JP2004247336A - Wave absorber - Google Patents

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JP2004247336A
JP2004247336A JP2003032502A JP2003032502A JP2004247336A JP 2004247336 A JP2004247336 A JP 2004247336A JP 2003032502 A JP2003032502 A JP 2003032502A JP 2003032502 A JP2003032502 A JP 2003032502A JP 2004247336 A JP2004247336 A JP 2004247336A
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magnetic
radio wave
wave absorber
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ghz
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JP2003032502A
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Japanese (ja)
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Yuji Fujiwara
裕司 藤原
Morio Masuda
守男 増田
Koji Maeda
浩二 前田
Mutsuko Jinbo
睦子 神保
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Mie TLO Co Ltd
Original Assignee
Mie TLO Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wave absorber which is capable of effectively absorbing radio waves of a high-frequency band (GHz) including prescribed frequencies and kept stable in radio wave absorbing characteristics independently of an operating environment. <P>SOLUTION: A magnetic material is composed of particulates of single crystals which contain, at least, one kind of magnetic metal element, have a grain diameter of the order of nanometers, possess single magnetic domains. The magnetic material is wrapped in a layered carbon graphite to form a magnetic metal-occluding carbon nano-capsule, and the magnetic metal-occluding carbon nano-capsules are dispersed and filled in a mother material to constitute the wave absorber. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電波吸収体に関し、更に詳しくは、高周波(GHz)帯域で優れた電波吸収特性を示す電波吸収体に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯電話や無線LAN等の情報通信機器の発達に伴い機器の高周波化が急速に促進され、ギガヘルツ(GHz)帯域の電波が多用されるようになってきている。このような高周波帯域の電波が使用される環境下では、通信機器間あるいは通信機器内部における回路間で生じる電波干渉によって機器が誤作動を起こしやすいという問題があり、この問題を解決する手段として電波吸収体が注目されている。電波吸収体には高い透磁率が備えられていることが要求され、そのようなものとして従来は、ソフトフェライト(例えば、特許文献1参照)や軟磁性金属(例えば、特許文献2参照)が使用されてきた。
【0003】
しかし、ソフトフェライトは吸収可能な電波の周波数帯域が最大でも1GHz程度であり、近年の通信機器の発達により要求される1GHzを超える高周波帯域(数GHz〜数十GHz)での使用は困難であるという問題があり、また、軟磁性金属は元々導電率が高く電気抵抗値が低い物質であるため高周波帯域においては渦電流の発生により透磁率が急激に低下するという問題があった。
【0004】
このような問題を解消する手段として、FeSiAlなどの軟磁性材料を抵抗値の高い樹脂材料中に分散させた複合体とすることにより、複合体全体としての抵抗値を増大させ透磁率の高い電波吸収体を製造しようとする研究がなされている(例えば、特許文献3参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−211964号公報
【特許文献2】
特開2002−198684号公報
【特許文献3】
特開2002−305395号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような軟磁性材料を樹脂中に分散させる手法により得られる複合体は、粒子サイズが大きく、またその形状も制御することが困難であるという問題がある。目標とする周波数帯域の電波を効果的に吸収するためには、粒子サイズとその形状を制御することが重要な課題の1つであり、これらが制御できない状態では最適の透磁率を備えた電波吸収体を得ることは困難である。
【0007】
また、分散される軟磁性材料は、表面に保護膜等が形成されていない状態で樹脂母材中に充填されるため、耐食性、耐酸化性に劣り、使用環境によっては磁気的特性(電波吸収特性)に劣化が生じるなどの問題がある。
【0008】
本発明の解決しようとする課題は、所定周波数を備えた高周波(GHz)帯域の電波を効果的に吸収できると共に使用環境に関係なく安定した電波吸収特性を示す電波吸収体を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明に係る電波吸収体は、少なくとも1種の磁性金属元素を含有しナノメートルオーダーの粒子径を備えた単磁区且つ単結晶の微粒子からなる磁性体が層状のカーボングラファイトによって内包された磁性金属内包カーボンナノカプセルを母材中に分散充填させてなることを要旨とする。
【0010】
またこの場合、磁性体を構成する磁性金属元素としては、磁性金属元素が、Fe、Co又はNiのいずれかであることが好ましい。
【0011】
本発明に係る電波吸収体は、カーボンナノカプセルに内包される磁性体が、ナノメートルオーダーの粒子径を備えた微粒子からなり、しかも単磁区且つ単結晶であるという特徴を有しているので、透磁率が高く、しかも、高周波(GHz)帯域においても渦電流が発生することなく高透磁率を維持することができる。また磁性体がカーボンナノカプセルによって内包されているので、耐食性及び耐酸化性に優れると共に経時変化や温度変化に対して安定した磁気的特性(電波吸収特性)を発現させることができる。また、外殻がグラファイト層で構成されているので、炭素骨格の樹脂材料等に対する相溶性に特に優れ、これらを電波吸収体の母材とした場合にカーボンナノカプセルを均一に分散充填させることができる。
【0012】
また、磁性体を構成する磁性金属元素としていわゆる強磁性金属であるFe、Co又はNiのいずれかを用いることにより、電波吸収特性に優れた磁性金属内包カーボンナノカプセルならびに電波吸収体を得ることができる。
【0013】
また、磁性金属内包カーボンナノカプセルの平均粒子径を8〜100nmの範囲内とすることによって、高い透磁率を有する電波吸収特性に優れた磁性金属内包カーボンナノカプセルならびに電波吸収体を得ることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
初めに、本発明に係る電波吸収体について説明する。この電波吸収体は、優れた電波吸収特性を備えた磁性金属内包カーボンナノカプセルを母材中に1分散充填させたものである。
【0015】
ここで、「磁性金属内包カーボンナノカプセル」とは、少なくとも1種の磁性金属元素を含む磁性体が層状のカーボングラファイト(以下、「グラファイト」という)によってカプセル状に内包された、外径(以下、「粒子径」という)がナノメートルオーダーの複合物である。内包される磁性体としては、磁性金属元素の単体、2種以上の磁性金属元素からなる合金、あるいは磁性金属元素とそれ以外の非強磁性元素とからなる合金若しくは化合物が挙げられ、いずれも高い透磁率を備えたものが選択される。
【0016】
具体的に、磁性金属元素としては、Fe、Co及びNiのいずれかであることが好ましい。Fe、Co及びNiは、磁界に対して大きな磁化反応を生ずるため磁束を通しやすく電波吸収体に用いる磁性体としては最適の金属元素である。
【0017】
また、2種以上の磁性金属元素からなる合金あるいは磁性金属元素と非強磁性元素からなる合金若しくは化合物を磁性体とすることにより、より高い透磁率を示し電波吸収体としても優れた吸収特性を発現させることができる。これらの特性を示す合金若しくは化合物としては、例えば、78パーマロイ(Fe−78.5Ni)、スーパーマロイ(Fe−79Ni−5Mo)、ミューメタル(Fe−77Ni−2Cr−5Cu)、ハードパーム(Fe−79Ni−9Nb)、パーメンジュール(Fe−50Co−2V)、ケイ素鋼(Fe−3Si)、鉄−アルミ(Fe−3.5Al)、アルパーム(Fe−16Al)、センダスト(Fe−9.5Si−5.5Al)、Mn−Zn系フェライト(32MnO−17ZnO−51Fe)、Ni−Zn系フェライト(15NiO−35ZnO−51Fe)、Cu−Zn系フェライト(22.5CuO−27.5ZnO−50Fe)、メタグラス2605SC(Fe−3B−2Si−0.5C)及びメタグラス2605S2(Fe−3B−5Si)など(数値はいずれも重量比)のいわゆる高透磁率材料が挙げられる。なお、これら以外の化合物からなる磁性体であっても適用可能であることはいうまでもない。
【0018】
そして、この磁性体は高周波(GHz)帯域の電波吸収特性に優れるという特徴を有する。以下に、この磁性体が優れた電波吸収特性を示すメカニズムについて説明する。
【0019】
磁性金属内包カーボンナノカプセルを構成する磁性体は、上述のようにその粒子径がナノメートルオーダーであり、しかも単磁区且つ単結晶であるという特徴を有する。一般に、磁性体に電波が入射されると交流磁界が発生し磁性体が磁化される。この時その電波周波数に対応する磁束の変化が起こり、その磁束の変化をうち消す方向に電磁誘導が作用して起電力を発生させる。この起電力によって磁性体内部にいわゆる渦電流が流れジュール熱が発生し損失となる。このように渦電流が磁性体中に流れるとこの渦電流に起因する磁束を生じるが、この磁束は外部磁界の方向とは逆向きとなるため磁性体全体を通る磁束が減少する。その結果、磁束の通り易さを表す透磁率が低下することとなる。この透磁率の低下は周波数が高くなるほど、また磁性体の組織すなわち結晶粒が大きくなるほど顕著になるが、本願発明のように磁性体がナノメートルオーダーの単結晶から構成されるものであれば渦電流の発生や透磁率の低下が効果的に抑制される。
【0020】
また結晶中に磁壁が存在する通常の磁性体においては、外部磁界が印加されることによってその磁界の方向に近い磁区がその領域を拡げる方向に磁壁が移動し、この磁壁を完全に消滅させるように自発磁化が発生する。さらにこの自発磁化が外部磁化の方向に回転し方向を一致させたところで飽和磁化となる。電波の入射により交流磁界が印加された場合においては、磁界の変化に対する磁壁の移動に時間的な遅れが生じ、この遅れは周波数が高くなるにつれて大きくなるため、その結果、磁性体全体の透磁率の低下を引き起こす。これに対して、本願発明のように磁性体が単磁区の結晶粒からなるものであれば、磁壁が存在しないので磁化の回転のみで飽和磁化に達するという特徴があり、その結果、磁界の変化による磁化の時間的な遅れも生じにくく、通常の磁性体よりも高い周波数帯域まで透磁率の低下が抑制される。
【0021】
また、電波が吸収される要因の1つとして共鳴が寄与する残留損失が挙げられる。この残留損失に寄与する共鳴として、数ミクロンオーダーの粒子径を備えた多磁区且つ多結晶の結晶粒からなる通常の磁性体においては、自然共鳴、磁壁共鳴、拡散共鳴及び寸法共鳴の4つの共鳴種がある。一般に所望の周波数帯域の電波を吸収させるためにはこれら4つの共鳴を制御しなければならず、電波吸収体の設計が極めて難しい。これに対して、本願発明のように、単結晶で、しかも磁性体が磁壁のない単磁区の結晶粒からなるものであれば、残留損失に寄与するには自然共鳴のみであり、この自然共鳴さえ制御することができれば所望の電波吸収体を容易に設計することができる。
【0022】
このように、本願発明に係る電波吸収体を構成するナノメートルオーダーの粒子径を備えた単磁区且つ単結晶の結晶粒からなる磁性体は、渦電流の発生や磁壁の移動による透磁率の低下がないため、一般に知られている多磁区且つ多結晶からなる磁性体と比べてより高周波帯域の電波に対して優れた吸収特性を発揮することができ、また、電波吸収特性の制御も極めて容易である。
【0023】
なお、カーボンナノカプセルに内包される磁性体としては、上記高透磁率材料のほか、Fe−Pt系、Co−Pt系等の高い磁気異方性を示す合金も適用可能である。このような高い磁気異方性を示す合金は、上記高透磁率材料に比べて透磁率が低く電波の吸収特性には劣るが、その透磁率が高周波(GHz)帯域まで低下することなく維持されるので用途に応じて好適な電波吸収体用の磁性体としての応用が可能である。
【0024】
また、磁性金属内包カーボンナノカプセルを構成する層状のグラファイトは、上記磁性体をカプセル状に内包することによって、主として上記磁性体の保護膜的な役割を担うものである。このグラファイト層の外径は、内包される磁性体と同様にナノメートルオーダーのサイズからなる。このグラファイト層は、多層構造を有するものであっても良いし、シート状に構成されたものであっても良く、磁性体全体が内包されるものであれば如何なる構造を有するものであっても構わない。このように磁性体の周囲がグラファイト層で覆われた構造となることによって磁性体の耐候性(耐食性、耐酸化性等)が向上し、その結果安定した電波吸収特性を発現する電波吸収体が得られる。
【0025】
ここで、グラファイト層は磁性体の周囲に5〜10層の範囲内で形成されていることが好ましい。グラファイト層の形成が5層未満であると、磁性体の耐候性を十分に向上させることができず、一方、グラファイト層の形成が10層を超えると、電波吸収体として母材中に分散充填させた場合において、グラファイト層すなわち磁性金属内包カーボンナノカプセル同士が多数接触する結果、吸収体全体の電気抵抗が低下し電波を反射する要因となるため好ましくない。
【0026】
次に、本願発明に係る電波吸収体を構成する磁性金属内包カーボンナノカプセルの合成手段について説明する。この磁性金属内包カーボンナノカプセルは、例えば、図1に示す合成装置により合成される。この装置は、DC(直流)アーク放電により所定金属元素とグラファイト(カーボン)とを蒸発させて磁性金属内包カーボンナノカプセルを合成することを特徴としている。
【0027】
カーボンナノカプセルの合成手順としては、まず、図2に示すグラファイト製の陽極に所定金属元素の例えば顆粒を充填し、この陽極を装置内に取り付けた状態で装置内を真空ポンプを用いて約0.01Torrに真空引きする。次に、陽極及び同じくグラファイト製の陰極中に含まれる不純物ガスを除去するために、昇降可動に取り付けられた陰極を陽極に接触させ、100AのDC電流を流した状態で5分間ベーキングを行う。ベーキング後真空引き用のバルブを閉じて、不活性ガスとしてHeガスを100〜1000Torrの範囲内となるように装置内に充填する。この状態で、陰極−陽極間に電圧を印加してDCアーク放電を起こし(DC電流:100A、放電時間:3分間)、磁性金属内包カーボンナノカプセルを合成する。合成された磁性金属内包カーボンナノカプセルは装置内壁に付着しておりこれを回収する。以上の工程により磁性金属内包カーボンナノカプセルが得られる。
【0028】
上記DCアーク放電により合成される磁性金属内包カーボンナノカプセルの合成過程を図3を用いて模式的に説明する。ここでは、内包される磁性体としてFeNi合金を用いた例を挙げて説明する。陰極−陽極間でアーク放電させると、陽極が高温に加熱され、陽極を構成するグラファイトとこの陽極に充填されたFe及びNiとが蒸発する。Heガス雰囲気中で蒸発したグラファイト、Fe及びNiは基板(ここでは、合成装置の内壁)に蒸着後液相を形成する(図3(a)参照)。液相形成後、冷却されると液相中のグラファイトの溶解度が低下し、これに伴いグラファイト結晶が合金液相の外周上に析出する(図3(b)参照)。このグラファイト結晶が析出を繰り返すことによって、磁性体であるFeNi合金が多層構造を有するグラファイト層によってカプセル状に覆われた磁性金属内包カーボンナノカプセルが合成される(図3(c)参照)。
【0029】
こうして得られる磁性金属内包カーボンナノカプセルの平均粒子径は、8〜100nmの範囲内にあることが好ましい。平均粒子径が8nmに満たない場合には、カーボンナノカプセルに内包される磁性金属が自発磁化を持たなくなる可能性があり、一方、平均粒子径が100nmを超える場合には、母材との混合時における分散性が悪いために強度を十分に保つことができないため好ましくない。
【0030】
上記磁性金属内包カーボンナノカプセルを分散充填させる母材は、如何なる材質のものでも使用可能であるが、特に高抵抗材料であることが好ましい。母材が高抵抗材料からなるものであれば、複合体全体としての抵抗値が高められるので、高周波帯域における渦電流の発生が抑制される結果、透磁率の低下が少ない電波吸収特性に優れた電波吸収体を得ることができる。ここで、電波吸収体を構成する母材としては、合成樹脂、セラミックス、ガラスなど種々の材料が適用可能である。
【0031】
電波吸収体を構成する合成樹脂としては、例えば、アクリロニトリル−スチレン−ブタジエン共重合体(ABS)、アクリロニトリル−スチレン共重合体などのスチレン系樹脂や、ポリエチレンテレフタレート(PET)などのポリエステル系樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩素化ポリエチレンなどのオレフィン系樹脂、セルロース系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリビニルブチラール系樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
【0032】
また、電波吸収体を構成するセラミックスとしては、例えば、Al、MgO、MgO−Al系、SiC、AlN、Si等の絶縁性材料が好適なものとして挙げられるが、その他絶縁性以外のセラミックス材料であっても良い。
【0033】
また、電波吸収体を構成するガラスとしては、Li−Al−SiO−MgO系、MgO−Al−SiO系、CaO−Al−SiO系等の結晶化ガラスや、ケイ酸ガラス(SiO系)、ソーダ石灰ガラス(NaO−CaO−SiO系)、ホウケイ酸ガラス(NaO−B−SiO系)等の汎用ガラス、ホウ酸塩ガラス(B系、LiO−B系等)、リン酸塩ガラス(NaO−P系、B−P系等)等の低融点ガラス、その他オキシナイトライド(酸窒化)ガラス(Y−Si−Al−O−N系、Ca−Si−Al−O−N系、La−Si−O−N系)あるいは、フッ化物系ガラス、カルコゲン系ガラス等の非酸化物系ガラス等が挙げられる。
【0034】
また、上記材料以外にも、コンクリート、モルタル、ワックス、塗料等に磁性金属内包カーボンナノカプセルを分散させてなる電波吸収体を構成することも可能である。
【0035】
上記合成手段により得られた磁性金属内包カーボンナノカプセル及びこれを母材中に分散充填させてなる電波吸収体の電波吸収特性の評価を行った。具体的には、電波吸収体を銅製の治具(金属板)に設置した状態で、ネットワークアナライザを用いて電波吸収体に対して連続波を周波数を変化させて照射し、電波吸収体から直接反射される反射波の電圧(S11パラメータ)と電波吸収体を透過し金属板において反射される反射波(透過波)の電圧(S21パラメータ)を測定することにより行った。測定に使用する電波周波数は1〜10GHzの範囲とした。
【0036】
【実施例】
本発明の効果を、実施例により具体的に説明する。
【0037】
母材となる固化する前のポリエステル系樹脂(東洋紡績社製:商品名「バイロン」)とFe、Ni及びCoがそれぞれ単体で内包されたカーボンナノカプセル(いずれも平均粒径が約30nmの球形状を有するものであり、形成されるグラファイト層が7層程度)とを所定量ずつポリエチレンフィルム上で混ぜ合わせて分散させた後シート状に固化させた。固化後母材とカーボンナノカプセルとの正確な重量比を測定した。得られた電波吸収体はいずれも厚さが約1mmのシート状のものであり、これを縦10mm×横20mmの大きさに切り出し、これを試験片とした。
【0038】
以上の作製手順により、Fe内包カーボンナノカプセル、Ni内包カーボンナノカプセル、及びCo内包カーボンナノカプセルを母材中にそれぞれ分散充填させてなる3種類の電波吸収体を作製した。以下これらを、「Fe系電波吸収体」、「Ni系電波吸収体」、及び「Co系電波吸収体」と称する。ここで、各電波吸収体中に占めるカーボンナノカプセルの割合は重量比で、Fe系電波吸収体において18%、Ni系電波吸収体において21%、及びCo系電波吸収体において23%である。
【0039】
各試験片についてネットワークアナライザを用いて、S11パラメータとS21パラメータの周波数依存性の評価を行った。なお、ネットワークアナライザの入力電力は10dBmとした。以下に、その結果を示す。
【0040】
図4〜6にFe系、Ni系及びCo系電波吸収体の電波吸収特性を示す。図に示すように、Fe系及びNi系電波吸収体では、4〜5GHzの周波数帯域と8〜9GHzの周波数帯域においてS11パラメータ値が大きく低下し、また、8〜9GHzの周波数帯域においては電波の吸収を表すS21パラメータ値の最大ピークが認められた。また、Co系電波吸収体では、8〜9GHzの周波数帯域においてS11パラメータ値が大きく低下し、また、この周波数帯域においてS21パラメータ値の最大ピークが認められた。
【0041】
また、図7には、図4〜図6に示した吸収特性に関するデータから算出した、各電波吸収体によって消費された電力P(loss)と入射された電力P(in)との比<P(loss)/P(in)>(以下、「電力損失比」という)を示している。この電力損失比は、値が高くなるほど電力(電波)の吸収が大きく、値が1のところで入力した電力(電波)がすべて吸収体に吸収されることを意味する。ここで、<P(loss)/P(in)>は式1により算出される。
【0042】
【式1】

Figure 2004247336
【0043】
この図において、いずれの電波吸収体においても5〜6GHz及び9〜10GHzの周波数帯域において電力損失比のピークが認められた。これらのピークにおいて大きな電力(電波)吸収が生じていることが示唆されるが、図示しない透磁率の測定結果では約8GHzの周波数帯域において虚数部が最大となり、また上述のようにS21パラメータが8〜9GHzの周波数帯域で最大となることを考慮すると、本発明の電波吸収体の吸収周波数帯域は、いずれも9〜10GHzの範囲にあると考えられる。この電波の吸収は、Co系電波吸収体において最も大きく、Ni系電波吸収体、Fe系電波吸収体の順に小さくなる傾向にあった。
【0044】
以上の結果から、磁性体としてFe、Co及びNiをカーボンナノカプセルに内包させた、ナノオーダーサイズ(本実施例では、約30nm)の磁性体内包カーボンナノカプセルを母材(ポリエステル樹脂)中に分散充填させてなる電波吸収体は、高い周波数帯域(9〜10GHz)の電波を効果的に吸収することが可能であることが確認された。
【0045】
以上、実施例について説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、カーボンナノカプセルに内包される磁性体としてFe、Co及びNiの単体物を選択しているが、これに限られず、高い透磁率を有し優れた電波吸収特性を呈するものであれば如何なる磁性金属元素であっても良く、また、磁性金属元素同士の化合物、磁性金属元素と非磁性金属元素の化合物であっても良い。また、磁性金属元素内包カーボンナノカプセルを分散充填させる母材としては、上記実施例のものに限られず、磁性金属元素内包カーボンナノカプセルの電波吸収特性を阻害するものでなく、電波吸収体としての構造的な機能を果たせるものであれば如何なる材料からなるものであっても良い。
【0046】
【発明の効果】
本発明に係る電波吸収体は、ナノメートルオーダーで単磁区且つ単結晶の磁性体を内包させた磁性金属元素内包カーボンナノカプセルを母材中に分散充填させてなるものであるので、数GHzを超える高周波帯域の電波が入射されても高透磁率を維持し優れた電波吸収特性を呈するという効果がある。また、磁性金属元素内包カーボンナノカプセルが磁性金属元素がグラファイト層からなるカーボンナノカプセルによって覆われた構造を有しているので、耐食性及び耐酸化性に優れており、また、電波吸収体を製造する際に取扱いが容易であるなどの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る磁性金属内包カーボンナノカプセルの合成装置の模式図である。
【図2】図1に示すグラファイト製の陽極に磁性金属元素を充填する状態を示した模式図である。
【図3】本発明の実施の形態に係る磁性金属内包カーボンナノカプセルの合成過程を示した模式図である。
【図4】本実施の形態に係るFe内包カーボンナノカプセルを分散充填させた電波吸収体(Fe系電波吸収体)の電波吸収特性(S11パラメータ及びS21パラメータ)の測定結果である。
【図5】本実施の形態に係るNi内包カーボンナノカプセルを分散充填させた電波吸収体(Ni系電波吸収体)の電波吸収特性(S11パラメータ及びS21パラメータ)の測定結果である。
【図6】本実施の形態に係るCo内包カーボンナノカプセルを分散充填させた電波吸収体(Co系電波吸収体)の電波吸収特性(S11パラメータ及びS21パラメータ)の測定結果である。
【図7】本実施の形態に係るFe系、Ni系及びCo系電波吸収体の入射電力と吸収電力との比(電力損失比)の周波数依存性を示した結果である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a radio wave absorber, and more particularly, to a radio wave absorber exhibiting excellent radio wave absorption characteristics in a high frequency (GHz) band.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the development of information communication devices such as mobile phones and wireless LANs, the frequency of the devices has been rapidly increased, and radio waves in the gigahertz (GHz) band have been frequently used. In an environment where radio waves in such a high-frequency band are used, there is a problem that radio interference that occurs between communication devices or between circuits inside the communication device may cause malfunctions of the devices. Absorbers are receiving attention. The radio wave absorber is required to have high magnetic permeability, and as such, soft ferrite (for example, see Patent Literature 1) and soft magnetic metal (for example, see Patent Literature 2) are used as such. It has been.
[0003]
However, the frequency band of radio waves that can be absorbed by soft ferrite is at most about 1 GHz, and it is difficult to use a soft ferrite in a high frequency band (several GHz to several tens GHz) exceeding 1 GHz required by recent development of communication devices. In addition, since soft magnetic metal is originally a substance having a high electric conductivity and a low electric resistance value, there is a problem that in a high-frequency band, the magnetic permeability is rapidly reduced due to the generation of eddy current.
[0004]
As a means for solving such a problem, by forming a composite in which a soft magnetic material such as FeSiAl is dispersed in a resin material having a high resistance value, the resistance value of the entire composite is increased and a radio wave having a high magnetic permeability is obtained. Studies have been made to manufacture an absorber (for example, see Patent Document 3).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-212964 [Patent Document 2]
JP-A-2002-198684 [Patent Document 3]
JP-A-2002-305395
[Problems to be solved by the invention]
However, a composite obtained by such a technique of dispersing a soft magnetic material in a resin has a problem that the particle size is large and its shape is difficult to control. In order to effectively absorb radio waves in the target frequency band, it is one of the important issues to control the particle size and shape, and if these cannot be controlled, radio waves with optimal permeability It is difficult to obtain an absorber.
[0007]
In addition, the soft magnetic material to be dispersed is filled into the resin base material without a protective film or the like formed on the surface, and thus has poor corrosion resistance and oxidation resistance. There is a problem that the characteristics) deteriorate.
[0008]
An object of the present invention is to provide a radio wave absorber which can effectively absorb radio waves in a high frequency (GHz) band having a predetermined frequency and exhibit stable radio wave absorption characteristics irrespective of a use environment. .
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve this problem, a radio wave absorber according to the present invention is characterized in that a magnetic material comprising a single magnetic domain and single crystal fine particles having at least one magnetic metal element and having a particle size on the order of nanometers is a layered carbon material. The gist is that a magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsule encapsulated by graphite is dispersed and filled in a base material.
[0010]
In this case, it is preferable that the magnetic metal element constituting the magnetic body is one of Fe, Co, and Ni.
[0011]
The radio wave absorber according to the present invention has a feature that the magnetic substance encapsulated in the carbon nanocapsules is composed of fine particles having a particle diameter of the order of nanometers, and is a single magnetic domain and a single crystal. Magnetic permeability is high, and high magnetic permeability can be maintained without generating eddy current even in a high frequency (GHz) band. In addition, since the magnetic material is encapsulated in the carbon nanocapsules, the magnetic material is excellent in corrosion resistance and oxidation resistance, and can exhibit stable magnetic characteristics (radio wave absorption characteristics) with time and temperature. In addition, since the outer shell is composed of a graphite layer, the carbon skeleton is particularly excellent in compatibility with resin materials and the like, and when these are used as the base material of the radio wave absorber, the carbon nanocapsules can be uniformly dispersed and filled. it can.
[0012]
Further, by using any of the so-called ferromagnetic metals Fe, Co or Ni as the magnetic metal element constituting the magnetic material, it is possible to obtain a magnetic metal-containing carbon nanocapsule and a radio wave absorber having excellent radio wave absorption characteristics. it can.
[0013]
Further, by setting the average particle diameter of the magnetic metal-containing carbon nanocapsules in the range of 8 to 100 nm, it is possible to obtain a magnetic metal-containing carbon nanocapsule having high magnetic permeability and excellent radio wave absorption characteristics and a radio wave absorber. .
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the radio wave absorber according to the present invention will be described. This radio wave absorber is obtained by dispersing and filling a magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsule having excellent radio wave absorption properties in a base material.
[0015]
Here, the “magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsule” refers to an outer diameter (hereinafter, referred to as an encapsulation of a magnetic material containing at least one magnetic metal element in a layered carbon graphite (hereinafter, referred to as “graphite”). , “Particle size”) is a composite in the order of nanometers. Examples of the magnetic substance included therein include a simple substance of a magnetic metal element, an alloy composed of two or more magnetic metal elements, and an alloy or a compound composed of a magnetic metal element and another non-ferromagnetic element. Those with magnetic permeability are selected.
[0016]
Specifically, the magnetic metal element is preferably one of Fe, Co, and Ni. Fe, Co, and Ni are the most suitable metal elements for the magnetic material used in the radio wave absorber because they generate a large magnetization reaction with respect to the magnetic field and easily pass the magnetic flux.
[0017]
In addition, by using an alloy composed of two or more magnetic metal elements or an alloy or compound composed of a magnetic metal element and a non-ferromagnetic element as a magnetic material, a higher magnetic permeability is exhibited and excellent absorption characteristics as a radio wave absorber are obtained. Can be expressed. Examples of alloys or compounds exhibiting these characteristics include 78 permalloy (Fe-78.5Ni), supermalloy (Fe-79Ni-5Mo), mu metal (Fe-77Ni-2Cr-5Cu), and hard palm (Fe- 79Ni-9Nb), permendur (Fe-50Co-2V), silicon steel (Fe-3Si), iron-aluminum (Fe-3.5Al), alpalm (Fe-16Al), sendust (Fe-9.5Si-). 5.5Al), Mn-Zn ferrite (32MnO-17ZnO-51Fe 2 O 3), Ni-Zn ferrite (15NiO-35ZnO-51Fe 2 O 3), Cu-Zn ferrite (22.5CuO-27.5ZnO -50Fe 2 O 3), Metagurasu 2605SC (Fe-3B-2Si- 0.5C)及So-called high-permeability material Metagurasu 2605S2 (Fe-3B-5Si) etc. (all figures are by weight) and the like. It is needless to say that a magnetic substance made of a compound other than these can be applied.
[0018]
The magnetic material has a characteristic of having excellent radio wave absorption characteristics in a high frequency (GHz) band. The mechanism by which this magnetic material exhibits excellent radio wave absorption characteristics will be described below.
[0019]
As described above, the magnetic material constituting the magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsules has a feature that the particle size is on the order of nanometers, and that it is a single magnetic domain and a single crystal. Generally, when a radio wave enters a magnetic body, an alternating magnetic field is generated and the magnetic body is magnetized. At this time, a change in the magnetic flux corresponding to the radio frequency occurs, and electromagnetic induction acts in a direction to cancel the change in the magnetic flux to generate an electromotive force. This electromotive force causes a so-called eddy current to flow inside the magnetic body, generating Joule heat and causing loss. When the eddy current flows through the magnetic body as described above, a magnetic flux due to the eddy current is generated. However, the magnetic flux is opposite to the direction of the external magnetic field, so that the magnetic flux passing through the entire magnetic body decreases. As a result, the magnetic permeability indicating the ease of passing the magnetic flux is reduced. This decrease in magnetic permeability becomes more pronounced as the frequency increases and as the structure of the magnetic material, that is, as the crystal grains become larger. However, if the magnetic material is composed of a single crystal in the order of nanometers as in the present invention, the vortex is reduced. Generation of a current and a decrease in magnetic permeability are effectively suppressed.
[0020]
In a normal magnetic material having a domain wall in a crystal, the domain wall moves in a direction in which a magnetic domain close to the direction of the magnetic field expands the region when an external magnetic field is applied, so that the domain wall is completely eliminated. Spontaneous magnetization occurs. Further, when the spontaneous magnetization rotates in the direction of the external magnetization and coincides with the direction, the magnetization becomes the saturation magnetization. When an AC magnetic field is applied due to the incidence of a radio wave, a time delay occurs in the movement of the domain wall with respect to a change in the magnetic field, and this delay increases as the frequency increases, and as a result, the magnetic permeability of the entire magnetic body increases. Cause a decline. On the other hand, if the magnetic material is composed of single magnetic domain crystal grains as in the present invention, since there is no domain wall, there is a feature that saturation magnetization is reached only by rotation of the magnetization, and as a result, the change in the magnetic field The time delay of the magnetization due to the magnetic field hardly occurs, and the decrease in the magnetic permeability is suppressed up to a frequency band higher than that of a normal magnetic material.
[0021]
Further, as one of the factors for absorbing radio waves, there is a residual loss to which resonance contributes. As a resonance that contributes to the residual loss, in a normal magnetic material composed of multi-domain and polycrystalline crystal grains having a particle diameter of several microns, there are four resonances: natural resonance, domain wall resonance, diffusion resonance, and dimensional resonance. There are seeds. Generally, these four resonances must be controlled in order to absorb a radio wave in a desired frequency band, and it is extremely difficult to design a radio wave absorber. On the other hand, as in the present invention, if a single crystal is used and the magnetic body is composed of single domain crystal grains without domain walls, only natural resonance can contribute to residual loss. As long as it can be controlled, a desired electromagnetic wave absorber can be easily designed.
[0022]
As described above, the magnetic substance comprising the single magnetic domain having the particle diameter of the order of nanometers and the crystal grains of the single crystal constituting the electromagnetic wave absorber according to the present invention has a reduced magnetic permeability due to generation of eddy current and movement of the domain wall. As a result, it is possible to exhibit superior absorption characteristics for radio waves in a higher frequency band as compared with a generally known magnetic material composed of multiple magnetic domains and polycrystals, and it is extremely easy to control the radio wave absorption characteristics. It is.
[0023]
In addition, as the magnetic substance included in the carbon nanocapsules, in addition to the above-described high magnetic permeability material, an alloy having high magnetic anisotropy such as Fe-Pt-based or Co-Pt-based can be applied. An alloy exhibiting such a high magnetic anisotropy has a low magnetic permeability as compared with the above high magnetic permeability material and is inferior in radio wave absorption characteristics, but its permeability is maintained without lowering to a high frequency (GHz) band. Therefore, it can be applied as a magnetic material suitable for a radio wave absorber according to the application.
[0024]
The layered graphite constituting the magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsules mainly serves as a protective film of the magnetic material by encapsulating the magnetic material in a capsule shape. The outer diameter of the graphite layer has a size on the order of nanometers, similarly to the magnetic material contained therein. The graphite layer may have a multilayer structure, may have a sheet shape, and may have any structure as long as the entire magnetic body is included therein. I do not care. As described above, the magnetic material has a structure in which the periphery of the magnetic material is covered with the graphite layer, thereby improving the weather resistance (corrosion resistance, oxidation resistance, etc.) of the magnetic material. can get.
[0025]
Here, it is preferable that the graphite layer is formed in the range of 5 to 10 layers around the magnetic material. If the number of graphite layers is less than five, the weather resistance of the magnetic material cannot be sufficiently improved. On the other hand, if the number of graphite layers exceeds ten, the base material is dispersed and filled as a radio wave absorber. In this case, a large number of graphite layers, that is, magnetic metal-containing carbon nanocapsules come into contact with each other, resulting in a decrease in electric resistance of the entire absorber and a factor of reflecting radio waves, which is not preferable.
[0026]
Next, the means for synthesizing the magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsules constituting the radio wave absorber according to the present invention will be described. The magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsules are synthesized, for example, by the synthesis apparatus shown in FIG. This apparatus is characterized in that a predetermined metal element and graphite (carbon) are evaporated by DC (direct current) arc discharge to synthesize magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsules.
[0027]
The procedure for synthesizing the carbon nanocapsules is as follows. First, a graphite anode shown in FIG. 2 is filled with, for example, granules of a predetermined metal element. Vacuum to .01 Torr. Next, in order to remove the impurity gas contained in the anode and the cathode similarly made of graphite, the cathode which is mounted to move up and down is brought into contact with the anode, and baking is performed for 5 minutes with a DC current of 100 A flowing. After baking, the valve for evacuation is closed, and He gas is charged into the apparatus as an inert gas so as to be in a range of 100 to 1000 Torr. In this state, a voltage is applied between the cathode and the anode to cause a DC arc discharge (DC current: 100 A, discharge time: 3 minutes) to synthesize magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsules. The synthesized magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsules adhere to the inner wall of the device and are collected. Through the above steps, magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsules are obtained.
[0028]
The process of synthesizing the magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsules synthesized by the DC arc discharge will be schematically described with reference to FIG. Here, an example in which an FeNi alloy is used as the magnetic substance included will be described. When an arc discharge occurs between the cathode and the anode, the anode is heated to a high temperature, and graphite constituting the anode and Fe and Ni filled in the anode evaporate. The graphite, Fe and Ni evaporated in the He gas atmosphere form a liquid phase after deposition on the substrate (here, the inner wall of the synthesis apparatus) (see FIG. 3A). After the formation of the liquid phase, when cooled, the solubility of the graphite in the liquid phase decreases, and along with this, graphite crystals precipitate on the outer periphery of the alloy liquid phase (see FIG. 3B). By repeating the precipitation of the graphite crystal, a magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsule in which the FeNi alloy, which is a magnetic material, is encapsulated by a graphite layer having a multilayer structure is synthesized (see FIG. 3C).
[0029]
The average particle diameter of the magnetic metal-containing carbon nanocapsules thus obtained is preferably in the range of 8 to 100 nm. If the average particle size is less than 8 nm, the magnetic metal contained in the carbon nanocapsules may not have spontaneous magnetization, while if the average particle size exceeds 100 nm, mixing with the base material may occur. This is not preferable because the strength cannot be sufficiently maintained due to poor dispersibility at the time.
[0030]
The base material for dispersing and filling the magnetic metal-containing carbon nanocapsules can be of any material, but is preferably a high resistance material. If the base material is made of a high-resistance material, the resistance value of the entire composite is increased, so that the generation of eddy current in a high-frequency band is suppressed. A radio wave absorber can be obtained. Here, various materials such as synthetic resin, ceramics and glass can be applied as a base material constituting the radio wave absorber.
[0031]
Examples of the synthetic resin constituting the electromagnetic wave absorber include styrene resins such as acrylonitrile-styrene-butadiene copolymer (ABS) and acrylonitrile-styrene copolymer, polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET), and polycarbonate. And thermoplastic resins such as olefin resins such as polyethylene, polypropylene and chlorinated polyethylene, cellulose resins, polyvinyl chloride resins and polyvinyl butyral resins.
[0032]
Further, as the ceramics constituting the radio wave absorber, for example, insulating materials such as Al 2 O 3 , MgO, MgO—Al 2 O 3 , SiC, AlN, and Si 3 N 4 are preferable. Alternatively, ceramic materials other than insulating materials may be used.
[0033]
Examples of the glass constituting the radio wave absorber include Li 2 O 3 —Al 2 O 3 —SiO 2 —MgO system, MgO—Al 2 O 3 —SiO 2 system, and CaO—Al 2 O 3 —SiO 2 system. General-purpose glass such as crystallized glass, silicate glass (SiO 2 system), soda-lime glass (Na 2 O—CaO—SiO 2 system), borosilicate glass (Na 2 O—B 2 O 3 —SiO 2 system) glass, borate glass (B 2 O 3 system, Li 2 O-B 2 O 3 system, etc.), phosphate glass (Na 2 O-P 2 O 5 system, B 2 O 3 -P 2 O 5 based Etc.) or other oxynitride (oxynitride) glass (Y-Si-Al-ON-based, Ca-Si-Al-ON-based, La-Si-ON-based) or , Fluoride glass, non-oxide glass such as chalcogen glass And the like.
[0034]
In addition to the above materials, it is also possible to configure a radio wave absorber formed by dispersing magnetic metal-containing carbon nanocapsules in concrete, mortar, wax, paint, or the like.
[0035]
The electromagnetic wave absorption characteristics of the magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsules obtained by the above synthesis means and the electromagnetic wave absorber obtained by dispersing and filling the same in a base material were evaluated. Specifically, while the radio wave absorber is placed on a copper jig (metal plate), a continuous wave is applied to the radio wave absorber with changing frequency using a network analyzer, and the radio wave absorber is directly irradiated from the radio wave absorber. The measurement was performed by measuring the voltage of the reflected wave (S11 parameter) and the voltage of the reflected wave (transmitted wave) transmitted through the radio wave absorber and reflected on the metal plate (S21 parameter). The radio frequency used for the measurement was in the range of 1 to 10 GHz.
[0036]
【Example】
The effects of the present invention will be specifically described with reference to examples.
[0037]
Polyester resin before solidification as a base material (manufactured by Toyobo Co., Ltd .: trade name "Vylon") and carbon nanocapsules containing Fe, Ni, and Co as single substances (spheres each having an average particle size of about 30 nm) And a predetermined amount thereof was mixed and dispersed on a polyethylene film, and then solidified into a sheet. After the solidification, the exact weight ratio between the base material and the carbon nanocapsules was measured. Each of the obtained radio wave absorbers was a sheet having a thickness of about 1 mm, which was cut into a size of 10 mm long × 20 mm wide, and used as a test piece.
[0038]
According to the above manufacturing procedure, three types of radio wave absorbers were prepared by dispersing and filling Fe-containing carbon nanocapsules, Ni-containing carbon nanocapsules, and Co-containing carbon nanocapsules in a base material. Hereinafter, these are referred to as “Fe-based radio wave absorber”, “Ni-based radio wave absorber”, and “Co-based radio wave absorber”. Here, the ratio of carbon nanocapsules in each radio wave absorber is 18% by weight in the Fe radio wave absorber, 21% in the Ni radio wave absorber, and 23% in the Co radio wave absorber.
[0039]
The frequency dependence of the S11 parameter and the S21 parameter was evaluated for each test piece using a network analyzer. The input power of the network analyzer was 10 dBm. The results are shown below.
[0040]
4 to 6 show the radio wave absorption characteristics of the Fe, Ni and Co radio wave absorbers. As shown in the figure, in the Fe-based and Ni-based radio wave absorbers, the S11 parameter value is significantly reduced in the frequency band of 4 to 5 GHz and in the frequency band of 8 to 9 GHz, and the radio wave absorption is reduced in the frequency band of 8 to 9 GHz. The maximum peak of the S21 parameter value representing the absorption was observed. In the case of the Co-based radio wave absorber, the S11 parameter value was significantly reduced in the frequency band of 8 to 9 GHz, and the maximum peak of the S21 parameter value was observed in this frequency band.
[0041]
FIG. 7 shows the ratio <P of the power P (loss) consumed by each radio wave absorber and the incident power P (in) calculated from the data on the absorption characteristics shown in FIGS. (Loss) / P (in)> (hereinafter referred to as “power loss ratio”). The higher the value of the power loss ratio, the greater the absorption of electric power (radio waves), and means that all the input power (radio waves) at a value of 1 is absorbed by the absorber. Here, <P (loss) / P (in)> is calculated by Expression 1.
[0042]
(Equation 1)
Figure 2004247336
[0043]
In this figure, peaks of the power loss ratio were observed in the frequency bands of 5 to 6 GHz and 9 to 10 GHz in any of the radio wave absorbers. Although it is suggested that large power (radio wave) absorption occurs at these peaks, the measurement result of the magnetic permeability (not shown) shows that the imaginary part is maximum in the frequency band of about 8 GHz, and that the S21 parameter is 8 as described above. Considering that the maximum value is obtained in the frequency band of 99 GHz, the absorption frequency band of the radio wave absorber of the present invention is considered to be in the range of 9 to 10 GHz. The absorption of this radio wave was greatest in the Co-based radio wave absorber, and tended to decrease in the order of the Ni-based radio wave absorber and the Fe-based radio wave absorber.
[0044]
From the above results, carbon nanocapsules with a magnetic order of nano-order (about 30 nm in this embodiment) in which Fe, Co, and Ni are encapsulated in a carbon nanocapsule as a magnetic substance are contained in a base material (polyester resin). It was confirmed that the radio wave absorber formed by dispersion filling can effectively absorb radio waves in a high frequency band (9 to 10 GHz).
[0045]
Although the embodiments have been described above, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above embodiment, a simple substance of Fe, Co, and Ni is selected as the magnetic substance encapsulated in the carbon nanocapsule. However, the present invention is not limited to this, and has a high magnetic permeability and exhibits excellent radio wave absorption characteristics. Any magnetic metal element may be used as long as it is a compound, and a compound of magnetic metal elements or a compound of a magnetic metal element and a non-magnetic metal element may be used. Further, the base material for dispersing and filling the magnetic metal element-containing carbon nanocapsules is not limited to those of the above-described embodiment, and does not impair the radio wave absorption characteristics of the magnetic metal element-containing carbon nanocapsules. Any material may be used as long as it can perform a structural function.
[0046]
【The invention's effect】
Since the radio wave absorber according to the present invention is formed by dispersing and filling a magnetic metal element-encapsulated carbon nanocapsule in which a single magnetic domain and a single crystal magnetic material are included in a nanometer order in a base material, several GHz is used. Even if a radio wave in a higher frequency band than that is incident, there is an effect that high magnetic permeability is maintained and excellent radio wave absorption characteristics are exhibited. In addition, since the magnetic metal element-containing carbon nanocapsules have a structure in which the magnetic metal elements are covered by carbon nanocapsules made of a graphite layer, they have excellent corrosion resistance and oxidation resistance, and manufacture radio wave absorbers. There are effects such as easy handling at the time of performing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an apparatus for synthesizing a magnetic metal-containing carbon nanocapsule according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a state in which a graphite metal anode shown in FIG. 1 is filled with a magnetic metal element.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a synthesis process of a magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsule according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows measurement results of radio wave absorption characteristics (S11 parameter and S21 parameter) of a radio wave absorber (Fe-based radio wave absorber) dispersedly filled with Fe-containing carbon nanocapsules according to the present embodiment.
FIG. 5 shows measurement results of radio wave absorption characteristics (S11 parameter and S21 parameter) of a radio wave absorber (Ni-based radio wave absorber) in which Ni-containing carbon nanocapsules according to the present embodiment are dispersedly filled.
FIG. 6 shows measurement results of radio wave absorption characteristics (S11 parameter and S21 parameter) of a radio wave absorber (Co-based radio wave absorber) in which Co-containing carbon nanocapsules according to the present embodiment are dispersed and filled.
FIG. 7 is a graph showing the frequency dependence of the ratio (power loss ratio) between the incident power and the absorbed power of the Fe-based, Ni-based, and Co-based radio wave absorbers according to the present embodiment.

Claims (3)

少なくとも1種の磁性金属元素を含有すると共にナノメートルオーダーの粒子径を備えた単磁区且つ単結晶の微粒子からなる磁性体が層状のカーボングラファイトによって内包された磁性金属内包カーボンナノカプセルを、母材中に分散充填させてなることを特徴とする電波吸収体。A magnetic metal-encapsulated carbon nanocapsule containing at least one magnetic metal element and having a magnetic material composed of single magnetic domains and single-crystal fine particles having a particle diameter on the order of nanometers encapsulated by layered carbon graphite is used as a base material. A radio wave absorber characterized by being dispersedly filled therein. 前記磁性金属元素が、Fe、Co又はNiのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の電波吸収体。The radio wave absorber according to claim 1, wherein the magnetic metal element is one of Fe, Co, and Ni. 前記磁性金属内包カーボンナノカプセルの平均粒子径が8〜100nmの範囲内にあることを特徴とする請求項1又は2に記載の電波吸収体。The radio wave absorber according to claim 1, wherein the magnetic metal-containing carbon nanocapsules have an average particle diameter in a range of 8 to 100 nm.
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