СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИОПОГЛОЩАЮЩЕГО МАТЕРИАЛА И РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ, ПОЛУЧЕННЫЙ ЭТИМ СПОСОБОМ Российский патент 2010 года по МПК C09D5/32 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к поглотителям электромагнитных волн (ЭМВ), в том числе в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, биологической защиты от влияния радиоизлучений, создаваемых различными научными и бытовыми приборами, снижения радиолокационной заметности различных объектов и т.д.

Известны различные материалы для поглощения ЭМВ и технологии их получения. Предложены тканые или пленочные материалы, изготовленные с использованием металлической сетки для защиты биологических объектов или экранирования поверхности (Я.А.Шнейдерман. Радиопоглощающие материалы. Зарубежная радиоэлектроника, 1975, № 2, с.93-113; 1975, № 3, с.71-92).

Основным недостатком этих материалов является большая доля отраженного излучения и высокая цена.

Известны материалы, состоящие из дисперсного поглощающего наполнителя, включающего порошки графита, сажи, феррита, сегнетоэлектриков, металлических сплавов, связанных жидким полимером (Ю.К.Ковнеристый, И.Ю.Лазарева, А.А.Раваев. Материалы, поглощающие СВЧ-излучение. М.: Наука, 1982, с.46, 88-121). При его изготовлении смесь компонентов вводят в жидкое полимерное связующее и полученный жидкий материал наносят на защищаемую поверхность.

Основными недостатками этого технического решения являются сложные составы композиции и технология изготовления, предусматривающая равномерное смешение очень разнородных по плотности компонентов. Кроме того, толщина покрытия из этого материала должна быть тем больше, чем выше мощность электромагнитного излучения, а это повышает весовые характеристики покрытия (вес 1 м² поглотителя ЭМВ).

Известен магнитный материал, поглощающий ЭМВ, состоящий из мелкодисперсных (0.5-20 мкм) сферических частиц железа или покрытых магнитным материалом стеклянных шариков (≈80 вес.%) и диэлектрической связки - силиконовой композиции (≈20 вес.%) (US 4173018, 1979). Частицы железа первоначально диспергируют в жидкой связке, причем для создания однородной композиции проводят механическую обработку в мельнице в течение 8 часов.

Существенными недостатками технического решения являются значительный вес и хрупкость материала, а также сложная и длительная технология его изготовления.

Подобному составу, состоящему из карбонильного железа (50-90%), компонента на основе платины и полимера на основе силоксана (US 5764181, 1998), присущи те же недостатки и дополнительно высокая стоимость. Кроме того, при его изготовлении используют вредные вещества (толуол, гептан и др.).

Известен материал с низким коэффициентом отражения электромагнитных волн, имеющий состав Li_0.5Fe_2.5O₄-Fe₃O₄-CdFe₂O₄ (US 3662368, 1972).

Основным недостатком материала является сложность композиции, кроме того, он предложен в качестве дополнительного слоя, минимизирующего коэффициент отражения основного материала.

Известен радиопоглощающий материал, содержащий магнитный наполнитель - порошкообразный феррит или карбонильное железо (20-80 мас.%) и синтетический клей «Элатон» на основе латекса (80-20 мас.%) (RU 2107705, 1998).

Основной недостаток материала обусловлен широким распределением по размерам частиц магнитного наполнителя, что приводит к значительным трудностям при нанесении на криволинейные поверхности, особенно в случае, когда они пересекаются под углом. Кроме того, он обнаруживает высокое отражение в тонких слоях, которые вообще трудно создать, так как размер частиц наполнителя превышает 20 мкм.

Известен радиопоглощающий материал из наполнителя, в качестве которого использован нанопорошок магнитного сплава НК-29 (Ni - 29.13%; Со - 17.51%; Fe - остальное) и связующее - поливинилбутироль (RU 2294948, 2006).

Основным недостатком этого материала, из которого изготавливают многослойное покрытие, является необходимость дополнительной обработки в магнитном поле. Кроме того, высокий коэффициент поглощения достигается при размещении колец из константановой проволоки между слоями, что усложняет материал и технологию его изготовления.

Известен радиопоглощающий материал, который состоит из наполнителя, в качестве которого использован ультрадисперсный порошок карбида ниобия со средним размером частиц 10.0-100.0 нм и полимерное алкидное связующее при следующем соотношении компонентов, мас.%: алкидное связующее - 50-90, указанный наполнитель - 10-50 (RU 200749, 2000).

Основным недостатком этого технического решения является довольно сложный способ изготовления материала, включающий обработку ультразвуком с применением вредных веществ, например декана или толуола.

Наиболее близким техническим решением является материал, состоящий из наполнителя - порошка оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой и эпоксидной смолы в качестве связки при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошок феррита - оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой Ba(Со_0.5Zn_0.5)₂Fe₁₆O₂₇ - 91; эпоксидная смола - 9 и способ его получения (Yi Yang, Baoshan Zhang, Weidong Xu et. al. Microwave absorption studies of W-hexaferrite prepared by coprecipitation / mechanical milling. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2003, 265, p.119-122). Порошок оксидного гексагонального ферримагнетика готовят методом химической конденсации (соосаждением) из исходных реагентов - нитратов железа, бария, кобальта и цинка. Соосажденный прекурсор высушивают замораживанием, затем смешивают с хлоридом натрия (NaCl) в соотношении 1:4, подвергают механической обработке в мельнице со стальными шарами в течение 20 часов, затем прокаливают при 1200°С в течение 2 часов и многократно промывают деионизированной водой для удаления NaCl. Полученный порошок феррита смешивают с эпоксидной смолой в указанном выше соотношении, при этом полученный материал имеет следующие характеристики отражения электромагнитных волн: коэффициент отражения ЭМВ R - (-13 дБ) при частоте 9.5 ГГц и толщине слоя материала 0.003 м; интервал частот (Δf) на уровне R=-7 дБ при толщине слоя материала 0.003 м - 4.6 ГГц.

Основные недостатки этого технического решения состоят в том, что материал обладает высоким коэффициентом отражения электромагнитных волн и узким интервалом полосы частот, при этом его получают, используя большое число операций, включающих химические и механические (диспергирование) способы.

Задачей предлагаемого изобретения является понижение коэффициента отражения ЭМВ и расширение интервала частот материала, состоящего из порошка оксидного гексагонального ферримагнетика, смешанного с полимерным связующим - эпоксидной смолой, а также упрощение способа получения материала.

Задача решается тем, что после изготовления любым способом, например спеканием из оксидов, порошка гексагонального ферримагнетика с W-структурой его подвергают механической обработке в механоактиваторе в течение 30-300 секунд при факторе энергонапряженности 20-40 g, а затем смешивают с полимерным связующим, например, эпоксидной смолой при следующем соотношении компонентов, мас.%:

полимерное связующее - эпоксидная смола 9-30 оксидный гексагональный ферримагнетик   с W-структурой 70-91

Механическая обработка оксидного гексагонального ферримагнетика при факторе энергонапряженности ниже 20 g и продолжительности обработки менее 30 с не приводит к заметному изменению коэффициента отражения электромагнитных волн и интервала частот (таблица 1). Кроме того, при временах механической обработки меньше 30 с возможны нестабильности в работе механоактиватора. Увеличение фактора энергонапряженности выше 40 g и продолжительности обработки порядка 300 с приводит к росту энергозатрат при получении материала, при этом коэффициент отражения и интервал частот электромагнитных волн уменьшаются (таблица 1).

Количественное соотношение магнитного наполнителя и связующего определяется следующими соображениями. При концентрациях магнитного наполнителя 65-75 мас.%, продолжительности механической обработки 30 с и энергонапряженности 30 g коэффициент отражения электромагнитных волн R у предлагаемого материала близок к таковому для прототипа, однако интервал частот (Δf=5.09-7.20 ГГц при R=7 дБ) существенно выше (Δf=4.6 ГГц). Дальнейшее понижение содержания магнитного наполнителя приводит к повышению коэффициента отражения R и сужению интервала частот по сравнению с прототипом (таблица 2). При содержании магнитного наполнителя, равном 91 мас.%, коэффициент отражения R намного ниже, а интервал частот шире, чем у прототипа. Дальнейшее повышение содержания магнитного наполнителя приводит к существенным технологическим трудностям, обусловленным значительной агломерацией частиц наполнителя в процессе смешения. Их преодоление резко удорожает способ.

Радиопоглощающий материал получают следующим образом.

Порошок оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой (гексаферрит Ba(Co_0.5Zn_0.5)₂Fe₁₆O₂₇), полученный промышленным способом - спеканием из смеси оксидов (Рабкин Л.И., Соскин С.А., Эпштейн Б.Ш. Технология ферритов. М-Л.: Госэнергоиздат, 1968, с.76), подвергают механической обработке в планетарной мельнице в течение 30 или 60 с при факторе энергонапряженности 30 g.

По данным рентгеноструктурного анализа (дифрактометр Shimadzu XRD 6000), обработанных с использованием программы полнопрофильного анализа POWDER CELL 2.5, размер областей когерентного рассеяния (размер зерен) составляет 90-120 нм. Полученный порошок смешивают с полимерным связующим - эпоксидной смолой в соотношениях, указанных в таблицах 1 и 2.

Измерения комплексных магнитной и диэлектрической проницаемостей проводят на универсальном широкополосном комплексе на основе векторного анализатора цепей PNA 8363 В фирмы Agilent Technologies. В качестве измерительной ячейки используют резонаторы, построенные из волноводных элементов стандартных измерительных линий.

Коэффициент отражения для однослойного поглотителя рассчитывают по формуле (Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. Наука, 1973, с.15-17):

где

Полученные результаты в сравнении с таковыми для прототипа представлены в таблицах 1 и 2. Коэффициент отражения R при частоте 7.1-8.3 ГГц в 2.5-3.0 раза ниже, а интервал частот Δf заметно шире, чем эти характеристики для радиопоглощающего материала, выбранного в качестве прототипа.

Таким образом, полученный материал по сравнению с прототипом имеет более низкие коэффициенты отражения, больший интервал частот и может быть использован для создания эффективных радиопоглощающих покрытий.

Способ получения полностью исключает применение химических методов и дорогостоящих реагентов и включает только термическое воздействие и механическую обработку. Кроме того, при получении характеристик отражения электромагнитных волн, близких к таковым у прототипа, уменьшается содержание магнитного наполнителя для заданной толщины слоя.

Следовательно, при использовании предлагаемого технического решения улучшаются все основные характеристики поглощения электромагнитных волн: увеличивается максимальное значение модуля коэффициента отражения в пределах рабочего диапазона частот, который становится шире, а также снижаются толщина и вес поглотителя площадью 1 м².

Таблица 1 Влияние энергонапряженности и продолжительности механической обработки на коэффициент отражения и интервал частот электромагнитных волн для материала, содержащего 80 мас.% феррита и 20 мас.% эпоксидной смолы (толщина слоя 0.003 м) № Режим механической обработки Частота, f_min, ГГц* Коэффициент отражения R_min, дБ** Интервал частот Δf, ГГц на уровне R=-7дБ Энергонапряженность, g Продолжительность механической обработки, t, с 1 - - 10.20 -7.2 0 2 15 30 10.10 -7.0 0 3 20 30 9.18 -18.0   4 30 30 9.51 -30.8 8.7 5 30 60 9.76 -20.3 7.9 6 30 300 9.06 -12.3 5.4 7 40 30 9.51 -17.0   8 40 300 9.60 -12.0   9 50 300 8.30 -5.2   *f_min - частота, при которой коэффициент отражения имеет минимальное значение ** R_min - минимальный коэффициент отражения на частоте f_min

Таблица 2 Зависимость коэффициента отражения и интервала частот от содержания магнитного наполнителя при различной продолжительности механической обработки (толщина слоя d=0.003 м, энергонапряженность 30 g) Содержание наполнителя, мас.% Частота, f_min, ГГц* Коэффициент отражения, R_min, дБ** Интервал частот, Δf, ГГц на уровне
R=-7 дБ 1 2 3 4 Без механической обработки 91 9.06 -10.96 5.67 90 9.31 -9.92 5.09 Продолжительность механической обработки 30 с 91 5.05 -23.82 11.05 90 5.62 -28.39 10.68 85 7.09 -40.76 9.72 80 9.51 -30.78 8.72 75 10.59 -16.11 7.20 65 11.10 -10.67 5.09 Продолжительность механической обработки 60 с 91 6.19 -26.46 10.30 90 6.77 -29.39 9.89 85 8.30 -30.15 8.92 80 9.76 -20.29 7.90 75 10.52 -13.57 6.30 65 10.91 -9.60 4.20 Продолжительность механической обработки 150 с 91 7.09 -20.81 7.90 90 7.53 -19.66 7.51 85 8.42 -15.96 6.56 1 2 3 4 80 9.06 -12.31 5.41 Продолжительность механической обработки 300 с 91 7.53 -16.35 6.30 90 7.91 -15.01 5.86 85 8.49 -12.21 4.90

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к поглотителям электромагнитных волн, в том числе в диапазоне сверхвысоких частот, и может быть использовано для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, биологической защиты от влияния радиоизлучений, создаваемых различными научными и бытовыми приборами, снижения радиолокационной заметности различных объектов и направлено на понижение коэффициента отражения электромагнитных волн и расширение интервала частот радиопоглощающего материала, а также упрощение способа его получения. При получении данного материала производят механическую обработку оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой в механоактиваторе в течение 30-300 секунд при факторе энергонапряженности 20-40 g и смешение его с эпоксидной смолой в соотношении, мас.%: оксидный гексагональный ферримагнетик с W-структурой - 70-91, эпоксидная смола - 9-30. При получении материала полностью исключается использование химических методов и дорогостоящих реагентов, а материал, полученный таким образом, имеет более низкие коэффициенты отражения и больший интервал частот и может быть использован для создания эффективных радиопоглощающих покрытий. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения радиопоглощающего материала, включающий механическую обработку оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой и его смешение с эпоксидной смолой, отличающийся тем, что механическую обработку ферримагнетика осуществляют в механоактиваторе в течение 30-300 секунд при факторе энергонапряженности 20-40 g, а смешение проводят при следующем соотношении компонентов, мас.%:
оксидный гексагональный ферримагнетик   с W-структурой 70-91 эпоксидная смола 9-30

2. Радиопоглощающий материал, характеризующийся тем, что он получен способом по п.1.