ITRM20120569A1 - Dispositivo assorbitore di onde elettromagnetiche a frequenza di assorbimento regolabile - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
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Description
DISPOSITIVO ASSORBITORE DI ONDE ELETTROMAGNETICHE A
FREQUENZA DI ASSORBIMENTO REGOLABILE
La presente invenzione riguarda un dispositivo assorbitore di onde elettromagnetiche avente frequenza di assorbimento regolabile che consente, in modo efficiente, affidabile, semplice ed economico, di regolare il coefficiente di assorbimento elettromagnetico (e di conseguenza coefficienti di riflessione e di trasmissione elettromagnetiche) del dispositivo stesso mediante un controllo elettronico.
La presente invenzione riguarda altresì il procedimento di fabbricazione del dispositivo assorbitore di onde elettromagnetiche.
Negli ultimi decenni, materiali e dispositivi assorbitori leggeri in peso e sottili ed in grado di assorbire onde elettromagnetiche in un’ampia banda di frequenze hanno guadagnato un crescente interesse sia in applicazioni civili che militari, quali: la protezione di veicoli aerospaziali ed aeronautici da onde e da interferenze elettromagnetiche causate da fenomeni naturali, come i fulmini; la protezione da emissioni elettromagnetiche ad alta intensità (HIRF: high-intensity radiated ); la realizzazione di schermi adottati in acceleratori di particelle e per la protezione da impulsi elettromagnetici nucleari (NEMP: nuclear electromagnetic pulse) in applicazioni di fisica nucleare; il soddisfacimento dei requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC: electromagnetic compatibility) di apparati; la schermatura elettromagnetica di apparati elettronici; la realizzazione di matrici a cunei e/o piramidi di rivestimento di camere elettromagneticamente anecoiche; la realizzazione di schermi per l’attenuazione dell’esposizione degli esseri umani alle onde elettromagnetiche; la realizzare di veicoli invisibili ai radar e/o protetti da interferenze elettromagnetiche intenzionali.
Ciò ha comportato la necessità di sviluppare e fabbricare strutture assorbenti onde elettromagnetiche ad alte prestazioni ed i relativi materiali assorbitori aventi elevati coefficienti di assorbimento elettromagnetico, e conseguentemente coefficienti di riflessione e di trasmissione elettromagnetiche molto bassi, alle frequenze di interesse. In particolare, i materiali assorbitori di onde elettromagnetiche giocano un ruolo centrale in tali ricerche, come descritto ad esempio da Paul Saville in “Review of Radar Absorbing Materials†, Defence R&D Canada – Atlantic, 2005, da J. Gou, Y. Tang, F. Liang, Z. Zhao, D. Firsich, e J. Fielding in “Carbon nanofiber paper for lightning strike protection of composite materials†, Composites Part B: Eng., vol.41, no.2, pp.192–198, Jul.2010, da L. Liu, L. Kong, W. Yin, e S. S. Matitsine in “Characterization of single and multiwalled carbon nanotube composites for electromagnetic shielding and tunable applications†, IEEE Trans. Electromagn. Compat., 2012, da Qinglei Liu, Bin Cao, Chuanliang Feng, Wang Zhang, Shenmin Zhu, e Di Zhang in “High permittivity and microwave absorption of porous graphitic carbons encapsulating Fe nanoparticles†, Composites Science and Technology, Elsevier, 2012, da Y.B. Feng, T. Qiu, e C.Y. Shen in “Absorbing properties and structural design of microwave absorbers based on carbonyl iron and barium ferrite. Journal of Magnetism and Magnetic Materials†, Elsevier, 2007, Volume 318, Issues 1–2, pp 8–13, da Qing Y, Zhou W, Luo F, e Zhu D in “Epoxy-silicone filled with multi-walled carbon nanotubes and carbonyl iron particles as a microwave absorber†, Carbon 2010; 48(14), 4074-80, da Shen G, Xu M, e Xu Z. Mater in “Double-layer microwave absorber based on ferrite and short carbon fiber composites†Chem Phys 2007; 105(2-3): 268-72, da Neo C e Varadan V. In “Design and development of electromagnetic absorbers with carbon fiber composites and matching dielectric layers†, Smart Mater Struct 2001; 10(5): 1107-10, da M. Chen, Y. Zhu, Y. Pan, H. Kou, H. Xu, e J. Guo in “Gradient multilayer structural design of cnts/sio2 composites for improving microwave absorbing properties,†Mater. Design, vol. 32, no. 5, pp. 3013–3016, May 2011, da B. Belaabeda, J. L. Wojkiewiczb, S. Lamouria, N. El Kamchib e T. Lasrib in “Synthesis and characterization of hybrid conducting composites based on polyaniline/magnetite fillers with improved microwave absorption properties†Journal of Alloys and Compounds, 2012, Elsevier, Volume 527, 25, Pages 137–144, da F. Qin e C. Brosseau in “A review and analysis of microwave absorption in polymer composites filled with carbonaceous particles†, J. Appl.
Phys. 2012, 111, 061301, da Parveen Saini,Veena Choudhary, B.P. Singhc, R.B. Mathurc, e S.K. Dhawan in “Enhanced microwave absorption behavior of polyaniline-CNT/polystyrene blend in 12.4–18.0 GHz range†, Elsevier Synthetic Metals, Volume 161, Issues 15–16, August 2011, Pages 1522–1526, da D. Micheli, C. Apollo, R. Pastore, D. Barbera, R. Bueno Morles, M. Marchetti, G. Gradoni, V. Mariani Primiani e F. Moglie in “Optimization of Multilayer Shields Made of Composite Nanomateriald Materials†, IEEE Transaction On Electromagnetic Compatibility. Volume: 54 , Issue: 1 Page(s): 60 – 69, 2012, da K. R. Paton e A. H. Windle in “Efficient microwave energy absorption by carbon nanotubes†, Elsevier Carbon volume 46 pp. 1935-1941, 2008, da Y. Yang, M. Gupta, e K. Dudley in “Towards cost-efï¬ cient EMI shielding materials using carbon nanomaterial-based nanocomposites†, Nanotechnology, vol. 18, 2007, Art. ID 345701, e da H. Xu, H. Abe, M. Naito, Y. Fukumori, H. Ichikawa, S. Endoh e K. Hata in “Efficient dispersing and shortening of super-growth carbon nanotubes by ultrasonic treatment with ceramic balls and surfactants†, Elsevier, Advanced Powder Technology, Volume 21, Issue 5, September 2010, Pages 551–555.
In questo contesto, à ̈ nata l’esigenza di realizzare un dispositivo assorbitore di onde elettromagnetiche avente un coefficiente di frequenza di assorbimento tale da adattarsi alla frequenza delle onde elettromagnetiche che colpiscono il dispositivo stesso.
Nella tecnica anteriore sono state proposte alcune soluzioni relative a procedimenti di fabbricazione di dispositivi assorbitori che consentono di regolare la frequenza alla quale il coefficiente di assorbimento del dispositivo à ̈ elevato tramite un attento dimensionamento ed un adattamento del disegno del dispositivo, come descritto nei documenti AU 630659 B2 e US 2011133978 A1. Una soluzione analoga à ̈ quella analizzata da D. Singh et al. in “Analysis of frequency selective surfaces for radar absorbing materials", Progress In Electromagnetics Research B, Vol.38, 297-314, 2012, in cui il materiale utilizzato ha un coefficiente di assorbimento selettivo in frequenza.
Tuttavia, tali dispositivi assorbitori hanno un comportamento statico del loro coefficiente di assorbimento, nel senso che quest’ultimo non può adattarsi dinamicamente alla frequenza dell’onda elettromagnetica che interagisce con il relativo dispositivo assorbitore.
Allo scopo di consentire un tale adattamento dinamico, ulteriori soluzioni sono state proposte nella tecnica anteriore che fanno uso di componenti elettronici concentrati, quali capacitori variabili, dipoli o diodi, che vengono inseriti nel materiale di cui à ̈ realizzato il dispositivo e che sono controllabili da segnali elettronici allo scopo di cambiare dinamicamente la frequenza dell’onda elettromagnetica alla quale il coefficiente di assorbimento elettromagnetico del dispositivo assorbitore à ̈ massimo. Tali soluzioni sono descritte nei documenti EP 0546255 A2, US 2003/146802 A1 e US 2009/109121 A1, nonché da Chambers B. et al. in "Tunable Radar Absorbers Using Frequency Selective Surfaces" 11th International Conference on Antennas and Propagation, Conference Publication No. 480, pp.
593-598 (Apr.17-20, 2001), e da Qian Chen et al. in “Optimize the Dielectric Slab of the Tunable Active Frequency Selective Surface Absorbing Material†, Advanced Materials Research (Volume 534), pp.209-214, June 2012.
Tuttavia, tali dispositivi assorbitori aventi un comportamento dinamicamente controllabile del loro coefficiente di assorbimento sono piuttosto complessi, costosi, e non del tutto efficienti ed affidabili nella banda di frequenza delle microonde (i.e. da 2 a 18 GHz).
Lo scopo della presente invenzione à ̈, pertanto, quello di consentire, in modo efficiente, affidabile, semplice ed economico, di regolare il coefficiente di assorbimento elettromagnetico (e di conseguenza coefficienti di riflessione e di trasmissione elettromagnetiche) di un dispositivo assorbitore di onde elettromagnetiche.
Forma oggetto specifico della presente invenzione un dispositivo assorbitore di onde elettromagnetiche che comprende un elemento assorbitore realizzato in un materiale composito comprendente una matrice polimerica in cui sono dispersi dei riempitivi (filler) microstrutturati e/o nanostrutturati elettricamente conduttivi e/o semi-conduttivi, in cui sono inglobati uno o più strati di elettrodi comprendenti almeno due elettrodi, detti almeno due elettrodi essendo tra loro fisicamente separati in almeno una porzione interna del materiale composito, almeno un generatore di segnali elettrici di controllo essendo collegato a due elettrodi selezionati tra detti almeno due elettrodi.
Secondo un altro aspetto dell’invenzione, il dispositivo assorbitore può comprendere almeno due strati di elettrodi, ognuno di detti almeno due strati di elettrodi comprendendo uno o più elettrodi, per cui gli elettrodi appartenenti a strati differenti essendo tra loro fisicamente separati in almeno una porzione interna del materiale composito.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, detti almeno due strati di elettrodi possono essere ad almeno due rispettive altezze differenti all’interno del materiale composito.
Secondo un aspetto aggiuntivo dell’invenzione, detti almeno due elettrodi possono essere lineari.
Secondo un ancora ulteriore aspetto dell’invenzione, almeno parte degli elettrodi appartenenti a strati differenti possono essere disposti secondo direzioni tra loro ortogonali.
Secondo un altro aspetto dell’invenzione, almeno uno strato di elettrodi può comprendere almeno due elettrodi tra loro paralleli.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, la matrice polimerica può comprendere una resina, preferibilmente una resina epossidica.
Secondo un aspetto aggiuntivo dell’invenzione, i filler microstrutturati e/o nanostrutturati elettricamente conduttivi e/o semi-conduttivi possono avere una concentrazione in peso nella matrice polimerica variabile da 0.1 wt% a 10 wt%.
Secondo un ancora ulteriore aspetto dell’invenzione, i filler microstrutturati e/o nanostrutturati elettricamente conduttivi e/o semi-conduttivi possono essere una o più particelle nanometriche e/o micrometriche selezionate dal gruppo comprendente nanotubi di carbonio multi-parete (MWCNT: multiwalled carbon nanotube), particelle nanometriche e/o micrometriche conduttive, preferibilmente metalliche, nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT: singlewalled carbon nanotube), nanofibre di carbonio (CNF: carbon nano fibre), e placchette nanometriche di grafene (GNP: graphene nanoplateles).
Forma altresì oggetto specifico della presente invenzione un procedimento di fabbricazione di un dispositivo assorbitore di onde elettromagnetiche, comprendente le seguenti fasi:
A. posizionare uno o più strati di elettrodi comprendenti almeno due elettrodi in uno stampo, in modo tale che detti almeno due elettrodi essendo tra loro fisicamente separati in almeno un’area dello stampo;
B. colare una soluzione polimerica fluida nello stampo in modo che la soluzione polimerica fluida inglobi i due strati di elettrodi lineari posizionati nella fase A, ottenendo una matrice polimerica, nella soluzione polimerica fluida essendo dispersi dei filler microstrutturati e/o nanostrutturati elettricamente conduttivi e/o semi-conduttivi;
C. effettuare una cura della matrice polimerica ottenuta nella fase B, ottenendo un elemento assorbitore;
D. estrarre dallo stampo l’elemento assorbitore ottenuto nella fase C e collegare almeno un generatore di segnali elettrici di controllo a due elettrodi selezionati tra detti almeno due elettrodi, ottenendo il dispositivo assorbitore.
Secondo un altro aspetto dell’invenzione, la matrice polimerica ottenuta nella fase B può comprendere una resina, preferibilmente una resina epossidica.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, i filler microstrutturati e/o nanostrutturati elettricamente conduttivi e/o semi-conduttivi possono avere una concentrazione in peso nella matrice polimerica ottenuta nella fase B variabile da 0.1 wt% a 10 wt%.
Secondo un aspetto aggiuntivo dell’invenzione, i filler microstrutturati e/o nanostrutturati elettricamente conduttivi e/o semi-conduttivi dispersi nella soluzione polimerica fluida possono essere una o più particelle nanometriche e/o micrometriche selezionate dal gruppo comprendente nanotubi di carbonio multiparete (MWCNT: multiwalled carbon nanotube), particelle nanometriche e/o micrometriche conduttive, preferibilmente metalliche, nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT: single-walled carbon nanotube), nanofibre di carbonio (CNF: carbon nano fibre), e placchette nanometriche di grafene (GNP: graphene nanoplateles).
In altre parole, il dispositivo assorbitore secondo l’invenzione à ̈ in grado di regolare dinamicamente il coefficiente di riflessione elettromagnetica (e di conseguenza il coefficiente di assorbimento elettromagnetico) applicando almeno uno specifico segnale elettrico di controllo, in tensione e/o corrente, al materiale polimerico composito di cui à ̈ realizzato il dispositivo stesso. I segnali di controllo elettrico possono avere una qualsiasi forma d’onda, non necessariamente continua. In particolare, il materiale composito comprende preferibilmente una matrice polimerica in cui sono dispersi dei riempitivi (noti anche con il termine inglese filler) elettricamente conduttivi e/o dei filler elettricamente semiconduttivi; nel materiale composito sono inoltre inglobati degli elettrodi che consentono l’applicazione dello specifico segnale elettrico di controllo. Le polveri utilizzate come filler possono essere microstrutturate o nanostrutturate e possono essere polveri metalliche e/o polveri a base di carbonio; preferibilmente, tali polveri comprendono nanotubi di carbonio, che hanno una elevata conduttività elettrica intrinseca ed un elevato aspect ratio (i.e. il rapporto tra dimensione più lunga e dimensione più corta) che consente la creazione di reti elettriche di percorsi conduttivi su scala micrometrica o nanometrica all’interno del materiale composito.
I risultati sperimentali mostrano che il coefficiente di riflessione elettromagnetica del materiale composito al quale à ̈ applicato uno segnale elettrico di controllo può essere ridotto fino a 30 dB rispetto ai valori dello stesso materiale a riposo (cioà ̈ non sottoposto ad alcun segnale elettrico di controllo) nella tipica banda radar di frequenza delle microonde (i.e. da 2 GHz a 18 GHz, preferibilmente da 8 GHz a 12 GHz).
La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue preferite forme di realizzazione, con particolare riferimento alle Figure dei disegni allegati, in cui:
la Figura 1 mostra una rappresentazione schematica di una preferita forma di realizzazione del dispositivo assorbitore secondo l’invenzione;
la Figura 2 mostra i risultati di prove sperimentali condotte sul dispositivo assorbitore di Figura 1;
la Figura 3 mostra i risultati di prove sperimentali condotte su una ulteriore forma di realizzazione del dispositivo assorbitore secondo l’invenzione.
Nelle Figure numeri di riferimento identici saranno utilizzati per elementi analoghi.
Gli inventori hanno sviluppato il dispositivo assorbitore secondo l’invenzione a partire dall’attenta considerazione che il meccanismo di interazione tra un’onda elettromagnetica ed un materiale possa essere influenzato dal fatto che una corrente elettrica scorra all’interno di quest’ultimo. Infatti, quando si forma un percorso di corrente interno al materiale, un campo elettromagnetico che si propaga all’esterno del materiale vede tale percorso di corrente come un percorso elettricamente conduttivo in grado di riflettere indietro una certa quantità del campo elettromagnetico incidente; più in particolare, la quantità di assorbimento/riflessione à ̈ determinata da fenomeni di disadattamento di impedenza tra l’impedenza caratteristica dello spazio libero e l’impedenza caratteristica del materiale. Le risposte dei materiali isotropi e lineari a campi elettromagnetici tempo-varianti dipendono in misura significativa dalla frequenza dei campi stessi. A tale proposito, nel caso di campi elettromagnetici tempo-varianti, i termini “dielettrico†e “conduttore†indicano il carattere della risposta dominante del materiale, dato che in termini assoluti non esiste un perfetto dielettrico od un perfetto conduttore (ma soltanto un materiale dielettrico con perdite – lossy dielectric). Il carattere della risposta dominante del materiale à ̈ fortemente legato alla frequenza del campo elettromagnetico che si propaga all’esterno e che incide sul materiale. Gli inventori hanno sviluppato il dispositivo assorbitore secondo l’invenzione, del quale viene dinamicamente modificata la riflettività elettromagnetica, sulla base di tale meccanismo.
La preferita forma di realizzazione del procedimento di fabbricazione del dispositivo assorbitore secondo l’invenzione comprende le seguenti fasi:
A. posizionare due strati di elettrodi lineari, in cui ogni strato à ̈ formato da una pluralità di elettrodi filiformi lineari paralleli e non in contatto (i.e. siano fisicamente separati) tra loro, in uno stampo in modo che gli elettrodi di uno strato non siano in contatto elettrico (i.e. siano fisicamente separati) con alcuno degli elettrodi dell’altro strato in corrispondenza di almeno un’area dello stampo (nel quale stampo viene versata nella fase B una soluzione polimerica che costituisce, dopo la fase di cura della fase C, il materiale composito), ed in modo tale che gli elettrodi di uno strato siano orientati ortogonalmente agli elettrodi dell’altro strato; preferibilmente, i due strati sono a due rispettive altezze differenti nello stampo;
B. colare una soluzione polimerica fluida nello stampo in modo che il materiale inglobi i due strati di elettrodi lineari posizionati nella fase A, ottenendo una matrice polimerica (che ingloba gli elettrodi);
C. effettuare una cura della matrice polimerica ottenuta nella fase B, ottenendo un elemento assorbitore;
D. estrarre dallo stampo l’elemento assorbitore ottenuto nella fase C e collegare le estremità di almeno parte degli elettrodi di ognuno dei due strati di elettrodi lineari ad uno o più generatori di segnali elettrici di controllo in tensione e/o in corrente, ottenendo un dispositivo assorbitore secondo l’invenzione.
Preferibilmente, la soluzione polimerica fluida utilizzata nella fase B à ̈ realizzata in resina epossidica e nanotubi di carbonio multi-parete (MWCNT: multiwalled carbon nanotube). Si deve tuttavia tenere presente che il materiale composito può comprendere tipi di resine differenti dalle resine epossidiche e/o che, in alternativa a od in combinazione con i nanotubi di carbonio multi-parete, il materiale composito può comprendere altre particelle nanometriche e/o micrometriche da disperdere nelle resine, quali particelle nanometriche e/o micrometriche conduttive, e.g. metalliche, e/o nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT: single-walled carbon nanotube) e/o nanofibre di carbonio (CNF: carbon nano fibre), placchette nanometriche di grafene (GNP: graphene nanoplateles). In particolare, l’intervallo di concentrazione delle particelle nanometriche e/o micrometriche disperse nella matrice polimerica dipende dal tipo di particelle, dalla fluidità delle resine, e dalle bande di frequenza dei campi elettromagnetici con i quali il dispositivo assorbitore deve interagire; a titolo esemplificativo, e non a titolo limitativo, tale concentrazione può variare in peso dallo 0.1 wt% al 10 wt%.
Gli inventori, hanno effettuato alcune prove sperimentali sul dispositivo assorbitore ottenuto mediante il procedimento di fabbricazione sopra illustrato mediante un sistema di misura di riflettività elettromagnetica noto come bistatic Arch o NRL Arch e descritto da D. Micheli, R. Pastore, C. Apollo, M. Marchetti, G. Gradoni, V. Mariani Primiani e F. Moglie in “Broadband Electromagnetic Absorbers Using Carbon Nanomaterial-Based Composites†, IEEE Transaction On Microwave And Techniques, 2011. Volume: 59 , Issue: 10 Page(s): 2633 – 2646, e da M. H. Umari, D. K. Ghodgaonkar, V. V. Varadan, e V. K. Varadan in “A freespace bistatic calibration technique for the measurement of parallel and perpendicular reflection coef ï¬ cients of planar samples†, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol.40, no.1, pp.19–24, Jan.1991.
In particolare, il dispositivo assorbitore sottoposto alle prove sperimentali ha dimensioni 200 mm x 200 mm x 10 mm (le dimensioni del dispositivo non sono tuttavia una caratteristica essenziale dell’invenzione). La Figura 1 mostra una rappresentazione schematica di tale dispositivo assorbitore 10 (il cui elemento assorbitore à ̈ indicato con il numero di riferimento 20), in cui ognuno di una pluralità di generatori di segnali elettrici di controllo in tensione e/o in corrente (indicati in Figura 1 con G1, G2, Gn) à ̈ collegato a due elettrodi selezionati tra gli elettrodi dei due strati di elettrodi lineari. In particolare, ogni generatore di segnali elettrici può essere collegato a due elettrodi adiacenti di un medesimo strato di elettrodi lineari (come mostrato schematicamente in Figura 1 dove tali due elettrodi adiacenti sono indicati con le coppie di numeri di riferimento 1A-1B, 2A2B e 3A-3B), oppure può essere collegato a due elettrodi non adiacenti di un medesimo strato di elettrodi lineari, oppure può essere collegato a due elettrodi appartenenti a due differenti strati di elettrodi lineari. Inoltre, uno o più generatori possono essere sostituiti da una connessione di corto-circuito (e.g. due elettrodi possono essere tra loro collegati in corto-circuito, eventualmente anche totalmente all’interno del materiale composito) o anche da un filtro attivo o passivo di segnale, preferibilmente regolabile. Infine, alcuni elettrodi lineari di uno o di entrambi gli strati di elettrodi lineari possono essere non collegati ad alcun componente esterno (i.e. non collegati ad alcun generatore o connessione di corto-circuito o filtro, come mostrato schematicamente in Figura 1 dove tali elettrodi non collegati sono indicati con i numeri di riferimento 4A e 4B per uno strato e 5C e 5D per l’altro strato).
Il dispositivo assorbitore sottoposto alle prove sperimentali ha due soli elettrodi adiacenti di un medesimo strato di elettrodi lineari che sono collegati ad un generatore elettrico di tensione in grado di fornire una alimentazione in tensione continua compresa tra 0 V e 7000 V. Cinque differenti tensioni continue sono state applicate con valori progressivamente crescenti e pari a 0 V, 13 V, 500 V, 600 V e 700 V ed il sistema di misura di riflettività elettromagnetica ha effettuato le misure sul dispositivo assorbitore utilizzando un analizzatore di reti vettoriale (VNA: vector network analyzer) con due antenne nella configurazione NRL Arch con angolo di incidenza pari a 0° (ovvero con onda elettromagnetica esterna incidente ortogonale alla superficie del dispositivo assorbitore). La Figura 1 mostra il caso più generale di un’onda elettromagnetica esterna incidente 8 che non à ̈ ortogonale alla superficie del dispositivo assorbitore e genera un’onda elettromagnetica riflessa esterna 9 parimenti non ortogonale alla superficie del dispositivo assorbitore). In proposito, anche la calibrazione del sistema NRL Arch à ̈ stata effettuata in modo da avere pari a 0 dB il livello di riflettività del piatto metallico di supporto (sul quale à ̈ posizionato il dispositivo assorbitore durante le prove sperimentali).
La Figura 2 mostra la relazione tra tensione applicata agli elettrodi del dispositivo assorbitore e la riflettività dell’onda elettromagnetica incidente: più alta à ̈ la tensione e maggiore à ̈ l’assorbimento da parte del dispositivo assorbitore alle frequenze più alte della banda 2-18 GHz. In particolare, le prove sperimentali con tensioni applicate superiori a 600 V hanno mostrato che il dispositivo assorbitore sotto test non funzionava; ciò à ̈ stato dovuto ad alcuni fenomeni di rottura (breakdown) che hanno danneggiato il materiale e che sono stati causati dall’elevata corrente elettrica che scorreva nel materiale composito e nei nanotubi di carbonio posizionati tra i due elettrodi collegati al generatore di tensione.
Altre forme di realizzazione del dispositivo assorbitore secondo l’invenzione possono prevedere un numero di strati di elettrodi lineari differente da due, come ad esempio un unico strato o tre o più strati, e nel caso in cui gli strati siano almeno due ogni strato può comprendere un qualsiasi numero di elettrodi uguale a o maggiore di uno. Inoltre, il dispositivo assorbitore secondo l’invenzione può avere l’elemento assorbitore planare o sagomato secondo una superficie curva o secondo una qualsiasi sagoma tridimensionale, e gli strati di elettrodi possono essere disposti su un piano o su una superficie curva o secondo una qualsiasi sagoma tridimensionale.
La Figura 3 mostra i risultati delle prove sperimentali cui à ̈ stato sottoposto un secondo dispositivo assorbitore provvisto di un solo strato di elettrodi filiformi lineari, in cui un generatore elettrico di tensione in grado di fornire una alimentazione in tensione continua compresa tra 0 V e 7000 V à ̈ applicato al primo ed all’ultimo degli elettrodi paralleli dello strato; le dimensioni di tale dispositivo assorbitore sono pari a 200 mm x 200 mm x 10 mm. Tre differenti tensioni continue sono state applicate con valori progressivamente crescenti e pari a 0 V, 470 V e 700 V, e le prove sono state effettuate in condizioni analoghe a quelle cui si riferisce la Figura 2 (i.e. utilizzando un analizzatore di reti vettoriale con due antenne nella configurazione NRL Arch con angolo di incidenza pari a 0°, e identiche modalità di calibrazione del sistema NRL Arch). Anche in questo caso, à ̈ possibile osservare che l’assorbimento elettromagnetico del dispositivo assorbitore à ̈ legato alla tensione applicata agli elettrodi: in particolare, più alta à ̈ la tensione applicata e maggiore à ̈ l’assorbimento da parte del dispositivo assorbitore alle frequenze più alte della banda 2-20 GHz.
Altre forme di realizzazione del dispositivo assorbitore secondo l’invenzione possono avere elettrodi, inglobati nel materiale composito, aventi forme differenti da quelle filiformi lineari (e parallele per ogni strato di elettrodi). A titolo esemplificativo e non a titolo limitativo, gli elettrodi potrebbero essere almeno parzialmente filiformi curvilinei e/o almeno parzialmente planari con asse rettilineo o curvilineo.
Come già detto, ulteriori forme di realizzazione del dispositivo assorbitore secondo l’invenzione possono comprendere generatori di tensione e/o di corrente tali da generare forme d’onda dei segnali elettrici di controllo differenti da quella di una tensione continua. La specifica forma d’onda del segnale elettrico di controllo influenza la risposta del dispositivo assorbitore, nel senso che ne cambia in maniera differente il coefficiente di riflessione elettromagnetica.
Gli inventori hanno indagato il principio di funzionamento del dispositivo assorbitore secondo l’invenzione. Il materiale (composito) dielettrico del dispositivo ha un arrangiamento di portatori di carica elettrica che può essere modificato da un campo elettrico. Il materiale viene polarizzato e le cariche si distribuiscono nello spazio in modo tempo-variante per compensare il campo elettrico in modo tale che le cariche positive e le cariche negative si spostano in direzioni opposte. Il meccanismo di conduzione elettrica dovuto all’elevato campo elettrico localizzato in prossimità delle microparticelle e/o nanoparticelle posizionate vicine tra loro à ̈ in grado di determinare una corrente per effetto tunnel, i.e. un salto di elettroni tra microparticelle e/o nanoparticelle ravvicinate. Tale corrente per effetto tunnel à ̈ in grado di influire sulla densità dei percorsi di corrente elettrica all’interno del materiale composito e di modificare la risposta del materiale composito ad un campo elettromagnetico esterno incidente. In altre parole, la conduttività elettrica σ di tale materiale composito microstrutturato o nanostrutturato non à ̈ da considerarsi costante, bensì parametrica, poiché à ̈ legata alla quantità di percorsi conduttivi elettrici interni al materiale che à ̈ a sua volta legata ai segnali elettrici di controllo applicati da uno o più generatori di segnale (e.g. in tensione) collegati agli elettrodi del dispositivo assorbitore, oltre che alla concentrazione in peso del filler. Il valore della conduttività elettrica σ influisce poi sulle proprietà dielettriche del materiale composito ed anche sull’impedenza caratteristica del materiale, modificando dunque il disadattamento di impedenza tra l’impedenza caratteristica dello spazio libero e l’impedenza caratteristica del materiale che, come detto sopra, determina la quantità di assorbimento/riflessione elettromagnetica. Pertanto, modificando la conduttività elettrica σ del materiale composito à ̈ possibile modificare l’assorbimento elettromagnetico del materiale stesso.
In altre parole, applicando specifici segnali di controllo agli elettrodi inglobati nel materiale composito, si determina una formazione di corrente elettrica all’interno dello stesso materiale, favorita dai filler elettricamente conduttivi e/o elettricamente semi-conduttivi dispersi nel materiale composito, che modifica la distribuzione di portatori di carica elettrica all’interno del materiale stesso. Se un’onda elettromagnetica esterna incide sul materiale composito, la quantità di energia elettromagnetica riflessa dipende dai portatori di carica e dalla distribuzione della densità di corrente all’interno del materiale composito. I portatori di carica e le correnti possono essere modificati cambiando:
- i segnali elettrici di controllo applicati agli elettrodi del dispositivo assorbitore,
- la posizione e/o la sagoma e/o le distanze mutue degli elettrodi (e gli strati di elettrodi), e
- la concentrazione e/o la morfologia fisica dei filler elettricamente conduttivi e/o elettricamente semi-conduttivi dispersi nel materiale composito, Queste modifiche a loro volta sono in grado di cambiare le proprietà di assorbimento elettromagnetico e riflessione elettromagnetica del materiale composito quando un’onda elettromagnetica esterna ad una data frequenza incide su di esso.
Pertanto, il dispositivo assorbitore secondo l’invenzione à ̈ in grado di regolare il proprio assorbimento elettromagnetico e la propria riflessione elettromagnetica rispetto ad un campo incidente semplicemente applicando specifici segnali elettrici di controllo ad elettrodi inglobati nel materiale composito.
In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma à ̈ da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.
Claims (13)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo assorbitore (10) di onde elettromagnetiche, caratterizzato dal fatto di comprendere un elemento assorbitore (20) realizzato in un materiale composito comprendente una matrice polimerica in cui sono dispersi dei riempitivi (filler) microstrutturati e/o nanostrutturati elettricamente conduttivi e/o semi-conduttivi, in cui sono inglobati uno o più strati di elettrodi comprendenti almeno due elettrodi (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 5C, 5D), detti almeno due elettrodi essendo tra loro fisicamente separati in almeno una porzione interna del materiale composito, almeno un generatore di segnali elettrici di controllo essendo collegato a due elettrodi (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B) selezionati tra detti almeno due elettrodi (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 5C, 5D).
- 2. Dispositivo assorbitore (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno due strati di elettrodi, ognuno di detti almeno due strati di elettrodi comprendendo uno o più elettrodi (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 5C, 5D), per cui gli elettrodi (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 5C, 5D) appartenenti a strati differenti essendo tra loro fisicamente separati in almeno una porzione interna del materiale composito.
- 3. Dispositivo assorbitore (10) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti almeno due strati di elettrodi sono ad almeno due rispettive altezze differenti all’interno del materiale composito.
- 4. Dispositivo assorbitore (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti almeno due elettrodi sono lineari.
- 5. Dispositivo assorbitore (10) secondo la rivendicazione 4, quando dipendente dalla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che almeno parte degli elettrodi (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 5C, 5D) appartenenti a strati differenti sono disposti secondo direzioni tra loro ortogonali.
- 6. Dispositivo assorbitore (10) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che almeno uno strato di elettrodi comprende almeno due elettrodi (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B) tra loro paralleli.
- 7. Dispositivo assorbitore (10) secondo una qualsiasi delle precedenti ri vendicazioni, caratterizzato dal fatto che la matrice polimerica comprende una resina, preferibilmente una resina epossidica.
- 8. Dispositivo assorbitore (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che i filler microstrutturati e/o nanostrutturati elettricamente conduttivi e/o semi-conduttivi hanno una concentrazione in peso nella matrice polimerica variabile da 0.1 wt% a 10 wt%.
- 9. Dispositivo assorbitore (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che i filler microstrutturati e/o nanostrutturati elettricamente conduttivi e/o semi-conduttivi sono una o più particelle nanometriche e/o micrometriche selezionate dal gruppo comprendente nanotubi di carbonio multi-parete (MWCNT: multiwalled carbon nanotube), particelle nanometriche e/o micrometriche conduttive, preferibilmente metalliche, nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT: single-walled carbon nanotube), nanofibre di carbonio (CNF: carbon nano fibre), e placchette nanometriche di grafene (GNP: graphene nanoplateles).
- 10. Procedimento di fabbricazione di un dispositivo assorbitore (10) di onde elettromagnetiche, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: A. posizionare uno o più strati di elettrodi comprendenti almeno due elettrodi (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 5C, 5D) in uno stampo, in modo tale che detti almeno due elettrodi essendo tra loro fisicamente separati in almeno un’area dello stampo; B. colare una soluzione polimerica fluida nello stampo in modo che la soluzione polimerica fluida inglobi i due strati di elettrodi lineari posizionati nella fase A, ottenendo una matrice polimerica, nella soluzione polimerica fluida essendo dispersi dei filler microstrutturati e/o nanostrutturati elettricamente conduttivi e/o semi-conduttivi; C. effettuare una cura della matrice polimerica ottenuta nella fase B, ottenendo un elemento assorbitore; D. estrarre dallo stampo l’elemento assorbitore ottenuto nella fase C e collegare almeno un generatore di segnali elettrici di controllo a due elettrodi (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B) selezionati tra detti almeno due elettrodi (1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 5C, 5D), ottenendo il dispositivo assorbitore.
- 11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che la matrice polimerica comprende una resina, preferibilmente una resina epossidica.
- 12. Procedimento secondo la rivendicazione 10 o 11, caratterizzato dal fatto che i filler microstrutturati e/o nanostrutturati elettricamente conduttivi e/o semi-conduttivi hanno una concentrazione in peso nella matrice polimerica variabile da 0.1 wt% a 10 wt%.
- 13. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 12, caratterizzato dal fatto che i filler microstrutturati e/o nanostrutturati elettricamente conduttivi e/o semi-conduttivi dispersi nella soluzione polimerica fluida sono una o più particelle nanometriche e/o micrometriche selezionate dal gruppo comprendente nanotubi di carbonio multi-parete (MWCNT: multiwalled carbon nanotube), particelle nanometriche e/o micrometriche conduttive, preferibilmente metalliche, nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT: singlewalled carbon nanotube), nanofibre di carbonio (CNF: carbon nano fibre), e placchette nanometriche di grafene (GNP: graphene nanoplateles).
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