close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 12034

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.06.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 08L 23/00
C 08K 3/00
G 12B 17/00
КОМПОЗИЦИОННЫЙ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИЙ МАТЕРИАЛ
ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
(21) Номер заявки: a 20071052
(22) 2007.08.22
(43) 2009.04.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Объединенный институт машиностроения Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Прищепов Анатолий Сергеевич; Сенють Владимир Тадеушевич; Ковалева Светлана Анатольевна (BY)
BY 12034 C1 2009.06.30
BY (11) 12034
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное научное учреждение "Объединенный институт машиностроения Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
(56) RU 2242487 С1, 2004.
EP 0297888 A1, 1989.
JP 10-204305 A, 1998.
JP 2004-59832 A, 2004.
JP 60-195134 A, 1985.
BY 4534 C1, 2002.
JP 2004-63481 A, 2004.
EP 0205758 A2, 1986.
SU 1776671 A1, 1992.
(57)
1. Способ получения композиционного материала для поглощения электромагнитного
излучения, включающий модифицирование графитового наполнителя, его смешивание со
связующим, представляющим собой полиэтилен, при их массовом соотношении (230):(70-98), совмещение смеси, ее терморасширение в режиме термоудара и формование,
отличающийся тем, что в качестве графитового наполнителя используют графит марки
ГС-2, который модифицируют путем отжига при температуре 900-1100 °С в восстановительной атмосфере, содержащей азот, водород, метан и оксид углерода, с последующей
изотермической выдержкой в течение 1-3 ч.
2. Композиционный материал для поглощения электромагнитного излучения, содержащий модифицированный графитовый наполнитель и полиэтилен при их массовом соотношении (2-30):(70-98), отличающийся тем, что получен способом по п. 1.
Изобретение относится к получению композиционных материалов для защиты от
электромагнитного излучения поглощением и может применяться для снижения уровня
помех и паразитных излучений от многочисленных радиоизлучающих устройств, в конструкциях безэховых камер и в других радиотехнических устройствах.
Беспроводная связь, персональные компьютеры, бытовые и промышленные приборы
и аппараты, электрический транспорт и различные устройства специального назначения
создают электромагнитное излучение, которое может пагубно воздействовать на высокочувствительное оборудование в научно-технических центрах и в центрах наземной и кос-
BY 12034 C1 2009.06.30
мической связи, может отрицательно воздействовать на другие объекты, включая человека. Поэтому важной проблемой является экранирование этих объектов с целью защиты их
от нежелательного воздействия электромагнитных волн. Кроме этого, проблема защиты
по-прежнему остается актуальной для решения широкого класса задач, среди которых уменьшение радиолокационной заметности техники, уменьшение помех и паразитных излучений от многочисленных радиоизлучающих устройств при работе радиолокационной и
другой электронной аппаратуры.
Традиционно существуют три основных типа подходов для обеспечения защиты техники и человека от электромагнитного излучения: 1) создание материалов, поглощающих
энергию электромагнитного излучения и трансформирующих ее в тепло; 2) создание материалов, отражающих электромагнитную волну благодаря разнице импедансов экрана и
окружающего пространства; 3) создание материалов, обладающих свойствами первых
двух групп радиопоглощающих материалов.
Современные способы защиты от электромагнитного излучения основываются на увеличении поглощения электромагнитной энергии в материале благодаря наличию у него
омической проводимости и диэлектрических потерь, на увеличении поглощения энергии
за счет увеличения магнитных потерь, на увеличении широкополосности спектра поглощения электромагнитных волн за счет их рассеяния и переотражения от конструкционных
элементов радиопоглощающих материалов.
Одним из способов защиты от электромагнитного излучения является использование
для этой цели гибких вспененных полимерных композиционных материалов, способных
поглощать электромагнитное излучение в широком диапазоне частот. В качестве наполнителей таких материалов применяют углеродсодержащие электропроводящие и магнитомягкие порошкообразные вещества.
Известен композиционный материал для поглощения электромагнитного излучения
[патент США 3721982, МПК Н 01Q 17/00, 1973], представляющий собой расположенные
рядом сферы, диаметр которых имеет величину порядка длины волны электромагнитного
излучения - самой короткой из диапазона длин волн, которая должна быть поглощена.
Каждая сфера состоит из непроводящей и ненамагниченной сердцевины и оболочки из
одного или нескольких слоев материала, реагирующего на излучение. Таких слоев может
быть несколько, и они должны быть изолированными друг от друга. Сердцевина может
быть выполнена из твердого или вспененного полимера, например из полистирола, фенолальдегида, полиэфирной эпоксидной смолы, природных или синтетических каучуков,
поливинилхлорида или полиуретана. Реагирующие на электромагнитное излучение слои
выполнены из углеродсодержащего вещества, например из графита. При этом концентрация графита равна 1-200 кг на м3 материала сфер.
Способ изготовления известного материала состоит в следующем. Сердцевину формируют вспениванием маленького шарика полистирола или другого материала до заданной величины или вырезают из блока или листа пенопласта и обрабатывают до заданной
формы и величины. Далее погружением или распылением на сердцевины наносят графитовое покрытие. Сферы формируют в ячеистые конструкции, которые расположены в несколько ярусов. Ячейки окружают наружной оболочкой, которая разделена внутри
перегородками, простирающимися параллельно направлению падения излучения. Каждую
ячейку заполняют матрицей пенопласта того же состава, что и сердцевина сфер. Скелет
конструкции может состоять из такого же диэлектрического материала, как и сердцевины
и пористая матрица. После удаления этого скелета тело поглотителя становится гибким
непрерывным листом.
Недостатками такого материала и способа его получения являются сложность, трудоемкость изготовления сфер и всего композиционного материала, неравномерность распределения покрытия на сферах.
2
BY 12034 C1 2009.06.30
Известен композиционный материал для поглощения электромагнитного излучения
[заявка Японии 60-95134, МПК С 08J 9/22, 1985], представляющий собой спеченный в
пресс-форме вспененный порошок из термопластичной пластмассы на основе полистирола или полиолефина, покрытый электропроводным веществом, представляющим собой
либо графитовый порошок, либо газовую сажу, либо углеродные волокна или их смесь в
соотношении 1:1:1-10:1:1 мас. % соответственно.
Известный композиционный материал получают следующим способом. Предварительно вспенивают порошок из термопластичной пластмассы. Затем на поверхность частиц порошка наносят электропроводное вещество при помощи смачивающего агента,
представляющего собой эмульсию на основе акрила, стиролакрила, винилацетата или этиленвинилацетата. После этого порошок сушат, заполняют полученным порошком прессформы и формуют готовое изделие.
Недостатками данного композиционного материала и способа его получения являются
неравномерность распределения электропроводного вещества, трудоемкость изготовления.
Известен также композиционный материал для поглощения электромагнитного излучения [патент Японии 61-228032, МПК С 08J 9/02, 1986], в состав которого входят
100 мас.ч. форполимера уретана, содержащего изоцианатный радикал, 100 мас.ч. воды и
не менее 10 мас.ч. порошка по меньшей мере одного вида, выбранного из группы магнитных и электропроводящих порошков. В качестве магнитного порошка применяют магнито-мягкий феррит, например марганцево-цинковый феррит, Sr-феррит или Ва-феррит. В
качестве электропроводящего порошка используют углеродистый порошок, например газовую, ацетиленовую или печную сажу.
Способ получения такого композиционного материала состоит в смешивании ингредиентов, после чего смесь подвергают сушке с целью удаления воды. Полученный пенопласт можно обрабатывать резанием и получать изделия любой формы и толщины.
Недостатком известного материала и способа его получения является использование
ферритового магнитного наполнителя, который имеет высокий удельный вес. Кроме того,
в композиционный материал, как правило, необходимо вводить магнитный наполнитель в
больших количествах, что приводит к ухудшению эксплуатационных свойств композита.
Известен композиционный материал для поглощения электромагнитного излучения
[патент США 6265466, МПК G 21 F 001/10, 2001], состоящий из полимерного связующего
и 1,5-15 мас. % одной из разновидностей углерода - углеродных нанотрубок. Ослабление
таким материалом электромагнитного излучения с частотами в интервале 20 кГц-0,2 ГГц
составляет свыше 100 дБ.
Недостатками данного композиционного материала и способа его получения являются
значительная энерго- и материалоемкость, а также малая производительность получения
углеродных нанотрубок, что ведет к большой его стоимости и к ограничению его использования. Кроме этого, в интервал частот поглощаемых электромагнитных волн не попадают частоты наиболее опасного электромагнитного излучения - от единиц до десятков и
сотен ГГц.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является композиционный материал для поглощения электромагнитного излучения [патент России 2242487,
МПК С 08J 9/24, 2004], представляющий собой сформованную смесь полимерного связующего, например полиэтилена низкого давления, и электропроводящего наполнителя,
представляющего собой модифицированный обработкой концентрированной серной и
азотной кислотами графит при соотношении электропроводящего наполнителя и полимерного связующего 2-30:70-98 мас. % соответственно. Данный композиционный материал характеризуется коэффициентом отражения электромагнитного излучения от -2 до
-16 дБ в диапазоне частот 8,0-12,4 ГГц, при толщине образца 4-8 мм.
3
BY 12034 C1 2009.06.30
Способ получения данного композиционного материала включает операции смешивания полимерного связующего и электропроводящего графитового наполнителя, совмещения полученной смеси прессованием и (или) нагреванием при температуре не выше
180 °С в течение 20-70 мин, терморасширения смеси в режиме термоудара при температуре 250-310 °С в течение 2-10 мин и ее формования.
В результате реализации известного способа создан поглощающий электромагнитное
излучение вспененный композиционный материал с уменьшенной объемной плотностью.
Однако защитные свойства покрытий из таких материалов за счет поглощения ими электромагнитного излучения недостаточно высоки.
Задачей заявляемого изобретения является создание композиционного материала и
способа его получения для более эффективной защиты от электромагнитного излучения
путем увеличения поглощающей способности материала.
Указанная задача решена в созданном материале для поглощения электромагнитного
излучения, содержащий модифицированный графитовый наполнитель и полиэтилен в качестве связующего, отличающийся тем, что указанные компоненты взяты в следующем
соотношении, мас. %:
модифицированный графит
2-30;
полиэтилен
остальное.
Способ получения композиционного материала для поглощения электромагнитного
излучения, включающий модифицирование графитового наполнителя, смешивание модифицированного графитового наполнителя с полиэтиленовым связующим, совмещение полученной смеси, ее терморасширение и формование, причем, согласно изобретению,
графитовый наполнитель модифицируют путем отжига его порошка в восстановительной
атмосфере при температуре 900-1100 °С с последующей изотермической выдержкой в течение 1-3 часов.
В результате взаимодействия в условиях высоких температур газообразных компонентов атмосферы и поверхности графита происходит изменение ее микроструктуры с перестройкой электронных связей, в результате чего в графите появляются неспаренные
электроны, которые обусловливают возникновение у него магнитных свойств.
При температуре отжига ниже 900 °С и (или) при времени изотермической выдержки
менее 1 часа магнитные свойства порошка графитового наполнителя проявляются слабо,
вплоть до их исчезновения. Более высокая, чем 1100 °С, температура отжига и (или) время
изотермической выдержки более 3 часов не приводят к заметному усилению магнитных
свойств порошка графитового наполнителя.
Увеличение поглощающей способности заявляемого композиционного материала
(на фоне поглощения электромагнитной энергии в материале из-за наличия у него омической проводимости и диэлектрических потерь) получено благодаря увеличению поглощения им электромагнитной энергии за счет увеличения магнитных потерь на
модифицированном отжигом (в содержащей азот, водород, метан и оксид углерода восстановительной атмосфере) графитовом наполнителе, обнаруживающем после отжига
магнитные свойства.
Отжиг графитового наполнителя проводили при температуре 900-1100 °С. Для этого
порошок графитового наполнителя, например, марки ГС-2 с размером частиц 40-60 мкм насыпали в герметический контейнер и помещали в печь. Восстановительную атмосферу в
контейнере создавали подачей в него баллонных газов азота, водорода, метана и оксидов
углерода в следующем соотношении: 20-30 % СО, 20-30 % Н2, 35-59,5 % N2 + 0,5-5 % СН4.
Смешивание модифицированного графитового наполнителя с полиэтиленовым полимерным связующим проводили в соотношении графитовый наполнитель полиэтилен, равном 2,0-30,0:70,0-98,0 мас. %.
Совмещение полученной смеси проводили прессованием при подогреве до температуры не выше 120 °С.
4
BY 12034 C1 2009.06.30
Терморасширение совмещенной горячим прессованием смеси проводили в режиме
термоудара - быстрым нагревом спрессованной пластины до температуры 260 °С. Получали вспененный композиционный материал.
Формование полученного вспененного композиционного материала вели в процессе
его терморасширения путем размещения совмещенной смеси графитовый наполнительполиэтилен в бóльшую по размеру форму, которая заполнялась терморасширяющимся материалом, что придавало композиционному материалу определенную конфигурацию.
Получение композиционного материала любой формы и толщины можно осуществить
способом его резания или подпрессовкой.
Полученный композиционный материал характеризуется пониженным до (-4)-(-22) дБ
коэффициентом отражения электромагнитных волн с частотами из диапазона 8,0-12,4 ГГц
за счет увеличения поглощающей это излучение способности композиционного материала. Увеличение поглощающей электромагнитное излучение способности композиционного материала, полученного заявляемым способом, достигнуто формированием
восстановительной атмосферы, содержащей азот, водород, метан и оксид углерода.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами и таблицей.
Пример 1.
Готовили модифицированный графитовый наполнитель следующим способом.
Порошок графита марки ГС-2 с размером частиц 40-60 мкм насыпали в герметический
контейнер, который затем помещали в печь для проведения отжига. Отжиг графитового
наполнителя проводили в печи немецкой фирмы "Naber". Восстановительную атмосферу в
контейнере создавали подачей в них баллонных газов азота, водорода, метана и оксида
углерода. Нагрев порошка в печи вели в течение 3 ч при температуре 1100 °С. В результате химико-термической обработки в указанных условиях получали модифицированный
графитовый наполнитель с приобретенными магнитными свойствами.
Модифицированный графитовый наполнитель в виде порошка в количестве 2,0 г смешивали с порошком полиэтилена низкого давления, взятого в количестве 98,0 г, что соответствовало их соотношению в смеси 2,0:98,0 мас. %. Получали графито-полиэтиленовую
смесь.
Эту смесь перемешивали в смесителе в течение 20 мин для достижения состояния гомогенности и проводили ее совмещение путем прессования при подогреве до температуры не выше 120 °С.
Далее полученную пластическую массу модифицированным графитовым наполнителем подвергали терморасширению при температуре 260 °С.
После формования образца проводили его радиофизическое исследование. Его коэффициент отражения электромагнитного излучения с частотой 12,4 ГГц составил величину
Котр = -4,0 ± 0,4 дБ.
Пример 2.
Готовили модифицированный графитовый наполнитель следующим способом.
Порошок графита марки ГС-2 с размером частиц 40-60 мкм насыпали в герметический
контейнер, который затем помещали в печь для проведения отжига. Восстановительную
атмосферу в контейнере создавали подачей в них баллонных газов азота, водорода, метана
и оксида углерода. Нагрев порошка в печи вели в течение 3 ч при температуре 1100 °С. В
результате химико-термической обработки в указанных условиях получали модифицированный графитовый наполнитель с приобретенными магнитными свойствами.
Модифицированный графитовый наполнитель в виде порошка в количестве 16,6 г
смешивали с порошком полиэтилена низкого давления, взятого в количестве 83,4 г, что
соответствовало их соотношению в смеси 16,6:83,4 мас. %. Получали графитополиэтиленовую смесь.
5
BY 12034 C1 2009.06.30
Эту смесь перемешивали в смесителе в течение 20 минут для достижения состояния
гомогенности и проводили ее совмещение путем прессования при подогреве до температуры не выше 120 °С.
Далее полученную пластическую массу модифицированным графитовым наполнителем подвергали терморасширению при температуре 260 °С.
После формования образца проводили его радиофизическое исследование. Его коэффициент отражения электромагнитного излучения с частотой 8,0 ГГц составил величину
Котр = -8,4 ± 0,4 дБ.
Пример 3.
Готовили модифицированный графитовый наполнитель следующим способом.
Порошок графита марки ГС-2 с размером частиц 40-60 мкм насыпали в герметический
контейнер, который затем помещали в печь для проведения отжига. Восстановительную
атмосферу в контейнере создавали подачей в них баллонных газов азота, водорода, метана
и оксида углерода. Нагрев порошка в печи вели в течение 3 ч при температуре 1100 °С. В
результате химико-термической обработки в указанных условиях получали модифицированный графитовый наполнитель с приобретенными магнитными свойствами.
Модифицированный графитовый наполнитель в виде порошка в количестве 30,0 г
смешивали с порошком полиэтилена низкого давления, взятого в количестве 70,0 г, что
соответствовало их соотношению в смеси 30,0:70,0 мас. %. Получали графитополиэтиленовую смесь.
Эту смесь перемешивали в смесителе в течение 20 мин для достижения состояния гомогенности и проводили ее совмещение путем прессования при подогреве до температуры не выше 120 °С.
Далее полученную пластическую массу модифицированным графитовым наполнителем подвергали терморасширению при температуре 260 °С.
После формования образца проводили его радиофизическое исследование. Его коэффициент отражения электромагнитного излучения с частотой 12,4 ГГц составил величину
Котр = -22,0 ± 0,4 дБ.
Из приведенных примеров следует, что электромагнитного излучения с частотами 8,012,4 ГГц полученные заявляемым способом композиционные материалы с соотношением
ингредиентов (модифицированный графитовый наполнитель): (полиэтиленовое связующее), равном 2,0-30,0:70,0-98,0 мас. %, характеризуются коэффициентами отражения
Котр = (-4,0 ± 0,4) дБ - (-22,0 ± 0,4) дБ, которые меньше коэффициентов отражения композиционных материалов Котр = (-2) дБ - (-16) дБ композиционных материалов, полученных
известным способом-прототипом.
Следовательно, поглощающая способность заявляемого композиционного материала,
полученного заявляемым способом, выше по сравнению с поглощающей способностью
композиционного материала, полученного известным способом-прототипом.
В таблице приведены экспериментальные характеристики композиционных материалов, полученных заявляемым способом.
Связующее
Полиэтилен низкого давления
Коэффициент
Степень расСодержание
ширения
Объемная отражения отожженных
модифицирообразцов, дБ
(отнош. исход. плотность
ванного граобъема к конеч. образцов, г/л Частота 8,0 Частота
фита, мас. %
объему)
ГГц
12,4 ГГц
9,1
4,24
174
6,2
9,6
16,6
7,16
111
8,4
12,1
Для оценки поглощающей электромагнитное излучение способности композиционного полимерного материала слой этого материала наносят или приводят в плотный контакт
6
BY 12034 C1 2009.06.30
с металлической подложкой и измеряют отражающую способность такой сэндвичеобразной конструкции при нормальном падении на нее электромагнитной волны со стороны
материала (измеряют коэффициент отражения). Подавляющая часть электромагнитной
энергии отражается от металлической подложки. Таким образом, через исследуемый композиционный полимерный материал электромагнитная волна проходит дважды - в прямом
и обратном направлениях. Если измеряемый отраженный сигнал не потерял своей первоначальной энергии (не изменилась амплитуда электрической составляющей электромагнитной волны), то материал не поглотил электромагнитное излучение. Уменьшение
энергии первоначального сигнала (уменьшение амплитуды электрической составляющей
электромагнитной волны) свидетельствует о поглощении исследуемым материалом электромагнитного излучения. Таким образом, можно вести контроль поглощающей способности композиционного полимерного материала, а именно, измеряя коэффициент
отражения сэндвичеобразной конструкции композиционный материал - металлическая
подложка.
Из таблицы следует, что, для электромагнитного излучения с частотами 8,0 и 12,4 ГГц
и при содержании модифицированного графитового наполнителя в полиэтиленовой матрице в количестве 9,1 и 16,6 мас. % композиционные материалы, полученные заявляемым
способом, имеют коэффициенты отражения, величины которых меньше по сравнению с
коэффициентами отражения композиционных материалов, получаемых по способупрототипу:
-6,2 дБ против -2,4 дБ у прототипа;
-8,4 дБ против -2,1 дБ у прототипа;
-9,6 дБ против -4,0 дБ у прототипа;
-12,1 дБ против -3,9 дБ у прототипа.
Следовательно, поглощающая способность заявляемого композиционного материала,
полученного заявляемым способом, выше по сравнению поглощающей способностью
композиционного материала, полученного известным способом-прототипом.
Таким образом, композиционный материал, получаемый заявляемым способом, обладает более эффективной защитой от электромагнитного излучения в диапазоне частот 8,012,4 ГГц.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
112 Кб
Теги
патент, 12034
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа