МАТЕРИАЛ, ПОГЛОЩАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ Российский патент 2015 года по МПК H01Q17/00 H01F1/00 

1. Название изобретения

«Материал, поглощающий электромагнитные волны»

Получение материала, поглощающего электромагнитные волны, связано с формированием материальной среды, являющейся особым состоянием композиционного материала, которая позволяет реализовать способ поглощения ЭМ волн на кристаллических частицах ферримагнитных материалов, статистически равномерно распределенных в этой среде. Композиционный материал характеризуется статистическим распределением в одном объеме полимера высокодисперсных порошковых субстанций, при сохранении в произвольно выбранном макроскопическом объеме собственной индивидуальности химических и физических свойств соответствующих объемных субстанций, аддитивно обуславливающих особые свойства материала, поглощающего ЭМ волны.

2. Область техники

Предотвращение нежелательного воздействия высокочастотных ЭМ волн на виды техники, содержащие в своем составе некоторые распространенные типы элементной базы микроэлектроники (например, элементной базы включающей планарные полевые транзисторы), и на человека. Предотвращение нежелательного обнаружения воздушных и наземных объектов с помощью индикации отраженного сигнала, излучающего ЭМ волны источника.

3. Уровень техники

Можно выделить следующие наиболее близкие аналоги к заявленному изобретению:

1. RU 2414029, H01Q 17/00, 01.02.2010, в эпоксидно-эластомерном связующем распределен монокристаллический порошок с нанокристаллической структурой, где коэффициент отражения поглотителя толщиной 2 мм зависит от массовой доли нанокристаллического порошка и других поглотителей. В представленной заявке минимальный коэффициент отражения электромагнитных волн обусловлен минимальным входным волновым сопротивлением композиционного материала для падающей электромагнитной волны, достигается оптимальным соотношением количества полимера и наноструктуированного железа, то есть достижение низкого коэффициента отражения и высокого уровня поглощения на частицах ферримагнетиков происходит независимо.

2. RU 2247760, H01Q 17/00, 10.03.2005, описан состав и способ получения состава путем совмещения связующего и феррита, причем феррит получен по высокотемпературной керамической технологии, размолотый до размера микрочастиц (60-90%) и химическим осаждением из водных растворов. Отсутствие полей подмагничивания на частицах ферритов обуславливает верхнюю частотную границу ферримагнитных резонансов в полях магнитокристаллической анизотропии на частицах гексаферрита бария на уровне не более 18000 МГц. В представленной заявке техническое решение предполагает наличие внутренних локальных полей Hintr на частицах ферритов на уровне значений Hintr до 8000 кА/м, где верхняя граница частот ферримагнитных резонансов на частицах гексаферритов лежит в области вплоть до частот инфракрасного диапазона.

4. Раскрытие изобретения

Композиционный материал, состоящий из полимера, пластификатора, наноструктурированого Fe, диспергированных частиц ферримагнетиков как монодоменных, так и немонодоменных, диспергированных частиц Fe-Nd-B, обеспечивает реализацию физически аддитивных свойств:

1. Минимальное входное волновое сопротивление композиционного материала для падающей ЭМ волны может быть ограничено чувствительностью физических методов идентификации отраженного сигнала и существующим уровнем развития цифровой электронной техники, достигается оптимальным сочетанием ε′, µ′, ε′′,σ′, σ′′, k′′; как признаком реализации заданного физического свойства композиционного материала.

2. Магнитная проводимость, при H=const, обеспечивает диапазон изменения величины значения поля подмагничивания от H₁ до Н₂, в приготовленном к использованию композиционном материале, в соответствии с реализацией условий гиромагнитного соотношения для заданного диапазона частот падающей ЭМ волны от ω₁ до ω₂.

3. Главный вектор магнитного поля, произвольно выбранных локальных областей в композиционном материале, статистически неоднородно распределен после намагничивания, достигается статистически однородным распределением порошкового ингредиента Fe-Nd-B, характеризуемого гистограммой распределения частиц по размерам и заданными исходными магнитными свойствами. Существование постоянного статистически неоднородно распределенного постоянного магнитного поля обеспечивает достижение необходимого диапазона изменения величины значения поля подмагничивания и реализации условий гиромагнитного соотношения ферримагнитного резонанса в соответствующем диапазоне частот ЭМ волн на частицах ферримагнетиков, монодоменных и немонодоменных, статистически однородно распределенных в объеме конечного композиционного материала и характеризующихся гистограммой распределения частиц по размерам.

4. Свойства композиционного материала поглощающего ЭМ волны и соответственно, ферримагнитные резонансы на частицах ферримагнетиков, в свою очередь ответственные за аномально высокие значения магнитных восприимчивостей на соответствующих частотах ЭМ волн, реализуются, когда в объеме композиционного материала частицы порошковых субстанций распределены во взаимосвязи, подразумевающей особое состояние композиционного материала, статистически равномерно и неравномерно, однородно, сохраняя, аддитивно, непрерывность свойств, присущих объемным субстанциям, и, следовательно, их индивидуальность во всей композиции. Средние размеры зерен порошковых композиций отличаются на порядок, поэтому элементы отдельной порошковой композиции распределены в выбранном объеме статистически однородно, равномерно и непрерывно.

5. Технический результат

Изобретение «Материал, поглощающий электромагнитные волны» позволяет реализовать способ поглощения ЭМ волны на частицах ферримагнетиков в широком диапазоне частот вплоть до частот инфракрасного диапазона, обуславливает отсутствие видимых препятствий для наиболее полного решения задачи получения материала поглощающего ЭМ в широком диапазоне частот, так как представленное изобретение исключают противоречия, находящиеся в сфере существования соответствующих прототипов. Ограничения обусловлены современным уровнем развития цифровой электронной техники, так как в зависимости от процессов совершенствования современной цифровой электроники, реализация представленного технического решения обуславливается успешным решением задачи снижения волнового сопротивления материала, поглощающего электромагнитные волны падающей ЭМ волны, независимо от падающего на материал потока энергии электромагнитного излучения.

6. Признаки композиции

Особое состояние композиционного материала заданного состава, связанное с количественным и качественным составом, обладает минимальным входным волновым сопротивление для падающей электромагнитной волны, отсутствием отраженного сигнала и локальными значениями Bs, изменяющимися в диапазоне от 0,7 Т до 10 Т, так же, как и состав композиционного материала обеспечивают реализацию способа поглощения и рассеяния электромагнитной волны на частицах ферримагнетиков, находящихся в соответствующей среде, в условиях ферримагнитного резонанса на локальных полях Hintr, изменяющихся в диапазоне от 560 кА/м до 8000 кА/м.

«Состав композиционного материала»

1) Наноструктурированное Fe входит в состав композиционного материала в количестве от 0,5 вес % до 9 вес %, в исходном состоянии содержится в объеме субстанции, растворяющей или пластифицирующей полимер. Средний размер частиц во фракциях наноструктурированного железа изменяется от 50 nm до 300 nm, соотношение между весовыми количествами различных фракций наноструктурированного Fe в конечном композиционном материале, связано с физико-химическими свойствами полимерных материалов, растворителей и пластификаторов, в целом определяют химическую стойкость к различным воздействиям.

2) Порошковая композиция из магнитного материала Nd-Fe-B, объемные образцы характеризуются магнитными свойствами: Br в диапазоне от 0,7 Т до 0,9 Т; Hc в диапазоне от 80 кА/м до 560 кА/м, входит в состав композиционного материала в количестве от 2 вес % до 9 вес %, исходный материал измельчается в шаровой мельнице для получения порошковой композиции, средний размер частиц изменяется от 0,5 мк до 2 мк и характеризуется гистограммой распределения частиц по размерам, обладает заданными магнитными свойствами.

3) Порошковая композиция входит в состав композиционного материала в количестве от 5 вес % до 9 вес %, состоящая из порошков гексаферритов от 2 вес % до 9 вес % (М-типа, (Sr,Ba)Fe₁₂ О₁₉; Y-типа, (Ba,Sr)₂Me₂Fe₁₂O₂₂; W-типа, BaMe₂Fe₁₆O₂₇; Z-типа, (Ba,Sr)₃Me₂Fe₂₄O₄₁), феррогранатов (Y₃Fe_5-xMe_xO₁₂) 0 вес % до 2 вес % и феррошнинелей (Fe_1-yMe¹ _yFe2_-xMe² _xO₄) от 0 вес % до 2 вес %, получаемых, соответственно, методами спонтанной кристаллизации и методами спекания, используемыми в керамической технологии, причем особое место в этом ряду занимают гексаферриты, так как обладают высоким значением поля Н_а внутренней магнитокристаллической анизотропией и большим значением 4πM_s. Порошки подвергают помолу, средний размер частиц изменяется от 0,5 мк до 2 мк и характеризуется гистограммой распределения частиц по размерам

4) Полимер, например, такой как полиэтилен карбонат, поливинилхлорид, поливинилиденфторид или их сополимеры, растворяющийся в растворителях, совместимых с другими ингредиентами композиции, растворителями и пластификаторами, входит в состав композиционного материала в количестве не менее 73 вес %.

«Материал, поглощающий электромагнитные волны» должен обладать следующими макроскопическими свойствами, признаками:

1) Наличие электронной проводимости.

2) Наличие проводимости постоянного магнитного поля, значение магнитной индукции Br для макроскопических образцов композиционного материала, не менее 0,4 Т.

3) Способен к перемагничиванию и, следовательно, способен к направленным изменениям спектральных характеристик поглощения падающих электромагнитных волн.

4) Контрольный образец композиционного материала не подвержен воздействию химических соединений, инертных по отношению к используемому полимеру.

7. Осуществление изобретения

Процесс осуществления изобретения состоит из трех основных этапов:

1) Изготовление собственно объемного материала в виде суспензии, как прекурсора конечной субстанции, поглощающей ЭМ волны. Смешение ингредиентов и приготовление прекурсора с заданными составом и реологическими характеристиками, на основе полимера и сыпучих смесей, в присутствии пластификаторов и растворителей, возможно производить множеством известных способов.

2) Нанесение прекурсора заданной толщины на объект, проведение термической обработки и формирование объема конечной субстанции, т.е получение покрытия. Максимальное значение температуры термической обработки ограничено температурой начала пластического течения полимерной субстанции.

3) Намагничивание покрытия, в зависимости от формы объекта, может осуществляться по заданной программе, с целью достижения статистического распределения главного вектора магнитных моментов на отдельных зернах магнитной субстанции в объеме конечной субстанции. Отсутствие преимущественного направления вектора намагниченности в объеме конечной субстанции достигается тем, что порошковая композиция Nd-Fe-B представляет смесь частиц магнитных материалов с коэрцитивной силой H_c, лежащей в пределах от 240 кА/м до 560 кА/м, может намагничиваться в области взаимно-перпендикулярных плоскостей, полем намагничивания, лежащим в пределах от 80 кА/м до 720 кА/м и уменьшающимся в процессе намагничивания от 720 кА/м до нулевого значения.

Заявленное изобретение относится к материалу, поглощающему электромагнитные волны в широком диапазоне длин волн, вплоть до частот инфракрасного диапазона, который может быть использован для предотвращения нежелательного воздействия высокочастотного излучения на элементную базу микроэлектроники и человека, и для предотвращения несанкционированного обнаружения наземных и воздушных объектов. Предложенный композиционный материал заданного состава, обеспечивающий минимальное входное волновое сопротивление для падающей ЭМ волны и отсутствие отраженной волны, характеризующийся локальными значениями Bs изменяющимися в диапазоне от 0,7 Т до 10 Т, реализует способ поглощения и рассеяния электромагнитной волны на частицах ферримагнетиков, находящихся в соответствующей среде в условиях ферримагнитного резонанса, в присутствии внутренних локальных полей Hintr, изменяющихся в диапазоне от 560 кА/м до 8000 кА/м.

Предлагается в качестве поглощающего покрытия использовать материальную среду, имеющую малое волновое сопротивление, суть композиция полимерного материала и железного порошка с частицами, имеющими средний размер ~100 nm, в которой равномерно распределены мелкодисперсные монокристаллические монодоменные и немонодоменные частицы гексаферритов, ферритов гранатов и феррошпинелей (особое место в этом ряду занимают гексаферриты, так как обладают высоким значением поля H_a внутренней магнитокристаллической анизотропией и большим значением 4πM_s) и мелкодисперсные частицы порошков Nd-Fe-B, используемые в производстве эластичных магнитов с B_s≥0,7 Т и H_c≈240-560 кА/м. Повышение уровня поглощения и уменьшение коэффициента отражения электромагнитных волн являются техническим результатом заявленного изобретения.

Материал, поглощающий электромагнитные волны в широком диапазоне длин волн вплоть до частот инфракрасного диапазона, является композиционным материалом заданного состава, включающий в себя: полимер, имеющий тангенс диэлектрических потерь ε′′/ε′; С не более 10^-4; порошок наноструктурированного железа; порошковую композицию из частиц ферримагнетиков; порошок из частиц магнитного материала Nd-Fe-В, для объемных образцов имеющего значения магнитной индукции Br в диапазоне от 0,7 Т до 0,9 Т и значения коэрцитивной силы Hc в диапазоне от 80 кА/м до 560 кА/м, при этом порошок наноструктурированного Fe входит в состав композиционного материала в количестве от 0,5 вес.% до 9 вес.%, средний размер частиц во фракциях наноструктурированного железа изменяется от 50 nm до 300 nm, при этом полимер, такой как полиэтилен карбонат, поливинилхлорид, поливинилиденфторид или их сополимеры, растворитель, пластификатор, входят в состав композиционного материала в количестве не менее 73 вес.%, при этом порошковая композиция, состоящая из порошков гексаферритов от 2 вес.% до 9 вес.% (М-типа, (Sr,Ba)Fe₁₂O₁₉; Y-типа, (Ba,Sr)₂ Me₂Fe₁₂O₂₂; W-типа, BaMe₂Fe₁₆O₂₇; Z-типа, (Ba,Sr)₃Me₂Fe₂₄O₄₁), порошков феррогранатов (Y₃Fe_5-xMe_xO₁₂) от 0 вес.% до 2 вес.% и порошков феррошпинелей (Fe_1-yMe¹ _yFe2_-xMe² _xO₄) от 0 вес.% до 2 вес.%, входит в состав композиционного материала в количестве от 5 вес.% до 9 вес.%, средний размер частиц в порошках изменяется от 0,5 мк до 2 мк, при этом порошок из магнитного материала Nd-Fe-B входит в состав композиционного материала в количестве от 2 вес.% до 9 вес.%, средний размер частиц изменяется от 0,5 мк до 2 мк.