DE3901345C2 - Absorbierende Beschichtung, Verfahren zu ihrer Herstellung und mit Hilfe dieser Beschichtung erhaltener Überzug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine absorbierende Beschichtung, ein Verfahren zu ihrer Herstellung und einen mit Hilfe dieser Beschichtung erhaltenen Überzug. Sie findet Anwendung bei der Absorption elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise im Bereich der Mikrowellen (Mikrowellenöfen, reflexionsfreie Kammern, Telekommunikationseinrichtungen, Ultrahochfrequenz­ leiter usw.), aber auch im sichtbaren oder infraroten Be­ reich.

Es sind Mikrowellen absorbierende Materialien in Form von Schichten mit einer Dicke im Bereich von Zentimetern bekannt, die mittels dichter Ferritmaterialien hergestellt oder durch Dispergieren dichter Materialien in einem geeigneten organi­ schen Bindemittel erhalten werden.

Im Handel sind neuerdings Ferritplatten erhältlich, die Mikrowellen zwischen 100 und 1000 MHz absorbieren und eine Dicke von 5 bis 15 mm aufweisen. Man findet auch Füllstoffe enthaltende organische Verbundstoffe wie ferrit- oder metall­ haltige Gummis. Der Anwendungsfrequenzbereich bewegt sich von 5 bis 15 GHz und die Dicke beträgt zwischen 1 und 5 mm.

Wie bei anderen Mikrowellen absorbierenden Materialien kennt man pyramidenförmige oder wabenförmige Strukturen, die eine Dicke von mehreren 10 cm aufweisen. Diese Materialien werden im allgemeinen zur Ausrüstung reflexionsfreier Kammern ver­ wendet.

Aus der französischen Patentanmeldung Nr. 87/12971 ist fer­ ner ein absorbierendes Verbundmaterial bekannt, das aus einer Aufschichtung abwechselnd magnetischer und isolieren­ der Schichten besteht. Jede Schicht aus magnetischem Mate­ rial ist aus mehreren Blöcken gebildet, die durch elektrisch isolierende Zwischenräume oder Fugen voneinander getrennt sind.

Dieses in Form eines Stapels dünner Schichten vorliegende Verbundmaterial kann eine Gesamtdicke von weniger als 1 mm aufweisen, was trotz der erhöhten Dichte (8 bis 9 g/cm³) des magnetischen Materials zu einem Überzug mit einer geringen Massenverteilung an der Oberfläche in der Größenordnung von 0,5 bis 1 kg/m² führt.

In einem solchen Material ist die Strahlungsabsorption ver­ bunden mit Phänomenen wie Magnetisierungsverlusten durch Rotation in den magnetischen Schichten, Austausch-Wechsel­ wirkungen, dielektrischen Verlusten etc.

Obwohl in gewisser Hinsicht ausreichend, weisen diese Ver­ bundmaterialien dennoch folgende Nachteile auf:

• - da die Dünnschichten auf Oberflächen großer Abmessungen (in bezug auf die Wellenlänge der zu absorbierenden Strah­ lung) abgeschieden werden, ist es erforderlich, sie zu ätzen, um die Oberflächenströme, die eine Remission der Welle erzeugen würden, zu begrenzen; diese Maßnahme ist auf großen Oberflächen nur schwer mit der erforderlichen Präzision zu verwirklichen;
• - der erhaltene Überzug ist nur in einem engen Frequenzband wirksam (oder, wenn man will, in einem bestimmten Wellen­ längenbereich);
• - die Oberfläche, auf der die Abscheidung erfolgt, muß mit großer Präzision bearbeitet werden (optisch poliert) und praktisch eben sein.

Es sind ferner Überzüge bekannt, die sichtbare oder nahe In­ frarotstrahlung absorbieren und die aus einem Stapel dielek­ trischer, transparenter Schichten bestehen, welche alternie­ rende Brechungsindizes besitzen. Die diese Schichten bilden­ den Materialien sind im allgemeinen Oxide. Das Phänomen der Absorption gehört somit dem interferometrischen Typ an.

Obwohl diese Überzüge in gewisser Beziehung befriedigend sind, weisen auch sie wiederum Nachteile auf:

• - die Abscheidung muß in einer Umhüllung unter Hochvakuum erfolgen, wodurch sich die Behandlung großdimensionierter Werkstücke verbietet;
• - die zu überziehende Oberfläche muß eine ausgezeichnete Qualität (optisch poliert) aufweisen;
• - die erhaltene Selektivität ist groß, schon allein aufgrund des interferometrischen Charakters der auftretenden Phäno­ mene.

Aus der US-Patentschrift Nr. 4 434 010 sind Dünnschichtspäne und deren Herstellung bekannt, die einem flüssigen Medium zugegeben ein Anstrichmittel bilden, das neben der Erzielung bestimmter Farbeffekte auch der selektiven Reflexion bzw. Absorption elektromagnetischer Strahlung dienen kann. Dazu werden auf ein flexibles Trägermaterial mehrere Schichten mit verschiedenen optischen bzw. dielektrischen Eigen­ schaften abgeschieden. Beim Entfernen des Trägermaterials bricht die Beschichtung in Späne, die alle ein Segment der optischen Beschichtung enthalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alle vorher er­ wähnten Nachteile zu vermeiden und eine Beschichtung der vorgenannten Art zu schaffen, mit der Werkstücke beliebiger Form und Größe, mit beliebiger Oberflächenbeschaffenheit überzogen werden können und die es erlaubt, elektromagneti­ sche Strahlung v. a. im Mikrowellenbereich zu absorbieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Beschichtung gelöst, die ein Bindemittel und einen Füllstoff umfaßt, der aus Spänen aus mindestens einer Schicht in Form eines elek­ tromagnetische Strahlung absorbierenden Stapels von Dünn­ schichten besteht, wobei jeder Span aus einem Stapel von Schichten besteht, die abwechselnd magnetisch amorph und elektrisch isolierend sind.

Vorzugsweise ist das magnetische, amorphe Material ein fer­ romagnetisches Material mit starker magnetischer Permeabili­ tät.

Ferner ist das magnetische Material vorzugsweise eine Legie­ rung aus Kobalt und mindestens einem aus der aus Zirkonium und Niob bestehenden Gruppe ausgewählten Element.

Die magnetischen Schichten können eine Dicke von zwischen 100 und 1000 nm aufweisen.

Die isolierenden Schichten können eine Dicke von zwischen 1 und 200 nm aufweisen.

Wenn es sich darum handelt, eine Strahlung zu absorbieren, die in den sichtbaren oder den nahen Infrarotbereich fällt, dann besteht jeder Span aus einem Stapel von für die Strah­ lung transparenten Schichten, deren Brechungsindex regel­ mäßig wechselt.

Um eine Absorption in einem sehr großen Bereich zu erhalten, kann die Beschichtung verschiedene Arten von Spänen enthal­ ten, die unterschiedliche Absorptionscharakteristiken auf­ weisen.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zur Herstellung der vorstehend erläuterten Beschichtung zu schaffen. Dieses Verfahren umfaßt die folgenden Maßnah­ men:

• - auf einem Substrat wird unter Vakuum ein Stapel von ab­ wechselnd magnetisch amorphen und elektrisch isolierenden Dünnschichten abgeschieden, welcher elektromagnetische Strahlung absorbiert,
• - der Stapel wird zerbrochen, um ihn zu Spänen zu zerklei­ nern,
• - und die Späne werden mit einem Bindemittel vermischt.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Über­ zug zu schaffen, der mindestens eine Schicht aus der vorste­ hend beschriebenen Beschichtung umfaßt.

Wenn der Absorptionsbereich groß sein muß, umfaßt der Über­ zug vorzugsweise mehrere Schichten, die aus verschiedenen Beschichtungen bestehen, wovon jede beispielsweise einen speziellen Absorptionsbereich besitzt.

In der folgenden Beschreibung werden die Merkmale der Erfin­ dung näher erläutert.

Die Erfindung ist nicht auf die in der Beschreibung enthal­ tenen Beispiele beschränkt. Die Beschreibung nimmt Bezug auf die Zeichnung, worin

Fig. 1 im Schnitt eine Stufe des Verfahrens zur Herstel­ lung der erfindungsgemäßen Beschichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht derselben Stufe,

Fig. 3 einen mit einem erfindungsgemäßen Überzug be­ schichteten Gegenstand und

Fig. 4 einen Überzug aus mehreren verschiedenen Schich­ ten

zeigen.

In Fig. 1 sieht man eine erste Stufe des Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Beschichtung. Auf einem ebenen Substrat 10 wird ein Stapel 11 aus verschiedenen Dünnschichten abgeschieden. Im gezeichneten Beispiel (wobei die Zeichnung nicht maßstabgerecht und sehr schematisch gehalten ist) findet man nacheinander eine isolierende Schicht 12, eine magnetische Schicht 14, eine isolierende Schicht 16, eine magnetische Schicht 18, eine isolierende Schicht 20, eine magnetische Schicht 22 und schließlich eine isolierende Schicht 24.

Die verwendbaren amorphen magnetischen Materialien sind vorzugsweise ferromagnetische Materialien auf Kobaltbasis, die mindestens ein unter Zirkonium und Niob ausgewähltes Element enthalten. Diese Materialien können vom Typ Co_xNb_yZr_z sein, worin x 80 bis 95, beispielsweise 87 bis 93, und (y + z) = (100 - x) und worin y und z einen Wert von 20 bis 0 bedeuten bzw. besitzen.

Als verwendbare magnetische Materialien können beispielswei­ se Co₈₇Nb_11,5Zr_1,5 oder Co₈₉Nb_6,5Zr_4,5 oder Co₈₉Zr₁₁ und/oder Co₉₃Zr₇ genannt werden. Als elektrisch isolierende Materialien können genannt werden: Quarz, Glas, Siliciumdioxid, amorphes Silicium, Aluminium­ oxid, Siliciumnitrid, Zinksulfid, Kohlenstoff.

Was den Träger 10 betrifft, so kann es sich hierbei um ein beliebiges Material handeln, beispielsweise um Metall oder um ein lösliches Material, um Glas oder Silicium.

Bei der Anwendung auf die Absorption von Mikrowellen ist die Zahl der abwechselnden Schichten aus magnetischem Material und aus isolierendem Material eine Funktion der Frequenz des Feldes, das absorbiert werden soll. Im allgemeinen gilt: Je höher die zu absorbierende Frequenz, desto geringer die An­ zahl der Schichten.

Beispielsweise verwendet man für eine Frequenz von 500 MHz ungefähr 2500 Schichten. Bei 2 GHz verringert sich diese Zahl aber auf ungefähr 300.

Um den Stapel 11 in einzelne Stücke (Späne, Schnipsel) zu zerbrechen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann man (beispielsweise mit einem Fräser) in die Oberfläche des Substrats feine Linien 26 und 28 schnei­ den, die ein Mosaik aus kleinen Rechtecken ergeben. Der Sta­ pel 11 bricht nun entlang dieser Linien auf natürliche Weise auseinander und ergibt eine Vielzahl von Spänen oder Schnip­ seln C. Diese Späne erscheinen schematisch in Fig. 1 im Schnitt und in Fig. 2 perspektivisch.

Man kann aber auch den Stapel aus den Schichten zerschneiden (beispielsweise mittels eines Lasers) oder den Stapel auf­ trennen und dann fein vermählen oder man kann ein in einer chemischen Lösung lösliches Substrat verwenden etc.

Bei dieser Art der Herstellung von Spänen verleiht man die­ sen im Durchschnitt eine Form und Abmessungen, welche für den angestrebten Zweck geeignet sind. Je nach der zu absorbierenden Frequenz können die Späne mehr oder weniger groß sein und untereinander gleiche Struktur aufweisen.

Die Späne können anschließend in einen Ofen gebracht werden, der auf einer Temperatur gehalten wird, die unterhalb der Kristallisationstemperatur liegt, d. h. etwa bei 250 bis 400°C, und sie werden einem Magnetfeld unterworfen, das auf ihre Ebene ausgerichtet ist. Diese Maßnahme bewirkt eine anisotrope Orientierung der Magnetisierung, welche in der Ebene der Späne auftritt.

Die so erhaltenen Späne werden anschließend mit einem Binde­ mittel vermischt. Diesbezüglich steht eine große Vielfalt an Materialien zur Verfügung: Oxid, Oxidgemische, Epoxyharze, wärmehärtbare Harze, Photoresists, Klebstoffe etc.

Es können natürlich mehrere Arten von Spänen in ein und demselben Bindemittel vermischt werden, und zwar entweder von untereinander gleicher Struktur, aber verschiedenen Dimensionen oder Formen (rechtwinklig, dreieckig, quadra­ tisch, rautenförmig etc.) oder aber mit unterschiedlicher Struktur, aber gleicher Form, oder mit verschiedenen Struk­ turen und Formen.

Ein erfindungsgemäßer Überzug ist im Schnitt in Fig. 3 wie­ dergegeben. Der Überzug 32 umfaßt Späne C, die im Durch­ schnitt alle parallel zur Oberfläche eines Gegenstandes 30 liegen, wobei diese Späne in dem Bindemittel 34 eingebettet sind. Eine elektromagnetische Strahlung R, die auf den so überzogenen Gegenstand auftrifft, wird durch den und in dem Überzug absorbiert.

Das Überziehen erfolgt wie bei einer Anstrichfarbe, sei es kalt oder sei es heiß, wenn das Bindemittel wärmehärtbar ist.

Gemäß Fig. 3 ist der Überzug aus einer Schicht ein und der­ selben Beschichtung gebildet. Man kann aber ein und densel­ ben Gegenstand mit mehreren Schichten überziehen, die aus verschiedenen Beschichtungen bestehen, wie in Fig. 4 darge­ stellt. In dieser Figur sieht man einen Gegenstand 30, der mit einer ersten Schicht 41 einer Beschichtung bedeckt ist, die Späne des Typs C1 enthält, wobei diese Schicht wiederum selbst mit einer zweiten Schicht 42 aus einer Beschichtung bedeckt ist, die Späne des Typs C2 enthält, und diese Schicht wiederum mit einer dritten Schicht 43 aus einer Beschichtung bedeckt ist, die Späne des Typs C3 enthält.

Jede Schicht kann derart zusammengesetzt sein, daß sie einen relativ engen Wellenlängenbereich absorbiert, wobei sich die drei Bereiche teilweise überlappen, um einen großen Bereich zu definieren, worin die Strahlungsabsorption stattfindet.

In der vorstehenden Beschreibung wurde der Schwerpunkt auf Systeme mit mehreren magnetischen und isolierenden Schichten gerichtet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausfüh­ rungsform beschränkt. Sie umfaßt auch andere Ausführungsfor­ men, beispielsweise reine Interferenzsysteme, Interferenz­ systeme mit Verlusten oder reine Verlustsysteme.

Claims (11)

1. Beschichtung, die ein Bindemittel (34) und einen Füll­ stoff umfaßt, der aus Spänen (C) aus mindestens einer Schicht in Form eines elektromagnetische Strahlung absor­ bierenden Stapels von Dünnschichten (12, 14, . . ., 22, 24) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Span (C) aus einem Stapel von Schichten besteht, die abwechselnd magne­ tisch amorph (14, 18, 22) und elektrisch isolierend (12, 16, 20, 24) sind.

2. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische, amorphe Material ein ferromagnetisches Material mit starker magnetischer Permeabilität ist.

3. Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Material eine Legierung aus Kobalt und mindestens einem aus der aus Zirkonium und Niob bestehenden Gruppe ausgewählten Element ist.

4. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Span (C) aus einem Stapel von Schichten besteht, welcher ein Interferenz- und/oder Verlust-Absorptionssystem bildet.

5. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Span aus einem Stapel von für Strahlung transpa­ renten Schichten besteht, deren Brechungsindex regelmäßig wechselt.

6. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie verschiedene Arten von Spänen (C1, C2, C3) mit verschiedenen Absorptionseigenschaften umfaßt.

7. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die fol­ genden Verfahrensschritte:

• - auf einem Substrat (10) wird unter Vakuum ein Stapel (11) von abwechselnd magnetischen, amorphen (14, 18, 22) und elektrisch isolierenden (12, 16, 20, 24) Dünnschichten abgeschieden, welcher elektromagnetische Strahlung absor­ biert,
• - der Stapel (11) wird zerbrochen, um ihn zu Spänen (C) zu zerkleinern,
• - die Späne (C) werden mit einem Bindemittel (34) vermischt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Zerbrechen des Stapels erhaltenen Späne in ei­ nen Ofen gebracht und einem Magnetfeld unterworfen werden.

9. Überzug, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens eine Schicht aus einer Beschichtung (32) gemäß einem der Ansprü­ che 1 bis 6 umfaßt.

10. Überzug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Schichten aus verschiedenen Beschichtungen (41, 42, 43) umfaßt.

11. Überzug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht einen spezifischen Absorptionsbereich besitzt.