PL203956B1 - Materiał absorbujący fale elektromagnetyczne - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest materiał absorbujący fale elektromagnetyczne w zakresie częstotliwości radiowych i mikrofalowych.

Materiały absorbujące fale elektromagnetyczne wykorzystywane są w różnych dziedzinach techniki. Anteny radiowe, telewizyjne, radarowe są wyposażane w elementy absorbujące promieniowanie elektromagnetyczne na obrzeżach promienników w celu wytłumienia promieniowania bocznego. Podobnie fragmenty większych struktur jak budowle lub ich fragmenty, często są pokrywane materiałami absorbującymi fale elektromagnetyczne aby zapobiec niepożądanym odbiciom lub sprzężeniom.

Znane są szerokopasmowe materiały absorbujące energię fal elektromagnetycznych w postaci kształtek modułowych, mające powierzchnię czołową odpowiednio uformowaną, np. w postaci ostrosłupów.

Z japońskiego opisu patentowego JP 6209180 znany jest materiał przydatny do osłaniania ścian wewnętrznych w budynkach, a z dokumentu WO 03031722 - materiał absorbujący fale elektromagnetyczne, przydatne w budownictwie drogowym. Znane materiały dobrze absorbujące mikrofale to różne odmiany węgla, półprzewodniki, takie jak węglik krzemu, ditlenek tytanu, ferryty, spinele, niektóre związki metali przejściowych jak azotki, a także przewodzące polimery jak polianilina. Znane i stosowane materiał y absorbują ce mikrofale stanowią kompozycje w/w materiał ów dobrze absorbują cych z materiałami wypełniającymi i ochronnymi w rodzaju gumy, polimerów i żywic. Materiały absorbujące w znacznym stopniu fale o niższych częstotliwościach tj. w zakresie kilo i megaherców otrzymuje się specjalnymi metodami. Technologia wytwarzania tego rodzaju materiałów jest złożona i w konsekwencji kosztowna. W opisach patentowych nr US 3 599 210 i nr US 5 661 484 jako materiały absorbujące fale elektromagnetyczne, w zakresie wysokich częstotliwości radiowych i mikrofal, proponuje się włókna węglowe cięte na długości odpowiadające połowie długości fali która ma być pochłaniana i zatopione w dielektrycznym lepiszczu. Kilka warstw włókien o żądanej długości nałożone na obiekt absorbuje w znacznym stopniu fale o określonych częstotliwościach uniemożliwiając lub przynajmniej utrudniając jego wykrycie przez radar przeciwnika. W opisie patentowym FR 2695760 proponuje się zastosowanie glinokrzemianów bardzo dokładnie wymieszanych z azotkiem glinu i nastę pnie wygrzewanych w temp, 800 - 1000°C. W opisie patentowym EP 0420513 gł ównym skł adnikiem absorbującym mikrofale jest węglik krzemu, ewentualnie z dodatkiem ditlenku tytanu i sadzy. Składniki te związane są w matrycy elastomerowej. Zgodnie z opisem patentowym JP 10013081 materiał absorbujący mikrofale uformowany jest z wielowarstwowej substancji o pewnej przewodności elektrycznej. Materiał ten otrzymuje się z mieszaniny sproszkowanego renu i niobu z cząstkami selenu, którą ogrzewa się w naczyniu próżniowym do temperatury 950°C przez trzy dni, a następnie przez siedem dni dodatkowo wyżarza.

W opisie patentowym JP 1141044 (EP 0312333) proponuje się kompozytowy materiał w którym warstwa pochłaniająca mikrofale jest obudowana warstwami przepuszczalnymi dla mikrofal.

W zdecydowanej większości znanych z literatury patentowej rozwiązań, materiały absorbują ce fale elektromagnetyczne stanowią rozmaitego rodzaju kompozycje znanych materiałów takich jak ferryty - mieszane tlenki metali o wzorze ogólnym MFe2O4, ferroelektryki - głównie tytaniany, proszki metali, materiały węglowe, takie jak: sadza, grafit, włókna węglowe z materiałami bezstratnymi lub nisko stratnymi umożliwiającymi otrzymanie wymaganej postaci materiału do określonego zastosowania.

Materiał według wynalazku jest nanokompozytem, stanowiącym regularny układ na przemian powtarzających się warstw zbudowanych z pakietów kaolinitowych, o grubości poniżej 1 nm, o niskiej stałej dielektrycznej oraz warstw polarnych cząsteczek organicznych o bardzo wysokiej stałej dielektrycznej, o grubości od 0,2 do 2 nm. Warstwy organiczne zbudowane są z takich cząsteczek organicznych, które są zdolne do wnikania w sieć kaolinitu, korzystnie z cząsteczek imidazolu. W materiale według wynalazku polarne cząsteczki są związane z siecią kaolinitu wiązaniami wodorowymi, skierowanymi do warstwy krzemotlenowej lub glinotlenowodorowej pakietu kaolinitowego lub do obu warstw.

Materiał według wynalazku stanowi kompleks interkalacyjny kaolinitu z polarnymi cząsteczkami organicznymi, czyli dipolami elektrycznymi, których zdolność do rotacji, wibracji i translacji została ograniczona w wyniku związania ich z siecią kaolinitu wiązaniami wodorowymi.

Materiał według wynalazku jest nanokompozytem w skali cząsteczkowej, w którym warstwa silnie absorbująca i warstwa słabiej absorbująca tworzą unikalną kompozycję o wyjątkowych własnościach

PL 203 956 B1 dielektrycznych. Nowy typ materiału, charakteryzuje się całkowicie nowym mechanizmem dyssypacji energii w stałym materiale.

Materiał ma nieoczekiwane właściwości z tego względu, że o ile w zwykłych kompozytach typu materiał absorbujący - nieabsorbująca matryca, zawsze występuje znaczne zmniejszenie zdolności do absorpcji, spowodowane wprowadzeniem nieabsorbującego dodatku, to w nanokompozycie według wynalazku następuje nieoczekiwane wzmocnienie zdolności do absorpcji fal elektromagnetycznych. Znajduje to potwierdzenie we wzroście wartości takich parametrów jak przenikalność elektryczna ε' i ε'' oraz tangens kąta strat. Wartości te są dla nanokompozytu wielokrotnie wyższe od analogicznych wartości dla pojedynczych materiałów wchodzących w jego skład. Potwierdzeniem, że materiał według wynalazku jest nanokompozytem jest np. odległość międzypłaszczyznowa d001, która dla interkalatu kaolinit-imidazol wynosi 1,160 nm, podczas gdy w czystym kaolinicie odległość ta wynosi 0,715 nm. W nanokompozytach z innymi cząsteczkami, odległość ta może się wahać w granicach od 0,950 do 2,500 nm, zależnie od wielkości wprowadzonej cząsteczki organicznej.

Materiał według wynalazku można stosować samodzielnie w postaci proszku lub sprasowanej. Materiał nadaje się do stosowania, jako składnik kompozytów z żywicami i tworzywami sztucznymi oraz wypełniacz do gumy, co daje w efekcie elastyczny materiał absorbujący fale elektromagnetyczne. Ze względu na dostępność surowców i nieskomplikowaną technologię wytwarzania, materiał może być produkowany bez ograniczeń. Materiał nadaje się do stosowania w postaci sprasowanych płyt przyklejanych samodzielnie do ścian budowli, a także do powierzchni obiektów stacjonarnych i ruchomych takich, jak schrony, statki etc. Materiał według wynalazku może również być stosowany jako warstwa pochłaniająca fale elektromagnetyczne umieszczona w sztywnym materiale konstrukcyjnym.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie wykonania oraz na wykresie przedstawiającym zależność względnej przenikalności elektrycznej nanokompozytu - krzywa NK, mieszaniny fizycznej - krzywa MF oraz czystego kaolinu - krzywa KA, od częstotliwości fali elektromagnetycznej w zakresie 10 kHz do częstotliwości 5 GHz.

P r z y k ł a d

Materiał absorbujący fale elektromagnetyczne w postaci interkalatu kaolinitu i imidazolu, otrzymano przez wyrugowanie formamidu z sieci kaolinitu, następnie wysuszono w temperaturze 105°C, zmielono i przesiano przez sito o wymiarach oczka 50 mikrometrów. Zgodnie z wynikami badań derywatograficznych materiał zawierał 80% kaolinu i 20% imidazolu. Materiał sprasowano w pastylkę o ś rednicy 1 cm i wykonano pomiary wzglę dnej przenikalnoś ci elektrycznej ε analizatorem impedancji firmy Hewlett Packard HP-4191A w zakresie częstotliwości 1-5 GHz. Próbkę porównawczą o identycznym składzie ale stanowiącą zwykłą mieszaninę fizyczną kaolinitu i imidazolu otrzymano przez nasycanie kaolinu stężonym roztworem imidazolu, suszenie, mielenie przesiewanie i pastylkowanie. Stała dielektryczna ε nanokompozytu jest w całym zakresie mierzonych częstotliwości większa od wartości ε mieszaniny fizycznej 4 - 10 razy. Tangens kąta strat nanokompozytu przy częstotliwości 2 MHz osią ga 2,4, a mieszaniny fizycznej wynosi 0,6 w temperaturze pokojowej. Przy częstotliwości 11 MHz tangens kąta strat mieszaniny wynosi 0,35, a interkalatu 1. W zakresie częstotliwości 10 - 1000 kHz pomiary stałej dielektrycznej ε wykazały, że nanokompozyt kaolinit - imidazol charakteryzuje się wyjątkowo wysokimi wartościami stałej dielektrycznej. I tak dla częstotliwości 10 kHz wartość ε znacznie przekracza 1000 tj. zbliżoną do handlowych polikrystalicznych ferrytów. Stała dielektryczna mieszaniny fizycznej wynosi około 100 co jest wartością zgodną z wynikami otrzymanymi dla czystych materiałów składowych tj. kaolinu i imidazolu. W celu sprawdzenia wyników pomiarów w praktyce, próbkę nanokompozytu otrzymaną jak poprzednio wysuszoną i zmieloną w moździerzu agatowym o masie 15 gram umieszczono w tyglu kwarcowym izolowanym cieplnie bezstratną matą „Sibral”. Próbka umieszczona w piecu mikrofalowym o mocy 1000 W osiąga temperaturę 300°C, podczas gdy próbka porównawcza nie będąca nanokompozytem zaledwie 150°C.

Claims (2)

1. Materiał absorbujący fale elektromagnetyczne, znamienny tym, że jest nanokompozytem, stanowiącym regularny układ na przemian powtarzających się warstw zbudowanych z pakietów kaolinitowych, o grubości poniżej 1 nm, o niskiej stałej dielektrycznej oraz warstw polarnych cząsteczek organicznych, zdolnych do wnikania do sieci kaolinitu o wielokrotnie wyższej stałej dielektrycznej,

PL 203 956 B1 o gruboś ci w granicach od 0,2 do 2 nm, przy czym polarne czą steczki są związane z siecią kaolinitu wiązaniami wodorowymi.

2. Materiał, według zastrz. 1, znamienny tym, że w charakterze polarnych cząsteczek organicznych zawiera imidazol.