DE3707237B3

DE3707237B3 - Elektromagnetische Wellen absorbierendes Verbundmaterial

Info

Publication number: DE3707237B3
Application number: DE3707237A
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Chaumat
Original assignee: Societe Nationale des Poudres et Explosifs
Current assignee: Societe Nationale des Poudres et Explosifs
Priority date: 1986-03-07
Filing date: 1987-03-06
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2007-03-07
Also published as: IT8767101A0; GB8704869D0; FR2928778A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein weiches oder steifes, elektromagnetische Wellen absorbierendes geschichtetes Verbundmaterial. Das Material (1) weist erfindungsgemäß aufeinander angeordnete Schichten (3) eines elektromagnetische Wellen absorbierenden Bestandteils auf. Dieser Bestandteil weist ein Grundmaterial auf, das aus syntaktischem Schaumstoff auf Silikonharzbasis, zum Beispiel, besteht und mindestens einen Füllstoff aufweist, der aus elektrisch leitendem Material, wie z.B. Kohlenstoff, besteht. Das erfindungsgemäße Material kann eine Schutzschicht (4) aufweisen und ist auf der Wandung (1) einer Struktur oder Infrastruktur mittels eines Adhäsionsklebers (5) geklebt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein geschichtetes Verbundmaterial mit mehreren aufeinander angeordneten Schichten elektromagnetische Wellen absorbierender Bestandteile.
Die DE-35 17 413-A1 betrifft ein Verbundmaterial mit einer ABS-Folie, die mit einer Graphit enthaltenden Schicht beschichtet ist. Dabei handelt es sich nicht um magnetooptische Wellen absorbierendes Material, sondern um ein Material, welches dazu bestimmt ist, elektrische Geräte gegen elektrische Felder abzuschirmen. Aus dieser Druckschrift läßt sich somit nicht ableiten, wie ein absorbierendes Material erhalten werden kann.
Die US-PS 37 13 961 beschreibt ebenfalls kein wellenabsorbierendes Material, sondern ein Material, welches dazu bestimmt ist, einen Radardom zu bilden und welches somit gegenüber elektromagnetischen Wellen transparent ist. Jede Hohlkugel muß daher mit Metallteilchen bedeckt sein. Das Material darf lediglich einen sehr geringen Verlust aufweisen. Demgegenüber ist bei einem absorbierenden Material die Verlustrate sehr hoch.
Auch die DE-AS 11 26 600 und Kunststoffe 75, Heft 7, Seiten 421-424 beschreiben Materialien, die sehr leitfähige metallische Partikel aufweisen und die ebenfalls gegenüber elektromagnetischen Wellen transparent sind und keine absorbierenden Materialien darstellen.
Um das Reflexionsvermögen elektromagnetischer Wellen einer Struktur oder Infrastruktur zu verringern, werden im allgemeinen absorbierende Überschichtungen auf den Wandungen der Struktur oder Infrastruktur angebracht. Diese Beschichtungen können aus Farbe, einem Lack oder einem Material bestehen, das auf der Oberfläche der den elektromagnetischen Wellen ausgesetzten Struktur angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft nur den letzten Materialtyp, der neben seinen Eigenschaften hinsichtlich der Absorption elektromagnetischer Wellen eine gute mechanische Widerstandsfähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einwirkungen haben und gleichermaßen eine relativ kleine Dichte aufweisen muß, um ein zu großes Gewicht der Infrastruktur oder der Struktur zu verhindern. Diese letzte Eigenschaft ist sehr wichtig bei Anwendungen auf mobilen Strukturen, wie z.B. Schiffen oder Landfahrzeugen.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung ein geschichtetes Verbundmaterial vor, das leicht ist und einerseits als Beschichtung einer Wandung einer Struktur oder Infrastruktur verwendet werden kann, und zwar gemäß einer ersten Ausführungsform als weiches Material und andererseits als ein Element zur Bildung einer Wandung einer Struktur oder Infrastruktur in einer zweiten Ausführungsform als steifes Material.
Das erfindungsgemäße geschichtete Verbundmaterial weist mehrere übereinander gestapelte Schichten einer Komponente auf, die elektromagnetische Wellen absorbiert, wobei diese absorbierende Komponente ein Grundmaterial enthält, das aus einem syntaktischen Schaumstoff und mindestens einem Füllstoff besteht, das aus einem elektrisch leitenden Material besteht.
Als leitender Füllstoff, der für die Durchführung der Erfindung geeignet ist, können Kohlenstoff, Graphit und die elektrisch leitenden, nicht-magnetischen Metalle genannt werden.
Dieser Füllstoff kann in Form von Pulver, Fasern oder hohlen Mikrokugeln vorliegen.
Vorteilhafterweise besteht der leitende Füllstoff aus Kohlenstoff.
Das so erhaltene Material hat eine sehr geringe Dichte, insbesondere aufgrund der Verwendung eines syntaktischen Schaumstoffs als Grundmaterial und weist Absorptionseigenschaften hinsichtlich elektromagnetischer Wellen bestimmter Wellenlängen auf, wobei diese Eigenschaften insbesondere durch die Wahl der Art und des Anteils des Füllstoffes sowie der Dicke einer jeden Schicht des absorbierenden Bestandteils bestimmt werden.
So enthält der vorgenannte absorbierende Bestandteil zwischen 0,05 und 60 Volumenanteile elektrisch leitender Füllstoffe auf 100 Volumenteile syntaktischen Schaumstoffs, wobei die Konzentration der Füllstoffe für jede Schicht des Verbundmaterials gleich oder verschieden sein kann.
Andererseits kann die Dicke der absorbierenden Verbundschichten des Kompositmaterials etwa zwischen 0,25 und 2 mm liegen. Die Schichten können identische oder unterschiedliche Dicken haben.
Das Kompositmaterial kann auf eine Wandung einer Struktur oder Infrastruktur mit Hilfe jedes geeigneten Klebstoffes geklebt sein, wobei der verwendete Klebstoff mit dem Kompositmaterial kompatibel sein muß. Dieses Material wird auf die Seite aufgeklebt, die den elektromagnetischen Wellen ausgesetzt ist.
Das erfindungsgemäße Material kann gemäß einer Ausführungsform eine Schicht aufweisen, die aus einem Material besteht, das elektromagnetische Wellen reflektierende Eigenschaften hat, wobei diese Schicht auf der Seite des Kompositmaterials angeordnet ist, die nicht den elektromagnetischen Strahlen ausgesetzt ist. Dieses Material kann z.B. aus einem Epoxyharz bestehen, das Füllstoffe enthält, wie z.B. Glasfasern oder Kohlenstoffasern.
Diese Schicht ist jedenfalls nicht notwendig, wenn das erfindungsgemäße Kompositmaterial auf einer Wandung angebracht ist, die elektromagnetische Wellen reflektierende Eigenschaften hat.
Andererseits kann das Kompositmaterial eine äußere Schutzschicht gegen mechanische, chemische oder atmosphärische Beeinträchtigungen aufweisen.
Diese Schutzschicht besteht aus einem Material, das gegenüber elektromagnetischen Wellen einer bestimmten Wellenlänge vollständig oder teilweise transparent ist.
Das Material, das die äußere Schutzschicht bildet, kann elektrisch leitend sein, um ein Abfließen elektrostatischer Ladungen zu gewährleisten.
Als geeignete Schutzmaterialien können beispielsweise genannt werden: Farben und Lacke, die gegebenenfalls verstärkende Füllstoffe enthalten, wie z.B. Fasern und Gewebe.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der das Material weich ist, besteht der syntaktische Schaumstoff vorzugsweise aus einem Silikonharz und vorzugsweise einem kaltvernetzenden Silikonharz, das unter der Bezeichnung RTV bekannt ist, und das mit hohlen Mikrokugeln oder Mikroballons aus isolierendem und leichtem Material, wie z.B. Glas, Phenolharze oder Polyvinylchlorid, bekannt unter der Bezeichnung Saran, gefüllt ist.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das erfindungsgemäße Kompositmaterial ein strukturelles Material, das zur Erstellung der Wandungen der Struktur oder Infrastruktur verwendet werden kann. Dieses strukturelle Material weist zusätzlich zu den die elektromagnetischen Strahlen absorbierenden Schichten eine oder mehrere Versteifungsschichten auf, die aus einem Gewebe, einer Fasermatte oder einer vorimprägnierten Schicht bestehen. Diese Verstärkungsschichten sind zwischen mindestens einigen Schichten der absorbierenden Bestandteile angeordnet.
Die Materialien, die die Verstärkungsschichten bilden, können elektrisch leitend sein oder elektrisch isolierend, je nach der Art des zu erhalten gewünschten Verbundmaterials.
So kann z.B. ein Verbundmaterial vom Typ "Gradientenmaterial", das in dem Buch "Radar Cross Section Handbook" definiert ist, sein, d.h. in dem Verbundmaterial sind verschiedene Schichten absorbierender Komponenten angeordnet, die eine sinkende Leitfähigkeit von der den elektromagnetischen Strahlen ausgesetzten Seite aus haben, wobei die Verstärkungsschichten entweder elektrisch isolierend sind oder eine Leitfähigkeit haben, die in etwa der der benachbarten Schichten aus absorbierenden Komponenten entspricht.
Im Gegensatz dazu kann ein absorbierendes Verbundmaterial vom Typ "multisalisburry" verwendet werden, das in dem obenerwähnten Werk definiert ist, bei dem die Verstärkungsschichten vorzugsweise elektrisch leitend sind.
Als Verstärkungsschichten können z.B. Gewebe- oder Fasermatten verwendet werden, die beispielsweise aus Glasfasern, aus Polyamid (Fasern, die unter der Marke "Kevlar" vertrieben werden) oder aus Siliziumkohlenstoff-Fasern (unter der Marke "Nikalon" vertrieben), bestehen.
Die absorbierenden Bestandteile, die bei dieser zweiten Ausführungsform des strukturellen erfindungsgemäßen Verbundmaterials verwendet werden, sind vorzugsweise ein syntaktischer Schaumstoff auf der Basis wärmehärtbarer oder thermoplastischer steifer Kunststoffe, wie z.B. Polyesterharze oder Epoxyharze.
Bei dieser zweiten Ausführungsform können die strukturellen Verstärkungsschichten oder Füllstoffe direkt in mindestens eine Schicht eines absorbierenden Bestandteils inkorporiert sein. Somit erhält man ein strukturelles Verbundmaterial, wobei alle dessen Schichten absorbierende Eigenschaften haben. Wohl verstanden ist es möglich, daß, ohne dabei den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen, ein Verbundmaterial hergestellt wird, das nicht absorbierende Verstärkungsschichten aufweist und Schichten mit absorbierenden Komponenten, die einen strukturellen Verstärkungsfüllstoff enthalten.
Dieses strukturelle Verbundmaterial kann mit allen anderen Konstruktionsmaterialien verbunden sein, um somit die Verbundwandungen zu bilden. Dieses Material ist den elektromagnetischen Strahlen entweder direkt ausgesetzt oder, nachdem die elektromagnetischen Strahlen einen Teil der Wandungen durchlaufen haben, die gegenüber den elektromagnetischen Strahlen transparent sind.
Das erfindungsgemäße Verbundmaterial kann mittels jedem klassischen Herstellungsverfahren von Schichtmaterialien, wie z.B. durch Gießen aufeinanderfolgender Schichten oder durch Walzen, hergestellt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des Verbundmaterials,
2 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform des Verbundmaterials,
3 ein Diagramm, das die elektromagnetischen Eigenschaften des Verbundmaterials der ersten Ausfüh rungsform wiedergibt, und
4 ein Diagramm, das die elektromagnetischen Eigenschaften des Verbundmaterials gemäß der zweiten Ausführungsform wiedergibt.
Beispiel 1
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein geschichtetes Verbundmaterial 1, das weich ist und auf der Wandung 2 einer Infrastruktur oder Struktur angebracht werden kann.
Dieses Material weist 6 Schichten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, aus einem Bestandteil, der elektromagnetische Wellen absorbiert, auf, der als Grundmaterial einen syntaktischen Schaumstoff auf Silikonharzbasis und hohlen Mikrokugeln aus Glas und als elektrisch leitenden Füllstoff Ruß aufweist, der von der amerikanischen Firma CABOT unter der Bezeichnung X-C-72 vertrieben wird.
Die untenstehende Tabelle gibt die Zusammensetzung einer jeden Schicht des absorbierenden Verbundes in Volumenteilen auf 100 Volumenteile Harz an. Das Silikonharz ist ein Harz, das von der Firma Rhône-Poulenc unter der Bezeichnung RTC 141 vertrieben wird und zu der Harzgruppe gehört, die unter der Bezeichnung "RODORSIL" am Markt ist.

Schicht 3a 3b 3c 3d 3e 3f

Mikrokugeln aus Glas 45 45 45 40 30 10

Ruß 0,58 1,16 2,9 6,38 14,5 34,8

Dicke (mm) 2 2 2 2 2 2
Die in 3 gezeigte Kurve zeigt die Reduktion der Reflektivität R im Verhältnis einer Metalloberfläche, die mit einem solchen Material im Wellenlängenbereich zwischen 6 und 15 GHz erhalten wird.
Das spezifische Gewicht des Materials beträgt ungefähr 600 kg/m³. Es kann in einem weiten Temperaturbereich verwendet werden, z.B. zwischen –50°C und +150°C.
Das in 1 gezeigte Material weist eine äußere Schutzschicht 4 auf, die aus Epoxyharz besteht.
Dieses Material wird auf der Wandung 2 der Struktur mittels eines Klebstoffes 5, wie z.B. einem Klebstoff, der von der Firma Ciba-Geigy unter der Bezeichnung REDUX 410 A/B, vertrieben wird, verklebt.
Beispiel 2
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in 2 gezeigt ist, wird das absorbierende geschichtete Verbundmaterial auch strukturelles Material genannt, da es die Schichten 6a bis 6e zur Verstärkung aufweist, die aus einem Gewebe aus Glasfasern bestehen, und zwischen jeder Schicht mit die elektromagnetischen Wellen absorbierenden Komponenten 7a bis 7b angeordnet sind.
Die Schichten 7a bis 7f mit absorbierenden Bestandteilen bestehen aus einem syntaktischen Schaumstoff und Ruß.
Der syntaktische Schaumstoff wird von der Firma Hexcel unter der Bezeichnung "REZOMIX 114/L" vertrieben und weist ein Epoxyharz und hohle Mikrokugeln aus Glas auf.
Der Ruß ist der beim Beispiel 1 verwendete Ruß.
Jede Schicht 7a bis 7f hat eine Dicke von 1 mm und einen Volumengehalt an Ruß, der gleich dem ist, der jeweils in Tabelle 1 für die Schichten 3a bis 3f nach Beispiel 1 angegeben ist.
Außerdem weist das Verbundmaterial einerseits eine äußere Schutzschicht 8 auf, die aus einem Epoxyharz besteht, das mit Polyamidfasern aufgefüllt ist, die unter dem Markennamen "Kevlar" bekannt sind, und andererseits aus einer Schicht 9, die die elektromagnetischen Wellen reflektiert und aus einem Epoxyharz mit Kohlenstoff-Fasern als Füllung besteht.
Die in 4 dargestellte Kurve zeigt die Reduktion der Reflektivität R im Verhältnis zu einer Metallschicht, die mit dem erfindungsgemäßen Material im Wellenlängenbereich zwischen 6 und 18 GHz erhalten wird.
Das strukturelle Verbundmaterial hat ein spezifisches Gewicht von 600 kg/m³ und kann in einem weiten Temperaturbereich, insbesondere zwischen –50°C und +90°C, verwendet werden.
Dieses Material hat ausreichende mechanische Eigenschaften, um dessen Verwendung als Konstruktionselemente einer Wandung einer Struktur oder Infrastruktur zu erlauben und kann in Kombination mit anderen Konstruktionselementen verwendet werden.
Die Verbundmaterialien, die die elektromagnetischen Wellen absorbieren, haben ein großes Absorptionsvermögen und dies bei veränderlichen Einfallswinkeln der elektromagnetischen Wellen und insbesondere für Einfallswinkel zwischen 90° bezüglich der Materialebene.
Die Anzahl der Schichten und ihre Dicke können sehr verschieden sein, ebenso wie die Art der zur Bildung der Verstärkungsschichten und der Schutz- bzw. Reflexionsschichten verwendeten Fasern und Harze.

Claims

Geschichtetes Verbundmaterial mit mehreren aufeinander angeordneten Schichten elektromagnetische Wellen absorbierender Bestandteile, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierenden Bestandteile ein Grundmaterial aufweisen, das aus einem syntaktischen Schaumstoff und mindestens einem Füllstoff aus Kohlenstoff besteht.
Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff in Form eines Pulvers, von Fasern oder hohlen Mikrokugeln vorliegt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der absorbierende Bestandteil zwischen 0,05 and 60 Volumenteile Kohlenstoff auf 100 Volumenanteile syntaktischen Schaumstoffs enthält.
Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Kohlenstoff in jeder Schicht (3, 7) unterschiedlich ist.
Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (3, 7) der absorbierenden Bestandteile unterschiedliche Dicken aufweisen.
Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke einer jeden Schicht (3, 7) absorbierender Bestandteile zwischen 0,25 mm und 2 mm liegt.
Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Schicht (9) aufweist, die elektromagnetische Wellen reflektiert und auf der Seite des Materials angeordnet ist, die den elektromagnetischen Wellen nicht ausgesetzt ist.
Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine äußere Schutzschicht (4, 8) aufweist.
Verbundmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der syntaktische Schaumstoff ein Schaumstoff auf Silikonharzbasis ist.
Strukturelles Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es zwischen mindestens bestimmten Schichten aus absorbierenden Bestandteilen eine Verstärkungsschicht (6) aufweist, die aus einem Gewebe, einer Fasermatte oder einem vorimprägnierten Gewebe besteht.
Strukturelles Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens bestimmte Schichten der absorbierenden Bestandteile einen strukturellen Verstärkungsfüllstoff aufweisen.
Strukturelles Verbundmaterial nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der syntaktische Schaumstoff ein Schaumstoff auf der Basis thermohärtbarer Harze oder steifer thermoplastischer Harze, wie z.B. Polyester- oder Epoxyharze, ist.