ES2429966T3 - Antenas basadas en un material compuesto conductor de polímero y métodos para la producción de las mismas - Google Patents

Antenas basadas en un material compuesto conductor de polímero y métodos para la producción de las mismas Download PDF

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Jamal Talla
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Abstract

Antena que comprende: una estructura de soporte no conductor; y una capa de material compuesto conductor depositada sobre la estructura de soporte no conductor; donde la capa de material compuesto conductor comprende una pluralidad de nanotubos de carbono y unpolímero; donde cada uno de la pluralidad de nanotubos de carbono está en contacto con al menos otro de la pluralidadde nanotubos de carbono; y donde la capa de material compuesto conductor se puede operar para recibir al menos una señalelectromagnética.

Description

Antenas basadas en un material compuesto conductor de polímero y métodos para la producción de las mismas
5 La presente solicitud reivindica la prioridad sobre el documento de solicitud de patente provisional de Estados Unidos 611058,352 presentado el 3 de junio de 2008.
Declaración con respecto a la investigación patrocinada federalmente
No aplicable.
Antecedentes
Las antenas constituyen la piedra angular de la tecnología de comunicaciones de módem inalámbrico. Las antenas
15 se diseñan para recibir y emitir radiación electromagnética y actúan como vehículo entre el espacio libre y los dispositivos inalámbricos. Un requisito básico de las antenas convencionales es que contienen un conductor eléctrico. Por ejemplo, el documento de Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos 2008/0086876 divulga una antena que tiene conductores formados por una tinta, tinte, o revestimiento conductor. Por esta razón, la mayoría de las antenas tradicionales se han limitado a estructuras metálicas. Para las aplicaciones de antena en las que se ha de tener en cuenta el peso, en algunos casos las antenas metálicas también pueden ser problemáticas.
En diversas aplicaciones estructurales, se han usado polímeros y materiales compuestos de polímero como reemplazos livianos para los metales. Aunque ciertos polímeros y materiales compuestos de polímero son conductores eléctricos o se pueden hacer conductores eléctricos, sus bajas conductividades han limitado
25 generalmente su uso como reemplazos de los metales en aplicaciones que requieren conductividad eléctrica.
A la vista de lo expuesto anteriormente, las estructuras de antena no metálica o al menos parcialmente no metálica serían de considerable utilidad en una diversidad de aplicaciones en las que se usan convencionalmente las antenas metálicas. La presente divulgación describe estructuras de antena preparadas a partir de materiales compuestos de polímero altamente conductores que utilizan nanotubos de carbono conductores como material de relleno. Estas estructuras de antena proporcionan un enfoque alternativo a las antenas tradicionales que son completamente metálicas. Tales estructuras de antena no metálica o al menos parcialmente no metálica son ventajosas ya que tienen un peso menor que las antenas metálicas comparables y ofrecen un aumento significativo de la eficacia de la antena.
Sumario
En diversas realizaciones, se describen antenas en el presente documento. Las antenas incluyen una estructura de soporte no conductor y una capa de material compuesto conductor depositada sobre la estructura de soporte no conductor. El material compuesto conductor incluye una pluralidad de nanotubos de carbono y un polímero. Cada uno de la pluralidad de nanotubos de carbono está en contacto con al menos otro de la pluralidad de nanotubos de carbono. La capa de material compuesto conductor se puede operar para recibir al menos una señal electromagnética.
45 En diversas realizaciones, se describen antenas híbridas en el presente documento. Las antenas híbridas incluyen un cuerpo interno de antena metálica y una capa de material compuesto conductor que reviste el cuerpo interno de antena metálica. La capa de material compuesto conductor incluye una pluralidad de nanotubos de carbono y un polímero. Cada uno de la pluralidad de nanotubos de carbono está en contacto con al menos otro de la pluralidad de nanotubos de carbono. La capa de material compuesto conductor actúa como un amplificador para el cuerpo interno de antena metálica.
En diversas realizaciones, se describen radios que incluyen las antenas y las antenas híbridas. En diversas realizaciones, se describen teléfonos móviles que incluyen las antenas y las antenas híbridas. En diversas realizaciones, se describen tarjetas de red inalámbricas que incluyen las antenas y las antenas híbridas.
55 En otras realizaciones diversas, se describen métodos para la formación de una antena en el presente documento. Los métodos incluyen proporcionar una estructura de soporte no conductor y depositar una capa de material compuesto conductor sobre la estructura de soporte no conductor. El material compuesto conductor incluye una pluralidad de nanotubos de carbono y un polímero. Cada uno de la pluralidad de nanotubos de carbono está en contacto con al menos otro de la pluralidad de nanotubos de carbono. La capa de material compuesto conductor se puede operar para recibir al menos una señal electromagnética.
En aún otras realizaciones diversas, se describen métodos para la formación de una antena híbrida en el presente documento. Los métodos incluyen proporcionar un cuerpo interno de antena metálica y depositar una capa de 65 material compuesto conductor sobre el cuerpo interno de antena metálica. La capa de material compuesto conductor incluye una pluralidad de nanotubos de carbono y un polímero. Cada uno de la pluralidad de nanotubos de carbono
está en contacto con al menos otro de la pluralidad de nanotubos de carbono. La capa de material compuesto conductor actúa como amplificador para el cuerpo interno de antena metálica.
Lo expuesto anteriormente ha resumido de forma bastante amplia diversas características de la presente divulgación
5 para que se pueda comprender mejor la descripción detallada que sigue a continuación. En el presente documento se describirán características y ventajas adicionales de la presente divulgación, que forman el objeto de las reivindicaciones.
Breve descripción de las figuras
Para una comprensión más completa de la presente divulgación, y de las ventajas de la misma, a continuación se hace referencia a las siguientes descripciones que se consideran junto con las figuras anexas que describen realizaciones específicas de la presente divulgación, donde:
15 La FIGURA 1 presenta un gráfico ilustrativo de la conductividad de un material compuesto de nanotubo de carbono/policarbonato en función del ángulo de medición;
Las FIGURAS 2A -2C presentan espectros Raman ilustrativos de MWNT purificados, de MWNT no purificados, de un material compuesto de MWNT-polímero de policarbonato, y de un polímero de policarbonato puro en las longitudes de onda de 488, 514, y 785 nm, respectivamente;
La FIGURA 3 presenta una imagen de TEM ilustrativa de los MWNT que se usan en los materiales compuestos de polímero antes de la formación del material compuesto de polímero;
25 La FIGURA 4 presenta una imagen de TEM ilustrativa de los MWNT después de la formación del material compuesto de polímero, que muestra un estrecho empaquetamiento de los MWNT entre sí y rodeados por el polímero;
La FIGURA 5 presenta una fotografía de una antena no metálica ilustrativa; y
La FIGURA 6 presenta una fotografía de una antena no metálica ilustrativa conectada a una radio.
Descripción detallada
35 En la siguiente descripción, se exponen ciertos detalles tales como cantidades específicas, concentraciones, tamaños, etc., para proporcionar una comprensión profunda de las diversas realizaciones que se divulgan en el presente documento. Sin embargo, será evidente para los expertos habituales en la materia que la presente divulgación se puede llevar a la práctica sin tales detalles específicos. En numerosos casos, los detalles con respecto a tales consideraciones y similares se han omitido puesto que tales detalles no son necesarios para obtener una comprensión completa de la presente divulgación y se encuentran dentro de las habilidades de los expertos habituales en la materia de la técnica relevante.
Por referencia a las figuras en general, se entenderá que las ilustraciones tienen el fin de describir realizaciones particulares de la presente divulgación y no se pretende que sean limitantes de la misma. Además, las figuras no son
45 necesariamente a escala.
Mientras que los expertos habituales en la materia podrán reconocer la mayoría de los términos que se usan en el presente documento, se debería entender que, cuando no se definan de forma explícita, se debería interpretar que los términos adoptan el significado aceptado en la actualidad por los expertos habituales en la materia.
Se han propuesto diversas aplicaciones potenciales para los nanotubos de carbono basándose en sus propiedades mecánicas y eléctricas superiores. Muchas de estas aplicaciones potenciales prevén el uso de los nanotubos de carbono cuando se disponen como componente en un material compuesto de polímero. Dispositivos ilustrativos previstos que usan nanotubos de carbono incluyen, por ejemplo, emisores de campo, sensores y diversos 55 dispositivos optoelectrónicos. En particular, para las aplicaciones de material compuesto de polímero, se conoce que los materiales de relleno de nanotubo de carbono aumentan enormemente las propiedades eléctricas, térmicas, ópticas y, en numerosas ocasiones, mecánicas de los materiales compuestos de polímero estableciendo una red percolativa por todo el anfitrión de polímero. Las aplicaciones de los nanotubos de carbono en un material compuesto de polímero se han centrado habitualmente en que los nanotubos de carbono dispersos aprovechen la ventaja de la resistencia mecánica de los nanotubos de carbono individuales. Asimismo, los materiales compuestos de polímero de nanotubo de carbono que son conductores eléctricos también se centran habitualmente en los que poseen nanotubos de carbono dispersos. Sin embargo, la dinámica implicada en el transporte electrónico es diferente de la que se presenta en aplicaciones mecánicas. Por lo tanto, como se describe en el presente documento, los materiales compuestos de polímero que tienen nanotubos de carbono fuertemente agregados 65 proporcionan beneficios ventajosos al suministrar un aumento de la conductividad eléctrica, en comparación con los materiales compuestos de polímero de umbral de percolación de baja concentración que tienen nanotubos de
carbono dispersos.
En cualquiera de las diversas realizaciones que se describen en el presente documento, se pueden formar nanotubos de carbono mediante cualquier técnica conocida y se pueden obtener en una diversidad de formas, tales 5 como, por ejemplo, hollín, polvo, fibras, buckypaper (papel de nanotubos de carbono) y las mezclas de los mismos. Los nanotubos de carbono pueden tener cualquier longitud, diámetro, o quiralidad que se produzca mediante cualquiera de los diversos métodos de producción. En algunas realizaciones, los nanotubos de carbono tienen diámetros en un intervalo entre aproximadamente 0,1 nm y aproximadamente 100 nm. En algunas realizaciones, los nanotubos de carbono tienen longitudes en un intervalo entre aproximadamente 100 nm y aproximadamente 1 !m. En algunas realizaciones, la quiralidad de los nanotubos de carbono es tal que los nanotubos de carbono son metálicos, semimetálicos, semiconductores o las combinaciones de los mismos. Los nanotubos de carbono pueden incluir, pero no se limitan a, nanotubos de carbono de pared sencilla (SWNT), nanotubos de carbono de pared doble (DWNT), nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT), nanotubos de carbono acortados, nanotubos de carbono oxidados, nanotubos de carbono funcionalizados, nanotubos de carbono purificados, y las combinaciones de los
15 mismos. En algunas realizaciones, los nanotubos de carbono son MWNT. En algunas realizaciones, los nanotubos de carbono son SWNT.
En cualquiera de las diversas realizaciones que se presentan en el presente documento, los nanotubos de carbono pueden estar sin funcionalizar o funcionalizados. Nanotubos de carbono funcionalizados, como se usa en el presente documento, se refiere a cualquier tipo de nanotubos de carbono que porta una modificación química, una modificación física o una combinación de las mismas. Tales modificaciones pueden implicar los extremos del nanotubo, las paredes laterales, o ambos. Modificaciones químicas ilustrativas de nanotubos de carbono incluyen, por ejemplo, enlace covalente o enlace iónico. Modificaciones físicas ilustrativas incluyen, por ejemplo, quimisorción, intercalación, interacciones tensioactivas, envoltorio de polímero, solvatación, y las combinaciones de las mismas.
25 Los nanotubos de carbono sin funcionalizar se aíslan típicamente en forma de agregados denominados cuerdas o paquetes, que se mantienen juntos a través de fuerzas de van der Waals. En particular, los nanotubos de carbono están en contacto entre sí. Los paquetes de nanotubos de carbono pueden hacerse incluso más densamente agregados usando las técnicas de procesamiento que se describen en el presente documento.
Los nanotubos de carbono sin funcionalizar se pueden usar según se preparan a partir de los diversos métodos de producción, o se purifican adicionalmente. La purificación de nanotubos de carbono se refiere habitualmente, por ejemplo, a la retirada de impurezas metálicas, a la retirada de impurezas carbonáceas que no son nanotubos, o a ambas, de los nanotubos de carbono. Métodos de purificación de nanotubos de carbono ilustrativos incluyen, por ejemplo, oxidación usando ácidos oxidantes, oxidación por calentamiento en aire, filtración y separación 35 cromatográfica. Los métodos de purificación oxidativa retiran impurezas carbonáceas que no son nanotubos en forma de dióxido de carbono. La purificación oxidativa de nanotubos de carbono que usa ácidos oxidantes resulta además en la formación de nanotubos de carbono oxidados y funcionalizados, donde los extremos cerrados de la estructura del nanotubo de carbono se abren oxidativamente y terminan con una pluralidad de grupos ácido carboxílico. Ácidos oxidantes ilustrativos para llevar a cabo la purificación oxidativa de los nanotubos de carbono incluyen, por ejemplo, ácido nítrico, ácido sulfúrico, ácido sulfúrico fumante y las combinaciones de los mismos. Los métodos de purificación oxidativa que usan un ácido oxidante resultan además en la retirada de impurezas metálicas en una fase de solución. Dependiendo de la duración del período de tiempo en que se lleva a cabo la purificación oxidativa que usa ácidos oxidantes, la reacción adicional de los nanotubos de carbono oxidados y funcionalizados resulta en el acortamiento de los nanotubos de carbono, que terminan de nuevo en sus extremos abiertos con una
45 pluralidad de grupos ácido carboxílico. Los grupos ácido carboxílico tanto en los nanotubos de carbono oxidados y funcionalizados como en los nanotubos de carbono acortados pueden reaccionar además para formar otros tipos de nanotubos de carbono funcionalizados. En diversas realizaciones de la presente divulgación, los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono carboxilados preparados mediante un procedimiento de purificación oxidativa. En algunas realizaciones, los nanotubos de carbono carboxilados comprenden MWNT carboxilados. En otras realizaciones, los nanotubos de carbono carboxilados comprenden SWNT carboxilados. En algunas realizaciones de la presente divulgación, los nanotubos de carbono están sin purificar. En otras realizaciones de la presente divulgación, los nanotubos de carbono están purificados.
En diversas realizaciones, la presente divulgación describe capas de material compuesto conductor que tiene
55 nanotubos de carbono y un polímero. En diversas realizaciones de los materiales compuestos de polímero de nanotubo de carbono de la presente divulgación, los nanotubos de carbono están en contacto con al menos otro de una pluralidad de nanotubos de carbono. En particular, los nanotubos de carbono están al menos parcialmente agregados en paquetes en las capas de material compuesto conductor. En algunas realizaciones, los nanotubos de carbono están empaquetados más densamente en las capas de material compuesto conductor que en los nanotubos de carbono según se producen.
Sin quedar ligado a ninguna teoría o mecanismo, se cree que al mantener los nanotubos de carbono en contacto estrecho entre sí, el transporte balístico de la señal eléctrica resulta mayor que el mecanismo de transporte por saltos (hopping). De acuerdo con la comprensión actual del mecanismo de transporte, la alta conductividad eléctrica 65 de los materiales compuestos de polímero de nanotubo de carbono que se divulgan en el presente documento son el resultado de la asociación de los nanotubos de carbono en paquetes grandes y densos que permiten que los
materiales compuestos de polímero transporten carga a mayores niveles a macroescala que los materiales compuestos de polímero que tienen nanotubos de carbono dispersos a microescala. La conductividad de los materiales compuestos de polímero que tienen nanotubos de carbono dispersos es varios órdenes de magnitud inferior.
5 En diversas realizaciones, los materiales compuestos de polímero de nanotubo de carbono de la presente divulgación se preparan mediante la mezcla controlada de nanotubos de carbono y un polímero de policarbonato. Sin embargo, un experto habitual en la materia reconocerá que se pueden mezclar otros sistemas de polímero con los nanotubos de carbono, y que aún así operen dentro del ánimo y del ámbito de la presente divulgación. Tal mezcla controlada altera la morfología del material compuesto para producir nanotubos de carbono fuertemente agregados dentro de los materiales compuestos de polímero, proporcionando de ese modo una dinámica de transporte ventajosa y una conductividad eléctrica de aproximadamente 1300 S/cm y superior. De forma ventajosa, los materiales compuestos de polímero de nanotubo de carbono tienen una conductividad eléctrica suficiente de modo que se pueden aplicar como revestimiento para proporcionar efectos de transducción electromagnética de
15 antena/amplificador en un intervalo de frecuencia de banda ancha en la región de los GHz.
En diversas realizaciones en el presente documento, los materiales compuestos conductores de polímero de nanotubo de carbono pueden demostrar capacidades de procesamiento de señal de banda ancha en un intervalo de frecuencia de aproximadamente 1 Hz a aproximadamente 1000 GHz.
En diversas realizaciones, se describen antenas en el presente documento. Las antenas incluyen una estructura de soporte no conductor y una capa de material compuesto conductor depositada sobre la estructura de soporte no conductor. El material compuesto conductor incluye una pluralidad de nanotubos de carbono y un polímero. Cada uno de la pluralidad de nanotubos de carbono está en contacto con al menos otro de la pluralidad de nanotubos de
25 carbono. La capa de material compuesto conductor se hace operar para recibir al menos una señal electromagnética. En algunas realizaciones, los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono de pared múltiple. En otras realizaciones, los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono de pared sencilla.
En diversas realizaciones, la capa de material compuesto conductor forma una capa continua. En otras realizaciones diversas, la capa de material compuesto conductor forma una capa discontinua.
La capa de material compuesto conductor tiene un espesor de aproximadamente 1 !m a aproximadamente 1 mm en algunas realizaciones, de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 1 cm en otras realizaciones, y de aproximadamente 1 cm a aproximadamente 10 cm en aún otras realizaciones. En diversas realizaciones, la
35 frecuencia enviada y recibida por la antena se controla alterando el espesor de la capa de material compuesto conductor.
En diversas realizaciones, la capa de material compuesto conductor tiene una conductividad de CA/CC que varía de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 10000 S/cm. En otras realizaciones diversas, la capa de material compuesto conductor tiene una conductividad de CA/CC que varía de aproximadamente 1 a aproximadamente 2000 S/cm. En aún otras realizaciones diversas, la capa de material compuesto conductor tiene una conductividad de CA/CC que varía de aproximadamente 1 a aproximadamente 1500 S/cm. En algunas realizaciones, la capa de material compuesto conductor tiene una conductividad de CA/CC que es mayor de aproximadamente 1000 S/cm.
45 En diversas realizaciones, la concentración de nanotubos de carbono en la capa de material compuesto conductor varía de aproximadamente un 0,1 a aproximadamente un 20 por ciento en peso. En algunas realizaciones, la concentración varía de aproximadamente un 0,1 a aproximadamente un 10 por ciento en peso.
En diversas realizaciones de las antenas, la estructura de soporte no conductor se alarga para dar la longitud de la antena. En algunas realizaciones, la estructura de soporte no conductor es un cilindro. En algunas realizaciones, la estructura de soporte no conductor es un tubo hueco. En algunas realizaciones, la estructura de soporte no conductor se forma a partir de un plástico.
En algunas realizaciones, la capa de material compuesto conductor se deposita sobre la superficie externa del tubo
55 hueco. En algunas realizaciones, la capa de material compuesto conductor se deposita sobre la superficie interna del tubo hueco. En aún otras realizaciones, la capa de material compuesto conductor se deposita tanto sobre la superficie interna como sobre la superficie externa del tubo hueco.
La antena tiene una longitud de aproximadamente 1 cm a aproximadamente 1 m en algunas realizaciones, de aproximadamente 1 m a aproximadamente 10 m en otras realizaciones, y hasta aproximadamente 50 m en aún otras realizaciones. En diversas realizaciones, la frecuencia enviada y recibida por la antena se controla alterando la longitud de la antena.
En diversas realizaciones, el polímero que comprende la capa de material compuesto conductor es un polímero
65 termoplástico o un polímero termoestable, por ejemplo. Polímeros termoplásticos incluyen, por ejemplo, polietileno, polipropileno, poliestireno, poliamidas (nailon), poliésteres, y policarbonatos. Polímeros termoestables incluyen, por ejemplo, epoxis. En diversas realizaciones, el polímero es un policarbonato. En diversas realizaciones, el polímero humedece la superficie de los nanotubos de carbono. En diversas realizaciones, la capa de material compuesto conductor se forma por mezcla de un polímero preformado con los nanotubos de carbono. En otras realizaciones diversas, la capa de material compuesto conductor se forma por mezcla de al menos un monómero con los
5 nanotubos de carbono y a continuación polimerización del al menos un monómero para formar un material compuesto de polímero que tiene los nanotubos de carbono al menos parcialmente empaquetados.
En diversas realizaciones, la capa de material compuesto conductor se deposita sobre la estructura de soporte no conductor usando una técnica tal como, por ejemplo, revestimiento por inmersión, revestimiento por giro, impresión, deposición por pulverización, y las combinaciones de las mismas. En diversas realizaciones, la capa de material compuesto conductor se deposita sobre la estructura de soporte no conductor mediante una técnica de revestimiento por inmersión. Una técnica de revestimiento por inmersión ilustrativa se presenta posteriormente como ejemplo experimental en el presente documento.
15 En diversas realizaciones, las antenas se pueden operar para recibir al menos una señal electromagnética. En algunas realizaciones, la al menos una señal electromagnética es una señal de microondas. En algunas realizaciones, la al menos una señal electromagnética es una señal de radio.
En diversas realizaciones, las antenas de la presente divulgación son más eficaces que las antenas completamente metálicas. Como se usa en el presente documento, la eficacia de la antena se referirá a la cantidad de pérdidas que ocurren en las terminales de antena. Tales pérdidas ocurren a través de los medios de conducción y dieléctrico así como debido a la reflexión como resultado del desajuste entre la antena y el dispositivo transmisor adjunto.
En otras realizaciones diversas de la presente divulgación, se describen antenas híbridas en el presente documento.
25 Las antenas híbridas incluyen un cuerpo interno de antena metálica y una capa de material compuesto conductor que reviste el cuerpo interno de antena metálica. La capa de material compuesto conductor incluye una pluralidad de nanotubos de carbono y un polímero. Cada uno de la pluralidad de nanotubos de carbono está en contacto con al menos otro de la pluralidad de nanotubos de carbono. La capa de material compuesto conductor actúa como un amplificador para el cuerpo interno de antena metálica.
En diversas realizaciones de las antenas híbridas, el polímero es un policarbonato. En algunas realizaciones de las antenas híbridas, los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono de pared múltiple. En algunas realizaciones de las antenas híbridas, los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono de pared sencilla. En algunas realizaciones de las antenas híbridas, la capa de material compuesto conductor se deposita sobre el cuerpo interno
35 de antena metálica mediante una técnica tal como, por ejemplo, revestimiento por inmersión, revestimiento por giro, impresión, deposición por pulverización y las combinaciones de las mismas.
La antena híbrida tiene una longitud de aproximadamente 1 cm a aproximadamente 1 m en algunas realizaciones, de aproximadamente 1 m a aproximadamente 10 m en otras realizaciones, y hasta aproximadamente 50 m en aún otras realizaciones. La capa de material compuesto conductor tiene un espesor de aproximadamente 1 !m a aproximadamente 1 mm en algunas realizaciones, de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 1 cm en otras realizaciones, y de aproximadamente 1 cm a aproximadamente 10 cm en aún otras realizaciones.
En diversas realizaciones de las antenas híbridas, la concentración de nanotubos de carbono en la capa de material
45 compuesto conductor varía de aproximadamente un 0,1 a aproximadamente un 20 por ciento en peso. En algunas realizaciones, la concentración varía de aproximadamente un 0,1 a aproximadamente un 10 por ciento en peso.
En diversas realizaciones de las antenas híbridas, la capa de material compuesto conductor tiene una conductividad de CA/CC que varía de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 10000 S/cm. En otras realizaciones diversas, la capa de material compuesto conductor tiene una conductividad de CA/CC que varía de aproximadamente 1 a aproximadamente 2000 S/cm. En aún otras realizaciones diversas, la capa de material compuesto conductor tiene una conductividad de CA/CC que varía de aproximadamente 1 a aproximadamente 1500 S/cm. En algunas realizaciones, la capa de material compuesto conductor tiene una conductividad de CA/CC que es mayor de aproximadamente 1000 S/cm.
55 En diversas realizaciones de las antenas híbridas, el cuerpo interno de antena metálica está completamente revestido por la capa de material compuesto conductor. En otras realizaciones diversas, el cuerpo interno de antena metálica está parcialmente revestido por la capa de material compuesto conductor. En algunas realizaciones, la capa de material compuesto conductor es continua. En algunas realizaciones, la capa de material compuesto conductor es discontinua.
En aún otras realizaciones diversas de la presente divulgación, se describen métodos para la formación de una antena en el presente documento. Los métodos incluyen proporcionar una estructura de soporte no conductor y depositar una capa de material compuesto conductor sobre la estructura de soporte no conductor. El material 65 compuesto conductor incluye una pluralidad de nanotubos de carbono y un polímero. Cada uno de la pluralidad de nanotubos de carbono está en contacto con al menos otro de la pluralidad de nanotubos de carbono. La capa de
material compuesto conductor se puede operar para recibir al menos una señal electromagnética.
En diversas realizaciones de los métodos, la estructura de soporte no conductor es un cilindro. En diversas realizaciones de los métodos, la estructura de soporte no conductor es un tubo hueco. En algunas realizaciones de
5 los métodos, el polímero es un policarbonato. En algunas realizaciones de los métodos, los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono de pared múltiple. En otras realizaciones diversas de los métodos, los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono de pared sencilla.
En aún otras realizaciones diversas de la presente divulgación, se describen métodos para la formación de una
10 antena híbrida en el presente documento. Los métodos incluyen proporcionar un cuerpo interno de antena metálica y depositar una capa de material compuesto conductor sobre el cuerpo interno de antena metálica. La capa de material compuesto conductor incluye una pluralidad de nanotubos de carbono y un polímero. Cada uno de la pluralidad de nanotubos de carbono está en contacto con al menos otro de la pluralidad de nanotubos de carbono. La capa de material compuesto conductor actúa como amplificador para el cuerpo interno de antena metálica.
15 En diversas realizaciones de los métodos, el polímero es un policarbonato. En diversas realizaciones de los métodos, los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono de pared sencilla. En diversas realizaciones de los métodos, los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono de pared múltiple.
20 En diversas realizaciones de los métodos la etapa de deposición incluye una técnica tal como, por ejemplo, revestimiento por inmersión, revestimiento por giro, impresión, deposición por pulverización y las combinaciones de las mismas.
Las antenas y las antenas híbridas de la presente divulgación se pueden usar como una antena de reemplazo en
25 cualquier dispositivo que use una antena metálica. Tales dispositivos pueden incluir, por ejemplo, radios, teléfonos móviles, y tarjetas de red inalámbricas. En diversas realizaciones, se describen en el presente documento radios que incluyen las antenas o las antenas híbridas de la presente divulgación. En diversas realizaciones, se describen en el presente documento teléfonos móviles que incluyen las antenas o las antenas híbridas de la presente divulgación. En diversas realizaciones, se describen en el presente documento tarjetas de red inalámbricas u otros dispositivos
30 de comunicación inalámbricos que incluyen las antenas o las antenas híbridas de la presente divulgación.
Ejemplos experimentales
Los siguientes ejemplos experimentales se incluyen para demostrar aspectos particulares de la presente divulgación.
35 Los expertos habituales en la materia deberían entender que los métodos que se describen en los ejemplos que siguen a continuación representan realizaciones meramente ejemplares de la presente divulgación. Los expertos habituales en la materia deberían entender, a la luz de la presente divulgación, que se pueden realizar numerosos cambios en las realizaciones específicas descritas y obtener aún un resultado parecido o similar sin apartarse del ánimo ni el ámbito de la presente divulgación.
40 Ejemplo 1: Conductividad de CA de materiales compuestos de MWNT. Se pesaron MWNT sin purificar con una baja concentración de partículas de catalizador metálico (basándose en las imágenes de TEM) y se mezclaron con policarbonato a diversos niveles de carga. Las suspensiones resultantes se agitaron durante 48 horas a temperatura ambiente en aire. La conductividad de CA de los materiales compuestos de polímero resultantes en función de la
45 carga de MWNT se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1: Conductividad de CA de materiales compuestos de MWNT/policarbonato
Carga de MWNT (% en peso) Conductividad de CA (S/cm)
0,19 10,13 ∀ 1,52
0,28 11,24 ∀ 1,67
0,60 26,0 ∀ 5,58
0,89 84,75 ∀ 5,56
1,17 122,95 ∀ 6,12
1,98 336,05 ∀ 23,11
7,23 736,275 ∀ 12,34
9,28 1598,35 ∀ 113,70
14,7 1652,17 ∀ 86,30
La FIGURA 1 presenta un gráfico ilustrativo de la conductividad de un material compuesto de nanotubo de carbono/policarbonato en función del ángulo de medición.
Ejemplo 2: Caracterización física de los materiales compuestos de MWNT. Las FIGURAS 2A, 2B y 2C
5 presentan espectros Raman ilustrativos de MWNT purificados (201), MWNT sin purificar (202), un material compuesto de MWNT-policarbonato (203), y un polímero de policarbonato puro (204), respectivamente. Se usaron longitudes de onda de excitación de 488 nm (FIGURA 2A), 514 nm (FIGURA 2B) y 785 nm (FIGURA 2C). En los espectros Raman de los MWNT, se entiende generalmente que la amplitud del pico D representa no sólo defectos tales como carbono amorfo, sino que también es característico de huecos, haeckelita, y variaciones en la longitud y
10 el ancho del nanotubo. Como se muestra en las FIGURAS 2A -2C, los picos D y G para los nanotubos de carbono sin purificar y tratados con ácido (purificados) tienen intensidades fuertes habituales. Por el contrario, el pico D se redujo significativamente en todas las longitudes de onda ensayadas para el material compuesto de polímero de MWNT.
15 Se conoce que los tiempos de mezcla largos de los nanotubos de carbono con los polímeros pueden conducir a un aumento de la agregación de los nanotubos de carbono dentro de los materiales compuestos de polímero resultantes para proporcionar paquetes densos de nanotubos de carbono. Para preparar los materiales compuestos conductores de polímero que se utilizan en la presente divulgación, la agitación de los nanotubos de carbono con el material de polímero se llevó a cabo durante períodos de tiempo prolongados para estimular el empaquetamiento
20 denso y la humectación de polímero de los nanotubos de carbono. La FIGURA 3 presenta una imagen de TEM ilustrativa de los MWNT usados en los materiales compuestos de polímero antes de la formación del material compuesto de polímero. La FIGURA 4 presenta por el contrario una imagen de TEM ilustrativa de los MWNT después de la formación del material compuesto de polímero, mostrando un estrecho empaquetamiento de los MWNT entre sí y rodeados por el polímero. Las conductividades de los materiales compuestos de polímero
25 resultantes se han mostrado anteriormente en la Tabla 1. Generalmente, las conductividades son mayores para los materiales compuestos de polímero preparados a partir de MWNT sin purificar en comparación con los que se preparan a partir de MWNT purificados. Las conductividades que se muestran en la Tabla 1 son comparables a las del buckypaper formado a partir de SWNT.
30 Las conductividades eléctricas de los materiales compuestos de policarbonato/nanotubo de carbono se pueden describir mediante la ley de escala basada en la teoría de percolación. La ley de escala [#CC = #o (p -pc)t] se usa para describir el proceso de percolación, donde #CC es la conductividad, #o es la conductividad del relleno, p es la fracción en peso de los nanotubos y pc es la conductividad inicial por encima de la cual el materia se comporta como un conductor. El exponente t se refiere a la dimensionalidad de la muestra donde t ∃ 1, t ∃ 1,33 y t ∃ 2,0
35 corresponden a una, dos y tres dimensiones, respectivamente. El ajuste de la curva de la ecuación de la ley de escala proporciona el umbral de percolación como pc = 0,20 % en peso, t = 1,39 para MWNT purificados y pc = 0,19 % en peso, t = 0,97 para MWNT sin purificar. Basándose en estos resultados para los MWNT sin purificar en comparación con los purificados, el comienzo de la percolación es aproximadamente el mismo, pero los términos de dimensionalidad son diferentes. Evidentemente, la dimensionalidad de portador cambia dramáticamente en las
40 muestras purificadas.
Ejemplo 3: Fabricación de una antena no metálica. Usando el material compuesto de nanotubos de carbono de un 7,23 por ciento en peso preparado como se ha descrito en el Ejemplo 1, se sumergió una varilla de plástico hueca, delgada y pequeña (longitud = 4,97 cm, diámetro = 0,30 cm) en el material compuesto hasta que se depositó
45 una capa continua delgada de material compuesto sobre la varilla de plástico. La FIGURA 5 presenta una fotografía de una antena no metálica ilustrativa preparada como se ha descrito en este ejemplo.
Cuando se conectó a una radio sencilla en lugar de la antena convencional, se observó la recepción de señal en un amplio intervalo de frecuencias. La FIGURA 6 presenta una fotografía de una antena no metálica ilustrativa 600
50 conectada a una radio 601. Se midió la recepción de frecuencias en un intervalo de 5 Hz a 13 MHz usando un osciloscopio.
Ejemplo 4: Parámetros operacionales de una antena no metálica. Para la antena que se ha preparado en el Ejemplo 3, se midieron la frecuencia de resonancia, la razón de onda estacionaria (SWR), y la impedancia. La
55 antena se construyó de acuerdo con la descripción que se ha proporcionado en el Ejemplo 3 en forma vertical tradicional de ¼ de onda (de aproximadamente 5 cm de longitud) con un plano de base cuadrada de aproximadamente ½ de longitud de onda de esquina a esquina o dos veces la longitud del elemento vertical.
La frecuencia central de la antena fue de 1,63 GHz con un paso de resonancia de -4,3 dh. La SWR fue de 3,78 a
60 esta frecuencia, y la impedancia fue de Z = 56 -i75 para una carga capacitiva de 1,3 pf. La resonancia fue bastante baja y amplia, lo que indica que esta realización de la antena tiene una eficacia limitada pero un amplio ancho de banda. Los puntos de ½ paso alrededor de la frecuencia central fueron de 1,1082 GHz y 2,2231 GHz. Los puntos en los que la componente imaginaria de la impedancia se hizo cero y se trasladó de una transición de carga capacitiva a inductiva fueron 1,47 GHz con Z = 211 y 2,0 GHz con Z = 7.
65 Ejemplo 5: Parámetros operacionales de una antena no metálica (Ejemplo Comparativo). También se llevó a cabo la comparación del rendimiento de la antena del Ejemplo 4 frente a una antena vertical tradicional de cobre de ¼ de longitud de onda con la placa base cuadrada. Para la antena de cobre, la frecuencia central fue de 1,227 GHz con un paso de resonancia de -7,5 db. La impedancia en resonancia fue de Z = 28,6 -i30,43, proporcionando una
5 SWR de 2,3. En resonancia, la carga fue capacitiva a 4 pf, pero la frecuencia de resonancia fue considerablemente menor que la de la antena de la misma longitud del Ejemplo 4. Los puntos de ½ paso fueron a 1,091 GHz y 1,39 GHz, y la componente imaginaria sebo hizo cero a 1,17 GHz (Z = 192) y 1,330 GHz (Z = 16,4).
Ejemplo 6: Acoplamiento de la antena no metálica a la antena metálica. La antena tradicional de cobre de ¼ de
10 onda del Ejemplo 5 se acopló a la antena no metálica del Ejemplo 3 para producir una antena acoplada. La antena acoplada tuvo una disminución de la frecuencia de resonancia a 976 MHz pero un aumento del paso de resonancia de -14,275 db. La SWR en resonancia fue de 1,5, y la impedancia fue de Z = 37 + i12,1. Los puntos de ½ paso (∃ 7db) fueron de 839,25 MHz y 1,2557 MHz, y los puntos en los que la componente imaginaria se hizo cero fueron 614 MHz (Z = 4) y 1,6 GHz (Z = 106). Los parámetros operacionales de la antena acoplada son interesantes, en
15 particular a la luz del gran aumento de eficacia de la antena acoplada (carga inductiva = 1,9 nH en resonancia). En la antena acoplada, el material compuesto de nanotubos de carbono actúa en una capacidad doble como amplificador de resonancia disminuyendo la frecuencia y como dieléctrico compensando la carga capacitiva en el cable y el conector.

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Antena que comprende:
    5 una estructura de soporte no conductor; y una capa de material compuesto conductor depositada sobre la estructura de soporte no conductor; donde la capa de material compuesto conductor comprende una pluralidad de nanotubos de carbono y un polímero; donde cada uno de la pluralidad de nanotubos de carbono está en contacto con al menos otro de la pluralidad de nanotubos de carbono; y donde la capa de material compuesto conductor se puede operar para recibir al menos una señal electromagnética.
  2. 2. La antena de la reivindicación 1, donde la estructura de soporte no conductor comprende un cilindro; o un tubo 15 hueco.
  3. 3. Antena híbrida que comprende:
    un cuerpo interno de antena metálica; y una capa de material compuesto conductor que reviste el cuerpo interno de antena metálica; donde la capa de material compuesto conductor comprende una pluralidad de nanotubos de carbono y un polímero; donde cada uno de la pluralidad de nanotubos de carbono está en contacto con al menos otro de la pluralidad de nanotubos de carbono; y
    25 donde la capa de material compuesto conductor actúa como un amplificador para el cuerpo interno de antena metálica.
  4. 4.
    La antena o la antena híbrida de una cualquiera de las reivindicaciones 1 -3, donde el polímero es un policarbonato.
  5. 5.
    La antena o la antena híbrida de una cualquiera de las reivindicaciones 1 -4, donde los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono de pared múltiple; o donde los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono de pared sencilla.
    35 6. La antena o la antena híbrida de una cualquiera de las reivindicaciones 1 -5, donde la al menos una señal electromagnética es una señal de radio; y/o donde la conductividad de CA/CC de la capa de material compuesto conductor varía de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 10.000 S/cm.
  6. 7.
    La antena o la antena híbrida de una cualquiera de las reivindicaciones 1 -6, donde la concentración de nanotubos de carbono de la capa de material compuesto conductor varía de aproximadamente un 0,1 a aproximadamente un 20 por ciento en peso.
  7. 8.
    La antena o la antena híbrida de una cualquiera de las reivindicaciones 1 -7, donde la capa de material
    compuesto conductor se deposita mediante una técnica seleccionada entre el grupo que consiste en revestimiento 45 por inmersión, revestimiento por giro, impresión, deposición por pulverización, y las combinaciones de las mismas.
  8. 9. Método para la formación de una antena, comprendiendo dicho método:
    proporcionar una estructura de soporte no conductor; y depositar una capa de material compuesto conductor sobre la estructura de soporte no conductor; donde la capa de material compuesto conductor comprende una pluralidad de nanotubos de carbono y un polímero; donde cada uno de la pluralidad de nanotubos de carbono está en contacto con al menos otro de la pluralidad de nanotubos de carbono; y
    55 donde la capa de material compuesto conductor se puede operar para recibir al menos una señal electromagnética.
  9. 10.
    El método de la reivindicación 9, donde la estructura de soporte no conductor comprende un cilindro; o un tubo hueco.
  10. 11.
    Método para la formación de una antena híbrida, comprendiendo dicho método:
    proporcionar un cuerpo interno de antena metálica; y depositar una capa de material compuesto conductor sobre el cuerpo interno de antena metálica; 65 donde la capa de material compuesto conductor comprende una pluralidad de nanotubos de carbono y un polímero;
    donde cada uno de la pluralidad de nanotubos de carbono está en contacto con al menos otro de la pluralidad de nanotubos de carbono; y donde la capa de material compuesto conductor actúa como un amplificador para el cuerpo interno de antena metálica.
  11. 12.
    El método de una cualquiera de las reivindicaciones 9 -11, donde el polímero es un policarbonato.
  12. 13.
    El método de una cualquiera de las reivindicaciones 9 -12, donde los nanotubos de carbono son nanotubos de
    carbono de pared múltiple; o donde los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono de pared sencilla. 10
  13. 14. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 9 -13, donde la etapa de deposición comprende una técnica seleccionada entre el grupo que consiste en revestimiento por inmersión, revestimiento por giro, impresión, deposición por pulverización, y las combinaciones de las mismas.
    15 15. Radio que comprende la antena de la reivindicación 1.
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