Радиопоглощающий материал (варианты) Российский патент 2021 года по МПК H01Q17/00 

Изобретение относится к радиопоглощающим материалам (РПМ), эффективным в диапазоне частот от 6 до 40 ГГц, и может быть использовано в тех областях техники, где требуются облегченные негорючие радиозащитные материалы, устойчивые к длительным воздействиям высоких температур.

Наиболее широко известны РПМ на основе полимерного органического связующего, служащего матрицей для равномерного распределения радиопоглощающих веществ в объеме материала. Чаще всего в качестве радиопоглощающих веществ используются углерод технический, сажа, графит, карбонильное железо, ферриты.

Известны РПМ на основе пенополиуретана, содержащего в качестве электропроводного наполнителя технический углерод (RU 2275719) или углеродное волокно (RU 2410777). Недостатками данных материалов является горючесть, выделяющиеся при термическом воздействии вредные газообразные продукты, относительно высокий удельный вес (0,35-0,40 г/см³).

Известен РПМ, содержащий в качестве диэлектрического связующего полисилоксан (олигофенилсилсесквиоксандиметилсилоксан), а в качестве поглощающего электро-магнитное излучение наполнителя углеродное волокно в количестве 0,0001-1,0 об. % и магнитный порошок в количестве 5-50 об. %. Дополнительно материал может содержать стеклянные микросферы в количестве 30-65 об. % (RU 2273925). Недостатками данного известного материала являются горючесть, вредные газообразные продукты, выделяющиеся при термическом воздействии, и высокий удельный вес в силу использования порошкового магнитного наполнителя.

Известен ряд РПМ на основе эпоксидной смолы. В качестве веществ, поглощающих радиоволновое излучение, используют: двухкомпонентный порошкообразный наполнитель, состоящий из дискретных углеродных волокон и порошкообразного карбонильного железа (RU 2500704); порошковый наполнитель в виде микрогранул из поликремниевой кислоты, содержащих либо феррит, либо медь, либо фуллерен С₇₀, равномерно распределенные в объеме микрогранулы в форме нанокластеров (RU 2355081); углеродные нанотрубки, предварительно обработанные в смеси серной и азотной кислот (RU 2570003). Недостатками данных РПМ являются горючесть, выделяющиеся при термическом воздействии вредные газообразные продукты, высокий удельный вес при использования порошкового наполнителя (не менее 1 г/см³), технологические и экологические проблемы, возникающие при распределении в объеме неотвержденной эпоксидной смолы, являющейся в этом состоянии ядовитым веществом, мелкодисперсных углеродных нанотрубок и дискретных углеродных волокон. При использовании в качестве наполнителя углеродных нанотрубок из-за необходимости их специальной подготовки (обработка в смеси серной и азотной кислот) возникают дополнительные технологические сложности.

Известно использование для РПМ в качестве диэлектрического связующего пеностекла - экологически чистого тепло- и звукоизоляционного материала, применяемого в строительстве. Пеностекло обладает негорючестью и влагостойкостью. В качестве поглощающего наполнителя в РПМ на основе пеностекла используются сажа (RU 2494507), сажа и никель-цинковый феррит (RU 2110122), карбид кремния (RU 2375793), карбид кремния, графит, феррит и их смеси (CN 1286474), отход полупроводникового производства, состоящий из арсенида галлия и карбида кремния (RU 2707656). Недостатками данных РПМ на основе пеностекла являются сравнительно высокий удельный вес (до 0,45 г/см³), большая требуемая толщина пеностекла - до 350 мм, что технологически неосуществимо, так как максимальная толщина блочного пеностекла составляет 180 мм. Для получения более высоких значений блоки пеностекла склеивают, что усложняет технологию получения РПМ. Процесс изготовления РПМ на основе пеностекла осуществляется при высоких температурах (920-930°С), что сопровождается высокими энергозатратами.

Наиболее близким к предлагаемому радиопоглощающему материалу является радиопоглощающий материал на основе отверждаемого эпоксидного компаунда, описанный в патенте RU 2417491, МПК H01Q 17/00, опубл. 27.04.2011 (прототип). РПМ-прототип содержит отверждаемый эпоксидный компаунд, гранулированный технический углерод и полые полимерные или стеклянные микросферы при следующем соотношении компонентов, мас. %:

отверждаемый компаунд 60-77 углерод технический 20-30 микросферы полые 3-10

Материал-прототип обладает хорошей поглощающей способностью, но является горючим, выделяющим при термическом воздействии вредные газообразные продукты, характеризуется высоким удельным весом (1 г/см³), что снижает его эффективность, а технология изготовления материала основана на использовании ядовитой эпоксидной смолы.

Задачей предлагаемого изобретения является создание РПМ (вариантов), который будет отличаться негорючестью (класс НГ), высокой термостойкостью, отсутствием продуктов деструкции при термическом воздействии, низкой плотностью - не более 0,2 г/см³, требуемыми радиотехническими характеристиками и экологичной технологией изготовления.

Решение поставленной задачи достигается:

- предлагаемым радиопоглощающим материалом, содержащим диэлектрическое связующее и наполнитель, включающий полые стеклянные микросферы и поглощающий электромагнитное излучение углеродный продукт, который в качестве диэлектрического связующего содержит полиалюмохромфосфат, в качестве углеродного продукта сажу и дисперсное углеродное волокно при следующем соотношении компонентов, мас. %:

полиалюмохромфосфат 54,5-58,0 полые стеклянные микросферы 27-39 сажа 6-12 дисперсное углеродное волокно 0-3

и получен смешением наполнителя с водным раствором алюмохромфосфата при массовом соотношении алюмохромфосфат/вода = 1:2-2,2 с последующим отверждением. Средний размер полых стеклянных микросфер составляет 65 мкм.

- предлагаемым радиопоглощающим материалом, содержащим диэлектрическое связующее и наполнитель, включающий полые стеклянные микросферы и поглощающий электромагнитное излучение углеродный продукт, который в качестве диэлектрического связующего содержит продукт взаимодействия алюмоборфосфата и тетрабората натрия, в качестве углеродного продукта сажу и дисперсное углеродное волокно при следующем соотношении компонентов, мас. %:

полиалюмоборфосфат 42-49 тетраборат натрия 12-20 полые стеклянные микросферы 23,9-38,4 сажа 6-10 дисперсное углеродное волокно 0-3

и получен смешением наполнителя и тетрабората натрия с водным раствором алюмоборфосфата при массовом соотношении алюмоборфосфат/вода = 1:2-2,2 с последующим отверждением.

Средний размер полых стеклянных микросфер составляет 65 мкм. Отличительной особенностью предлагаемого РПМ (вариантов) помимо огнестойкости и высокой термостойкости является низкая удельная плотность материала (0,15-0,20 г/см³), что повышает его эффективность. Снижение плотности РПМ достигается, во-первых, значительным повышением содержания полых стеклянных микросфер в составе материала и, во-вторых, применением при получении РПМ порообразователя - воды, которая добавляется к связующему в заявляемом количестве и испаряется при отверждении нагреванием до 180°С, создавая микропоры. При отклонении количества воды от оптимальной концентрации наблюдается укрупнение пор, что ухудшает характеристики материала.

При содержании полых стеклянных микросфер в составе предлагаемого РПМ выше 39 мас. % ухудшаются радиотехнические характеристики материала. Увеличение среднего диаметра микросфер выше 65 мкм также ухудшает свойства РПМ.

Для обеспечения необходимых радиотехнических характеристик содержание сажи в РПМ должно быть не менее 6 мас. %, повышение выше 12 мас. % приводит к увеличению удельной плотности материала.

Введение углеродного волокна упрочняет материал и благоприятно сказывается на радиотехнических свойствах.

Полиалюмоборфосфат по сравнению с полиалюмохромфосфатом отличается меньшей влагостойкостью. Для придания заявляемому РПМ по второму варианту гидрофобных свойств в его состав введен тетраборат натрия. Количество Na₂B₄O₇ менее 12 мас. % не приводит к высокой гидрофобности, а введение более 20 мас. % не изменяет свойства.

Оба варианта предлагаемого РПМ отличаются огнестойкостью (кислородный индекс 100%), класс горючести НГ), теплостойкостью (>800°С), отсутствием продуктов термической деструкции при нагреве до 700°С.

Предлагаемый РПМ (варианты) получают следующим образом.

Олигомер алюмохромфосфата (АХФС, марка В-1) или алюмоборфосфата (АБФС, марка Б) разбавляют водой в массовом соотношении олигомер/вода = 1:2-2,2 и при перемешивании добавляют сажу (марка П366Э), углеродное волокно (FibARMFiber С), полые стеклянные микросферы и тетраборат натрия при получении второго варианта РПМ, смесь помещают в форму, нагревают со скоростью 5°/мин до 180°С и выдерживают при 180°С в течение часа. Состав и свойства полученных образцов РПМ приведены в таблице.

Предлагаемый РПМ (варианты) может быть получен внутри оболочки или помещен в оболочку из армированного композита на основе фосфатных связующих (см. рис. ), либо на поверхность полученного материала может быть нанесен термостойкий защитный слой на основе фосфатных, силикатных или цементных связующих.

Как видно из приведенных данных, заявляемый РПМ (варианты) характеризуется огнестойкостью, высокой термической стойкостью и низкой плотностью (не более 0,2 г/см³). Материал экологическая безопасен, подвергается механической обработке, поглощает электромагнитное излучение в широком диапазоне СВЧ волн, модуль коэффициента отражения РПМ пирамидальной формы высотой 35 см при нормальном падении излучения не превышает 40 дБ в диапазоне частот от 6 до 40 ГГц.

Предлагаемый РПМ (варианты) получают по экологически чистой, простой и энергосберегающей технологии с использованием отечественных материалов и оборудования.

Изобретение относится к радиопоглощающим материалам (РПМ), эффективным в диапазоне частот от 6 до 40 ГГц, и может быть использовано в тех областях техники, где требуются облегченные негорючие радиозащитные материалы, устойчивые к длительным воздействиям высоких температур. Предложены два варианта РПМ: РПМ, содержащий диэлектрическое связующее полиалюмохромфосфат и поглощающий электромагнитное излучение наполнитель, включающий полые стеклянные микросферы, сажу и дисперсное углеродное волокно, при следующем соотношении компонентов, мас. %: полиалюмохромфосфат - 54,5-58,0; полые стеклянные микросферы - 27-39; сажа - 6-12; дисперсное углеродное волокно - 0-3, полученный смешением наполнителя с водным раствором алюмохромфосфата при массовом соотношении алюмохромфосфат/вода = 1:2-2,2 с последующим отверждением; РПМ, содержащий диэлектрическое связующее - продукт взаимодействия алюмоборфосфата и тетрабората натрия, и поглощающий электромагнитное излучение наполнитель, включающий полые стеклянные микросферы, сажу и дисперсное углеродное волокно, при следующем соотношении компонентов, мас. %: полиалюмоборфосфат - 42-49; тетраборат натрия - 12-2 0; полые стеклянные микросферы - 23,9-38,4; сажа - 6-10; дисперсное углеродное волокно - 0-3, полученный смешением наполнителя и тетрабората натрия с водным раствором алюмоборфосфата при массовом соотношении алюмоборфосфат/вода = 1:2-2,2 с последующим отверждением. Техническим результатом при реализации заявленного решения является создание РПМ (варианты), характеризуемого огнестойкостью (класс горючести НГ), высокой термической стойкостью и низкой плотностью (не более 0,2 г/см³), а также экологически безопасного, поглощающего электромагнитное излучение в широком диапазоне СВЧ-волн. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Радиопоглощающий материал, содержащий диэлектрическое связующее и наполнитель, включающий полые стеклянные микросферы и поглощающий электромагнитное излучение углеродный продукт, отличающийся тем, что в качестве диэлектрического связующего он содержит полиалюмохромфосфат, в качестве углеродного продукта сажу и дисперсное углеродное волокно при следующем соотношении компонентов, мас. %:

полиалюмохромфосфат 54,5-58,0 полые стеклянные микросферы 27-39 сажа 6-12 дисперсное углеродное волокно 0-3

и получен смешением наполнителя с водным раствором алюмохромфосфата при массовом соотношении алюмохромфосфат/вода = 1:2-2,2 с последующим отверждением.

2. Радиопоглощающий материал по п. 1, отличающийся тем, что средний размер полых стеклянных микросфер составляет 65 мкм.

3. Радиопоглощающий материал, содержащий диэлектрическое связующее и наполнитель, включающий полые стеклянные микросферы и поглощающий электромагнитное излучение углеродный продукт, отличающийся тем, что в качестве диэлектрического связующего он содержит продукт взаимодействия алюмоборфосфата и тетрабората натрия, а в качестве углеродного продукта сажу и дисперсное углеродное волокно при следующем соотношении компонентов, мас. %:

полиалюмоборфосфат 42-49 тетраборат натрия 12-20 полые стеклянные микросферы 23,9-38,4 сажа 6-10 дисперсное углеродное волокно 0-3

и получен смешением наполнителя и тетрабората натрия с водным раствором алюмоборфосфата при массовом соотношении алюмоборфосфат/вода = 1:2-2,2 с последующим отверждением.

4. Радиопоглощающий материал по п. 3, отличающийся тем, что средний размер полых стеклянных микросфер составляет 65 мкм.