ES2582793T3

ES2582793T3 - Composición absorbente de campo magnético

Info

Publication number: ES2582793T3
Application number: ES10713696.2T
Authority: ES
Inventors: Richard Bryant; Greg Peter Wade Fixter; Shahid Hussain; Adrian Simon Thomas Vaughan
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2030-03-24
Also published as: KR101771891B1; CA2756647C; CN102449050B; KR20120013345A; US20120025111A1; US9806426B2; CA2756647A1; WO2010109174A1; CN102449050A; EP2411462B1; GB0905312D0; EP2411462A1

Abstract

Una composición absorbente de radiación electromagnética que comprende un relleno de carbono que comprende elementos de carbono alargados con una dimensión más larga promedio en el rango de 100 a 150 micras, con un grosor en el rango de 1 a 15 micras, caracterizadas en donde el contenido de relleno de carbono total está presente en el rango de 1 a 20% en volumen seco, en un ligador no conductor.

Description

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DESCRIPCION

Composicion absorbente de campo magnetico

Esta invencion se relaciona con el campo de una composicion absorbente de campo electromagnetico (EM), en particular, aquellas capaces de suministrar absorbancia en la frecuencia de radar comercial. La composicion encuentra uso particular como un recubrimiento absorbente de radar para aerogeneradores, en particular para uso en ambientes terrestres y mantimos. Se suministran adicionalmente superficies recubiertas que comprenden la composicion, metodos para absorber la radiacion EM, y metodos de uso de tal composicion, de tal manera que la superficie recubierta en la composicion es capaz de absorber radiacion EM.

Los aerogeneradores interfieren con los sistemas de radar, conduciendo a errores en la deteccion de otros objetos. Los sistemas de radar trabajan al enviar pulsos de energfa electromagnetica, que son reflejados de los objetos que los controladores desean detectar, tal como la ubicacion de una aeronave. El controlador debe distinguir los objetos de las senales parasitas, es decir, retornos no deseados, tales como reflejos de aerogeneradores y construcciones, asf como tambien otro ruido de trasfondo. Por lo tanto, reducir la energfa reflejada de las torres de aerogeneradores puede reducir su impacto adverso sobre los sistemas de radar y conducir a un incremento en su uso.

De acuerdo con un primer aspecto de la invencion se suministra una composicion absorbente de radiacion electromagnetica que comprende un relleno de carbono que comprende elementos de carbono alargados con una dimension mas larga promedio en el rango de 100 a 150 micras, con un grosor en el rango de 1 a 15 micras, caracterizada por que el contenido de relleno de carbono esta presente en el rango de 1 a 20% en volumen seco, en un ligador no conductor.

Los absorbentes de la invencion son absorbentes de banda estrecha, tfpicamente menores de 1GHz en ancho de banda, y asf son particularmente inadecuados para uso en aplicaciones militares, que requieren absorcion de radar de banda ancha. Asf los rellenos dielectricos, tal como los elementos de carbono alargados cuando se suministran en una composicion de acuerdo con la invencion no son adecuados para aplicaciones de absorcion de radar de banda ancha.

Los porcentajes en volumen anteriores y posteriores se definen como un porcentaje en volumen de la composicion seca final (es decir, sin solvente). Sin embargo, con el fin de facilitar que la composicion sea depositada o aplicada en la forma de un recubrimiento, es decir, una o mas capas, puede estar presente un solvente. Puede ser deseable agregar suficiente solvente de tal manera que la composicion se pueda aplicar para lograr el grosor de recubrimiento seco final requerido con el fin de absorber en la frecuencia de radiacion incidente. La composicion puede comprender una formulacion lfquida antes de aplicacion, y estara preferiblemente en la forma de unos preferiblemente elementos de carbono alargados presentes en el rango de 1 a 15% en volumen seco, mas preferiblemente de 2 a 10% en volumen seco. Por contenido total del relleno de carbono se significa el volumen en porcentaje total del relleno de carbono en la composicion. La adicion de rellenos de carbono por fuera del rango reivindicado puede conducir a partfculas traslapantes y reflejo en lugar de

Los elementos de carbono alargados tienen una dimension mas larga promedio en el rango de 100 a 150 micras (asumiendo una distribucion normal). Cuando los metodos de procesamiento dan origen a otras distribuciones de tamano de elemento, no mas del 25% en peso de los elementos de carbono alargados deben exceder 500 micras. Se ha mostrado de manera exitosa que los elementos de carbono alargados que estan en el rango de 100 a 300 micras y estan presentes en el rango de 0.5 a 20% absorberan la radiacion en lugar de reflejar la radiacion entrante.

Los elementos de carbono alargados preferiblemente tienen un grosor promedio en el rango de 1 a 15 micras; mas preferiblemente el grosor promedio esta en el rango de 1 a 10 micras, o aun 5 a 10 micras. En una disposicion preferida los elementos de carbono alargados tienen un mdice de grosor promedio a dimension mas larga promedio de 1:10 a 1: 25. Las partfculas esfericas y las fibras de carbono picadas, tales como aquellas preparadas mediante fibras continuas picadas, que producen tfpicamente fibras en la region de 4 mm a 6 mm (4000 a 6000 micras), suministran tfpicamente composiciones reflectivas y asf tanto los tipos de carbono esfericos como picados son indeseables, tal como se destaca con mayor detalle adelante.

Los elementos de carbono alargados pueden tener cualquier forma en seccion transversal, preferiblemente los elementos de carbono alargado son fibras de carbono. Las fibras de carbono son tfpicamente preparadas de fibras continuas sustancialmente cilmdricas que se maquinan a la longitud deseada. Preferiblemente los elementos de carbono alargado son fibras de carbono que se han maquinado a la longitud deseada. El metodo de maquinado que se utiliza tfpicamente para producir los elementos de carbono alargados en el rango deseado de acuerdo con la invencion es la molienda.

Un recubrimiento de la composicion seca de acuerdo con la invencion es particularmente adecuada para suministrar un recubrimiento absorbente de radar de banda estrecha para aerogeneradores, especialmente aerogeneradores que esten ubicados en ambientes marinos. La composicion cuando se aplica a una superficie, tal como, por ejemplo un aerogenerador, en el grosor seleccionado puede reducir las reflexiones del radar. La reduccion de estas reflexiones reduce el impacto de la estructura sobre la operacion de control de trafico aereo cercano (ATC), defensa aerea (ADR), meteorologica (MR) y radares de navegacion Marina (MNR). La composicion de acuerdo con la invencion encuentra uso

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particular para absorber frecuencias de radar conocidas de fuentes locales conocidas, tales como los sistemas de enemas renovables, tales como las fincas eolicas, pueden ser mas facilmente ubicadas cerca a instalaciones de radar existentes.

Los materiales absorbentes de radar convencional comprenden formulaciones que contienen materiales ferromagneticos, y as^ son muy susceptibles a la oxidacion durante su tiempo de vida. Por lo tanto una ventaja de la presente invencion es que la composicion absorbente no se oxida, ya que los elementos de carbono alargado no son capaces de reaccionar con el aire y la humedad. Es bien conocido que la formacion de oxido se acelera en la presencia de agua salina; de esta manera la composicion de acuerdo con la invencion es particularmente util en ambientes costeros.

Las composiciones absorbentes electromagneticas basadas en materiales electromagneticamente activos dentro de una composicion para interactuar con el campo electromagnetico en el que inciden. El procesamiento de los materiales electromagneticamente activos es complejo y requiere control sobre los componentes electrico y magnetico dentro de dichos materiales, de tal manera que ellos puedan entonces interactuar con los componentes de campo electrico variante y campo magnetico asociados con la entrada de campos electromagneticos. La composicion de acuerdo con la invencion no requiere ningun control del componente magnetico en el material.

Los requisitos electromagneticos de los materiales absorbentes de radar (RAM) estan bien establecidos. El primer requerimiento es maximizar la radiacion electromagnetica que entra a la estructura, al minimizar la reflexion de cara frontal. Esto se logra si los componentes real e imaginario de la permitividad compleja, s, y la permeabilidad, |j, son separadamente iguales, tal como se deriva de la condicion de acoplamiento de impedancia perfecta. El segundo requisito es que la senal este suficientemente atenuada una vez que la radiacion ha ingresado al material. Esta condicion se cumple para valores altos de permitividad imaginaria y permeabilidad, los cuales por definicion suministran la contribucion a la perdida dielectrica y magnetica respectivamente. Esta invencion se relaciona con el uso y control de perdidas dielectricas por la seleccion estrecha de la dimension mas larga promedio (es decir la longitud) del elemento de carbono alargado y su inclusion porcentual dentro de dicha composicion.

El grosor de un recubrimiento de composicion seca puede ser preferiblemente seleccionado en el rango de A/3 a A/5 de la longitud de onda de la frecuencia resonante de la radiacion incidente, mas preferiblemente en la region de un cuarto de la longitud de onda (A/4) de la frecuencia resonante de la radiacion incidente.

De acuerdo con esto se suministra una superficie absorbente de frecuencia de radar, estructura o cuerpo o porciones del mismo que comprende al menos un recubrimiento seco de acuerdo con la invencion. En una disposicion preferida el grosor de dicho recubrimiento es un cuarto de la longitud de onda (A/4) de la frecuencia resonante de la radiacion incidente a ser absorbida.

Mas precisamente se observa la relacion debajo en la formula (I):

Formula I

Donde A corresponde a la longitud de onda en el recubrimiento de la composicion seca, donde Ao es la longitud de onda de espacio libre y s y j son la permitividad y la permeabilidad del recubrimiento de la composicion seca de acuerdo con la invencion. Nominalmente la permeabilidad es aproximadamente 1 (espacio libre) para las fibras de carbono ya que las fibras no poseen ninguna propiedad magnetica.

Las propiedades dielectricas intrmsecas del recubrimiento de la composicion seca de acuerdo con la invencion se pueden describir mediante la constante dielectrica compleja o permitividad efectiva.

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Donde s' y s” son los componentes real e imaginario de la permitividad, s, respectivamente y i = V—1 el termino s' se asocia con el almacenamiento de energfa y s” se asocia con la perdida o disipacion de energfa dentro de un material. La capacidad para absorber radiacion de radio EM o de microondas es dictada por los componentes real e imaginario optimos de la permitividad que esta siendo obtenida.

Las propiedades dielectricas del recubrimiento de la composicion seca de acuerdo con la invencion dependen de la microestructura formada dentro de dicho recubrimiento. Las partfculas de carbono esfericas tienden a formar grupos aislados dentro de una estructura de compuesto, que conduce a una conductividad relativamente baja y a una perdida dielectrica (s”), que es insuficiente para la absorcion de ondas electromagneticas. El uso de fibras de carbono picadas, cuya longitud promedio es mayor de 4 mm, requiere unas cargas relativamente bajas (<1% en volumen) con el fin de

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conducir a unas redes electricamente conectadas y a una reflexion concomitante en lugar de absorbancia. Por lo tanto, tanto las partfculas esfericas como las fibras de carbono cuya longitud promedio es mayor de 4 mm, son inadecuadas para suministrar composiciones absorbentes efectivas.

El grosor requerido del recubrimiento seco de la composicion de acuerdo con la invencion se selecciona dependiendo de la frecuencia/longitud de onda de la radiacion incidente, tal como se menciono anteriormente. Con el fin de controlar cuidadosamente el grosor el recubrimiento de la composicion se puede moldear en la forma de una pelfcula aplicada que se ha preparado bajo condiciones controladas para el grosor seleccionado. Alternativamente, la composicion se puede aplicar directamente a una estructura existente, tal como por ejemplo, un aerogenerador mediante metodos conocidos tales como, por ejemplo, rociado, aplicacion de rodillo o brocha. En una disposicion preferida la aplicacion se efectua de tal manera que cada capa sucesiva se aplica sustancialmente de manera ortogonal a la capa precedente. Esto suministra una ventaja de que si durante la elaboracion o mezclado de la formulacion los elementos de carbono alargados sufren algun grado de alineamiento, entonces las aplicaciones subsecuentes aplicadas en orientaciones ortogonales maximizaran la absorbancia en todas la orientaciones de polarizacion de la radiacion entrante.

En una disposicion adicional el volumen porcentual del contenido de relleno de carbono total puede ser diferente en cada capa de aplicacion sucesiva, y tambien se puede aplicar en una orientacion ortogonal como se definio anteriormente.

Muchas estructuras y especialmente las torres de aerogenerador contienen grandes cantidades de metal o estan construidas casi completamente de metal, lo que conduce a su interferencia con el radar. Cuando la superficie de dicha estructura es metalica la composicion de acuerdo con la invencion se puede aplicar directamente a la superficie de metal, ya que la estructura de metal sirve para suministrar una placa base reflectiva.

Cuando la superficie, estructura o cuerpo no esta sustancialmente construido de metal, preferiblemente se suministra una placa base reflectiva electromagnetica entre la superficie, estructura o cuerpo y el al menos un recubrimiento seco de acuerdo con la invencion. Por lo tanto, donde la superficie externa de una estructura tal como, por ejemplo una torre de aerogenerador no esta sustancialmente preparada de un metal y existe interferencia con el radar cercano, puede ser deseable suministrar una placa base reflectiva EM, tal como, por ejemplo, un recubrimiento reflectivo EM, una hojuela de metal o una pintura de escudo electromagnetico (EM), directamente sobre la superficie de dicha torre, es decir, entre la superficie de la estructura y la composicion de acuerdo con la invencion, a suministrar. Uno de tales ejemplos de una pintura de escudo EM es la solicitud PCT del solicitante GB2009/000226.

El ligador no conductor se puede seleccionar de cualquier ligador comercialmente disponible; preferiblemente este se puede seleccionar de un ligador de acrilato (tal como, por ejemplo, metil metacrilato MMA), un ligador acnlico, un ligador epoxi, un ligador de uretano y acnlico modificado con epoxi, un ligador de poliuretano, un ligador basado en alquido, que puede ser un alquido modificado, o de ligadores basados en fluoropolfmero, preferiblemente un ligador de poliuretano de dos partes.

Claramente los ligadores, espesantes y los agentes de dispersion tal como se utilizan rutinariamente en formulaciones de pintura tfpicas no son volatiles y por lo tanto tipicamente no se perderan durante el curado, es decir, el proceso de secado. En contraste a los ligadores, el solvente que se agrega para ayudar a la deposicion o aplicacion se puede evaporar durante el proceso de secado.

Un numero de espesantes y solventes, tal como, por ejemplo, aquellos utilizados de manera rutinaria en formulaciones de pintura, se puede agregar a la composicion con el fin de mejorar el flujo durante la aplicacion y mejorar su adherencia a diferentes superficies.

Muchas estructuras estan pintadas para suministrar una apariencia visual placentera. La composicion de acuerdo con la invencion puede ser sobrepintada con una pintura decorativa adecuada. Se encuentra una ventaja particular cuando la capa mas superior de la composicion tiene un volumen porcentual inferior de carbono que la capa precedente, preferiblemente la capa mas superior no tiene sustancialmente carbono, tal como, por ejemplo, una pintura no absorbente de EM comercial. La pintura no absorbente de EM tendra una menor permitividad y por lo tanto suministra un mejor acoplamiento de impedancia al espacio libre. Esto reduce la reflexion de la radiacion en la cara frontal, permitiendo penetrar mas en la capa absorbente y ser absorbida.

En una disposicion alternativa la composicion de acuerdo con la invencion puede ademas comprender un pigmento de pintura que esta presente en el rango de 2 a 20% del volumen seco, preferiblemente presente en el rango de 5 a 10% en volumen del volumen seco. El pigmento estara presente en cantidad suficiente para suministrar color a la composicion sin reducir las propiedades de absorcion de dicha composicion.

El pigmento de pintura tiene preferiblemente un diametro de tamano de partfcula promedio en el rango de 150 a 500 nm, mas preferiblemente un diametro de tamano de partfcula promedio en el rango de 200-250 nm. El pigmento de pintura tendra preferiblemente un tinte que reduce la potencia mayor de 1700, preferiblemente un tinte que reduce la potencia mayor de 1900. El pigmento de pintura puede ser un pigmento de pintura opaco, mas preferiblemente el pigmento de pintura es TIO2. El pigmento de pintura suministra un efecto de brillo y ayuda a reducir la necesidad de pintar sobre la composicion de acuerdo con la invencion con una pintura de color decorativa. Es deseable utilizar grados de TIO2 que

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tengan una potencia reductora de tinte de al menos 1700, con un tratamiento superficial <18%, y un tamano de cristal de 230 nm, preferiblemente pigmentos de TIO2 de alta opacidad, que posean un tratamiento superficial con alumina-zirconia (<7%) y posean una potencia relativa reductora de tinte de 1900, un mdice de refraccion de 2.7 y un tamano de cristal medio de 220 nm. Estos grados de alta opacidad de TIO2 exhiben caractensticas de dispersion mejorada.

Puede ser deseable agregar pigmentos adicionales y/o tintes a la composicion, tal como suministrar diferentes pinturas coloreadas. Puede haber uno o mas pigmentos adicionales sin color o coloreados agregados a la composicion, tales pigmentos adicionales pueden incluir, por ejemplo, pigmentos inorganicos u organicos tales como oxidos de metal, ftalocianinas o pigmentos azo etc.

La extension del cubrimiento de la composicion seca sobre la superficie, cuerpo o estructura dependera de la extension de la naturaleza reflectiva de la superficie, cuerpo o estructura. Sera claro para la persona experta que se lograra mayor absorcion si la superficie completa, cuerpo o estructura esta recubierta con la composicion.

De acuerdo con esto, se suministra adicionalmente un metodo para suministrar absorcion de radiacion electromagnetica a una frecuencia seleccionada sobre una estructura superficial o cuerpo o porciones del mismo, que comprenden la etapa de determinar la frecuencia seleccionada, aplicando al menos un recubrimiento de dicha composicion a un grosor que se absorba selectivamente en dicha frecuencia o una pelmula aplicada con un grosor que se absorba selectivamente en dicha frecuencia a un primer lado de dicha estructura de superficie o cuerpo o porciones del mismo, y opcionalmente a un segundo lado.

La absorbancia solamente se necesitara que ocurra a la frecuencia seleccionada de una fuente de radar cercana. Los sistemas de radar tfpicos operan a frecuencias muy precisas, en lugar de banda ancha. Las frecuencias tipicamente descansan en el rango de 0.1 a 20 GHz.

De acuerdo con esto, se suministra el uso de una composicion de acuerdo con la invencion, en donde la composicion se aplica a una superficie, estructura o cuerpo o porciones del mismo a un grosor seleccionado con el fin de suministrar un recubrimiento capaz de absorver radiacion electromagnetica a una frecuencia seleccionada.

Las realizaciones de la invencion se describen adelante por via de ejemplo solamente y con referencia a los dibujos que la acompanan en los cuales:

La Figura 1a y la Figura 1b muestran graficas del componente real de permitividad y el componente imaginario de permitividad (perdida dielectrica), respectivamente para tres diferentes relaciones de aspecto de elementos de carbono.

Las Figuras 2a a 2e muestran graficas de la permitividad de fibras de carbono molidas dispersadas en poliuretano (PU) a diversos porcentajes llenados por volumen.

La Figura 3 muestra una grafica de la reflexion y la transmision a traves de una muestra compuesta de fibras de carbono molido dispersadas en PU a 0.5% en volumen.

La Figura 4 muestra una grafica de la reflexion y transmision a traves de una muestra compuesta de fibras de carbono molida o dispersadas en PU a 20% en volumen.

La Figura 5 muestra una grafica de la reflectividad de un absorbente de 3 GHz.

La Figura 6 muestra una grafica de la reflectividad de un absorbente de 9.4 GHz

Regresando a las Figuras 1a y 1b, la Figura 1a muestra una grafica del componente real de permitividad para (i) partmulas esfericas 20% en volumen en cera, lmea 1 a, (ii) fibras de carbono de acuerdo con la invencion, 6% en volumen en PU, lmea 2a y (iii) fibras picadas 1% en volumen en PU, lmea 3a. El uso de cera en lugar de PU, como el ligador inerte para

las partmulas esfericas no altera la permeabilidad/permitividad, y asf no cambia la efectividad de las formulaciones como

un absorbente.

La Figura 1b muestra una grafica del componente imaginario de la permitividad (perdida dielectrica) para (i) partmulas esfericas 20% en volumen en cera, lmea 1b, (ii) fibras de carbono de acuerdo con la invencion, 6% en volumen en PU, lmea 2b y (iii) fibras picadas 1% en volumen en PU, lmea 3b. Los resultados se discuten en el experimento 1 adelante.

Las Figuras 2a a 2e muestran graficas de la permitividad de fibras de carbono molidas dispersadas en PU sobre un rango de frecuencias, con diferentes indices de inclusion a 0.5% en volumen, 2% en volumen, 3% en volumen, 5% en volumen y 6% en volumen, respectivamente. Las graficas 2a a 2e muestran que en la medida en que el volumen % de la fibra de carbono se incrementa, tanto el s' real (lmeas superiores) como el e” imaginario (lmeas inferiores) de la permitividad se incrementan.

Sin embargo, a menores niveles de inclusion, tal como la Figura 2a, se muestra que cuando la carga se reduce a 0.5% en volumen, se exhiben pobres niveles de perdida (permitividad imaginaria). Esto significa que no existe un mecanismo

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efectivo de disipacion de ene^a dentro de la capa y por lo tanto un bajo volumen porciento se puede considerar como inefectivo para la produccion de materiales absorbentes de radar.

La Figura 3 muestra una grafica de la reflexion, lmea 5, y transmision, lmea 4, a traves de una muestra compuesta de fibras de carbono molidas dispersadas en PU a 0.5% en volumen (muestra XC4343), Figura 3 muestra que cuando la muestra se carga con niveles muy bajos de fibra de carbono (aun en un rango de longitud altamente preferido) la composicion posee baja reflectancia, lmea 5 y es altamente transparente a la radiacion incidente, es decir, debido a la falta de absorcion.

La Figura 4 muestra una grafica de la lmea de reflexion 15 y transmision, lmea 14 a traves de una muestra compuesta de fibras de carbono molidas dispersadas en PU a 20% en volumen (muestra XC4344). Como se puede ver una carga de 20% en volumen produce un desempeno cercano similar al metal, conduciendo un material reflectivo (valor de alta reflectancia, como se indica por la lmea 15), con solamente un nivel bajo de absorcion. Ya que el volumen porcentual se incrementa mas alla del 20% en volumen, la composicion se movera hacia un reflector perfecto, y asf se suministrara poca o ninguna absorbancia.

La Figura 5 muestra una grafica de la reflectividad de una composicion que se ha formulado y depositado a un grosor seleccionado para absorber espedficamente a 3 GHz. La composicion (muestra XC4332) comprende fibras de carbono molida dispersadas en PU a 5.5% en volumen. La composicion se deposito sobre la superficie de ensayo a un grosor de 4mm (A/4). La grafica muestra buena absorcion a mas del 99% (ver Tabla 5), con una absorcion maxima ocurriendo en la region de 3 GHz.

La Figura 6 muestra una grafica de reflectividad de una composicion que se ha formulado para absorber espedficamente a 9.4 GHz. La composicion (muestra XC4288) comprende fibras de carbono molida dispersadas en PU a 5.0% en volumen. La composicion se deposita sobre la superficie de ensayo a un grosor de 1.5mm (A/4). La grafica muestra buena absorcion a mas de 99.9% (ver Tabla 5) con la absorcion maxima ocurriendo en la region de 9.4 GHz.

Experimento 1

Se prepararon tres composiciones que contienen cada una partmulas de carbono con diferente forma, de acuerdo a la Tabla 1, de adelante.

Tabla 1 Elementos de carbono con diferente forma en un ligador no conductor

Figura 1a y 1b: Tipo de elemento Dimension promedio Elemento seco % en vol Ligador

Lmea 1: Partmulas esfericas 2-12 micras(diametro) 20% volumen Cera

Lmea 2: Carbon molido 7 micras (diametro) 100-150 micras (longitud) 6%vol Poliuretano

Lmea 3: Carbono picado 7 micras (diametro) 600 micras (longitud) 1%vol Poliuretano

Los resultados de las formulaciones anteriores se muestran en las graficas en las Figuras 1a y b. Las graficas muestran que en la medida en que la relacion de aspecto se incrementa, es decir, de longitudes de fibra esferica a molidas a picadas, la tangente de perdida dielectrica (relacion de componente imaginario a real, e”/e' se incrementa y la carga requerida para lograr la absorbancia disminuye debido a la conectividad mejorada.

Para producir un absorbente efectivo se requiere que los valores correctos de los componentes real o imaginario de permitividad, por ejemplo, materiales con bajos valores de permitividad imaginaria producen baja perdida de conduccion y por lo tanto no poseen un mecanismo para absorber efectivamente. Esto se muestra por los resultados para partmulas de carbono esfericas, lmeas 1a y 1b, en las Figuras 1a y 1b, respectivamente

Por el contrario, los materiales con altos valores de componente real de permitividad producen alta impedancia con relacion al aire. El desajuste de impedancia en la superficie del material origina que se refleje la radiacion electromagnetica. De manera similar, los materiales que poseen altas tangentes de perdida (e”/e'>1), similares a los resultados para las fibras de carbono picadas, lmeas 3a y 3b en la Figura 1a y 1b, respectivamente, no son idealmente adecuadas para absorcion de microondas.

Mientras que los elementos de carbono alagados que se suministran en las dimensiones (longitud) y rangos de inclusion de acuerdo con la invencion, suministran optima compensacion entre los componentes real e imaginario de permitividad, como se muestra en las lmeas 2a y 2b, en la Figura 1a y 1b respectivamente.

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La absorcion de una composicion de acuerdo con la invencion que comprende elementos alargados cuando se suministran en el rango preferido se demuestran mediante los resultados de absorcion de microondas dados en la Figuras 5 y 6. Las propiedades de dichos elementos alargados en la composicion de acuerdo con la invencion se pueden atribuir a la seleccion de rango estrecho de longitud de fibras en combinacion con su inclusion en volumen porcentual para optimizar sus acoplamientos resultantes al campo electromagnetico aplicado. El acoplamiento se incrementa en la medida en que se incrementa el tamano de la fibra con un cambio resultante en la permitividad. Sin embargo, a longitudes que se aproximan de 4mm a 6mm en el modo primario de interaccion sea uno de reflexion como se muestra en las fibras picadas lmeas 3a y 3b en las Figuras lay 1b, respectivamente.

Experimento 2

Preparacion de muestra XC4332

La composicion se preparo con fibras de carbono molidas cuya longitud promedio fue de 100-150 micras, diametro 7 micras. Las fibras se incorporaron 5.5% en volumen dentro de un material ligador de poliuretano base.

Tabla 2 que muestra la formulacion del polimero base

Componente: indice equivalente Peso equivalente

PTMEG 1000: 1.0 501.79*

Trimetilol propano: 0.2 44.7

Isonato M143: 1.26 144.83*

Tabla 3 que muestra los componentes adicionales del sistema de material

Aditivo: Como un % en peso del PTMEG y TMP en la Parte B Como un % en volumen del polfmero

Silcolapse: 0.12 -

Fibras de carbono molidas: 15.95 5.5

*Valores tfpicos

El material se fabrica utilizando una ruta de “cuasi prepolfmero”. La Parte B consiste de dos partes de Isonate M143 a una parte de PTMEG en masa. El restante (politetrametilenglicol 1000) PTMG se agrega a la Parte A para ayudar con la mezcla.

Formulacion XC4332 Peso en gramos

PARTE A

PTMG 1000 192.53

Trimetilolpropano 5.34

Silcolapse 430/BYK 085 0.30

Fibras de carbono molidas 40.10

PARTE B

PTMEG 100 54.55

Difenilmetanodiisocianato (isonato M143)® 1.09.09

La Parte A se mezcla con la Parte B en la proporcion 100:56 en peso.

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La mezcla se efectua utilizando un mezclador de bajo corte (por ejemplo un mezclador planetario Molteni). El TMP se puede predisolver en una pequena cantidad de PTMEg para ayudar con la mezcla de la Parte A.

La mezcla se coloca bajo vado a al menos 5 mbar hasta que se desgasifica completamente. El tiempo de mezcla depende del tipo de equipo y de la cantidad de material, pero debe ser suficiente para lograr un producto homogeneamente disperso, libre de aglomerados solidos. Se debe tener cuidado de asegurar que el proceso de mezcla no afecte significativamente la densidad final del material.

Mezclar parte B

El PTMEG seco se calienta a 60°C y se desgasifica durante dos horas a presion reducida de 5mbar inmediatamente antes de uso. El PTMEG se agrega luego al Isonato®, con agitacion, y la mezcla se calienta a 60°C durante 4 horas a una presion reducida de 5mbar.

La composicion se deposito como una pelfcula aplicada con un grosor de 4mm (panel 300x300mm)

Experimento 3

Las mediciones, como se muestra en la tabla 4 y 5 de adelante, fueron asumidas utilizando una disposicion de un sistema de antena enfocada. Las composiciones fueron elaboradas mediante fundido, es decir, formando una pelfcula aplicada al grosor deseado, pero pueden ser alternativamente aplicadas utilizando tecnologfa de pintura de rociado o arrastre, como se definio anteriormente. Los materiales de muestra de ensayo aplicados se hicieron a dimensiones de 300 mm x 300 mm, con diferentes grosores.

El equipo comprendio un analizador de red de vector Anritsu 37397C conectado a antenas de microondas corrugadas. Las antenas fueron enfocadas por espejos al plano medio, donde se ubicaron las muestras de ensayo. La configuracion de la antena enfocada se utilizo para medir la dispersion compleja, S, los parametros asociados con la transmision y la reflexion de las muestras de ensayo, de las cuales la permitividad, £ se obtuvo utilizando un metodo Nicholson and Ross [Pitman K C, Lindley M W, Simkin D and Cooper J F 1991 Radar absorbers: better by design IEE Proc.-F 138 223].

Para las mediciones de reflectividad, tal como aquellas en las Figuras 5 y 6 respectivamente, se aplico un plano de respaldo metalico a las muestras de ensayo y un conjunto similar de mediciones llevadas a cabo para determinar el grado de absorcion (es decir la reflectividad reducida) de las muestras de ensayo.

Los elementos de carbono alargados fueron las mismas fibras de carbono molidas como se definieron en el experimento 2 anterior. Se prepararon las siguientes composiciones de manera analoga aquellas en el experimento 2, con diferente inclusion en volumen porcentual de las fibras molidas.

Tabla 4 que muestra diferentes inclusiones % en vol (seco) de fibras de carbono molidas en una mezcla PU.

Numero de muestra: Fibra de carbono (% en vol) en PU Grosor de recubrimiento/mm £' £”

XC4343 (Figura 2a) Figura 3: 0.5 1(±0.2) 4 a 15GHz 0.5 a 15GHz

XC4285 (Figura 2b): 2 1.2(±0.2) 14 a 10GHz 1.7 a 10GHz

XC4286 (Figura 2c): 3 1.2(±0.2) 26 a 10GHz 3.8 a 10GHz

XC4288 (Figura 2d): 5 1.4(±0.3) 33 a 10GHz 6.1 a 10GHz

XC4332 (Figura 5): 5.5 4(±0.3)

XC4297 (Figura 2e): 6 4(±1) 38 a 10GHz 13.3 a 10GHz

XC4344 (Figura 4): 20 1.7(±0.5)

Tabla 5 muestra reflexion y transmision para diferentes tipos de muestra

Numero de muestra (fibra de carbono % en vol en PU): Grosor de recubrimiento /mm Muestra medida sin respaldo de metal (resultados a 15GHz) Muestra medida con respaldo de metal

Reflexion: Transmision Absorcion Posicion de la perdida pico Reflectividad pico Absorcion

dB: % dB % % GHz dB % %

XC4343 (0.5 vol%): 1 (±0.2) 7.6 17 1.4 72 11

XC4285 (2 vol%): 1.2 (±0.2) 2.0 63 5.8 27 10 16 9.2 12 88

XC4286 (3 vol%): 1.2 (±0.2) 1.8 66 7.3 18 16 12 15 3 97

XC4288 (5 vol%): 1.4 (±0.3) 4.7 34 7.0 20 46 9.4 33 0.05 99.95

XC4332 (5.5 vol%): 4 (±0.3) 3 21 0.8 99.2

XC4297 (6 vol%): 4 (± 1) 3.4 46 19.4 1 53

XC4344 (20 vol%): 1.7 (±0.5) 1 80 36 0.03 20

5 Los resultados en la Tabla 4 y Tabla 5 anterior, muestran que los resultados optimos para un absorbente se logran al seleccionar un rango estrecho de inclusion de dichos elementos de carbono alargados, a saber mayores de 0.5% en volumen de inclusion y 20% en volumen o menos. Una reflectividad de 20 dB corresponde a 99% de senal incidente que es absorbida.

10 Las Figura 5 y 6 y los valores de absorbancia % en la Tabla 5 muestran que las fibras de carbono molidas, que tienen una longitud promedio y un volumen % de inclusion, suministrados en los rangos de acuerdo con la invencion, dan origen a absorbentes efectivos.

La composicion cuando se suministra al grosor prerrequisito para suministrar absorbentes de 3GHz y 9.4 GHz, son simples 15 ejemplos de absorbentes de frecuencia estrecha seleccionados, y por lo tanto la composicion de acuerdo con la invencion no se limita a estas frecuencias. La composicion se puede depositar a otros grosores con el fin de reducir el desempeno optimo a frecuencias alternativas.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Reivindicaciones

1. Una composicion absorbente de radiacion electromagnetica que comprende un relleno de carbono que comprende elementos de carbono alargados con una dimension mas larga promedio en el rango de 100 a 150 micras, con un grosor en el rango de 1 a 15 micras, caracterizadas en donde el contenido de relleno de carbono total esta presente en el rango de 1 a 20% en volumen seco, en un ligador no conductor.
2. Una composicion de acuerdo a la reivindicacion 1, en donde los elementos de carbono alargado estan presentes en el rango de 2 a 10% en volumen seco.
3. Una composicion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en donde los elementos de carbono alargados son fibras de carbono que se han maquinado a la longitud deseada.
4. Una composicion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde los elementos de carbono alargados son cilmdricos y tienen un diametro en el rango de 5 a 10 micras.
5. Una composicion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde los elementos de carbono alargados tienen un mdice de dimension de grosor promedio a dimension mas larga promedio de desde 1:10 a 1:25.
6. Una composicion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde el ligador se selecciona de un acrilato, un ligador epoxi, un acnlico, un acnlico de uretano & epoxi modificado, un poliuretano, un alquido, un alquido modificado, o un fluoropolfmero.
7. Una composicion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde la composicion es una formulacion lfquida y opcionalmente comprende un solvente.
8. Una composicion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la composicion esta en la forma de un recubrimiento seco.
9. Una composicion de acuerdo a la reivindicacion 8, en donde dicho recubrimiento seco comprende al menos una o mas subcapas, cada una de las cuales se ha aplicado separadamente en una direccion ortogonal a la capa precedente.
10. Una superficie absorbente de radar, estructura o cuerpo o porciones del mismo que comprenden al menos un recubrimiento seco de acuerdo a la reivindicacion 8 o reivindicacion 9.
11. Una superficie, estructura o cuerpo de acuerdo a la reivindicacion 10, en donde el grosor de dicho recubrimiento es un cuarto de la longitud de onda (A/4) de la frecuencia resonante de la radiacion incidente a ser absorbida.
12. Una superficie, estructura o cuerpo de acuerdo a la reivindicacion 10 o reivindicacion 11, en donde se suministra una placa base reflectiva electromagnetica entre la superficie, estructura o cuerpo y al menos un recubrimiento seco de acuerdo con la reivindicacion 8 o la reivindicacion 9.
13. El uso de una composicion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde la composicion se aplica a una superficie, estructura o cuerpo o porciones del mismo a un grosor seleccionado con el fin de suministrar un recubrimiento capaz de absorber radiacion electromagnetica a una frecuencia seleccionada.
14. Un metodo para suministrar absorcion de radiacion electromagnetica a una frecuencia seleccionada sobre una estructura de superficie o cuerpo o porciones del mismo, que comprenden la etapa de determinar la frecuencia seleccionada, aplicar al menos un recubrimiento de la composicion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, a un grosor que absorbe selectivamente a dicha frecuencia o una pelfcula aplicada que comprende una composicion de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 con el grosor que se absorbe selectivamente a dicha frecuencia de acuerdo a la reivindicacion 12, a un primer lado de dicha estructura de superficie o cuerpo o porciones del mismo, y opcionalmente a un segundo lado.