DE4223177C2

DE4223177C2 - Werkstoff zur Absorption und Abschirmung elektromagnetischer Wellen, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE4223177C2
Application number: DE19924223177
Authority: DE
Inventors: Kilian Dr Friederich; Dietmar Klotz; Volker Sommer; Wolfgang Dr Burger; Alwin Dr Nagel; Hans Dr Olapinski; Herbert Dr Richter; Achim Dr Enders; Rolf Dipl Phys Pelster; Guenter Prof Dr Nimtz
Original assignee: Cerasiv GmbH Innovatives Keramik Engineering
Current assignee: Cerasiv GmbH Innovatives Keramik Engineering
Priority date: 1992-07-15
Filing date: 1992-07-15
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2012-07-16
Also published as: DE4223177A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff zur Absorption und Abschirmung elektromagnetischer Wellen, der aus einem feinteiligen, elektrisch nicht leitenden Feststoff und einem feinteiligen, im makroskopischen Zustand elektrisch leitenden Feststoff besteht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen des Werkstoffs und dessen Verwendung.

Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 18 42 857 ist eine Vorrichtung zur Abschirmung hochfrequenter Wellen bekannt, bei der Metall- oder Graphitteilchen in unterschiedlicher Dichteverteilung innerhalb einzelner Bauelemente aus Schaumstoff angeordnet sind. Auch die deutsche Gebrauchsmusterschrift 17 60 260 schlägt einen reflektionsarmen Absorber für elektromagnetische Wellen vor, der aus Schichten unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit besteht, wobei die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit durch unterschiedlich große Zusätze an leitfähigem Pulver eingestellt wird. Vorzugsweise wird als leitfähiges Pulver Graphit verwendet, das in einen Schaumstoffkörper, der z. B. aus Polystyrol besteht, eingetragen wird. Die aus den beiden deutschen Gebrauchsmusterschriften bekannten Absorber haben den Nachteil, daß sie brennbar sind und daß ihre Hochfrequenzleitfähigkeit in starkem Maß temperatur- und frequenzabhängig ist.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 38 02 150 ist ein Absorptionsmaterial für elektromagnetische Wellen bekannt, bei dem in einem Feststoff, z. B. in eine Keramik, in einem Kunststoff oder in eine Flüssigkeit, mesoskopische Partikel aus im makroskopischen Kompaktzustand elektrisch leitfähigen Materialien, z. B. ein Metall oder ein Halbleiter, eingebracht sind, wobei die Teilchen eine Größe von 1 bis 1000 nm haben. Der aus der DE 38 02 150 A1 bekannte Absorber hat den Nachteil, daß seine Absorptionswirkung in hohem Maß von der Frequenz der zu absorbierenden Wellen abhängig ist, so daß die elektrische Leitfähigkeit des Absorbers durch Auswahl der Partikelabmessungen und des Füllfaktors auf den Frequenzbereich der zu absorbierenden Wellen abgestimmt werden muß, woraus folgt, daß er nur für einen bestimmten Einsatzzweck geeignet ist.

In der europäischen Offenlegungsschrift 383 142 ist ein Mittel zur Absorption bzw. zur Dämpfung elektromagnetischer Wellen offenbart, das nach der Gas- oder Schaumbetontechnologie hergestellt wird und das neben Luftporen und Restquarz auch Kalziumsilikathydratphasen aufweist, deren Wassergehalt <10 Gew.% ist. Das bekannte Absorbermaterial hat den Nachteil, daß die Absorptionswirkung des Wassers bei kleineren Frequenzen proportional zur Wellenlänge abnimmt, so daß das bekannte Absorbermaterial gegenüber niederfrequenten Wellen eine nur unbefriedigende Wirkung aufweist, die nur durch eine dickwandige Ausbildung der Bauteile kompensiert werden kann.

Schließlich offenbart die DE 42 01 871 A1 ein zur Absorption elektromagnetischer Wellen geeignetes Bauteil, das sowohl für einen weiten Bereich hochfrequenter Wellen als auch für niederfrequente Wellen einen hohen Absorptionseffekt hat, das bezüglich seiner Hochfrequenzleitfähigkeit über einen weiten Bereich eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweist und das nicht brennbar ist. Das in der deutschen Patentanmeldung vorgeschlagene Bauteil besteht aus einem elektrisch nicht leitenden Feststoff, wie z. B. Kalk, Gips, Beton oder keramische Massen, sowie aus einem im makroskopischen Zustand elektrisch leitenden Feststoff, wie z. B. den Karbiden, Nitriden oder Boriden von Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram. Die durchschnittliche Größe der Feststoffteilchen liegt zwischen 1 und 1000 nm, und am Volumen des Bauteils haben die elektrisch leitenden Feststoffteilchen einen Anteil von 5 bis 30 Vol.%. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere in wäßriger Phase eine gleichmäßige Durchmischung der feinteiligen, elektrisch leitenden und nicht leitenden Feststoffteilchen nur mit größerem technischen Aufwand erreichbar ist und daß die zur Herstellung der Bauteile verwendeten Karbide, Nitride und Boride das Endprodukt erheblich verteuern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff zu schaffen, der aus preiswerten und gut verfügbaren Rohstoffen hergestellt werden kann, der gute Absorptions- und Abschirmeigenschaften hat und aus dem auf technisch einfache Weise Bauteile hergestellt werden können. Ferner soll durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs geschaffen werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Werkstoff aus 3 bis 30 Vol.% Kohlenstoff und Rest CaSO₄×2 H₂O besteht, daß beide Feststoffe einen mittleren Teilchendurchmesser d₅₀ = 10 bis 10 000 nm haben, daß die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffs 0,2 bis 10,0 S/m, vorzugsweise 1 bis 4 S/m, beträgt und in diesem Bereich frequenzunabhängig ist.

Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß bis zu 30 Vol.% des feinteiligen Kohlenstoffs sehr gleichmäßig in feinteiligem Gips verteilt werden können, so daß die aus dem Werkstoff gebildeten Bauteile völlig homogen aufgebaut sind.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Kohlenstoff in Form von Graphit oder Ruß eingesetzt wird und eine Reinheit <96%, vorzugsweise <98%, hat. Die hohe Reinheit des Kohlenstoffs - also die weitgehende Abwesenheit von organischen und anorganischen Verunreinigungen - bewirkt in vorteilhafter Weise, daß der in Wasser dispergierte Kohlenstoff schnell und gleichmäßig mit Gips gemischt werden kann, und zwar auch dann, wenn der Kohlenstoff einen sehr kleinen mittleren Teilchendurchmesser von z. B. 10 bis 200 nm aufweist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung des Werkstoffs gelöst, bei dem feinteiliger Kohlenstoff in Wasser während einer Zeit von 1 bis 20 Minuten durch Rühren dispergiert wird, bei dem dann CaSO₄ unter Rühren während 1 bis 20 Minuten in die Kohlenstoff-Wasser-Dispersion eingetragen wird, bei dem die Mischung anschließend unter Einwirkung von Ultraschall oder niederfrequenten Schwingungen zu Formkörpern vergossen wird, bei dem die Gießform im Zeitpunkt des Erreichens der maximalen Abbindetemperatur vom Formkörper abgenommen wird, bei dem der Formkörper zunächst bei Raumtemperatur und dann bei Temperaturen bis 45°C getrocknet wird.

In überraschender Weise wurde gefunden, daß durch die Verwendung möglichst reinen Kohlenstoffs eine schnelle Dispergierung im Wasser erreicht wird, wobei die Dispersion relativ stabil ist, so daß der nachfolgende Eintrag von CaSO₄ nicht von Entmischungsvorgängen begleitet ist. Obwohl die aus Wasser, Kohlenstoff und CaSO₄ bestehende Mischung zähflüssig und thixotrop ist, wurde ein überraschend gutes Gießverhalten dieser Mischung dadurch erreicht, daß sie dem Einfluß von Ultraschall oder von niederfrequenten Schwingungen ausgesetzt wird. Durch das Abbinden des CaSO₄ - also die Anlagerung von Kristallwasser - erhöht sich die Temperatur in der Gießform, und die Form ist zweckmäßig bei der maximalen Abbindetemperatur zu entfernen. Beim Trocknungsvorgang wird das nicht als Kristallwasser gebundene Wasser vollständig aus dem Formkörper entfernt, so daß ein durch Sägen, Schleifen und Bohren zu bearbeitendes Bauteil als Endprodukt erhalten wird. Die Bauteile haben eine Dichte von 0,8 bis 1,3 g/cm³; ihre guten Absorber- und Abschirm-Eigenschaften sind durch folgende Werte der dielektrischen Funktion gekennzeichnet:
bei 100 MHz gilt

ε₁ = 20 bis 100
ε₂ = 40 bis 300.

Der Absorptionskoeffizient beträgt bei 100 MHz bis zu 37 m^-1 und bei 1 GHz bis zu 113 m^-1. Diese Werte entsprechen Dämpfungswerten von 16 dB/cm bzw. 49 dB/cm.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung des Werkstoffs zur Abschirmung von elektromagnetischen Wellen im Bereich von 10 MHz bis 100 GHz erwiesen.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Beispiel 1

In 4 l destilliertes Wasser werden 1,5 kg Ruß mit einem mittleren Teilchendurchmesser d₅₀ von 50 nm während ca. 5 Minuten mit einem schnellaufenden Rührer dispergiert. Die Dispersion wird anschließend während ca. 10 Minuten mit 6 kg CaSO₄ versetzt. Die Herstellung dieser Mischung erfolgt unter Rühren, wobei die Rührgeschwindigkeit mit zunehmendem Gehalt an CaSO₄ verlangsamt werden muß. Die aus Wasser, Ruß und CaSO₄ bestehende Mischung ist zähflüssig und thixotrop; sie wird unter Einwirkung von Ultraschall mit einer Frequenz von 30 KHz in eine Gießform vergossen. Das Abbinden des CaSO₄ führt zur Erwärmung der Gießform, die beim Erreichen der maximalen Abbindetemperatur von ca. 50°C abgenommen wird. Der feuchte Formkörper wird zunächst 6 Std. bei Normaltemperatur und anschließend 6 Std. bei einer Temperatur von maximal 45°C in Luft getrocknet, wobei insgesamt 3 kg Wasser aus dem Formkörper entfernt werden. Der Formkörper hat einen Kohlenstoffgehalt von 10 Vol.%, enthält kein anhaftendes, sondern lediglich als Kristallwasser gebundenes Wasser und wird in mehrere Einzelteile zersägt, die dann als Absorber-Bauteile eingesetzt werden. Die Absorptions- und Abschirmeigenschaften des Werkstoffs sind durch die in der Tabelle genannten Kenngrößen bestimmt.

Beispiele 2 und 3

Es wurde Graphit mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 6000 nm verwendet; ansonsten wurden die Werkstoffe entsprechend der Verfahrensvorschrift des Beispiels 1 hergestellt. Die Kenngrößen der Werkstoffe sind in der Tabelle genannt.

Claims

1. Werkstoff zur Absorption und Abschirmung elektromagnetischer Wellen, der aus einem feinteiligen, elektrisch nicht leitenden Feststoff und einem feinteiligen, im makroskopischen Zustand elektrisch leitenden Feststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß er aus 3 bis 30 Vol.-% Kohlenstoff und Rest CaSO₄×2 H₂O besteht, daß beide Feststoffe einen mittleren Teilchendurchmesser d₅₀=10 bis 10 000 nm haben, daß die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffs 0,2 bis 10,0 S/m und in diesem Bereich frequenzunabhängig ist.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffs 1 bis 4 S/m beträgt.

3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in Form von Graphit oder Ruß eingesetzte Kohlenstoff eine Reinheit <96%, vorzugsweise <98% hat.

4. Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß feinteiliger Kohlenstoff in Wasser während einer Zeit von 1 bis 20 Minuten durch Rühren dispergiert wird, daß dann CaSO₄ unter Rühren während 1 bis 20 Minuten in die Kohlenstoff-Wasser-Dispersion eingetragen wird, daß die Mischung anschließend unter Einwirkung von Ultraschall oder niederfrequenten Schwingungen vergossen wird, daß die Gießform im Zeitpunkt des Erreichens der maximalen Abbindetemperatur abgenommen wird, daß der Werkstoff zunächst bei Raumtemperatur und dann bei Temperaturen bis 45°C getrocknet wird.

5. Verwendung des Werkstoffs gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 zur Abschirmung von elektromagnetischen Wellen im Bereich von 10 MHz bis 100 GHz.