in diesem System nicht benötigt. Es ist daher vorteilhaft, als leitenden Füllstoff überwiegend Graphitpulver mit nomineller Partikelgröße zwischen 44 und 71 Mikrometer zu verwenden. Vorzugsweise besitzt das Graphitpulver eine Reinheit von mehr als 95 %, obwohl niedrigere Reinheitsgrade bei einer Verminderung der Leistungsfähigkeit zulässig sind.

Zusätzlich zu Graphitpulver kann gleichzeitig Carbon-Black verwendet werden. Je nach Art des Carbon-Black, seiner Eigenleitfähigkeit, der Partikel- oder Agglomeratgröße, muß die Volumenanteil des Carbon-Black geringgehalten werden, da die Partikelgröße des Carbon-Black dazu neigt, die Viskosität des Harzsystems dramatisch zu erhöhen, wenn sich der Volumenanteil vergrößert.

Vorzugsweise sollte im Phenolharzsystem ein Füllstoff vorhanden sein, um die Festigkeit zu erhöhen. Das Graphitpulver hat sowohl eine verstärkende, als auch eine elektromagnetische Wirkung. Ein ähnlicher Zustand herrscht, wenn andere Füllstoffe ausschließlich oder gleichzeitig hineingemischt werden.

	·■	t	*	• ·	···
		·*	·*




•

*··

Die Größe der expandierten Polystyrolkörner und des Volumenanteils des expandierten Polystyrols ist wichtig, und es muß ein ausgewogenes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und den gewünschten, elektromagnetischen Eigenschaften gegenüber dem Volumenanteil gefunden werden.

Vorzugsweise wird eine bimodale Verteilung expandierter Polystyrolkörner verwendet. Der Fülleffekt wird verbessert, wenn eine Mischung aus großen und kleinen Körner Verwendung findet, und dadurch werden Festigkeit und Steifigkeit erhöht.

Andere Zusatzstoffe, die die Rolle des vorgeschäumten Materials spielen könnten, müssen optimale Volumenanteile aufweisen.

Obwohl durch eine Mischung aus großen und kleinen expandierten Polystyrolkörnern die Festigkeit leichter erhöht werden kann, sollten brauchbare Relativmengen dieser beiden Größen verwendet werden. Feine Körner besitzen im Vergleich zu demselben Volumen von großen Körnern einen größeren Oberflächenbereich.

Die Graphitpulver/Harzmischung deckt im Vergleich zu derselben Volumenfraktion monodisperser Körner einen größeren Oberflächenbereich ab.

Hinsichtlich der Festigkeit kann ein Kompromiß geschlossen werden, indem man eine dünnere Harzschicht zum Ummanteln und Verbinden der Körner verwendet. Man hat festgestellt, daß, wenn diese Schicht dünner wird, sich die Eigenleitfähigkeitseigenschaften der Kunststoff/Graphit-Füllmischung ändern und eher Eigenschaf-

iHS774

ten widerspiegeln, die auf Oberflächenleitung hindeuten.

Man hat festgestellt, daß bei genügend hohen Volumenanteilen das Harz um das Polystyrol herum eine kontinuierliche Phase bildet. Bei niedrigeren Volumenfraktionen überschreitet die Grenzflächenenergie zwischen Harz und Polystyrol die Oberflächenenergie des Harzes selbst und erzeugt so eine diskontinuierliche Harzphase über die Partikel im allgemeinen, und die elektromagnetischen Eigenschaften ähneln eher denen von naszierenden, ungebundenen, expandierten Polystyrolkörnern, eine Situation, die die optimalen elektromagnetischen Eigenschaften beeinträchtigen kann.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Beispielen näher erläutert:

Beispiel 1
20

Ein Strahlung absorbierendes Material wurde aus den folgenden Bestandteilen hergestellt:

12 Gramm Phenolharz
25

0,6 Gramm Phenolkatalysator

6,6 Gramm 96 % (Kropfmuhl) Graphitpulver

10 Gramm 2 - 2,5 mm expandierte Polystyrolkörner

(Vorläufer im Handel als BASF Typ 403/423 erhältlich)

-S-

Das Endprodukt wurde in eine Gußforra gefüllt und ausgehärtet, und es wurde eine Messung bei einer Frequenz von 11 - 17 GHz durchgeführt mit dem Ergebnis £ = l,8-jO,5 ( <£. = komplexe Dielektrizitätskonstante), und eine Messung bei ei

ner Frequenz von 2,6 - 4,2 GHz mit dem Ergebnis €- = 2,2-jO,4.

Beispiel 2
10

12 Gramm Phenolharz
15

0,5 Gramm Phenolkatalysator

6,7 Gramm (Kropfmuhl) 96% Graphitpulver

7,3 Gramm 2 - 2,5 mm expandierte Polystyrolkörner

(Vorläufer im Handel als BASF Typ 403/423 erhältlich)

3 Gramm 0,5-1 mm expandierte Polystyrolkörner (Vorläufer im Handel als BASF Typ 655 erhältlich).

Das Endprodukt wurde in eine Gußform gefüllt und ausgehärtet, und es wurde eine Messung bei einer Frequenz von 11-17 Ghz durchgeführt mit dem Ergebnis &bgr; = 1,8-j 0,5 ( ^ = komplexe

Dielektrizitätskonstante).

- 10 -

Beispiel 3

8 Gramm Phenolharz

0,6 Gramm Phenolkatalysator
10

7 Gramm (Kropfmuhl) 99,99% Graphitpulver 0,55 Gramm (3M) Glasmikroperlen (C22) 3 Gramm Äthanol

Das Endprodukt wurde in eine Gußform gefüllt und ausgehärtet, und es wurde eine Messung bei einer Frequenz von 11 - 17 GHz durchgeführt mit dem Ergebnis <S* = 2,2-j[l,35(ll GHz), 1,1(17 GHz)]

(<=: = komplexe Dielektrizitätskonstante).

Beispiel 4

12 Gramm Phenolharz

0,5 Gramm Phenolkatalysator

0,6 Gramm Ketjen Black EC
6,2 Gramm (Kropfmuhl) 99,99% Graphitpulver

- 11 -

1,0 Gramm (3M) Glasmikroperlen (C22)

5 Gramm 2 - 2,5 mm expandierte Polystyrolkörner (Vorläufer im Handel als BASF Typ 403/423 erhält

lich)

4 Gramm 0,5-1 mm expandierte Polystyrolkörner (Vorläufer im Handel als BASF Typ 655 erhältlich) 10

4 Gramm Äthanol

Das Endprodukt wurde in eine Gußform gefüllt und ausgehärtet, und es wurde eine Messung bei einer Frequenz von 11-17 Ghz durchgeführt mit dem Ergeb-

ms e = 1
konstante).

nis £ = l,65-jO,3 ( ££ ⁼ komplexe Dielektrizitäts-

Man stellte fest, daß das Bindeharz nicht in das vorgeschäumte Material eindringt, eine bestimmte Menge von Kohlenstoffteilchen halten kann, ohne zu viskos zu werden, mit einem Lösungsmittel verdünnt werden kann, das das vorgeschäumte Material nicht beschädigt, und daß es Eigenschaften besitzt, die es gestatten, daß während der Aushärtung des Harzes ein ausreichender Kontakt der Teilchen untereinander zwischen leitenden Füllpartikeln verbleibt.

Man stellte außerdem fest, daß die leitenden Füllstoffteilchen solche Füllstoffteilchen sein können, die die Filterungsschwelle bei niedrigen Volumenanteilen im Bindeharz erreichen kann, keine stabile Oxidschicht besitzt, die einen ohmschen elektrischen Kontakt zwischen den Teilchen im ausgehärteten Harz verhindern würde,

- 12 -

eine ausreichende Eigenleitfähigkeit besitzt, so daß eine gewünschte und spezifische effektive mittlere elektrische Leitfähigkeit bei der fraglichen Strahlungsfrequenz erzeugt wird, weiterhin die gewünschte 5 ohmsche Leitfähigkeit bei niedrigen Volumenanteilen erzeugen kann und gleichzeitig dem Körper keine zu hohe Dielektrizitätskonstante verleiht.

Beispiel 5
10

Ein Strahlungen absorbierendes Material wurde aus den folgenden Bestandteilen hergestellt:

39,3 Gew.-% Phenolharz
15

1,18 Gew.-% Phenolharzkatalysator

21,96 Gew.-% (Kropfmuhl) 96% Graphitpulver

27,11 Gew.-% Polystyrolkornvorläufer expandiert auf

eine Dichte von 17 kg/m , 2 bis 2,5 mm Korndurchmesser, im Handel erhältlich als BASF Typ 403/423

9,83 Gew.-% Polystyrolkornvorläufer expandiert auf eine Dichte von 17 kg/m³, 0,5 bis 1 mm Korndurchmes

ser, im Handel erhältlich als BASF Typ 655

0,52 Gew.-% 99% Äthanol

Das Endprodukt wurde in große Gußformen aus Holz ge

füllt und ausgehärtet.

Aus einem großen Block ausgehärteten Materials mit einer Größe von 600 &khgr; 300 &khgr; 250 mm wurde an einem Probe-

- 13 -

stück eine Messung zwischen 11 und 17 GHz durchgeführt, wobei sich eine komplexe Dielektrizitätskonstante von

<£1* = l,8-j[0,27(11 GHz),0,17(17 GHz)] 5

ergab.

Anschließend wurden Profile des ausgehärteten Materials, das eine Dichte von 53 kg/m aufwies, mit einer Bandsäge auf die folgenden Maße zugeschnitten:

Zwei Grundflächen: 600 &khgr; 300 &khgr; 50 mm

Sechs Keile: 100 mm Grundfläche, 250 mm Höhe, 600 mm Länge

Drei Keile wurden mit Polystyrolkleber mit jeder der Grundflächen verklebt. Dann wurden aus Blöcken von Polystyrolschaum-Isoliermaterial mit einer Dichte von 16 kg/m³ Teile geschnitten. Das "weiße" Polystyrol wurde folgendermaßen geschnitten:

(1) Vier Stücke von flachen, weißen Polystyrolkeilen mit einer Grundfläche von 100 mm, einer Länge von 600 mm und einer Höhe von 80 mm.

(2) Vier Stücke von weißen Polystyrolkeilen mit einer Grundfläche von 3 5 mm, einer Länge von 600 mm und einer Höhe von 80 mm.

Die 100 mm breiten Keile wurden umgedreht und verklebt, so daß sie auf konforme Weise in die Bereiche zwischen den aktiven, absorbierenden Keilen, die zuvor mit der Grundfläche verklebt wurden, hineinpaßten. Das weiße

- 14 -

Polystyrol wurde mit den Seiten der benachbarten, aktiven Absorberkeile verklebt. Die beiden kleinen, weißen Polystryrolkeile wurden mit den Außenflächen der äußeren beiden aktiven, absorbierenden Keile auf jedem Block verleimt. Die sich daraus ergebende Anordnung ähnelte im Querschnitt einem Trapez mit einer unteren Breite von 300 mm und einer oberen Breite von 270 mm.

Dieser Block wurde dann mit einem weißen, UV stabilisierten Polyäthylen-Schrumpfüberzug mit einer Stärke von 170 Mikrometer umhüllt. Nachdem der Überzug geschrumpft wurde, erhöhte sich seine Stärke auf zwischen 220 und 320 Mikrometer.

Der Überzug war wasserundurchlässig und undurchlässig für Wasserdampf, und dadurch wurde das Material vollkommen wetterfest.

Die Blöcke wurden zu einem Quadrat von 600 &khgr; 600 mm zusammengestellt und bei einem normalen Einfall zwischen 2 und 8 GHz gemessen. Es wurden beide Polarisationen mit dem Mikrowellenfeld parallel und senkrecht zur Längsachse der aktiven Absorberkeile verwendet. Bei beiden Polarisationen betrug der Reflexionsverlust nach unten von einem 600 &khgr; 600 mm großen Aluminiumquadrat zwischen -25 bis -55 dB/m² zwischen 2 und 18 GHz.

Claims

IHB774 *·· ·· ·«• · **• · ····« · ·*· ··• * · · - 15 - msprüche:

1. Strahlung absorbierendes Material, dadurch gekennzeichnet, daß das Material einen körnigen Bestandteil vermischt mit einem elektrisch leitenden

Bestandteil und ein Bindemittel enthält, das den körnigen Bestandteil und den elektrisch leitenden Bestandteil miteinander verbindet.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feinkörnige Bestandteil ein Polymer, Glas, Gestein oder Keramik mit niedriger Dichte ist.

3. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der feinkörnige Bestandteil expandierte Polystyrolkorner enthält.

4. Material nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polystyrolkorner eine Dichte von ungefähr 17 bis 25 kg/m³ aufweisen.

5. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der feinkörnige Bestandteil Glasmikroperlen, expandiertes Polyvinylchlorid oder irgendeine andere Art oder Verbindung von un

durchlässigem, leichtem, geschäumtem Keramikmaterial, Gestein oder Polymer in körniger Form enthält.

6. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende

Bestandteil ein kohlenstoffhaltiges Material, z.B. Graphitpulver ist.

7. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein schwaches, nicht benetzendes Bindemittel, wie z.B. Phenolharz, ist.

8. Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz eine solche Viskosität besitzt, daß das körnige, kohlenstoffhaltige Material unter das Harz gemischt und anschließend das mit dem Kohlenstoff vermischte Harz mit dem körnigen Bestandteil ge

mischt werden kann.

9. Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz das kohlenstoffhaltige Material nicht völlig benetzen kann.

10. Material nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz ein Harnstoff-Formaldehyd-Kunstharz , Phenolformaldehydharz oder Furanharz ist.