КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
COMPOSITE MATERIAL FOR ABSORBING ELECTROMAGNETIC WAVES

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно композиционным материалам для поглощения электромагнитных волн, и может быть использовано для создания упомянутых материалов как в виде покрытий различной толщины, так и в виде изделий из них, например, гибких пластин, полосок, втулок и других.
Одной из основных задач при создании материалов для поглощения электромагнитных волн является требование высокого коэффициента поглощения и одновременно низкого коэффициента отражения в широком рабочем диапазоне длин волн.
Более того, эти материалы должны обладать высокой морозо- и термостойкостью, эластичностью и коррозионной стойкостью, способные работать при высоких температурах - не менее 200°С и других экстремальных условиях.
Более того, эти материалы должны быть технологичны как с точки зрения их изготовления, так и применения.
Широкий аспект требований, предъявляемый к материалам для поглощения электромагнитных волн, определяет не менее широкое их разнообразие как по типу используемых материалов и конструкционным параметрам, так и принципу действия.
Среди них наиболее широко известны магнитодиэлектрические материалы. Сочетание электрических, диэлектрических и магнитных свойств, а именно повышенная электронная проводимость в скин-слоях, диэлектрическая (ε) и магнитная (µ) проницаемости, значительно превышающие единицу, обеспечивает этим материалам максимальный уровень поглощения в широком рабочем диапазоне длин волн и в силу этого широкое применение.
Известен композиционный магнитодиэлектрический материал для поглощения электромагнитных волн (далее композиционный материал) [1], содержащий в качестве полимерного диэлектрического связующего синтетический клей «Элатон» на основе латекса и в качестве магнитного наполнителя - порошкообразный феррит или карбонильное железо при соотношении компонентов, вес.%:
Синтетический клей «Элатон»
80-20
Феррит или карбонильное железо
20-80
Данный композиционный материал выполнен в виде нескольких слоев, при этом количество слоев определяется требуемой величиной коэффициента поглощения.
Однако данный композиционный материал обеспечивает требуемую, расчетную величину коэффициента поглощения в достаточно узком рабочем диапазоне частот 7-18 ГГц, отличается крайней сложностью как изготовления, так и применения.
Известен также композиционный магнитодиэлектрический материал для поглощения электромагнитных волн [2], содержащий полимерное диэлектрическое связующее - низкомолекулярный каучук с добавкой катализатора и в качестве магнитного наполнителя - порошкообразное карбонильное железо при следующем соотношении компонентов, вес %:
«Виксинт ПК-68 - низкомолекулярный каучук
15,27-18,05
Катализатор 68
0,46-0,76
Карбонильное железо Р-10
Остальное
Данный композиционный материал отличается однородностью состава, эластичностью, работоспособностью в интервале температур от -60°С, но не выше 200°С и достаточной поглощающей способностью, но в узком рабочем диапазоне частот до 18 ГГц.
Кроме того, он обладает чрезвычайно низкой технологичностью изготовления вследствие объемного эффекта, обусловленного высокой дисперсностью порошкообразного карбонильного железа Р-10.
Известен также композиционный магнитодиэлектрический материал для поглощения электромагнитных волн, содержащий полимерное диэлектрическое связующее с добавкой катализатора и магнитодиэлектрический ультрадисперсный наполнитель, в котором с целью повышения уровня поглощающей способности в качестве магнитодиэлектрического ультрадисперсного наполнителя используют продукт, полученный спеканием при 1150-1250°С с последующим дезагрегированием спека, состоящего из 61,5-86,7 об.% магнитных частиц ферритового материала, полученного химическим осаждением ферритовой фазы из водных растворов с последующим осаждением на поверхность упомянутых магнитных частиц диэлектрических слоев оксидов алюминия, титана или кремния наномолекулярным наслаиванием из газовой среды [3 - прототип] при следующем соотношении исходных компонентов в композиционном материале, вес.%:
Магнитодиэлектрический тонкодисперсный
наполнитель
65,7-75,7 (65-75 об.%)
Полимерное диэлектрическое связующее с
добавкой катализатора
Остальное
Такое выполнение магнитодиэлектрического ультрадисперсного, наполнителя обусловило по сравнению с предыдущим аналогом, благодаря значительному увеличению эффективного объема поглощения, повышение уровня поглощающей способности данного материала, коэффициент поглощения увеличен с 5 до 11 дБ/см в рабочем диапазоне частот от 0,5 до 20 ГГц.
Следует отметить, что с точки зрения повышения уровня поглощающей способности упомянутые диэлектрические оксидные слои действуют - проявляют себя комплексно и одновременно по нескольким направлениям, а именно:
во-первых, как разделители тонкодисперсных частиц химически осажденной ферритовой фазы и тем самым обуславливают увеличение эффективного объема поглощения композиционного материала,
во-вторых, являясь диэлектрическими слоями, обеспечивают возможность реализации поляризационной составляющей поглощения композиционного материала.
Однако данный композиционный материал, как и предыдущий, обладает недостаточным уровнем поглощающей способности, коэффициент поглощения - не более 11 дБ/см, а его использование ограничено достаточно узким рабочим диапазоном частот до 20 ГГц.
Более того, формирование упомянутых диэлектрических оксидных слоев на ультрадисперсных частицах ферритовой фазы наполнителя представляет собой последовательность ряда чрезвычайно сложных технологических операций, которая заключается в формировании индивидуально на каждой из тонкодисперсных частиц ферритовой фазы многослойной структуры оксидов методами наномолекулярного наслаивания на специальной установке, что определяет этот композиционный материал как крайне нетехнологичный и сложно промышленно применимый.
Кроме того, в силу этого же данный композиционный материал отличается высокой себестоимостью.
Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента поглощения композиционного материала, расширение рабочего диапазона длин волн, повышение технологичности и снижение себестоимости.
Данный технический результат достигается предложенным композиционным материалом для поглощения электромагнитных волн на основе магнитодиэлектрического материала, содержащим полимерное диэлектрическое связующее с добавкой катализатора и магнитодиэлектрический тонкодисперсный наполнитель.
Полимерное диэлектрическое связующее представляет собой полиорганосилоксановый олигомер, а магнитодиэлектрический тонкодисперсный наполнитель выполнен из сплава железо-алюминий при соотношении (87,5-88,5):(12,5-11,5), вес.% соответственно, при следующем соотношении исходных компонентов в композиционном материале, вес.%:
Полиорганосилоксановый олигомер
33,5-40,0
Катализатор
1,5-2,0
Магнитодиэлектрический тонкодисперсный
наполнитель
65-58
Катализатор представляет собой, например, продукт на основе гамма-аминопропилтриэтоксисилана.
Предложенный композиционный материал для поглощения электромагнитных волн, а именно совокупность как качественного состава исходных компонентов - полимерного диэлектрического связующего и магнитодиэлектрического тонкодисперсного наполнителя, так и их количественного состава обеспечивает оптимальное их соотношение, что в свою очередь обуславливает и тем самым обеспечивает:
во-первых, бесконтактное распределение частиц магнитодиэлектрического тонкодисперсного наполнителя в полимерном диэлектрическом связующем - полиорганосилоксановом олигомере,
во-вторых, оптимальное соотношение магнитной и диэлектрической фаз в структуре композиционного материала,
в-третьих, равномерное распределение магнитодиэлектрического тонкодисперсного наполнителя в оптимально необходимом количестве полимерного диэлектрического связующего - полиорганосилоксановом олигомере,
в-четвертых, однородность поглощающих свойств по всему объему композиционного материала,
в-пятых, формирование оксидных слоев, с присущими им указанными выше свойствами с точки зрения повышения уровня поглощающей способности, на каждой из тонкодисперсных частиц ферритовой фазы наполнителя непосредственно в процессе выполнения магнитодиэлектрического тонкодисперсного наполнителя из сплава железо-алюминий.
Все названное одновременно обуславливает повышение уровня поглощающей способности композиционного материала при расширении рабочего диапазона длин волн.
Более того, возможность формирования диэлектрического оксидного слоя - оксида алюминия магнитодиэлектрического тонкодисперсного наполнителя вне процесса изготовления самого композиционного материала. А именно непосредственно в процессе предварительного выполнения магнитодиэлектрического тонкодисперсного наполнителя из сплава железо-алюминий методом распыления его расплава струей воды высокого давления, что является достаточно простым и нетрудоемким методом и тем самым позволит значительно упростить процесс изготовления самого композиционного материала для поглощения электромагнитных волн и, следовательно, значительно повысить его технологичность и снизить себестоимость.
Экспериментально установлено, что соотношение количества в сплаве железа и алюминия (87,5-88,5):(12,5-11,5), вес.%, соответственно позволяет формировать оптимальное соотношение магнитной и диэлектрической фаз магнитодиэлектрического тонкодисперсного наполнителя, который обеспечивает максимально эффективный уровень поглощающей способности.
Наличие железа и алюминия в сплаве менее 87,5 и более 12,5 соответственно, а более 88,5 и менее 11,5 приводит
во-первых, к нарушению указанного оптимального соотношения фаз магнитодиэлектрического тонкодисперсного наполнителя, во-вторых, к нарушению бесконтактного распределения частиц магнитодиэлектрического тонкодисперсного наполнителя в полимерном диэлектрическом связующем - полиорганосилоксановом олигомере в силу нарушения толщины и сплошности диэлектрических слоев оксида алюминия.
И то и другое, как указано выше, приводит к снижению уровня поглощающей способности.
Наличие полиорганосилоксанового олигомера в композиционном материале менее 33,5 вес % приводит к ухудшению прочностных и технологических свойств из-за увеличения рабочей вязкости, а более 40 вес % - к снижению уровня поглощающей способности.
Указанное количество катализатора является необходимым и достаточным для формирования объемной структуры композиционного материала.
При наличии магнитодиэлектрического тонкодисперсного наполнителя в количестве менее 58 вес % наблюдается снижение уровня поглощающей способности композиционного материала, а более 65 вес % - его технологичности.
Экспериментально установлено, что при увеличении количества магнитодиэлектрического наполнителя в системе металл - диэлектрик создаются условия для прямого контакта магнитных - проводящих частиц между собой, приводящие фактически к увеличению их размеров и тем самым:
а) нарушению условия соизмеримости между их размером и толщиной их скин-слоя,
б) резкому снижению объемного эффекта поглощения и при максимальном увеличении количества магнитодиэлектрического наполнителя переходу в систему, ведущую себя как проводящий монолит.
И то и другое приводит к резкому снижению уровня поглощающей способности.
Итак, предложенный композиционный материал для поглощения электромагнитных волн обеспечит оптимальное соотношение как качественного, так и количественного состава исходных компонентов для обеспечения свойств и характеристик композиционного материала, необходимых и достаточных для повышения уровня поглощающей способности, а также повышения технологичности и снижения себестоимости.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены частотные зависимости коэффициента поглощения предложенного композиционного материала (кривые 1-3) и композиционного материала прототипа (кривая 4).
Примеры конкретного выполнения предложенного композиционного материала для поглощения электромагнитных волн
Пример 1.
В магнитодиэлектрический тонкодисперсный наполнитель из сплава железо-алюминий марки ПР-12Ю с дисперсностью до 45 мкм в количестве 61,5 вес % добавляют полимерное диэлектрическое связующее - полиорганосилоксановый олигомер марки СКТН-Б в количестве 36,7 вес.% и катализатор - смесь гамма-аминопропилтриэтоксисилана в тетраэтоксисилане (катализатор 68) в количестве 1,75 вес.% и перемешивают до однородной массы.
Затем изготовленную смесь вакуумируют, в результате чего получают готовый к употреблению композиционный материал для поглощения электромагнитных волн.
Примеры 2-5.
Аналогично были изготовлены образцы композиционного материала, но при других значениях количественного состава компонентов, согласно указанных в формуле изобретения (примеры 2-3), а также за ее пределами (примеры 4-5).
Изготовленные образцы композиционного материала представляют собой однородную вязкотекучую массу, готовую для изготовления поглотителей электромагнитных волн различного типа в результате процесса ее вулканизации при комнатной температуре в течение 72 часов.
На изготовленных образцах композиционного материала были измерены следующие характеристики:
- коэффициент поглощения, дБ/см,
3
- плотность, Г/см,
2
- механическая прочность при растяжении на разрыв, кгс/см.
Все измерения проводились по стандартным методикам.
Данные представлены в таблице.
3
2
3
Как видно из таблицы, образцы композиционного материала, количественный состав которых выполнен согласно предложенной формуле изобретения (примеры 1-3), имеют коэффициент поглощения 50-55 дБ/см на рабочей частоте 10 ГГц, плотность примерно 2,0 Г/см, предел прочности при отрыве 10,0-14,5 кгс/см, в отличие от данных композиционного материала - прототипа - соответственно 10,9 дБ/см на частоте 10 ГГц, более 3,0 Г/см (прототип).
Данных предела прочности при отрыве - прототипа - нет.
Следует отметить высокий коэффициент поглощения в примере 4, что обусловлено высоким содержанием магнитодиэлектрнического наполнителя, но, к сожалению, композиционный материал обладает высокой вязкостью, что делает его менее технологичным.
Итак, коэффициент поглощения предложенного композиционного материала по сравнению с прототипом повышен примерно в 5 раз, плотность снижена в 1,5 раза. Это достаточно высокие результаты.
Как видно из кривых, представленных на чертеже, рабочий диапазон частот по сравнению с прототипом расширен до 90 ГГц и более.
Таким образом, предложенный композиционный материал для поглощения электромагнитных волн позволит по сравнению с прототипом
во-первых, повысить коэффициент поглощения примерно в пять раз (50 дБ/см против 11 Дб/см - прототипа),
во-вторых, расширить рабочий диапазон частот до 90 ГГц и более,
в-третьих, значительно повысить технологичность и снизить себестоимость.
Кроме того, данный композиционный материал обладает высокой эластичностью, коррозионной стойкостью, морозо- и термостойкостью в диапазоне температур от -60 до 250°С при длительном и до 300°С при кратковременном воздействии.
Данный композиционный материал для поглощения электромагнитных волн на основе магнитодиэлектрического материала может быть особенно востребован в радиоэлектронной аппаратуре в силу указанных выше характеристик и свойств и в том числе в силу высокой технологичности как изготовления, так и применения, что немаловажно.
Источники информации
1. Патент РФ №2155420, МПК H01Q 17/00, C09D 5/32, приоритет 2000.01.12, опубликован 2000.08.27.
2. Патент РФ №2231877, МПК H01Q 17/00, приоритет 2002.05.30, опубликован 2004.06.27.
3. Патент РФ №2247759, МПК C09D 5/32, H01Q 17/00, приоритет 2004.03.19, опубликован 2005.03.10 - прототип.