RU2821836C1 - Method of producing conducting radiation-absorbent material and material obtained using this method - Google Patents

Method of producing conducting radiation-absorbent material and material obtained using this method Download PDF

Info

Publication number
RU2821836C1
RU2821836C1 RU2023130313A RU2023130313A RU2821836C1 RU 2821836 C1 RU2821836 C1 RU 2821836C1 RU 2023130313 A RU2023130313 A RU 2023130313A RU 2023130313 A RU2023130313 A RU 2023130313A RU 2821836 C1 RU2821836 C1 RU 2821836C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
composite
hours
epoxy
emr
producing
Prior art date
Application number
RU2023130313A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Катерина Валерьевна Карева
Александр Сергеевич Сураев
Дмитрий Викторович Вагнер
Виктор Алексеевич Журавлев
Original Assignee
Катерина Валерьевна Карева
Filing date
Publication date
Application filed by Катерина Валерьевна Карева filed Critical Катерина Валерьевна Карева
Application granted granted Critical
Publication of RU2821836C1 publication Critical patent/RU2821836C1/en

Links

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: invention relates to radio engineering, in particular to methods of producing composite material for absorption of electromagnetic radiation (EMR) of high- and superhigh-frequency (SHF) range. Disclosed is a method of producing conducting radiation-absorbent material, which involves grinding carbon fibre in a planetary ball mill and subsequent mixing with ferrites of hexagonal structure of Z-type and epoxy adhesive in mass ratio, %: oxide hexagonal ferrimagnetic – 55–70, carbon fibre – 0.01–0.09, epoxy adhesive – 29.91–44.99; characterized by that the obtained mixture is subjected to ultrasonic treatment with further action of an external magnetic field of 4 kOe for 6 hours, after which it is held without external factors for 24 hours until complete polymerisation, then using a thin layer of epoxy glue, said composite is fixed on a metal substrate.
EFFECT: reduced EMR reflection coefficient in a wide microwave band.
2 cl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к технологии создания композиционного материала для применения в области поглощения электромагнитного излучения (ЭМИ) высоко- и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона; может быть использовано для обеспечения электромагнитной герметизации корпусов радиотехнических приборов с целью защиты персонала предприятий и пользователей от нежелательного воздействия радиоизлучения, создаваемого совокупностью научных, промышленных и бытовых устройств. Изобретение направлено на снижение значения коэффициента отражения излучения от объектов. Для его получения проводят измельчение углеродного волокна (УВ) в планетарной шаровой мельнице. В композиционном материале, в который добавляется измельченное углеродное волокно, содержится ещё один наполнитель - ферриты гексагональной структуры Z-типа, в качестве связующего вещества используется эпоксидный клей. Для создания однородной структуры композиционная смесь перед полимеризацией предварительно проходит ультразвуковую обработку в течение 5 минут. Во время полимеризации образца на композит воздействуют постоянным вращающимся магнитным полем для создания магнитной текстуры в образце. Композит, полученный данным способом, может быть использован для получения радиопоглощающих покрытий, снижающих радиолокационную заметность.The invention relates to a technology for creating a composite material for use in the field of absorption of electromagnetic radiation (EMR) in the high and ultra high frequency (microwave) range; can be used to provide electromagnetic sealing of housings of radio engineering devices in order to protect enterprise personnel and users from unwanted exposure to radio radiation created by a set of scientific, industrial and household devices. The invention is aimed at reducing the coefficient of reflection of radiation from objects. To obtain it, carbon fiber (CF) is ground in a planetary ball mill. The composite material, to which crushed carbon fiber is added, contains another filler - ferrites of a hexagonal Z-type structure, and epoxy glue is used as a binder. To create a homogeneous structure, the composite mixture is preliminarily ultrasonic treated for 5 minutes before polymerization. During polymerization of the sample, a constant rotating magnetic field is applied to the composite to create a magnetic texture in the sample. The composite obtained by this method can be used to produce radio-absorbing coatings that reduce radar signature.

Уровень техникиState of the art

Патентный поиск по изобретениям, использующихся для поглощения электромагнитного излучения, выявил множество технических решений получения таких материалов, большинство из которых не являются проводящими.A patent search for inventions used to absorb electromagnetic radiation has revealed many technical solutions for producing such materials, most of which are non-conductive.

Так, известные материалы (см. патент RU №2651343, МПК C09D 5/32 и H01Q 17/00, опубликован 19.04.2018), состоящие из гексаферрита бария M-типа, замещенного ионами алюминия, и оксида бора B2O3. Нанесение диэлектрического слоя оксида бора приводило к увеличению эффективности поглощения до -22,7 дБ в терагерцовом диапазоне. Синтез гексаферритов производился по стандартной керамической технологии при температуре 1150-1250 °C. Полученный магнито-диэлектрический материал эффективен для поглощения в субтерагерцовой области спектра (0,08-0,1 ТГц), значения коэффициентов отражения составляют от -22,7 до -19,6 дБ.Thus, known materials (see patent RU No. 2651343, IPC C09D 5/32 and H01Q 17/00, published 04/19/2018) consisting of M-type barium hexaferrite, substituted with aluminum ions, and boron oxide B 2 O 3 . The application of a dielectric layer of boron oxide increased the absorption efficiency to -22.7 dB in the terahertz range. The synthesis of hexaferrites was carried out using standard ceramic technology at a temperature of 1150-1250 °C. The resulting magneto-dielectric material is effective for absorption in the subterahertz region of the spectrum (0.08-0.1 THz), the reflection coefficients range from -22.7 to -19.6 dB.

Основным недостатком данных материалов является доказанная эффективность при большой толщине образцов (5 мм), что увеличивает вес изделия и вносит большое влияние объемного резонанса. В условиях тренда на миниатюризацию устройств область применения изучаемого материала может быть ограничена. Данный материал не является проводящим.The main disadvantage of these materials is their proven effectiveness with large sample thicknesses (5 mm), which increases the weight of the product and introduces a large influence of volumetric resonance. Given the trend towards miniaturization of devices, the scope of application of the material being studied may be limited. This material is not conductive.

Известны радиопоглощающие материалы, в которые включены в качестве проводящих структур многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), а основными наполнителями являются бариевые гексаферриты M-типа и карбонильное железо (см. патент RU № 2775007, МПК C09D 5/32, H01Q 17/00, опубликован 21.03.2022). Содержание феррита составляло от 55 до 65 масс. % с дисперсностью 5-50 мкм, МУНТ - 0,1-2 масс. %. Ферриты синтезировались по стандартной керамической технологии при 1350 °C. Благодаря замещению ионов металлов в составе феррита возможна тонкая настройка покрытия под эффективное поглощение в заданных частотных диапазонах.Radio-absorbing materials are known, in which multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) are included as conducting structures, and the main fillers are M-type barium hexaferrites and carbonyl iron (see patent RU No. 2775007, IPC C09D 5/32, H01Q 17/00, published 03/21/2022). The ferrite content ranged from 55 to 65 wt. % with a dispersion of 5-50 microns, MWCNTs - 0.1-2 wt. %. Ferrites were synthesized using standard ceramic technology at 1350 °C. Thanks to the substitution of metal ions in the ferrite composition, it is possible to fine-tune the coating for effective absorption in specified frequency ranges.

Недостатком данного изобретения является отсутствие обоснования МУНТ в составе, основное внимание уделено замещению ионов металлов в составе бариевого гексаферрита. В исследуемом патенте не приведены толщины разработанных материалов, что не позволяет оценить эффективность поглощающих свойств.The disadvantage of this invention is the lack of justification for MWCNTs in the composition; the main attention is paid to the replacement of metal ions in the composition of barium hexaferrite. The patent under study does not indicate the thickness of the developed materials, which does not allow us to evaluate the effectiveness of the absorption properties.

В патенте № 2402845 (МПК H01Q 17/00, опубликован 27.10.2010) описывается создание композиционного материала, в составе которого содержатся карбонильный никель, графит, как связующее - двухкомпонентный силиконовый компаунд ПК-68. Порошки карбонильного никеля и графита предварительно высушивали при температуре (120±10) °С. Навески порошков и каучука перетирали в фарфоровой ступке и при вводе второго компонента силиконового компаунда повторно перетирали в течение 5-10 минут. Полученную смесь можно было заливать в формы или наносить слоями на поверхности изделий в течение часа. Применение графита позволило уменьшить коэффициент отражения и повысить стабильность поглощающих характеристик при эксплуатации в течение долгого времени во влажной среде.Patent No. 2402845 (MPK H01Q 17/00, published 10/27/2010) describes the creation of a composite material that contains carbonyl nickel, graphite, and a two-component silicone compound PK-68 as a binder. Carbonyl nickel and graphite powders were pre-dried at a temperature of (120±10) °C. Weighed amounts of powders and rubber were ground in a porcelain mortar and, when introducing the second component of the silicone compound, they were ground again for 5-10 minutes. The resulting mixture could be poured into molds or applied in layers to the surfaces of products within an hour. The use of graphite made it possible to reduce the reflection coefficient and increase the stability of absorption characteristics when used for a long time in a humid environment.

Недостатком данного изобретения является отсутствие приведенной толщины образцов, значения поглощения которых приведены в описании патента, что не позволяет оценить применимость материала в различных технических решениях.The disadvantage of this invention is the lack of specified sample thicknesses, the absorption values of which are given in the patent description, which does not allow assessing the applicability of the material in various technical solutions.

Наиболее близким к настоящему патенту является патент (см. RU № 2794212, МПК C08L 63/00, C08K 7/00, C08K 3/08, B82B 3/00, опубликован 21.12.2022), посвященный проблеме снижения радиолокационной заметности. На водяной бане подогревают до 35 °C эпоксидную смолу, в которую всыпают и перемешивают порошок резины ХВ 2.0, рубленое углеволокно (УВ), графит и карбонильное железо. После добавления отвердителя массу перемешивают и заливают в форму. Для изменения спектров диэлектрической проницаемости в состав вводят углеродные структуры, такие как УВ и графит. Для создания магнитных потерь используют магнитоактивное карбонильное железо. Полученный материал показал поглощающие свойства от -22,2 до -70 дБ.The closest to this patent is the patent (see RU No. 2794212, IPC C08L 63/00, C08K 7/00, C08K 3/08, B82B 3/00, published 12/21/2022), dedicated to the problem of reducing radar signature. In a water bath, epoxy resin is heated to 35 °C, into which XB 2.0 rubber powder, chopped carbon fiber (CF), graphite and carbonyl iron are added and mixed. After adding the hardener, the mass is mixed and poured into the mold. To change the dielectric constant spectra, carbon structures such as carbon fiber and graphite are introduced into the composition. To create magnetic losses, magnetically active carbonyl iron is used. The resulting material showed absorption properties from -22.2 to -70 dB.

Недостатком данного изобретения является отсутствие перечисления толщин образцов прокладок и корпусов, к которым приведены спектры поглощения.The disadvantage of this invention is the lack of listing the thicknesses of the samples of gaskets and housings, to which the absorption spectra are given.

Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention

Задачей данного изобретения является изготовление композиционного материала, в состав которого входит микроразмерные порошки гексагонального феррита Z-типа, нарубленное и размолотое в планетарной шаровой мельнице углеродное волокно и эпоксидный клей ЭД-20 для уменьшения коэффициентов отражения высокочастотного ЭМИ в широкой полосе СВЧ.The objective of this invention is the production of a composite material, which includes micro-sized powders of Z-type hexagonal ferrite, carbon fiber chopped and ground in a planetary ball mill and epoxy adhesive ED-20 to reduce the reflection coefficients of high-frequency EMR in a wide microwave band.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Способ изготовления заключается в следующем. Первым шагом проводят измельчение углеродного волокна (УВ) в планетарной шаровой мельнице в течение 5 минут. Данная операция проводилась для однородного распределения УВ в объеме изготавливаемых композитов, так как большая длина УВ приводит к образованию агломератов из них в локальных участках композитов. Диаметр шаров составлял 0,5 см, объём барабана - 1 л, соотношение смеси к шарам равнялось 1:10.The manufacturing method is as follows. The first step is to grind carbon fiber (CF) in a planetary ball mill for 5 minutes. This operation was carried out to ensure a uniform distribution of carbon fibers in the volume of manufactured composites, since the large length of carbon fibers leads to the formation of agglomerates from them in local areas of the composites. The diameter of the balls was 0.5 cm, the volume of the drum was 1 liter, the ratio of the mixture to the balls was 1:10.

В композиционном материале, в который добавляется измельченное углеродное волокно (0,01-0,09 масс. %), замешивается наполнитель - ферриты гексагональной структуры Z-типа (55-70 масс. %) с размерами частиц менее 50 мкм, в качестве связующего используется эпоксидный клей. Контроль массы навесок соблюдался с помощью весов Shimadzu AUX - 320 (погрешность ±0,5 мг). Для создания однородной структуры композиционная смесь перед полимеризацией и добавления отвердителя предварительно проходит ультразвуковую обработку в течение 5 минут при использовании аппарата УЗТА-0,1/28-О. Во время полимеризации образца на композит воздействуют постоянным вращающимся магнитным полем 4 кЭ для создания листовой магнитной текстуры при температуре (25±2) °C в установке для текстурирования постоянным магнитным полем в течение 6 часов. Поле прикладывается в плоскости образца. Затем образец выдерживается в атмосфере воздуха в течение 24 часов для полной полимеризации.In the composite material, to which crushed carbon fiber (0.01-0.09 wt.%) is added, a filler is mixed - ferrites of a hexagonal Z-type structure (55-70 wt.%) with particle sizes less than 50 microns, as a binder Epoxy glue is used. The weight of the samples was controlled using a Shimadzu AUX - 320 scale (error ±0.5 mg). To create a homogeneous structure, the composite mixture, before polymerization and adding a hardener, is preliminarily ultrasonic treated for 5 minutes using the UZTA-0.1/28-O apparatus. During polymerization of the sample, the composite is exposed to a constant rotating magnetic field of 4 kOe to create a sheet magnetic texture at a temperature of (25 ± 2) °C in a constant magnetic field texturing unit for 6 hours. The field is applied in the plane of the sample. The sample is then exposed to air for 24 hours to allow complete polymerization.

Выбор количественного соотношения компонентов объясняется следующими соображениями. Масса углеродного волокна не должна превышать порог перколяции. Добавление УВ в указанных пропорциях позволяет уменьшить сопротивление композитов с 110 кОм до 100 Ом при одинаковой толщине. Масса ферритового наполнителя должна быть достаточной для проявления эффективного поглощения, но излишнее увеличение концентрации ведет к проблемам смешивания смеси для композита, агломерации частиц порошка феррита, а также увеличивает вес финального изделия и снижает прочностные характеристики.The choice of the quantitative ratio of the components is explained by the following considerations. The mass of carbon fiber must not exceed the percolation threshold. Adding hydrocarbons in the indicated proportions makes it possible to reduce the resistance of composites from 110 kOhm to 100 Ohm at the same thickness. The mass of the ferrite filler must be sufficient to exhibit effective absorption, but an excessive increase in concentration leads to problems with mixing the mixture for the composite, agglomeration of ferrite powder particles, and also increases the weight of the final product and reduces the strength characteristics.

Измерение S-параметров для вычисления спектров коэффициента отражения образцов производилось волноводным методом на векторном анализаторе цепей Р4М-18 (Микран) в диапазоне частот от 0,01 до 18 ГГц, образец располагался на металлической поверхности. Измерения проводились на образцах тороидальной формы в коаксиальном тракте с внутренним диаметром 3,05 мм, внешним - 7,0 мм. Толщина образцов составляла 2 мм.The measurement of S-parameters to calculate the reflectance spectra of the samples was carried out using the waveguide method on a vector network analyzer R4M-18 (Micran) in the frequency range from 0.01 to 18 GHz, the sample was located on a metal surface. The measurements were carried out on toroidal samples in a coaxial path with an internal diameter of 3.05 mm and an external diameter of 7.0 mm. The thickness of the samples was 2 mm.

Пример.Example.

В таблице 1 приведены геометрические характеристики и режим изготовления экспериментальных образцов композиционных материалов. Сравнение значений коэффициента отражения производилось с образцом аналогичного состава, но не подвергавшегося воздействию магнитного поля.Table 1 shows the geometric characteristics and manufacturing mode of experimental samples of composite materials. Comparison of reflectance values was made with a sample of similar composition, but not exposed to a magnetic field.

Таблица 1 - Характеристики композитовTable 1 - Characteristics of composites

ОбразецSample Ba3Coi ,9Ti0.4F e23.704i, масс. %Ba 3 Coi ,9Ti 0 . 4 F e23.70 4 i, mass. % УВ,
масс. %
UV,
wt. %
Толщина,
мм
Thickness,
mm
Напряженность приложенного магнитного поля, кЭApplied magnetic field strength, kOe Сопротивление,
Ом
Resistance,
Ohm
№ 1No. 1 69,0569.05 0,880.88 2,002.00 00 220220 №2No. 2 44 100100

Результаты измеренных спектров коэффициентов отражения представлены на фигуре ниже. Показано, что коэффициент отражения ниже -4 дБ в диапазоне частот 2-18 ГГц для обоих образцов, также необходимо отметить различия спектров образцов № 1 и № 2 в низкочастотной области спектров, обусловленное увеличением значения мнимой магнитной проницаемости вследствие проведенного магнитного текстурования.The results of the measured reflectance spectra are presented in the figure below. It is shown that the reflection coefficient is below -4 dB in the frequency range 2-18 GHz for both samples; it is also necessary to note the differences in the spectra of samples No. 1 and No. 2 in the low-frequency region of the spectra, due to an increase in the value of imaginary magnetic permeability due to magnetic texturing.

Claims (2)

1. Способ получения проводящего радиопоглощающего материала, включающий измельчение углеродного волокна в планетарной шаровой мельнице и последующее смешение с ферритами гексагональной структуры Z-типа и эпоксидным клеем в соотношении, масс. %: оксидный гексагональный ферримагнетик - 55-70, углеродное волокно - 0,01-0,09, эпоксидный клей - 29,91-44,99; отличающийся тем, что полученную смесь подвергают ультразвуковой обработке с дальнейшим воздействием внешнего магнитного поля величиной 4 кЭ в течение 6 часов, после чего выдерживают без воздействия внешних факторов в течение 24 часов до полной полимеризации, затем при помощи тонкого слоя эпоксидного клея закрепляют данный композит на металлической подложке.1. A method for producing conductive radio-absorbing material, including grinding carbon fiber in a planetary ball mill and subsequent mixing with Z-type hexagonal ferrites and epoxy glue in a ratio, wt. %: oxide hexagonal ferrimagnet - 55-70, carbon fiber - 0.01-0.09, epoxy adhesive - 29.91-44.99; characterized in that the resulting mixture is subjected to ultrasonic treatment with further exposure to an external magnetic field of 4 kOe for 6 hours, after which it is kept without exposure to external factors for 24 hours until complete polymerization, then using a thin layer of epoxy glue, this composite is fixed to a metal substrate. 2. Проводящий радиопоглощающий материал, характеризующийся тем, что он получен способом по п. 1.2. Conductive radio-absorbing material, characterized in that it is obtained by the method according to claim 1.
RU2023130313A 2024-01-26 Method of producing conducting radiation-absorbent material and material obtained using this method RU2821836C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2821836C1 true RU2821836C1 (en) 2024-06-26

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102674823A (en) * 2012-05-02 2012-09-19 中国地质大学(武汉) Hexagonal crystal system Y-type ferrite electromagnetic material and preparation method thereof
RU2720152C1 (en) * 2019-06-26 2020-04-24 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Radar absorbent material and method for production thereof
WO2022154039A1 (en) * 2021-01-18 2022-07-21 富士フイルム株式会社 Magnetic powder for radio wave absorbers and method for producing same, radio wave absorber, radio wave absorbing article, and radio wave absorbing composition
RU2794212C2 (en) * 2021-06-21 2023-04-12 Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" Paste that absorbs electromagnetic radiation in the microwave range, and method for its manufacture

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102674823A (en) * 2012-05-02 2012-09-19 中国地质大学(武汉) Hexagonal crystal system Y-type ferrite electromagnetic material and preparation method thereof
RU2720152C1 (en) * 2019-06-26 2020-04-24 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Radar absorbent material and method for production thereof
WO2022154039A1 (en) * 2021-01-18 2022-07-21 富士フイルム株式会社 Magnetic powder for radio wave absorbers and method for producing same, radio wave absorber, radio wave absorbing article, and radio wave absorbing composition
RU2794212C2 (en) * 2021-06-21 2023-04-12 Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" Paste that absorbs electromagnetic radiation in the microwave range, and method for its manufacture

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Qing et al. Optimization of electromagnetic matching of carbonyl iron/BaTiO3 composites for microwave absorption
Yusoff et al. Electromagnetic and absorption properties of some microwave absorbers
Saini et al. High permittivity polyaniline–barium titanate nanocomposites with excellent electromagnetic interference shielding response
Singh et al. Complex permittivity, permeability, and X-band microwave absorption of CaCoTi ferrite composites
Chen et al. Influence of SiO2 fillers on microwave absorption properties of carbonyl iron/carbon black double-layer coatings
Singh et al. Microwave absorption studies of Ca–NiTi hexaferrite composites in X-band
Kwon et al. Microwave absorbing properties of carbon black/silicone rubber blend
Matitsine et al. Shift of resonance frequency of long conducting fibers embedded in a composite
Verma et al. Microwave studies on strontium ferrite based absorbers
Ma et al. Effect of surface modified SiO 2 powders on microwave absorbing properties of flaky FeSiAl coatings
WO2019164732A1 (en) Polytetrafluoroethylene hexaferrite composites
Wu et al. Synthesis and microwave electromagnetic characteristics of bamboo charcoal/polyaniline composites in 2–40 GHz
He et al. Preparation and microwave absorption properties of metal magnetic micropowder-coated honeycomb sandwich structures
Belaabed et al. X-band microwave absorbing properties of epoxy resin composites containing magnetized PANI-coated magnetite
Rezazadeh et al. Microwave absorption properties of double‐layer nanocomposites based on polypyrrole/natural rubber
Pan et al. Electromagnetic and microwave absorption properties of coatings based on spherical and flaky carbonyl iron
TW202342369A (en) Low dielectric amorphous silica powder, method for producing same, slurry, resin composition, prepreg, and printed wiring board
Przybył et al. Microwave absorption properties of carbonyl iron-based paint coatings for military applications
Malere et al. Electromagnetic evaluation of radar absorbing materials based on conducting polypyrrole and organic–inorganic nanocomposite of polypyrrole/kaolinite
Pinto et al. Morphological, electromagnetic, and absorbing properties of POMA and PAni/carbon black composites
RU2821836C1 (en) Method of producing conducting radiation-absorbent material and material obtained using this method
Wang et al. Double‐Layer Structural Compatible Protective Material with Excellent Microwave Absorption and Heat Shielding Performance
Saini et al. Dual band resonance in tetragonal BaTiO3/NBR composites for microwave absorption applications
Abbas et al. Synthesis and microwave absorption studies of ferrite paint
CN105462178A (en) Preparing method for microwave-absorption compound epoxy resin doped with nanometer iron oxide