Патент на изобретение №2382804

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИОПОГЛОЩАЮЩЕГО МАТЕРИАЛА И РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЙ МАТЕРИАЛ, ПОЛУЧЕННЫЙ ЭТИМ СПОСОБОМ

(57) Реферат:

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 Li_0.5Fe_2.5O₄-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(Со_0.5Zn_0.5)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 (f) 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 (f=5.09-7.20 ГГц при R=7 дБ) существенно выше (f=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(Co_0.5Zn_0.5)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 f 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 f, 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, f, 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

Формула изобретения

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.