ДИФФУЗНО ОТРАЖАЮЩИЙ ПАДАЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СЛОИСТЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2021 года по МПК B32B1/06 

Заявляемое техническое решение относится к слоистым материалам, диффузно отражающим падающее излучение с высоким эффективным коэффициентом отражения и представляет интерес в светотехнике и спектроскопии, а также в средствах обеззараживания и очистки воздуха с использованием бактерицидного ультрафиолетового излучения.

Диффузно отражающие материалы широко используются для светотехнических и спектроскопических измерений, прежде всего с использованием интегрирующих сфер ([1]: Кочубей В.И., Башкатов А.Н. Спектроскопия рассеивающих сред. Саратов, 2014 — 87 с.). Диффузно рассеивающие материалы также могут обеспечить существенное повышение эффективности стерилизации воздуха ([2]: US Patent Application Publication US 2012/0315184A1 «Methods and appatatus for diffuse reflective UV cavity air treatment» с приоритетом от 04 мая 2012 г.). Во всех этих случаях существенен не только именно диффузный (не зеркальный) характер отражения от используемого материала, но и возможно более высокий эффективный коэффициент диффузного отражения R, определяемый отношением полной мощности отраженного излучение к полной мощности падающего излучения (в идеале R → 1), поскольку выигрыш в эффективности описанных устройств пропорционален фактору (1-R)-1. В задачах стерилизации существенен высокий эффективный коэффициент диффузного отражения прежде всего в бактерицидном диапазоне спектра 215÷290 нм, в задачах спектроскопии и светотехники интерес представляет более широкий спектральный диапазон, чаще всего 200÷1000 нм и большие длины волн в ИК диапазоне спектра, в настоящем изобретении основное внимание уделяется обеспечению высокого эффективного коэффициента диффузного отражения в УФ области спектра.

Укажем, что для диффузно отражающих материалов (поверхностей) отражение падающего излучения происходит под углами, отличающимся от зеркального, такие материалы (поверхности) называют также рассеивающими. Для идеального диффузно отражающего/рассеивающего материала (идеальной диффузно отражающей/рассеивающей поверхности) выполняется известный закон Ламберта: яркость такой поверхности одинакова во всех направлениях. Однако ни одно из существующих тел не отражает/рассеивает свет диффузно в точном соответствии с законом Ламберта, обычно в отраженном (то есть не поглощенном и не прошедшем сквозь тело) свете есть как зеркальная, так и диффузная компоненты. Под диффузно отражающим материалом здесь и далее в настоящем техническом решении, включая все пункты формулы изобретения, автор понимает по существу диффузно-отражающий материал (или поверхность) — такой, для которого диффузная составляющая отраженного (рассеянного) света существенно превосходит зеркальную, например когда доля диффузной составляющей в отраженном свете превосходит ~ ¾÷⅞ (≥ 75÷85%).

Простым вариантом реализации по существу диффузного отражения является создание на поверхности хорошо отражающего металла шероховатости с достаточно мелкомасштабными неровностями по сравнению с характерным поперечным размером падающего излучения, в частности отражение от шероховатой поверхности алюминия или меди является по существу диффузным. Однако в этом случае эффективный коэффициент диффузного отражения от шероховатой поверхности не больше коэффициента отражения от гладкой зеркальной поверхности (обычно даже меньше) и, соответственно, не только в ультрафиолетовом диапазоне спектра, но даже для длин волн короче ~ 500 нм эффективный коэффициент диффузного отражения от металлов оказывается относительно мал: у наиболее хорошо отражающего в УФ алюминия в бактерицидном диапазоне эффективный коэффициент диффузного отражения не превышает 60% (при коэффициенте зеркального отражения до 80%), а коэффициент даже зеркального отражения выше 88% только для длин волн λ > 500 нм, в случае меди коэффициент зеркального отражения выше 88% для λ > 800 нм (это уже ближний ИК диапазон), для серебра коэффициент зеркального отражения выше 88% для λ > 450 нм. Таким образом, известный механизм «металлического отражения» оказывается недостаточно эффективным, особенно в коротковолновой части спектра, включая бактерицидный диапазон.

Здесь следует отметить, что в случае металлов отражение излучения происходит в очень тонком приповерхностном слое материала толщиной меньше длины волны (~ λ/π) за счет большой величины мнимой части показателя преломления (то есть при большом коэффициенте поглощения излучения k) — свет не проходит даже сквозь тонкие (~ 1÷5 мкм) металлические фольги, поэтому здесь приемлемо выражение «отражение от поверхности» (диффузное рассеяние поверхностью) и толщина слоя металла значения для величины R практически не имеет (при толщине больше нескольких микрометров).

Предпочтительным с точки зрения реализации высокого эффективного коэффициента диффузного отражения является принципиально другой физический механизм, который реализуется и в материалах с гладкой (нешероховатой) поверхностью: многократное перерассеяние света на вариациях показателя преломления в прозрачной для излучения (то есть, в не поглощающей излучение c k≈0) среде. Такого рода среду можно получить, например в материале, представляющем собой прозрачное для излучения связующее (матрицу) с распределенными в нем также прозрачными для излучения частицами с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления связующего. В этом случае для реализации высокого эффективного коэффициента отражения необходима определенная толщина материала, которая обеспечит «возвращение», то есть диффузное отражение излучения в результате большого числа актов рассеяния. В известном техническом решении ([3]: патент SU1805435 «Состав для покрытия, отражающего ультрафиолетовое излучение») в качестве прозрачного для излучения связующего использовался силикат натрия Na₂O*nSiO₂ с характерным показателем преломления ~1,55, а в качестве прозрачных для излучения частиц с другим показателем преломления — частицы оксида магния MgO (показатель преломления ~ 1,7). Указанные компоненты материала разводились в воде и краскопультом наносились на конструкционный «носитель» (алюминий, стеклотекстолит, стеклоткань) слоем толщиной 0,5÷1 мм. После высыхания на «носителе» с низким коэффициентом отражения излучения (это особенно относится к стеклотекстолиту и стеклоткани) формировался слой диффузно отражающего материала с коэффициентом отражения до 95% в области прозрачности силикатного стекла (обычно λ > 270÷320 нм), что не позволяет использовать известное техническое решение в бактерицидном диапазоне (но вполне приемлемо в осветителях твердотельных лазеров, что являлось целью в [3], поскольку для оптической накачки используется более длинноволновое излучение). Отметим также достаточно сложную технологию перемешивания компонент с разной плотностью и обеспечения необходимого уровня однородности покрытия.

При указанном варианте реализации диффузного отражения существенно то обстоятельство, что для обеспечения R → 1 слой соответствующего материала, реализующего эффективное отражение за счет многократного рассеяния, должен быть достаточно «толстым» (в [3] ~ 1мм и это далеко не предел). В таком случае длина пробега фотонов в таком материале до обратного выхода из него L достаточно велика и многократно превосходит толщину слоя δ вследствие диффузионного характера «блуждания» света в такой рассеивающей среде. Это означает, что допустимый коэффициент поглощения излучения в таком материале k в предпочтительном варианте удовлетворяет условию kL<<1 и kδ<<<1, в типичных для настоящего изобретения ситуациях (см. также ниже) это означает k < 0,1÷0,01 см-1 и даже k << 0,01 см-1, что налагает определенные требования на используемые материалы и их чистоту, то есть на концентрацию поглощающих излучение примесей. Именно в этом смысле в формуле изобретения используется выражение «по существу непоглощающий падающее излучение материал»: коэффициент поглощения излучения материалом мал настолько, что не оказывает заметного влияния на эффективность механизма диффузного отражения падающего излучения при необходимой для отражения излучения толщине слоя материала, то же относится к понятию «прозрачный материал». При этом величину возможного коэффициента диффузного отражения в рассеивающих материалах ограничивает прежде всего именно остаточное поглощение света, которое определяет предельную целесообразную толщину такого материала условием типа kL(δ)<1 (kL(δ)<<1).

Отметим также, что для материала, состоящего из силикатного стекла и частиц оксида магния со средним показателем преломления 1,6÷1,65, коэффициент зеркального отражения при нормальном падении составляет (по формулам Френеля) 5,3÷6%. Поскольку общий коэффициент отражения согласно [3] превышает 90%, то это означает, что диффузная компонента в отраженном свете составляет не менее 84/90 ~ 93%.

Другой вариант диффузного отражения реализуется во фторопласте-4, который при своей химической однородности, в отличие от случая [3], состоит из «смеси» двух фаз микронного и субмикронного размера — квазиаморфной и квазикристаллической (их соотношение зависит от конкретной технологии изготовления и термической обработки фторопласта) с несколько различными показателями преломления. Рассеяние света на каждой границе таких фаз обеспечивает в целом высокий коэффициент диффузного отражения в ультрафиолетовом и, в том числе, бактерицидном диапазоне спектра не меньше 90% от слоя фторопласта толщиной ~ 2,5 мм и не меньше 92÷93% при толщине слоя 4÷5 мм и более, которая является предпочтительной. В этом случае, поскольку коэффициент преломления фторопласта в ультрафиолетовом диапазоне ≈ 1,4, то коэффициент зеркального отражения при нормальном падении составляет ~ 2,8% и, соответственно, доля диффузного отражения при R=93% составляет в отраженном излучении около 97%.

Для реализации высокого коэффициента диффузного отражения в случае фторопласта, вследствие малой разницы в коэффициентах преломления квазиаморфной и квазикристаллической фаз, необходим слой материала значительной толщины, что предъявляет жесткие требования к минимизации коэффициента поглощения падающего излучения в материале, то есть к наличию примесей во фторопласте-4. Чистый фторопласт-4 (политетрафторэтилен (C2F4)n, PTFE) прозрачен в дальнем УФ диапазоне вплоть до ВУФ, в то время как его сополимеры (например, фторопласт-3, фторопласт-2 и т.д.) становятся прозрачными только в области длин волн > 270÷300 нм и более. В связи с этим для реализации высокого коэффициента диффузного отражения в области спектра короче ~ 290 нм, то есть в бактерицидном диапазоне спектра, необходимо использовать фторопласт-4 высокой чистоты (primary, virgin) c минимальным количеством сополимеров (в том числе хлорсодержащих), а также любых других примесей и загрязнений. Если высокий коэффициент диффузного отражения необходим в ближнем УФ и видимом диапазонах спектра, то возможно использование смеси чистого фторопласта-4 и его сополимеров или даже сополимеров фторопласта, а также других прозрачных в соответствующем спектральном диапазоне пластиков.

В то же время реализация высокого эффективного коэффициента диффузного отражения ~ 92÷93% требует использования достаточно высокочистого и, тем самым дорогого, фторопласта-4 при его значительной толщине, что приводит к значительному весу и стоимости такого диффузно отражающего материала и ограничивает возможности его применения в изделиях большой площади. Кроме того, реализовать больший коэффициент диффузного отражения с фторопластом практически не реально, а большая величина R представляет значительный интерес — в самом деле, фактор (1-R)-1 вдвое больше при R=96%, чем при R=92% и вчетверо больше при R=98%.

Несколько больший коэффициент диффузного отражения при меньшей толщине материала возможно реализовать в так называемом экспандированном фторопласте (e-PTFE), выпускаемом, например, компанией "W.L. Gore and Associates" (США) ([2]), а также рядом других производителей. Этот материал представляет собой фторопласт-4 (тефлон) с достаточно равномерно распределенными в нем многочисленными мельчайшими (субмикронными) воздушными порами, занимающими обычно ~ 60÷70% объема. Рассеяние света на многочисленных границах фторопласт-воздух при относительном коэффициенте преломления на границе раздела около 1,4 (коэффициент преломления фторопласта в УФ около 1,4, воздуха — 1), что в несколько раз больше, чем в [3], обеспечивает эффективный коэффициент диффузного отражения от него не меньше 94÷95% в бактерицидном диапазоне уже при толщине экспандированного фторопласта 2 мм, включая длину волны ~250 нм, соответствующую излучению ртутных ламп низкого давления — основного источника света в задачах бактерицидной обработки воды и воздуха..

Специальные материалы, как правило на основе так или иначе модифицированного фторопласта могут обеспечить еще несколько больший эффективный коэффициент диффузного отражения. Это, например, такой материал, как «Spectralon» компании из США LABSPHERE, INC. с коэффициентом отражения 93% для л~250 нм и >98% для л>350 нм ([4]: https://www.labsphere.com/site/assets/files/1827/pb-13021-000_rev_03_og_spectralon-1.pdf); материалы для интегрирующих сфер AvaSphere, а также референсного отражателя WS-2 из белого диффузно-отражающего материала также на основе политетрафторэтилена производства нидерландской компании Avantes BV с коэффициентом отражения до 96% для л~250 нм и более 98% в диапазоне длин волн 330ч1500 нм ([5]: https://www.avantes.com/products/accessories/item/269-integrating-spheres). Однако эти материалы имеют высокую стоимость и их применение ограничено — такие материалы используются, как правило, в интегрирующих сферах и приемниках излучения (в качестве косинус-корректоров) и практически не приемлемы для массовых приложений.

Аналогично, высокая стоимость экспандированного фторопласта (в 30÷50 и более раз дороже в расчете за килограмм, чем у «обычного» фторопласта-4) ограничивает возможные применения этого материала. Кроме того, при использовании экспандированного фторопласта при бактерицидной обработке воздушного потока ([2]) возможное накопление в порах такого материала пыли и других примесей, имеющихся в воздушном потоке, будет постепенно снижать эффективный коэффициент диффузного отражения.

Фторопласт толщиной несколько (3÷5) миллиметров представляет собой фактически однослойный материал, обеспечивающий достаточно высокий коэффициент диффузного отражения. В то же время экспандированный фторопласт вследствие низкой жесткости в предпочтительном варианте может использоваться в качестве покрытия на «носителе», в качестве которого может использоваться конструкционный материал, как сам по себе в основном отражающий падающее излучение (например, алюминий, в том числе матированный алюминий), так и в основном поглощающий излучение (пластики, фанера и т.д.). В такой ситуации диффузно отражающий материал фактически является двухслойным, причем обращенный к падающему излучению слой является диффузно отражающим, второй слой может выбираться, исходя из других соображений и его оптические параметры не являются существенными.

Другой вариант двухслойного диффузно отражающего материала с диффузно отражающим относительно тонким внешним слоем на конструкционном носителе (то есть, в этом варианте внешний слой, на который падает излучени, также является основным с точки зрения формирования отражения также является) представляют описанное выше покрытие на основе частиц оксида магния в силикатном стекле ([3]), а также покрытие на основе сульфата бария, разработанное компанией LABSPHERE, INC. ([4]), которое при толщине более 0,5 мм обеспечивает коэффициент диффузного отражения 93% в области л~250 нм и более 96% в диапазоне длин волн 400÷1000 нм при достаточной для ряда приложений температурной стабильности такого покрытия — до 100 °С (https://www.labsphere.com/site/assets/files/1831/pb-13026_rev01spectraflect.pdf). Однако это покрытие имеет очень высокую цену и даже при его толщине до 1 мм стоимость соответствующего двухслойного материала оказывается высокой для диффузно рассеивающих материалов большой площади.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение стоимости диффузно отражающего материала с высоким эффективным коэффициентом диффузного отражения, а также снижение его веса в расчете на единицу площади такого материала.

Технический результат достигается тем, что в диффузно отражающем падающее излучение слоистом материале не меньше 30% его объема составляет по меньшей мере одна полость, заполненная порошком из по меньшей мере одного по существу непоглощающего падающее излучение материала.

Напомним, что, согласно МПК, под термином "слой" следует понимать лист, полосу и т.п. относительно малой толщины по сравнению с другими линейными размерами. Именно такое понимание термина «слой» используется в настоящей заявке на изобретение.

Идея заявляемого технического решения, до некоторой степени по аналогии с экспандированным фторопластом, состоит в том, что слой порошка с небольшими воздушными зазорами между соседними частицами (типичная пористость фторопластового порошка ~75%, типичная пористость кварцевого порошка ~ 50%) обеспечивает более эффективное рассеяние света и, как результат, эффективное диффузное отражение, чем в случае, когда те же самые частицы распределены в связующем материале аналогично известному варианту [3]. В самом деле, для границы раздела частица оксида магния — силикатное стекло относительный показатель преломления составляет ~ 1,1, а для границы раздела частица оксида магния — воздух относительный показатель преломления составляет 1,7 (Δn в 7 раз больше). При этом в случае порошка фторопласта-4 при «сильном» рассеянии на границе фторопласт-воздух сохраняется и рассеяние «внутри» каждой частицы на межфазных границах (заметим, что в случае фторопластового порошка предпочтительной является его предварительная обработка, препятствующая слипанию и комковатости порошка — такая обработка хороша известна).

Предпочтительной, очевидно, является ситуация, когда толщина слоя порошка многократно превосходит характерный размер отдельной частицы. Это легко обеспечить уже при толщине слоя порошка 1÷3 мм, поскольку получение порошка со средним размером частиц размером 5÷20 мкм и (при необходимости) меньшего — микронного — масштаба не представляет технической проблемы.

В ряде случаев дополнительный выигрыш в эффективности рассеяния и, следовательно, диффузного отражения за счет появления дополнительных границ раздела может быть реализован при использовании полых микрочастиц, в частности полых микросфер — особенно в случае диффузно отражающих материалов для видимого и ближнего ИК диапазонов спектра.

Укажем, что создание слоя порошка толщиной 2÷3 мм и более, например, 4÷6 мм не составляет труда в то время как создание слоя покрытия подобного описанному в [3]-[4] аналогичной толщины является серьезной технической проблемой.

Далее, с точки зрения стоимости заявляемого диффузно отражающего падающее излучение слоистого материала существенно, что в большинстве случаев порошок значительно дешевле соответствующего «плотного» («сплошного») материала. Например, стоимость фторопластового порошка в расчете на килограмм обычно в ~ 2 раза ниже стоимости листового фторопласта. Более того, поскольку, как установлено автором, эффективный коэффициент диффузного отражения от слоя фторопластового порошка толщиной несколько миллиметров по крайней мере не меньше, чем от «сплошного» слоя той же толщины, то, с учетом трех-четырехкратного различия в плотности, получим что стоимость слоя порошка в 6÷8 раз меньше стоимости сплошного слоя той же толщины при даже большей величине R, чем в случае «сплошного» материала. Заметим, что при этом чистота фторопластового порошка, очевидно, не хуже чистоты изготавливаемого из него сплошного материала, а пройденное фотоном в такого рода среде расстояние меньше, чем в сплошной среде, что существенно с точки зрения требований к качеству материала согласно заявляемому техническому решению.

Один из вариантов реализации заявляемого технического решения представлен на фиг. 1, на которой представлен заполненный порошком коробчатый фторопластовый профиль: 1 — обращенная к падающему излучению (показано стрелками) сторона профиля, 2 — противоположная сторона профиля, 3 — боковые стенки профиля, создающие полость в нем, 4 — порошок из непоглощающего падающее излучение материала (например, фторопластовый или кварцевый порошок) или смеси таких материалов (например, фторопластового и кварцевого порошков). Один торец профиля «закрывается», затем в профиль засыпается порошок и после этого «закрывается» его второй торец — в итоге реализуется диффузно отражающий слоистый материал, состоящий из «сплошного» профиля и заполненной порошком полости в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения.

Минимальный объем полости 30% от общего объема слоистого материала в заявляемом изобретении обусловлен выбранным автором критерием целесообразного снижения веса и стоимости заявляемого слоистого материала не менее, чем на 15÷20%. В самом деле, предполагая, что средняя насыпная плотность порошка и его цена (за килограмм) составляет 50% стоимости сплошного материала, из которого выполнена оставшаяся часть (остальные слои) заявляемого материла, получим, что при указанной доле объема полости вес единицы площади заявляемого материала снизится 15%, а стоимость используемого материала — на 22,5% (при этом следует учитывать, что трудоемкость изготовления заявляемого слоистого материала несколько возрастает по сравнению с вариантом использования одного листа соответствующей толщины и общая экономия стоимости материала с учетом его изготовления будет несколько ниже экономии в цене его компонентов). Конечно, предпочтительным является вариант заявляемого слоистого материала с долей объема заполненной порошком полости (полостей) значительно большей.

В предпочтительном варианте реализации заявляемого технического решения обращенный к падающему излучению «сплошной» слой непоглощающего излучение материала 1 имеет относительно небольшую толщину, обеспечивающую достаточную жесткость и газо-водонепроницаемость по отношению к нижележащему слою порошка. Далее слой порошка 4 обеспечивает высокоэффективное диффузное отражение падающего излучения и, наконец противоположный падающему излучению «сплошной» слой 4 обеспечивает жесткость материала, как целого.

Для достаточно тонкого слоя 1 и значительной площади заявляемого слоистого материала (отдельной панели или конструкционного элемента такого материала) может быть целесообразно использовать периодически расположенные между стенками профиля опорные для слоя 1 «элементы жесткости» 5 (фиг. 2, врезка), в качестве которых могут выступать ребра жесткости 5, выполняемые непосредственно при изготовлении соответствующего профиля. В этом случае при «герметизации» такого профиля с торцов фактически в указанном варианте слоистый материал содержит несколько полостей (число ребер жесткости +1) с порошком.

В одном из вариантов реализации заявляемого технического решения обращенный к падающему излучению непоглощающий излучение слой 1 и противоположный «несущий» слой 2 изготавливаются независимо и могут быть выполнены как из одного материала (например, фторопласта), так и из разных материалов. На фиг. 3а показан вариант заявляемого слоистого материала, когда слои 1 и 2 выполнены из разных материалов (имеют разную штриховку), при этом слой 2 включает также боковые стенки 3 и «элементы жесткости» 5, в частности ребра жесткости.

В другом варианте реализации предлагаемого технического решения слой 2 может быть выполнен без боковых стенок и элементов жесткости (например, из листа или пластины), а независимо и отдельно изготавливаются боковые стенки 3 полостей заявляемого слоистого материала и его «внутренние» элементы жесткости 5, которые после сборки совместно со слоями 1, 2 и слоем порошка 4 формируют заявляемый слоистый материал (фиг. 3б). В последнем случае слой 2 может изготавливаться из материала с относительно низким коэффициентом отражения падающего излучения (металлы, пластик, фанера и т.д.).

Элементы жесткости могут представлять собой не только ребра жесткости различной длины прямоугольного сечения, «высота» которого соответствует толщине слоя порошка 4. В качестве таких элементов могут использоваться периодически расположенные втулки, например, круглого сечения, высота которых соответствует толщине слоя порошка в заявляемом слоистом материале. Такие втулки могут представлять собой фторопластовые цилиндры, диаметр и период расположения которых определяются конкретными требованиями к жесткости заявляемого слоистого материала и зависят, в том числе от толщин слоев 2 и, особенно, 1 (предполагая, что слой 2 целесообразно выполнять более жестким). Например, для фторопластового слоя 1 толщиной 0,7÷1 мм могут использоваться втулки диаметром ~5 мм при шаге между ними ~ 40÷50 мм, в этом случае доля площади слоя, занимаемая втулками, относительно мала и составляет 1÷1,5%, при этом изготовленные из фторопласта втулки достаточно эффективно принимают участие в диффузном отражении падающего излучения. Кроме того, за счет внутренних элементов жесткости заявляемый материал может иметь достаточную жесткость (вплоть до конструкционной) даже при достаточно малых толщинах слоев 1 и 2.

Заявляемый слоистый материал может иметь не только плоскую геометрию. На фиг. 4 представлен вариант такого слоистого материала с цилиндрической симметрией в случае, когда источник излучения расположен внутри цилиндра (стрелками показано падающее на слоистый материал излучение). Здесь 1 — обращенный к падающему излучению слой материала в форме трубы с ребрами жесткости 3, выполненный как одно целое, например из фторопласта (заранее изготавливается профиль в виде трубы с внешними ребрами жесткости), противоположный падающему излучению «несущий» слой 2 представляет собой трубу из, например, алюминия, полости между этими слоями заполнены порошком из непоглощающего излучение материала. С торцов указанный слоистый материал герметизируется, например соответствующими фторопластовыми кольцами, возможно и использование других материалов для герметизации полостей в указанном варианте слоистого материала.

Заявляемый слоистый материал также может изготавливаться в виде отдельных пластин, в том числе более сложной, чем прямоугольная, формы, сборка которых может сформировать заданную объемную структуру (пример — состоящий из пятиугольных и шестиугольных граней футбольный мяч).

Отметим, что в предпочтительном варианте элементы жесткости (втулки, ребра, боковые стенки заявляемого слоистого материала) изготавливаются из материалов, которые эффективно диффузно рассеивают или отражают падающее излучение (предпочтительно диффузно рассеивают и по этой причине использование именно фторопластовых втулок может быть целесообразным) сами по себе, либо на их поверхность нанесено соответствующее покрытие, предпочтительно диффузно отражающее. Здесь использование даже дорогих покрытий не приводит к сколько-нибудь заметному повышению стоимости, поскольку суммарная площадь поверхности этих элементов мала по сравнению с площадью заявляемого материала.

Соединение элементов слоистого материала 1-3, 5 друг с другом может выполняться различными известными специалистам способами, как-то клей, резьбовое соединение, с помощью силового зацепления, например, соединения типа «ласточкин хвост» и т.д. При силовом зацеплении могут использоваться соответствующие герметизирующие прокладки, в предпочтительном варианте также из хорошо отражающего или рассеивающиего падающее излучение материала, например из экспандированного фторопласта. Здесь также существенно, что в основных применениях заявляемого слоистого материала механические нагрузки на него, как правило, достаточно малы.

Следует указать, что в предпочтительном варианте реализиации заявляемого слоистого материала полость (полости) с порошком герметизируется как с целью предотвратить проникновение в полость (полости) с порошком пыли из окружающего воздуха (поглощение излучения пылью может со временем ухудшать эффективность диффузного отражения падающего излучения порошком), так и — прежде всего — с целью предотвратить «высыпание» порошка из соответствующих полостей. Отметим, что для предотвращения высыпания порошка из полостей достаточно того, чтобы размеры щелей в стенках полости были меньше минимального размера используемого порошка — например, для порошка с дисперсностью 20 мкм (10÷50 мкм) наличие щелей с размером 3÷5 мкм не является проблемой, то есть условие «герметичности» полости не является в каком-то смысле «жестким». Проникновение пыли через такого рода щели также, как правило, незначительно и в силу малого размера щелей, и вследствие того, что пыль фактически блокируется тонким слоем порошка вблизи такой щели. Здесь также существенно, что в подавляющем большинстве приложений заявляемый слоистый материал не подвергается существенным и частым ударным и вибрационным нагрузкам.

Отметим, что наличие элементов жесткости (втулок, ребер жесткости), тем не менее, позволяет применять термин «слой» к заполненной порошком полости (полостям) заявляемого слоистого материала, поскольку, согласно формулировкам патентного права, слой может быть изготовлен из отдельных частиц материала, он также может быть прерывистым (в случае использования втулок или ребер жесткости относительно небольшой длины связность слоя порошка сохраняется).

Обращенный к падающему излучению непоглощающий слой 1 может быть выполнен из диффузно рассеивающего или прозрачного для излучения материала, поскольку основной вклад в эффективный коэффициент диффузного отражения здесь вносит слой порошка. В качестве диффузно рассеивающего материала слоя 1 для УФ диапазона спектра предпочтителен фторопласт-4 (в том числе дальнего УФ диапазона, для больших «рабочих» длин волн возможно использование сополимеров фторопласта). В качестве прозрачного для падающего излучения слоя 1 в УФ диапазоне может использоваться кварцевое стекло (для дальнего УФ диапазона — кварцевое стекло с минимальным количеством примесей), а также другие известные своей прозрачностью в УФ материалы, как правило существенно более дорогие, например: фториды магния или лития, лейкосапфир. Если диффузно рассеивающий слоистый материал применяется в видимом диапазоне спектра, то в качестве слоя 1 могут использоваться прозрачные в видимом диапазоне и существенно более дешевые материалы, включая прозрачные пластмассы, например акрил.

Аналогично, в зависимости от спектрального диапазона, в котором предполагается применение заявляемого диффузно отражающего слоистого материала, могут использоваться порошки из различных материалов. В УФ диапазоне это могут быть порошки прозрачных в этой области спектра материалов, прежде всего фторопласта-4, SiO₂, Al₂O₃, MgO. Заметим здесь, что коэффициент преломления для указанных оксидов значительно выше, чем для фторопласта, что обеспечивает более эффективное диффузное отражение для той же толщины слоя порошка того же (близкого) размера частиц. Следует также указать, что стоимость кварцевого порошка (используются также термины «кварцевый песок», «кварцевая мука») высокой чистоты, вплоть до содержания оксида кремния SiO₂ 99,999%, значительно ниже стоимости даже фторопластового порошка, при этом примесь прозрачного для УФ излучения оксида алюминия в кварцевом порошке не ухудшает качество диффузного отражения от слоя такого порошка и в основном контролироваться должно содержание в кварцевом порошке оксида железа, которого обычно значительно меньше, чем оксида алюминия.

Если заявляемый слоистый материал предполагается использовать в видимом и ближнем ИК диапазоне, то предпочтительным может быть использование порошка диоксида титана TiO₂, имеющего высокий (больше 2,0) коэффициент преломления и достаточно низкую цену при высоком качестве (чистоте) и широком диапазоне дисперсности (диапазоне размера частиц) порошка.

В качестве примера реализации заявляемого слоистого материала приведем трехслойную пластину размером 160х160 мм, изготовленную в соответствии с фиг. 3б. Обращенный к излучению слой 1 изготовлен из листа фторопласта-4 толщиной 1 мм, противоположный слой 2 изготовлен также из листа фторопласта-4 толщиной 1 мм. Боковые стенки (грани) слоистого материала 3 выполнены из фторопласта 4 и имеют сечение 2х3 мм, при этом размер 3 мм соответствует расстоянию между слоями 1 и 2. В качестве элементов жесткости используются вставки из фторопласта-4 в виде цилиндрических втулок диаметром 5 мм, расположенных в вершинах квадратной сетки со стороной 40 мм (доля площади слоя, занимаемая втулками около 1,4%). Между слоями 1 и 2 находится слой порошка 4 толщиной 3 мм из фторопласта-4 с характерным размером частиц 10÷20 мкм, частицы термообработаны на отсутствие слипания, насыпная плотность порошка 500÷550 кг/м³ — около 25% плотности «сплошного» фторопласта-4, стоимость порошка за килограмм веса составляет около 60% стоимости «сплошного» фторопласта-4.

Поверхность всех компонентов слоистого материала («сплошных» пластин 160х160х1 мм, втулок и боковых граней) предварительно химически очищалась от примесей и «грязи».

Таким образом, слоистый материал имеет толщину 5 мм с долей объема, занимаемой порошком около 60%, при этом вес изготовленного слоистого материала соответствует весу «сплошного» фторопластого листа толщиной 2,8 мм (~60% веса фторопластовой пластины толщиной 5 мм тех же размеров), а стоимость использованных материалов — стоимости «сплошного» фторопластого листа толщиной около 2,5 мм (~50% стоимости фторопластовой пластины толщиной 5 мм тех же размеров). При этом эффективный коэффициент диффузного отражения излучения ртутной лампы низкого давления с длиной волны ≈254 нм (бактерицидный диапазон спектра) от описанного слоистого материала составил R≈96÷96,5%, в то время как эффективный коэффициент диффузного отражения от пластины из сплошного фторопласта-4 той же толщины не превышал 93÷94% — соответственно, важнейший фактор для диффузно отражающих материалов (1-R)-1 для заявляемого слоистого материала почти вдвое больше при значительно меньших весе и стоимости.

При использовании вместо фторопластового порошка кварцевого порошка чистотой 99,995% с примесью оксида железа не более 0,0005% аналогичной дисперсности эффективный коэффициент диффузного отражения оказался приблизительно тем же — около 97%, при этом слоистый материал оказался несколько тяжелее — до 80% веса сплошного фторопласта толщиной 5 мм (насыпная плотность кварцевого порошка около 1400 кг/м³) и несколько дешевле (~ 40% стоимости сплошного фторопласта толщиной 5 мм).

То есть, фактически в заявляемом слоистом материале был достигнут уровень коэффициента диффузного отражения экспандированного фторопласта толщиной ~ 2 мм при многократном снижении стоимости используемого материала в расчете на единицу его площади.

Отметим, что использование элементов жесткости (боковых стенок и втулок) позволило обеспечить достаточно высокую жесткость описанного слоистого материала при толщине сплошных слоев 1 и 2 всего по 1 мм, то есть заявляемый слоистый материал может использоваться в качестве конструкционного.

Таким образом, техническим результатом, обеспечиваемым приведенной в заявляемом изобретении совокупностью признаков, является снижение стоимости диффузно отражающего материала с высоким эффективным коэффициентом диффузного отражения, а также снижение его веса в расчете на единицу площади такого материала.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения и известных аналогов выявляет наличие существенных отличительных признаков, что обеспечивает ему соответствие критериям «новизна» и «существенные отличия».

Возможность создания заявляемого слоистого материала на базе известных комплектующих и технологий (в том числе, изготовления порошков необходимой дисперсности, соединения слоев между собой и т.д.) обеспечивает промышленную применимость заявляемого технического решения, некоторые конкретные варианты его реализации были также описаны выше.

Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены очевидные для квалифицированных специалистов в этой отрасли изменения описанных выше вариантов выполнения слоистого материала с высоким коэффициентом диффузного отражения, а также его переделка без отклонения от защищаемых формулой изобретения положений. В частности, могут использоваться порошки и смеси порошков различной дисперсности и различной геометрической формы (не только близкой к сферической, возможно использование частиц произвольной формы, в том числе и колотых), различные технологии изготовления порошков и варианты заполнения порошком полостей в слоистом материале, включая способы уплотнения порошков при заполнении, например за счет использования ультразвука, варианты соединения слоев и способы предварительной очистки соединяемых в слоистый материал слоев и порошка от примесей и «грязи» и т.д.

Изобретение относится к слоистым материалам, диффузно отражающим падающее излучение с высоким эффективным коэффициентом отражения, и представляет интерес в светотехнике и спектроскопии, а также в средствах обеззараживания и очистки воздуха с использованием бактерицидного ультрафиолетового излучения. Диффузно отражающий падающее излучение слоистый материал характеризуется тем, что не меньше 30% его объема составляет по меньшей мере одна закрытая полость, заполненная порошком из по меньшей мере одного по существу непоглощающего падающее излучение материала. Изобретение обеспечивает снижение веса материала с высоким эффективным коэффициентом диффузного отражения в расчете на единицу площади такого материала. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Диффузно отражающий падающее излучение слоистый материал, отличающийся тем, что не меньше 30% его объема составляет по меньшей мере одна закрытая полость, заполненная порошком из по меньшей мере одного по существу непоглощающего падающее излучение материала.

2. Диффузно отражающий падающее излучение слоистый материал по п. 1, отличающийся тем, что включает по меньшей мере два слоя, причем по меньшей мере один слой представляет собой слой порошка из по существу непоглощающего падающее излучение материала.

3. Диффузно отражающий падающее излучение слоистый материал по п. 2, отличающийся тем, что включает три слоя, причем слой порошка из по существу не поглощающего падающее излучение материала располагают между двумя другими слоями.

4. Диффузно отражающий падающее излучение слоистый материал по п. 2, отличающийся тем, что обращенный к падающему излучению слой выполнен из по существу прозрачного для падающего излучения материала.

5. Диффузно отражающий падающее излучение слоистый материал по п. 2, отличающийся тем, что обращенный к падающему излучению слой выполнен из по существу диффузно рассеивающего падающее излучение материала.

6. Диффузно отражающий падающее излучение слоистый материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала порошка выбирают по меньшей мере один материал из группы SiO₂, Al₂O₃, MgO, TiO₂, фторопласт-4.