Радиопоглощающий материал Российский патент 2025 года по МПК G12B17/02 C08L9/06 C08K3/00 C08K5/09 

Изобретение относится к области радиопоглощающих материалов, а именно к эластомерным радиопоглощающим композиционным материалам, предназначенным для обеспечения защиты технических средств, зданий, помещений и персонала в различных отраслях промышленности и сферы услуг от вредных воздействий электромагнитных полей радиочастотного диапазона.

Воздействие электромагнитного излучения различной природы на технические и биологические объекты является существенным фактором, влияющим на их нормальное функционирование. С помощью радиопоглощающих материалов решают широкий круг задач, таких как защита информации от несанкционированного доступа, обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, уменьшение радиолокационной заметности, защита человека от электромагнитного излучения.

В настоящие время к радиопоглощающим материалам наряду с другими требованиями предъявляются и такие, как более высокая степень эластичности и гибкости для защиты криволинейных поверхностей и расширение диапазона поглощения электромагнитного излучения.

Радиопоглощающие свойства обеспечиваются соответствующими компонентами (диэлектрики, электропроводящие и магнитные материалы), которые вводятся в заданном соотношении. Обычно радиопоглощающие материалы состоят из матрицы с низкой диэлектрической проницаемостью, в которой равномерно распределены электропроводящие (углерод технический, графит, металлические частицы, углеродное волокно) и магнитные (карбонильное железо, ферриты, магнетит и др.) наполнители.

В качестве матриц радиопоглощающих материалов (РПМ) наиболее широко используются эпоксидная смола, полиуретан, силиконовый каучук, ПВХ-пластизоли и др.

Известны радиопоглощающие материалы, включающие в качестве полимерного связующего синтетический клей «Элатон» на основе водоэмульсионного латекса и в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при соотношении компонентов, масс. %: синтетический клей «Элатон» на основе латекса 80-20, порошкообразный феррит или карбонильное железо 20-80 [1]. Недостатками материала являются невысокие физико-механические свойства (гибкость, эластичность), узкий диапазон рабочих температур композиций на основе латекса, высокая стоимость используемых наполнителей.

Известны радиопоглощающие материалы на основе эпоксидной смолы ЭД-16 ГОСТ 10587 и карбонильного железа ГОСТ 13610 (ОСТ 107.460007.006-92); эпоксидной смолы, технического углерода и стеклянных микросфер [2]. Недостатками вышеназванных материалов являются невысокая эластичность, жесткость, недостаточно широкий диапазон рабочих температур, недостаточная устойчивость при работе в условиях повышенной влажности, высокая стоимость материала на основе карбонильного железа.

Известны радиопоглощающие материалы на основе диэтиленгликольуретана ТУ 6-03-388, наполненного карбонильным железом (ОСТ 107.460007.006-92); пенополиуретана и технического углерода [3]. Недостатками материалов являются невысокая эластичность и недостаточная устойчивость к воздействию повышенной влажности.

Известны радиопоглощающие материалы на основе низкомолекулярного диметилсилоксанового каучука СКТН, наполненного альсиферовым порошком [4] или наполненного карбонильным железом [5]. Однако, полимерные составы основаны на применении дефицитного низкомолекулярного каучука СКТН, обладают более высокой стоимостью, отличаются сложностью процесса получения для обеспечения однородности состава.

Наиболее близким к предлагаемому радиопоглощающему материалу является самоклеящийся радиопоглощающий материал, состоящий из связующего и функционального наполнителя. В качестве связующего используют неотверждаемый герметик «Абрис» на основе этиленпропиленового каучука, а в качестве функционального наполнителя – смесь углеродсодержащего материала и наполнителя на основе оксидов металла (углеродное волокно UFM-4HD и металлическая окалина). Радиопоглощающий материал имеет следующий состав, масс. %: 48-52 неотверждаемый герметик «Абрис», 4-6 углеродное волокно UFM-4HD, 44-46 металлическая окалина [6].

Данный материал имеет ряд важных существенных качеств: обладает радиопоглощающими свойствами в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне, является самоклеящимся и технологичным материалом при проведении монтажных работ. Недостатками известного решения являются невысокие физико-механические свойства (прочность, эластичность) и нестабильные радиопоглощающие свойства. Невысокие физико-механические свойства обусловлены использованием в качестве полимерной основы неотверждаемого герметика «Абрис». Известно, что одним из недостатков неотверждаемых полимерных композиций является невысокая прочность и эластичность по сравнению с отверждаемыми материалами. Это ограничивает применение неотверждаемого радиопоглощающего материала в изделиях и на объектах, требующих повышенные прочностные свойства, а также эксплуатирующиеся при воздействии повышенных температур и УФ-излучения.

Металлическая окалина, являясь продуктом окисления металла в результате взаимодействия с внешней средой при нагревании, представляет собой смесь оксидов металла, химический состав и дисперсность которой непостоянны и могут колебаться в зависимости от температуры и избытка кислорода при получении. Нестабильность состава и дисперсности используемой металлической окалины влияют на стабильность радиопоглощающих свойств прототипа.

Технической задачей изобретения является создание радиопоглощающего материала, обладающего в сравнении с прототипом, улучшенными физико-механическими свойствами (эластичность, прочность) и радиопоглощающими свойствами в расширенном диапазоне частот.

Техническим результатом изобретения является создание радиопоглощающего материала, обладающего повышенной прочностью, эластичностью и радиопоглощающими свойствами в расширенном частотном диапазоне.

Указанный технический результат достигается тем, что радиопоглощающий материал, состоящий из связующего на основе каучука и функционального наполнителя в виде смеси оксидов металла и углеродсодержащего материала, отличающийся тем, что в качестве связующего содержит бутадиен-стирольный маслонаполненный каучук, в качестве функционального наполнителя содержит смесь из модифицированного металлического порошка, графита и технического углерода, дополнительно в качестве пластификатора содержит минеральное масло, в качестве вулканизующего агента серу, в качестве ускорителя вулканизации тиурам Д, в качестве активаторов вулканизации стеариновую кислоту и белила цинковые, в качестве технологической добавки сэвилен, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Бутадиен-стирольный каучук 12-15 Металлический порошок модифицированный 45-60 Технический углерод 5-7 Графит 15-20 Минеральное масло 5-10 Сэвилен 3-5 Сера 0,6-0,75 Тиурам Д 0,6-0,75 Стеариновая кислота 0,18-0,23 Белила цинковые 0,54-0,67

Введение ингредиентов выше или ниже указанного диапазона приводит к ухудшению характеристик радиопоглощающего материала.

Для получения радиопоглощающего материала в качестве диэлектрического компонента использовали бутадиен-стирольный маслонаполненный каучук марки СКС-30АРКМ15. Выбор каучука обусловлен его диэлектрическими свойствами, хорошей технологичностью, высокими физико-механическими свойствами резин на его основе, доступностью каучука по сравнению с другими синтетическими каучуками.

Особое внимание при изготовлении радиопоглощающего материала уделяется наполнителям, от характеристик которых (химический состав, размер и форма частиц, распределение в полимерном связующем, степень наполнения, технология его получения) зависят радиопоглощающие свойства.

В качестве функциональных наполнителей использовали металлический порошок, модифицированный на основе ΙΙ и ΙΙΙ валентных оксидов железа ТУ 24.10.14-027-52471462-2023 оптимального химического состава и дисперсности, обладающего магнитными свойствами и углеродсодержащие вещества в виде комбинации графита ГК-3 ГОСТ 4404-78 и технического углерода ГОСТ 7885-86, обладающих электропроводящими свойствами.

Дополнительное введение в состав радиопоглощающего материала вулканизующей группы в виде серы ГОСТ 127.4-93 в качестве вулканизующего агента, тиурама Д ГОСТ 740-76 в качестве ускорителя вулканизации, стеариновой кислоты ГОСТ 6484-96 и белил цинковых ГОСТ 202-84 в качестве активаторов вулканизации и сэвилена марки 11808-340 ТУ 20.16.10-211-00203335-2017 в качестве технологической добавки обеспечивают высокие физико-механические свойства предлагаемого материала.

Совокупное сочетание не используемых ранее доступных ингредиентов в оптимальном количественном соотношении позволяет получить необходимый технический результат: высокие физико-механические характеристики радиопоглощающего материала (эластичность и прочность) и радиопоглощающие свойства в расширенном радиочастотном диапазоне.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного радиопоглощающего материала, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от ближайшего аналога признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствуют условию патентоспособности «изобретательский уровень».

При взаимодействии электромагнитного излучения радиочастотного диапазона с предлагаемым радиопоглощающим материалом имеет место поглощение излучения в результате его преобразования в тепловую энергию за счет эффектов поляризации, диэлектрических и магнитных потерь и рассеивание излучения вследствие структурной неоднородности материала.

Высокую эластичность и прочность предлагаемого материала обеспечивает введение в состав радиопоглощающего материала на основе бутадиен-стирольного маслонаполненного каучука вулканизующей группы в виде серы в качестве вулканизующего агента, тиурама Д в качестве ускорителя вулканизации, стеариновой кислоты и белил цинковых в качестве активаторов вулканизации и сэвилена в качестве технологической добавки.

Расширению диапазонов частот способствует увеличение процентного содержания модифицированного металлического порошка в сочетании с электропроводящими углеродными компонентами - графитом и техническим углеродом.

Все компоненты, входящие в состав радиопоглощающего материала, являются продуктами, выпускаемыми в промышленном объеме.

Изготовление и переработка композиций проводятся на стандартном оборудовании и не вызывает трудностей.

Композиция изготавливается в резиносмесителе путем механического смешения всех компонентов, формуется в пластины заданного типоразмера на валковом или экструзионном оборудовании. Вулканизация эластомерного материала проводится в пресс-формах на вулканизационном гидравлическом прессе при давлении на пресс-форму 15 МПа, температуре 170°С в течение 5 минут.

Измерения физико-механических характеристик радиопоглощающего материала проводились по стандартным методикам для полимерных композиционных материалов. Условную прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве определяли по ГОСТ 270-75 «Резина. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении».

Измерения параметров ослабления электромагнитного излучения радиопоглощающим материалом проводили в диапазоне частот от 2 ГГц до 14 ГГц на образцах толщиной 1 и 2 мм с помощью стенда, включающего источники электромагнитного излучения ПХ-0860 и ПХ-1015, анализатор спектра Arinst SSATG R3, измеритель параметров электромагнитного поля П3-34. Эффективность ослабления электромагнитного излучения радиопоглощающим материалом определялась по коэффициенту поглощения излучения (дБ и %).

Составы радиопоглощающего материала приведены в табл. 1.

Таблица 1

№
п/п Компоненты Составы Прототип 1 2 3 4 5 1 Бутадиен-стирольный каучук 10 12 15 15 20 - 2 Металлический порошок модифицированный 65 60 50 45 35 - 3 Графит 8 15 20 18 23 - 4 Технический углерод 4 5 5 7 4 - 5 Сэвилен 4 3 3 5 3 - 7 Минеральное масло 9 5 7 10 15 - 8 Стеариновая кислота 0,15 0,18 0,23 0,23 0,30 - 9 Сера 0,50 0,60 0,75 0,75 1,0 - 10 Тиурам Д 0,50 0,60 0,75 0,75 1,0 - 11 Белила цинковые 0,45 0,54 0,67 0,67 0,9 - 12 Неотверждаемый герметик «Абрис» 48-52

13 Углеродное волокно UFM-4HD 4-6 14 Металлическая окалина 44-46

Технические характеристики приведены в табл. 2.

Таблица 2

№
п/п Характеристики Составы Прототип 1 2 3 4 5 1 Коэффициент поглощения при толщине
1 мм, %, на частоте
2-4 ГГц
4,6 ГГц
4,8 ГГц
2 мм, дБ на частоте:
2-4 ГГц
4,6 ГГц
4,8 ГГц
Коэффициент поглощения при толщине 2 мм, дБ на частоте
0,8-6 ГГц
8-14 ГГц 51
62
65
6,5
5,6
4,6
10,8
14,9 60
64
68
7,9
6,8
8,2
10,9
17 97
96
71
19
15,5
11
12
16 62
78
69
8,4
7,4
8,5
9,2
12,6 55
62
28
8
1,2
6,8
7
11

52
58
65
-
- 2 Прочность при растяжении, МПа 1,25 1,59 1,8 1,85 1,82 - 3 Относительное удлинение при разрыве, % 100 110 138 126 98 -

Оптимальными радиопоглощающими и физико-механическими характеристиками обладают радиопоглощающие материалы, указанные в примерах 2, 3 и 4. Как видно из данных, приведенных в табл. 2, предлагаемый эластомерный радиопоглощающий материал имеет ряд преимуществ в сравнении с прототипом:

- более высокие коэффициенты поглощения электромагнитного излучения в более широком радиочастотном диапазоне;

- высокие показатели относительного удлинения при разрыве (более 100%) и прочности при растяжении (более 1,5 МПа).

Предлагаемый эластомерный радиопоглощающий материал был проверен в промышленных условиях. Испытания подтвердили ожидаемые свойства.

Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения.

Литература

1. RU Патент № 2107705 С1 от 04.11.1996

2. RU Патент № 2417491 С1 от 26.04.2010

3. RU Патент № 2275719 С1 от 06.09.2004

4. RU Патент № 2294347 С1 от 10.01.2006

5. RU Патент № 2627401 С1 от 22.03.2016

6. RU Патент № 2798073 С1 от 21.11.2022

Изобретение относится к области радиопоглощающих материалов, а именно к эластомерным радиопоглощающим композиционным материалам для защиты от электромагнитного излучения, и может быть использовано для защиты технических средств, зданий, помещений и персонала в различных отраслях промышленности и сферы услуг от вредных воздействий электромагнитных полей радиочастотного диапазона. Радиопоглощающий материал состоит из связующего на основе каучука и функционального наполнителя в виде смеси оксидов металла и углеродсодержащего материала, отличающийся тем, что в качестве связующего содержит бутадиен-стирольный маслонаполненный каучук, в качестве функционального наполнителя содержит смесь из металлического порошка на основе II и III валентных оксидов железа, графита и технического углерода, дополнительно в качестве пластификатора содержит минеральное масло, в качестве вулканизующего агента - серу, в качестве ускорителя вулканизации - тиурам Д, в качестве активаторов вулканизации - стеариновую кислоту и белила цинковые, в качестве технологической добавки - сэвилен. Предложенное изобретение позволяет получать радиопоглощающий материал, обладающий повышенной прочностью, эластичностью и радиопоглощающими свойствами в более широком диапазоне частот. 2 табл., 5 пр.

Эластомерный радиопоглощающий материал для защиты от электромагнитного излучения радиочастотного диапазона, состоящий из связующего на основе каучука и функционального наполнителя в виде смеси оксидов металла и углеродсодержащего материала, отличающийся тем, что в качестве связующего содержит бутадиен-стирольный маслонаполненный каучук, в качестве функционального наполнителя содержит смесь из металлического порошка на основе II и III валентных оксидов железа, графита и технического углерода, дополнительно в качестве пластификатора содержит минеральное масло, в качестве вулканизующего агента - серу, в качестве ускорителя вулканизации - тиурам Д, в качестве активаторов вулканизации - стеариновую кислоту и белила цинковые, в качестве технологической добавки - сэвилен при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Бутадиен-стирольный каучук 12-15 Металлический порошок на основе II и III валентных оксидов железа 47-60 Технический углерод 5-7 Графит 15-20 Минеральное масло 5-10 Сэвилен 3-5 Сера 0,6-0,75 Тиурам Д 0,6-0,75 Стеариновая кислота 0,18-0,23 Белила цинковые 0,54-0,67