Способ получения радиопоглощающего материала и радиопоглощающий материал, полученный этим способом
Владельцы патента RU 2382804:
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ТГУ) (RU)
ТОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ТНЦ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к поглотителям электромагнитных волн, в том числе в диапазоне сверхвысоких частот, и может быть использовано для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, биологической защиты от влияния радиоизлучений, создаваемых различными научными и бытовыми приборами, снижения радиолокационной заметности различных объектов и направлено на понижение коэффициента отражения электромагнитных волн и расширение интервала частот радиопоглощающего материала, а также упрощение способа его получения. При получении данного материала производят механическую обработку оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой в механоактиваторе в течение 30-300 секунд при факторе энергонапряженности 20-40 g и смешение его с эпоксидной смолой в соотношении, мас.%: оксидный гексагональный ферримагнетик с W-структурой - 70-91, эпоксидная смола - 9-30. При получении материала полностью исключается использование химических методов и дорогостоящих реагентов, а материал, полученный таким образом, имеет более низкие коэффициенты отражения и больший интервал частот и может быть использован для создания эффективных радиопоглощающих покрытий. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к поглотителям электромагнитных волн (ЭМВ), в том числе в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано для обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, биологической защиты от влияния радиоизлучений, создаваемых различными научными и бытовыми приборами, снижения радиолокационной заметности различных объектов и т.д.
Известны различные материалы для поглощения ЭМВ и технологии их получения. Предложены тканые или пленочные материалы, изготовленные с использованием металлической сетки для защиты биологических объектов или экранирования поверхности (Я.А.Шнейдерман. Радиопоглощающие материалы. Зарубежная радиоэлектроника, 1975, № 2, с.93-113; 1975, № 3, с.71-92).
Основным недостатком этих материалов является большая доля отраженного излучения и высокая цена.
Известны материалы, состоящие из дисперсного поглощающего наполнителя, включающего порошки графита, сажи, феррита, сегнетоэлектриков, металлических сплавов, связанных жидким полимером (Ю.К.Ковнеристый, И.Ю.Лазарева, А.А.Раваев. Материалы, поглощающие СВЧ-излучение. М.: Наука, 1982, с.46, 88-121). При его изготовлении смесь компонентов вводят в жидкое полимерное связующее и полученный жидкий материал наносят на защищаемую поверхность.
Основными недостатками этого технического решения являются сложные составы композиции и технология изготовления, предусматривающая равномерное смешение очень разнородных по плотности компонентов. Кроме того, толщина покрытия из этого материала должна быть тем больше, чем выше мощность электромагнитного излучения, а это повышает весовые характеристики покрытия (вес 1 м2 поглотителя ЭМВ).
Известен магнитный материал, поглощающий ЭМВ, состоящий из мелкодисперсных (0.5-20 мкм) сферических частиц железа или покрытых магнитным материалом стеклянных шариков (≈80 вес.%) и диэлектрической связки - силиконовой композиции (≈20 вес.%) (US 4173018, 1979). Частицы железа первоначально диспергируют в жидкой связке, причем для создания однородной композиции проводят механическую обработку в мельнице в течение 8 часов.
Существенными недостатками технического решения являются значительный вес и хрупкость материала, а также сложная и длительная технология его изготовления.
Подобному составу, состоящему из карбонильного железа (50-90%), компонента на основе платины и полимера на основе силоксана (US 5764181, 1998), присущи те же недостатки и дополнительно высокая стоимость. Кроме того, при его изготовлении используют вредные вещества (толуол, гептан и др.).
Известен материал с низким коэффициентом отражения электромагнитных волн, имеющий состав Li0.5Fe2.5O4-Fe3O4-CdFe2O4 (US 3662368, 1972).
Основным недостатком материала является сложность композиции, кроме того, он предложен в качестве дополнительного слоя, минимизирующего коэффициент отражения основного материала.
Известен радиопоглощающий материал, содержащий магнитный наполнитель - порошкообразный феррит или карбонильное железо (20-80 мас.%) и синтетический клей «Элатон» на основе латекса (80-20 мас.%) (RU 2107705, 1998).
Основной недостаток материала обусловлен широким распределением по размерам частиц магнитного наполнителя, что приводит к значительным трудностям при нанесении на криволинейные поверхности, особенно в случае, когда они пересекаются под углом. Кроме того, он обнаруживает высокое отражение в тонких слоях, которые вообще трудно создать, так как размер частиц наполнителя превышает 20 мкм.
Известен радиопоглощающий материал из наполнителя, в качестве которого использован нанопорошок магнитного сплава НК-29 (Ni - 29.13%; Со - 17.51%; Fe - остальное) и связующее - поливинилбутироль (RU 2294948, 2006).
Основным недостатком этого материала, из которого изготавливают многослойное покрытие, является необходимость дополнительной обработки в магнитном поле. Кроме того, высокий коэффициент поглощения достигается при размещении колец из константановой проволоки между слоями, что усложняет материал и технологию его изготовления.
Известен радиопоглощающий материал, который состоит из наполнителя, в качестве которого использован ультрадисперсный порошок карбида ниобия со средним размером частиц 10.0-100.0 нм и полимерное алкидное связующее при следующем соотношении компонентов, мас.%: алкидное связующее - 50-90, указанный наполнитель - 10-50 (RU 200749, 2000).
Основным недостатком этого технического решения является довольно сложный способ изготовления материала, включающий обработку ультразвуком с применением вредных веществ, например декана или толуола.
Наиболее близким техническим решением является материал, состоящий из наполнителя - порошка оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой и эпоксидной смолы в качестве связки при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошок феррита - оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой Ba(Со0.5Zn0.5)2Fe16O27 - 91; эпоксидная смола - 9 и способ его получения (Yi Yang, Baoshan Zhang, Weidong Xu et. al. Microwave absorption studies of W-hexaferrite prepared by coprecipitation / mechanical milling. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2003, 265, p.119-122). Порошок оксидного гексагонального ферримагнетика готовят методом химической конденсации (соосаждением) из исходных реагентов - нитратов железа, бария, кобальта и цинка. Соосажденный прекурсор высушивают замораживанием, затем смешивают с хлоридом натрия (NaCl) в соотношении 1:4, подвергают механической обработке в мельнице со стальными шарами в течение 20 часов, затем прокаливают при 1200°С в течение 2 часов и многократно промывают деионизированной водой для удаления NaCl. Полученный порошок феррита смешивают с эпоксидной смолой в указанном выше соотношении, при этом полученный материал имеет следующие характеристики отражения электромагнитных волн: коэффициент отражения ЭМВ R - (-13 дБ) при частоте 9.5 ГГц и толщине слоя материала 0.003 м; интервал частот (Δf) на уровне R=-7 дБ при толщине слоя материала 0.003 м - 4.6 ГГц.
Основные недостатки этого технического решения состоят в том, что материал обладает высоким коэффициентом отражения электромагнитных волн и узким интервалом полосы частот, при этом его получают, используя большое число операций, включающих химические и механические (диспергирование) способы.
Задачей предлагаемого изобретения является понижение коэффициента отражения ЭМВ и расширение интервала частот материала, состоящего из порошка оксидного гексагонального ферримагнетика, смешанного с полимерным связующим - эпоксидной смолой, а также упрощение способа получения материала.
Задача решается тем, что после изготовления любым способом, например спеканием из оксидов, порошка гексагонального ферримагнетика с W-структурой его подвергают механической обработке в механоактиваторе в течение 30-300 секунд при факторе энергонапряженности 20-40 g, а затем смешивают с полимерным связующим, например, эпоксидной смолой при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| полимерное связующее - эпоксидная смола | 9-30 |
| оксидный гексагональный ферримагнетик | |
| с W-структурой | 70-91 |
Механическая обработка оксидного гексагонального ферримагнетика при факторе энергонапряженности ниже 20 g и продолжительности обработки менее 30 с не приводит к заметному изменению коэффициента отражения электромагнитных волн и интервала частот (таблица 1). Кроме того, при временах механической обработки меньше 30 с возможны нестабильности в работе механоактиватора. Увеличение фактора энергонапряженности выше 40 g и продолжительности обработки порядка 300 с приводит к росту энергозатрат при получении материала, при этом коэффициент отражения и интервал частот электромагнитных волн уменьшаются (таблица 1).
Количественное соотношение магнитного наполнителя и связующего определяется следующими соображениями. При концентрациях магнитного наполнителя 65-75 мас.%, продолжительности механической обработки 30 с и энергонапряженности 30 g коэффициент отражения электромагнитных волн R у предлагаемого материала близок к таковому для прототипа, однако интервал частот (Δf=5.09-7.20 ГГц при R=7 дБ) существенно выше (Δf=4.6 ГГц). Дальнейшее понижение содержания магнитного наполнителя приводит к повышению коэффициента отражения R и сужению интервала частот по сравнению с прототипом (таблица 2). При содержании магнитного наполнителя, равном 91 мас.%, коэффициент отражения R намного ниже, а интервал частот шире, чем у прототипа. Дальнейшее повышение содержания магнитного наполнителя приводит к существенным технологическим трудностям, обусловленным значительной агломерацией частиц наполнителя в процессе смешения. Их преодоление резко удорожает способ.
Радиопоглощающий материал получают следующим образом.
Порошок оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой (гексаферрит Ba(Co0.5Zn0.5)2Fe16O27), полученный промышленным способом - спеканием из смеси оксидов (Рабкин Л.И., Соскин С.А., Эпштейн Б.Ш. Технология ферритов. М-Л.: Госэнергоиздат, 1968, с.76), подвергают механической обработке в планетарной мельнице в течение 30 или 60 с при факторе энергонапряженности 30 g.
По данным рентгеноструктурного анализа (дифрактометр Shimadzu XRD 6000), обработанных с использованием программы полнопрофильного анализа POWDER CELL 2.5, размер областей когерентного рассеяния (размер зерен) составляет 90-120 нм. Полученный порошок смешивают с полимерным связующим - эпоксидной смолой в соотношениях, указанных в таблицах 1 и 2.
Измерения комплексных магнитной и диэлектрической проницаемостей проводят на универсальном широкополосном комплексе на основе векторного анализатора цепей PNA 8363 В фирмы Agilent Technologies. В качестве измерительной ячейки используют резонаторы, построенные из волноводных элементов стандартных измерительных линий.
Коэффициент отражения для однослойного поглотителя рассчитывают по формуле (Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. Наука, 1973, с.15-17):
где 
Полученные результаты в сравнении с таковыми для прототипа представлены в таблицах 1 и 2. Коэффициент отражения R при частоте 7.1-8.3 ГГц в 2.5-3.0 раза ниже, а интервал частот Δf заметно шире, чем эти характеристики для радиопоглощающего материала, выбранного в качестве прототипа.
Таким образом, полученный материал по сравнению с прототипом имеет более низкие коэффициенты отражения, больший интервал частот и может быть использован для создания эффективных радиопоглощающих покрытий.
Способ получения полностью исключает применение химических методов и дорогостоящих реагентов и включает только термическое воздействие и механическую обработку. Кроме того, при получении характеристик отражения электромагнитных волн, близких к таковым у прототипа, уменьшается содержание магнитного наполнителя для заданной толщины слоя.
Следовательно, при использовании предлагаемого технического решения улучшаются все основные характеристики поглощения электромагнитных волн: увеличивается максимальное значение модуля коэффициента отражения в пределах рабочего диапазона частот, который становится шире, а также снижаются толщина и вес поглотителя площадью 1 м2.
| Таблица 1 | |||||
| Влияние энергонапряженности и продолжительности механической обработки на коэффициент отражения и интервал частот электромагнитных волн для материала, содержащего 80 мас.% феррита и 20 мас.% эпоксидной смолы (толщина слоя 0.003 м) | |||||
| № | Режим механической обработки | Частота, fmin, ГГц* | Коэффициент отражения Rmin, дБ** | Интервал частот Δf, ГГц на уровне R=-7дБ | |
| Энергонапряженность, g | Продолжительность механической обработки, t, с | ||||
| 1 | - | - | 10.20 | -7.2 | 0 |
| 2 | 15 | 30 | 10.10 | -7.0 | 0 |
| 3 | 20 | 30 | 9.18 | -18.0 | |
| 4 | 30 | 30 | 9.51 | -30.8 | 8.7 |
| 5 | 30 | 60 | 9.76 | -20.3 | 7.9 |
| 6 | 30 | 300 | 9.06 | -12.3 | 5.4 |
| 7 | 40 | 30 | 9.51 | -17.0 | |
| 8 | 40 | 300 | 9.60 | -12.0 | |
| 9 | 50 | 300 | 8.30 | -5.2 | |
| *fmin - частота, при которой коэффициент отражения имеет минимальное значение | |||||
| ** Rmin - минимальный коэффициент отражения на частоте fmin |
| Таблица 2 | |||
| Зависимость коэффициента отражения и интервала частот от содержания магнитного наполнителя при различной продолжительности механической обработки (толщина слоя d=0.003 м, энергонапряженность 30 g) | |||
| Содержание наполнителя, мас.% | Частота, fmin, ГГц* | Коэффициент отражения, Rmin, дБ** | Интервал частот, Δf, ГГц на уровне R=-7 дБ |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Без механической обработки | |||
| 91 | 9.06 | -10.96 | 5.67 |
| 90 | 9.31 | -9.92 | 5.09 |
| Продолжительность механической обработки 30 с | |||
| 91 | 5.05 | -23.82 | 11.05 |
| 90 | 5.62 | -28.39 | 10.68 |
| 85 | 7.09 | -40.76 | 9.72 |
| 80 | 9.51 | -30.78 | 8.72 |
| 75 | 10.59 | -16.11 | 7.20 |
| 65 | 11.10 | -10.67 | 5.09 |
| Продолжительность механической обработки 60 с | |||
| 91 | 6.19 | -26.46 | 10.30 |
| 90 | 6.77 | -29.39 | 9.89 |
| 85 | 8.30 | -30.15 | 8.92 |
| 80 | 9.76 | -20.29 | 7.90 |
| 75 | 10.52 | -13.57 | 6.30 |
| 65 | 10.91 | -9.60 | 4.20 |
| Продолжительность механической обработки 150 с | |||
| 91 | 7.09 | -20.81 | 7.90 |
| 90 | 7.53 | -19.66 | 7.51 |
| 85 | 8.42 | -15.96 | 6.56 |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 80 | 9.06 | -12.31 | 5.41 |
| Продолжительность механической обработки 300 с | |||
| 91 | 7.53 | -16.35 | 6.30 |
| 90 | 7.91 | -15.01 | 5.86 |
| 85 | 8.49 | -12.21 | 4.90 |
1. Способ получения радиопоглощающего материала, включающий механическую обработку оксидного гексагонального ферримагнетика с W-структурой и его смешение с эпоксидной смолой, отличающийся тем, что механическую обработку ферримагнетика осуществляют в механоактиваторе в течение 30-300 секунд при факторе энергонапряженности 20-40 g, а смешение проводят при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| оксидный гексагональный ферримагнетик | |
| с W-структурой | 70-91 |
| эпоксидная смола | 9-30 |
2. Радиопоглощающий материал, характеризующийся тем, что он получен способом по п.1.
