Материал для поглощения электромагнитных волн и способ его изготовления
Владельцы патента RU 2375793:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") (RU)
Изобретение относится к электронной технике СВЧ, в частности к материалу для поглощения электромагнитных волн и к способу его получения. Материал представляет собой пеностекло, полученное в результате взаимодействия силикатного стекла и углеродсодержащего газообразователя - карбида кремния, при следующем соотношении компонентов, в вес.%: карбид кремния 1-35, силикатное стекло - остальное. Указанный состав задают исходя из количественного содержания указанных компонентов в материале для поглощения электромагнитных волн, при этом количество карбида кремния берут с превышением, равным 1-2, вес.%, относительно его количества в заданной смеси соответственно. При прогреве смеси дополнительно используют либо восстановительную, либо окислительную, либо нейтральную газовую среды. Повышение коэффициента поглощения, механической прочности и технологичности, при сохранении низкого коэффициента отражения и высокой однородности поглощающих свойств материала для поглощения ЭМВ является техническим результатом изобретения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно материалам для поглощения электромагнитных волн, и может найти широкое применение, и в том числе при оснащении многофункциональных испытательных так называемых безэховых камер и других экранированных помещений.
Одной из основных задач при создании материалов для поглощения электромагнитных волн, далее материал для поглощения ЭМВ, является требование высокого коэффициента поглощения и одновременно низкого коэффициента отражения в широком рабочем диапазоне длин волн.
Среди широкого класса материалов для поглощения ЭМВ, так и всевозможных устройств на их основе особый интерес представляет использование высокопористых материалов и, прежде всего высокопористого стекла, так называемого пеностекла, которые отличаются:
- малым коэффициентом отражения,
- достаточно высоким коэффициентом поглощения, дБ/см в широком диапазоне длин волн,
- высокими теплоизолирующими свойствами,
- и оптимальным соотношением плотности и механической прочности.
Последние характеристики являются наряду с низкой отражающей способностью немаловажными характеристиками материала для поглощения ЭМВ.
Известен материал для поглощения ЭМВ с использованием высокопористого стекала и способ его изготовления, в котором с целью снижения теплоизолирующих свойств, сначала изготавливают гранулы из высокопористого стекала и/или керамического материала, а затем на них наносят феррит и/или электропроводящий материал [1].
Следует отметить, что высокопористое стекло в этом материале предназначено только для снижения теплопроводности.
Этот материал для поглощения ЭМВ может быть успешно использован в диапазоне частот 100-10 ГГц.
Способ его изготовления - достаточно сложен.
Известен композиционный материал для поглощения ЭМВ также с использованием высокопористых материалов, содержащий полимерное диэлектрическое связующее и электропроводящий наполнитель, представляющий собой модифицированный графит при соотношении исходных компонентов, вес.%:
| Полимерное диэлектрическое связующее | 70-98 |
| Электропроводящий наполнитель | 30-2 [2]. |
Способ его изготовления заключается в смешении полимерного диэлектрического связующего и электропроводящего наполнителя, представляющего собой модифицированный графит, посредством прессования и/или нагревания при температуре не выше 180°С и последующего его формирования. С целью улучшения поглощающих свойств осуществляют терморасширение указанной смеси в режиме термоудара при температуре 250-310°С в течение 2-10 минут в результате чего материал становится пористым.
Известен композиционный материал для поглощения ЭМВ и способ его изготовления аналогичные предыдущему, но в котором с целью улучшения его отражающих свойств он содержит иное соотношение полимерного диэлектрического связующего и электропроводящего наполнителя, значительно увеличено количество электропроводящего наполнителя, при их соотношении, вес. % [3].
| Полимерное диэлектрическое связующее | 20-50 |
| Электропроводящий наполнитель | 80-50 |
Данные композиционные материалы для поглощения ЭМВ по сравнению с предыдущим характеризуются повышением коэффициента поглощения, но в сантиметровом диапазоне длин волн, и при толщине материала не более 0,1 мм.
Более того, применение этих материалов для поглощения ЭМВ в силу свойств органических материалов, к которым относятся и диэлектрические полимерные материалы, ограничено, прежде всего, их недостаточной термостойкостью.
Известен материал для поглощения ЭМВ для безэховых камер и экранированных помещений и способ его изготовления также с использованием высокопористых материалов, состоящий из слоев диэлектрического и магнитного материалов и металлической подложки [4 - прототип].
В котором диэлектрический материал представляет собой высокопористое стекло - пеностекло. Что является продуктом взаимодействия алюмосиликатного стекла и углеродсодержащего газообразователя, в данном случае сажи ПМ-30.
В качестве газообразователей обычно используют карбонаты или материалы, содержащие углерод.
Следует отметить, что углеродсодержащие газообразователи, такие как сажа, порошки кокса, графита, антрацита практически полностью состоят из углерода, далее эти названные углеродсодержащие газообразователи просто - газообразователи типа сажи.
При этом функцию поглотителя ЭМВ в данном материале выполняет не прореагировавшая часть углеродсодержащего газообразователя.
Пеностекло, являясь неорганическим диэлектрическим материалом, по сравнению с диэлектрическими органическими полимерными материалами имеет ряд преимуществ, а именно более:
- широкий диапазон изменения удельного затухания от 0,1 до 5,0 дБ/см в зависимости от концентрации углеродсодержащего газообразователя на частоте 4 ГГц,
- низкую плотность не более 0,19 г/см3,
- обеспечивает в упомянутом поглотителе низкий коэффициент отражения в пределах от -12 дБ до -40 дБ в диапазоне частот (0,03-37,5) ГГц и одновременно низкий коэффициент поглощения, обусловленный, в том числе, низкой диэлектрической проницаемостью высокопористого стекла,
- достаточную механическую прочность, порядка 10000 г/см2.
Однако указанные выше преимущества пеностекла имеют и некую противоречивость, которая имеет тенденцию к возрастанию с увеличением количества газообразователя в нем.
А именно, которая заключается в том, что:
- с одной стороны, как следует из вышесказанного, чем больше в пеностекле не прореагировавшей части углеродсодержашего газообразователя, тем выше коэффициент поглощения,
- а, с другой стороны, углеродсодержашие газообразователи типа сажи, которые, как было сказано выше, состоят практически из чистого углерода, и который практически не смачивается алюмосиликатным стеклом, и поэтому его накопление в пеностекле приводит к уменьшению его механической прочности.
Способ изготовления данного материала для поглощения ЭМВ заключается в нагреве смеси алюмосиликатного стекла и углеродсодержащего газообразователя - сажи ПМ 30 до температуры плавления алюмосиликатного стекла. В результате чего образуется стеклянная жидкая пена, а после ее охлаждения - пеностекло.
Способ изготовления материала для поглощения ЭМВ с использованием углеродсодержащих газообразователей, типа сажи, в силу того, что они практически состоят из чистого углерода, требует строго контролируемой обычно слабо окислительной среды [5].
Техническим результатом изобретений является повышение коэффициента поглощения, механической прочности и технологичности, при сохранении низкого коэффициента отражения.
Указанный технический результат достигается следующим.
- Предложенным материалом для поглощения электромагнитных волн, содержащим пеностекло - результат взаимодействия силикатного стекла и углеродсодержащего газообразователя,
в котором в качестве углеродсодержащего газообразователя указанный материал содержит карбид кремния в количестве 1-35, вес.%, при следующем соотношении исходных компонентов, вес.%:
| Карбид кремния | 1-35 |
| Силикатное стекло | остальное |
В качестве силикатного стекла указанный материал может содержать боросиликатное стекло.
- Способом его изготовления, заключающимся в приготовлении смеси силикатного стекла и углеродсодержащего газообразователя заданного количественного содержания, прогреве смеси по режиму образования пеностекла в слабо окислительной газовой среде и заданном материале формы,
в котором указанную смесь задают исходя из количественного содержания указанных компонентов в материале для поглощения электромагнитных волн, вес.% - углерод содержащий газообразователь 1-35, силикатное стекло - остальное, в качестве углерод содержащего газообразователя берут карбид кремния, при этом карбид кремния берут в количестве, превышающем его количество в заданной смеси на 1-2, вес.% соответственно, при прогреве смеси дополнительно используют окислительную, либо нейтральную, либо восстановительную газовую среды.
Раскрытие сущности предложенных изобретений.
Использование карбида кремния в качестве углеродсодержащего газообразователя, который в отличие от углеродсодержащих газообразователей типа сажи, не отторгается стеклом, а хорошо им смачивается. И как результат этого его количественное содержание в материале для поглощения ЭМВ может в несколько раз превышать количественное содержание углеродсодержащих газообразователей типа сажи и что, в свою очередь, обеспечит:
во-первых, значительное повышение коэффициента поглощения,
во-вторых, повышение плотности и прочности материала для поглощения ЭМВ.
Экспериментально установлено, что по мере увеличения карбида кремния в заявленном материале для поглощения ЭМВ его плотность мала и практически не изменяется. А, следовательно, не изменяется и его диэлектрическая проницаемость, значение которой также достаточно низкое и в силу этого достаточно низок и коэффициент отражения, и который также существенно не изменяется.
Экспериментально также установлено, что при увеличении в материале для поглощения ЭМВ количества карбида кремния более 35, вес.%, наблюдается -
- с одной стороны, резкое увеличение плотности упомянутого материала, более 1,5 г/см3 и резкое увеличение коэффициента поглощения, более 30 дБ/см,
- но с другой стороны, наблюдается также и резкое увеличение коэффициента отражения, менее -6 дБ, что для данного материала для поглощения ЭМВ с точки зрения его применения не приемлемо.
Для сравнения:
- при плотности пеностекла прототипа, равной 0,19 г/см3, его прочность на сжатие составляет примерно 20000 г/см2,
- то у заявленного материала для поглощения ЭМВ - пеностекла с карбидом кремния при плотности - от 0,45 до 0,58 г/см2 его прочность на сжатие составляет от 75000 до 100000 г/см2.
То есть механическая прочность заявленного материала для поглощения ЭМВ повышена более чем в три раза.
При этом способ изготовления материала для поглощения ЭМВ с пенообразователем - карбидом кремния протекает одинаково успешно в любой из указанных сред, так как в отличие от углеродсодержащих газообразователей типа сажи, карбид кремния при температурах газообразования практически не реагирует с кислородом воздуха, как и с водородом, и с азотом, что позволит повысить технологичность.
Следует особо отметить, что возможность осуществления способа изготовления в водородной среде позволит:
- во-первых, использовать формы, выполненные из графита, что, в свою очередь, обеспечит возможность изготовления прецизионных изделий для поглощения ЭМВ,
- во-вторых, непосредственно в процессе изготовления материала для поглощения ЭМВ впаивать необходимую технологическую арматуру, подверженную окислению на воздухе и тем самым обеспечить ее защиту от окисления в процессе эксплуатации.
Следует подчеркнуть важность и актуальность и того, и другого и особенно в электронной технике.
Необходимость указанного превышения количества карбида кремния, а именно 1-2, вес.% относительно его количества в заданной смеси при изготовлении материала для поглощения ЭМВ обусловлена тем, что как установлено экспериментально в процессе плавления и газообразования в реакцию с силикатным стеклом вступает примерно 1-2 процента карбида кремния, а остальное его количество остается в пеностекле и выполняет функцию поглотителя ЭМВ.
Кроме того, возможность проведения процесса не только в слабо окислительной среде, но и других указанных газовых средах, в том числе восстановительной среде и при соответствующем материале формы исключает необходимость в специальной обработке материала формы с целью исключения прилипания к ней пеностекла.
Следует отметить, что последнее является достаточно технически сложной и трудоемкой операцией.
Более того, исключение указанной операции позволит исключить загрязнение поверхности изготавливаемого материала для поглощения ЭМВ.
Итак, предложенная совокупность как качественного, так и количественного состава материала для поглощения ЭМВ, так и предложенная совокупность существенных признаков способа его изготовления, позволят повысить коэффициент поглощения, механическую прочность и технологичность при сохранении низкого коэффициента отражения.
Примеры конкретного выполнения предложенного материала для поглощения ЭМВ.
Пример 1.
Исходя, например, из среднего количественного содержания компонентов (18 вес.%) в материале для поглощения ЭМВ приготавливают смесь порошка карбида кремния марки М5 в количестве 18,18 вес.% (с учетом его превышения в размере 1, вес.%),
- порошок боросиликатного стекла марки С52-1 в количестве 82,00 вес.%.
Приготовленную смесь помещают в полиэтиленовую тару и тщательно перемешивают на валковой мельнице. Извлекают смесь. Далее помещают смесь в форму, выполненную из графита. Размещают форму со смесью в водородной печи (среда восстановительная), прогревают ее по режиму образования пеностекла - при температуре 920-930°С в течение 15 минут и охлаждают.
Затем вынимают образец изготовленного материала для поглощения ЭМВ из формы.
Примеры 2-5.
Изготавливают образцы материала для поглощения ЭМВ аналогично примеру 1, но при других соотношениях исходных компонентов как указанных в формуле изобретения, так и за ее пределами, при этом используют в процессе изготовления восстановительную (примеры 4-5) либо окислительную (примеры 6-7), либо нейтральную (примеры 8-10) газовую среду. В случае окислительной газовой среды либо нейтральной используют формы, выполненные из жаропрочной стали.
На изготовленных образцах были измерены следующие параметры:
- коэффициенты поглощения и отражения СВЧ-энергии,
- плотность,
- механическая прочность на сжатие.
Все измерения проводили по стандартным методикам.
Данные сведены в таблицу.
В таблице приведены сведения только для образцов, изготовленных в восстановительной среде (примеры 1-5). Поскольку результаты измерений образцов материала для поглощения ЭМВ, изготовленных в других газовых средах (примеры 6-10), очень близки.
Как видно из таблицы, образцы предложенного материала для поглощения ЭМВ (примеры 1-3) имеют коэффициент поглощения от 6 дБ/см до 19 дБ/см и коэффициент отражения от -24 дБ до -12 дБ при частоте 100 ГГц.
В отличие от прототипа коэффициент поглощения материала - пеностекла равен от 0,3 дБ/см до 0,4 дБ/см.
То есть коэффициент поглощения повышен более двадцати раз. Механическая прочность повышена примерно в три раза.
Таким образом, предложенный материал для поглощения электромагнитных волн, равно как и способ его изготовления, позволит по сравнению с прототипом повысить коэффициент поглощения более двадцати раз и механическую прочность примерно в три раза.
Кроме того, повышена технологичность.
Указанные свойства материала для поглощения электромагнитных волн особенно необходимы и востребованы при изготовлении всевозможных экранированных помещений.
Более того, он может быть использован в качестве нагрузки СВЧ.
Источники информации
1. Патент РФ № 2234175, приоритет 08.08.01, МПК7 H01Q 17/00, опубл. 27.11.03.
2. Патент РФ № 2242487, приоритет 26.06.03, МПК7 H01Q 17/00, опубл. 20.12.04.
3. Патент РФ № 2243980, приоритет 26.06.03, МПК H01Q 17/00, опубл. 10.01.05.
4 Патент РФ № 2110122, приоритет 11.03.97, МПК H01Q 17/00, опубл. 27.04.98 - приоритет.
5. Стекло. Справочник. Под ред. Павшкина Н.М., М.: Стройиздат, 1973, с.170.
| Таблица | ||||||
| № п/п | Материал для поглощения ЭМВ, вес.% | Результаты измерений | ||||
| Карбид кремния | Боросиликатное стекло | Коэффициент поглощения ЭМВ, дБ/см | Коэффициент отражения ЭМВ, дБ | Плотность, г/см3 | Механическая прочность, на сжатие, г/см2 | |
| 1 | 18,0 | 82 | 6 | -24 | 0,5 | 90000 |
| 2 | 1,0 | 99,0 | 4 | -12 | 0,45 | 75000 |
| 3 | 35,0 | 65,0 | 19 | -11,5 | 0,58 | 100000 |
| 4 | 0,5 | 99,5 | 3,3 | -12 | 0,7 | |
| 5 | 39,0 | 61,0 | более 30,0 | -6 | 1,5 | |
| прототип | 0,2-0,4 | от -12 до -40 (в поглотителе в целом) | 0,19 | 20000 |
1. Материал для поглощения электромагнитных волн, содержащий пеностекло - результат взаимодействия силикатного стекла и углеродсодержащего газообразователя, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего газообразователя указанный материал содержит карбид кремния при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| карбид кремния | 1÷35 |
| силикатное стекло | остальное |
2. Материал для поглощения электромагнитных волн по п.1, отличающийся тем, что в качестве силикатного стекла указанный материал содержит боросиликатное стекло.
3. Способ изготовления материала для поглощения электромагнитных волн, заключающийся в приготовлении смеси силикатного стекла и углеродсодержащего газообразователя заданного количественного содержания, прогреве смеси по режиму образования пеностекла в слабо окислительной газовой среде и заданном материале формы, отличающийся тем, что указанную смесь задают исходя из количественного содержания указанных компонентов в материале для поглощения электромагнитных волн, вес.%: углеродсодержащий газообразователь 1-35, силикатное стекло остальное, в качестве углеродсодержащего газообразователя берут карбид кремния, при этом количество карбида кремния берут с превышением, равным 1-2 вес.% относительно его количества в заданной смеси соответственно, при прогреве смеси дополнительно используют либо окислительную, либо нейтральную, либо восстановительную газовую среду.
