DE29805592U1

DE29805592U1 - Fließfähige strahlungsabsorbierende Materialien

Info

Publication number: DE29805592U1
Application number: DE29805592U
Authority: DE
Inventors: Scott A Kuehl
Original assignee: AMS POLYMERS Pty Ltd
Current assignee: AMS POLYMERS Pty Ltd
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2008-03-28
Also published as: GB9806246D0; FR2761370A1; GB2325568A

Description

Dipl.-Ing. J. Pfenning (-1994) Dipl.-Phys. K.H. Meinig (-1995) Dr.-Ing. A. Butenschön, München Dipl.-Ing. J. Bergmann* Berlin Dipl.-Phys. H. Nöth, München Dipl.-Chem. Dr. H. Reitzle, München Dipl.-Ing. U. Grambow, Dresden Dipl.-Phys. H. J. Kraus, München

'auch Rechtsanwalt

80336 München, Mozartstraße Telefon: 089/53093 36-38 Telefax: 089/53 22 29 e-mail: muc@pmp-patent.de

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01217 Dresden, Gostritzer Str. 61-63 Telefon: 03 51/8718160 Telefax: 03 51/8718162

München,

27. März 1998 AMS 71215 SE

AMS Polymers
the Vineyard

Corner Adam Tas and Devon

Valey Roads,

Stellenbosch

Rep. Südafrika

Fließfähige strahlungsabsorbierende Materialien

-•••5

TITEL DER ERFINDUNG

Fließfähige strahlungsabsorbierende Materialien 5

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft fließfähige strahlungsabsorbierende Materialien. 10

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In der modernen Kriegsführung kann eine Vielzahl elektromagnetischer Sensoren zur Ortung von feindliehen Waffen und Standorten verwendet werden. Die Fähigkeit, mit Hilfe von elektromagnetischen Sensoren wie beispielsweise Radar feindliche Waffen zu erfassen und zu orten hängt von dem intrinsischen Radar-Reflexionsvermögen eines Objektes ab. Aus offensichtlichen Gründen ist es äußerst vorteilhaft, solange wie möglich unerfaßt zu bleiben und, in

extremen Fällen, in dem Maße unerfaßbar zu bleiben, daß das betreffende Objekt seine Aufgabe erfüllt, ohne von gegnerischen Verteidigungswaffen beschossen zu werden.
5

In letzter Zeit wurde die Wissenschaft der Erzielung geringer Beobachtbarkeit entwickelt und wurde mit dem Namen "Stealth" benannt. "Stealth" oder geringe Beobachtbarkeit kann entweder durch Auftragen strahlungsabsorbierender Beschichtungen auf eine Struktur erzielt werden oder die Struktur selbst kann aus strahlungsabsorbierenden Materialien gefertigt werden.

Es existieren Materialien, welche als Beschichtung auf ein Objekt aufgebracht werden können oder in die Struktur eines Objektes eingebaut werden können. Die meisten dieser sind Materialien, welche spanabhebend oder auf andere Weise zu komplexen Profilen geformt werden müssen, so daß sie in den Körper eines Objektes eingebaut werden können.

Viele Teile eines Objektes, welche absorbierende Eigenschaften aufweisen müssen, sind aufgrund der Einbaureihenfolge eines geeigneten Herstellungsverfahrens schwierig mit bekannten absorbierenden Materialien zu behandeln oder an diese anzupassen. Material muß üblicherweise in Hohlräumen, welche eine äußerst komplexe Form aufweisen können, angeordnet 0 werden. Teuer ist nicht nur die Formung des absorbierenden Materials, sondern auch die Plazierung oder der Einbau des Materials in die Hohlräume, insbesodere wenn Nicht-Wiedereintrittswinkel auftreten. Manchmal werden diese Hohlräume gebildet nachdem

Teilstücke eines Fahrzeuges in Sandwichbauweise zusammengefügt wurden.

Wenn zwei passungsgleiche Teile eines Objektes getrennt entworfen werden, ist es schwierig, die Größe und die Form des Hohlraumes, welcher von beiden Teilen eingeschlossen wird, und daher des absorbierenden Teilstückes, welches innerhalb dieses Hohlraumes angeordnet werden muß, zu bestimmen.

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein neuartiges strahlungsabsorbierendes Material zur Verfügung zu stellen, welches bei der Verwendung anpassungsfähiger ist als existierende Materialien.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und Anspruch 24. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

5 Die Erfindung wird jetzt beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden schematischen Figuren beschrieben.

In den Figuren zeigen:
30

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teilchens eines strahlungsabsorbierenden Materials gemäß der Erfindung, welches von einer Schicht einer elektrisch leitenden Beschichtung

5 umhüllt ist;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teilchens eines strahlungsabsorbierenden Materials gemäß der Erfindung, welches von einer Schicht, welche eine Mischung eines Beschichtungsmaterials und eines elektrisch leiten

den Materials enthält, umhüllt ist;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Teilchens eines strahlungsabsorbierenden Materials gemäß der Erfindung, welches von einer Schicht

eines Beschichtungsmaterials, die mit einer Kruste aus einem elektrisch leitenden Material versehen ist, umhüllt ist;

Fig. 4 eine Schnittansicht einer flexiblen,

uniaxialen, Zellen aufweisenden Decke, welche mit einem strahlungsabsorbierenden Material gemäß der Erfindung gefüllt ist;

Fig. 5 eine Schnittansicht einer flexiblen,

uniaxialen, gesteppten Decke, welche mit einem strahlungsabsorbierenden Material gemäß der Erfindung gefüllt ist;

5 Fig. 6 die Dallenbach-Reflexion der in Fig. 4

dargestellten Decke, welche mit gemäß dem nachfolgend beschriebenen Beispiel 7 gefertigtem strahlungsabsorbierenden Material gefüllt ist, wobei die Decke horizontal mit vertikaler Polarisation montiert ist;

Fig. 7 die Dallenbach-Reflexion der in Fig. 5 dargestellten gesteppten Decke (50 mm), welche mit gemäß dem nachfolgend beschriebenen Beispiel 7 gefertigtem strahlungsab-

sorbierenden Material gefüllt ist, wobei die Decke horizontal mit vertikaler Polarisation montiert ist;

Fig. 8 die Dallenbach-Reflexion einer weiteren

gesteppten Decke (70 mm) nach Fig. 5, welche mit gemäß dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel 7 gefertigtem strahlungsabsorbierenden Material gefüllt ist, wobei die Decke horizontal mit ver

tikaler Polarisation montiert ist;

Fig. 9 die Dallenbach-Reflexion einer aus strahlungsabsorbierendem Material gemäß der Erfindung zusammengesetzten Struktur; und

Fig. 10 die Reflexion einer aus strahlungsabsorbierenden Material gemäß der Erfindung zusammengesetzten Struktur. 20

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

In den Figuren 1 bis 3 sind schematische Ansichten eines fließfähigen strahlungsabsorbierenden Materials gemäß der Erfindung dargestellt.

In jeder der Figuren ist nur ein Teilchen des fließfähigen strahlungsabsorbierenden Materials gemäß der Erfindung dargestellt. Jedes dieser Teilchen ist ein 0 getrenntes Teilchen.

In Fig. 1 ist ein solches Teilchen 10 von einer Schicht eines Beschichtungsmaterials 14, welches intrinsisch elektrisch leitend ist, z.B. Synmetal, 5 umhüllt.

In Fig. 2 ist ein Teilchen 14 von einer Schicht eines Beschichtungsmaterials 16, welches innig mit elektrisch leitendem Material 18 durchmischt ist, umhüllt.
5

Fig. 3 zeigt ein Teilchen 20, welches von einem Beschichtungsmaterial 22 umhüllt ist, welches mit einer Kruste aus einem elektrisch leitenden Material 24 versehen ist. Es kann auch etwas leitendes Material innerhalb des Beschichtungsmaterials 22 vorhanden sein.

Ein strahlungsabsorbierendes Material, welches aus getrennten Teilchen geringen Gewichtes gemäß der Erfindung zusammengesetzt ist, kann durch unterschiedliche Verfahren hergestellt werden. Nachfolgend werden einige Beispiele derartiger Verfahren aufgezeigt.

Verfahren 1

Gemäß diesem Verfahren schließt ein erster Schritt ("a") die Behandlung teilchenförmigen Materials geringen Gewichtes mit einem Adhäsionsmittel oder Harz ein und wird gefolgt von einem zweiten Schritt ("b"), welcher die kontinuierliche Bestaubung des behandelten teilchenförmigen Materials mit einem leitenden Pulver einschließt. Danach folgt ein dritter Schritt ("c"), während welchem das behandelte teilchenförmige Material kontinuierlich durchmischt 0 wird, bis eine trockene Schicht eines leitfähigen Pulvers jedes Teilchen des teilchenförmigen Materials geringen Gewichtes beschichtet.

Während der Vermischung beginnen die teilchenförmigen Kügelchen sich zu trennen und fallen aus der agglomerisierten Masse als einzelne beschichtete Kügelchen aus. Diese Kügelchen werden breit verteilt und man erhält nach dem Aushärten des Beschichtungsharzes oder des Beschichtungsadhasionsmittels ein teilchenförmiges Material, welches mit dem leitenden Pulver beschichtet ist. Bei diesem Verfahren umgibt das leitende Pulver die benetzten Kügelchen in erster Linie in Form einer Kruste und verbleibt auch nach dem Aushärten auf der Oberfläche der Kügelchen, so daß die leitende Kruste dauerhaft bleibt.

Manchmal ist es vorteilhaft, Lösungsmittel zur Unterstützung der Benetzung des teilchenförmigen Materials mit Harz zu verwenden. Es kann vorteilhaft sein, dem Harz ultrafeine Füllmittel geringer Dichte, wie beispielsweise Mikrosphären aus Glas, beizugeben. Dieser Additivtyp füllt das Harz und macht es viskoser und verleiht ihm darüber hinaus eine geringere Dichte. Dies kann die Dielektrizitätskonstante des Harzes verringern, was zu vorteilhaften elektromagnetischen Eigenschaften führt.

Verfahren 2

Dieses Verfahren ist eine Abänderung des Verfahrens 1: Im Schritt "a" wurde das Harz mit leitendem Pulver, wie beispielsweise Mikrokugeln aus Glas, und 0 einem Lösungsmittel beladen. Anschließend werden die Schritte "b" und "c" durchgeführt, um eine Vielzahl dispergierter, beschichteter Teilchen herzustellen. In Abhängigkeit von dem verwendeten Harz, kann Schritt "c", welcher das Bestauben des agglomerisierten Materials während der Vermischung umfaßt, nicht

erforderlich sein. Es ist einzig ausreichend, kontinuierliches Rühren zu verwenden, während das Lösungsmittel verdunstet und das Harz aushärtet.

In diesem Fall überwiegt die Oberflächenspannung, und das mit dem leitenden Pulver beladene Harz neigt eher dazu, selbst an dem teilchenförmigen Material anzuhaften, als als ein die Teilchen verbindender Klebstoff zu agieren.

Dieses Verfahren erzeugt ein Teilchen, welches mit einem mit Harz gebundenen leitenden Pulver beschichtet ist. Wenn Schritt "c" durchgeführt wird, wird die Beschichtung ein mit leitendem Pulver beladenes Harz, welches zusätzlich mit einer Kruste leitenden .Pulvers versehen ist.

Verfahren 3

Gemäß diesem Verfahren wird ein leitendes Pulver gefolgt von dem teilchenförmigen Material geringen Gewichtes und dem Harzkatalysator in ein Harz gemischt. Nach dem vollständigen Durchmischen dieser Mischung wird das Material lose und breit verteilt und für einige Zeit, gegebenenfalls mit Unterstützung geringer Hitze, so daß das Harz aushärtet, nicht weiter prozessiert. Das agglomerisierte, beschichtete teilchenförmige Material wird anschließend durch eine leichte Zerkleinerungs- oder Rollbewegung zur Her-0 stellung einer Vielzahl einzelner teilchenförmiger Kügelchen verteilt.

Die teilchenförmigen Kügelchen haften aneinander aufgrund der mit leitendem Pulver beladenen Harzbe-Schichtung, die Beschichtung bricht jedoch an der

Grenzfläche zwischen teilchenförmigen Kügelchen und erzeugt ein Kügelchen, welches entweder vollständig oder fast vollständig von der Beschichtung umhüllt ist.
5

Das teilchenförmige Material kann ein Polymer geringen Gewichtes (natürlich oder synthetisch), ein Mineral (z.B. Vermiculit), ein Glas oder ein keramisches Material sein. Die Materialien sind nicht nur in Teilchenform, sondern sie wurden zusätzlich expandiert, so daß die Dichte des expandierten Materials geringer ist als die des Ausgangsmaterials in dichtem Zustand. Das Material ist undurchlässig für im Zusammenhang mit seinem Herstellungsverfahren verwendeten Harzen und Lösungsmitteln. Daher ist jede Behandlung mit Harz eine Oberflächenbehandlung und beeinflußt nicht die innere Struktur und Zusammensetzung des teilchenförmigen Materials geringen Gewichtes. Das teilchenförmige Material enthält bevorzugt expandierte Kügelchen aus Polystyrol. Die Größe der expandierten Polystyrolkügelchen und der Volumenanteil der Kügelchen in der gesamten Mischung schaffen ein feines Gleichgewicht zwischen der Menge leitender Beschichtung auf jedem Kügelchen und den resultierenden elektromagnetischen Eigenschaften. Manchmal ist es vorteilhaft, eine zweigipflige Verteilung der expandierten Polystyrolkügelchen zu verwenden. Die Polystyrolkügelchen enthalten Polystyrol und Pentan, welches schließlich durch Luft ersetzt wird.

Die Mikrokugeln aus Glas enthalten entweder Luft, ein Vakuum oder ein anderes Gas innerhalb einer Glasschale.

Die sich ergebenden elektromagnetischen Eigenschaften werden von der Effizienz der Packung der frei fließenden beschichteten Kügelchen beeinflußt. Der Packungsgrad wird bestimmt durch die relativen Anteile der verwendeten Kügelchen unterschiedlicher Größe. Es ist bevorzugt, daß das teilchenförmige Material geringen Gewichtes eine Dichte von nicht mehr als 25 kg/m³ aufweist. Es ist darüber hinaus bevorzugt, daß das verwendete teilchenförmige Material eine Kügelchengröße zwischen 0,5 und 3 mm aufweist. Diese Vorgaben lassen sich leicht mit expandiertem Polystyrol erzielen, obwohl andere expandierte teilchenförmige Polymere gleichfalls verwendet werden können.

Als elektrisch leitendes Pulver ist elektrisch leitendes kohlenstoffhaltiges Pulver besonders bevorzugt. Dieses Pulver kann Graphit oder Ruß oder Mischungen davon enthalten. Auch Metallpulver können 0 verwendet werden, wobei jedoch beachtet werden sollte, daß die meisten Metalle eine isolierende Oxidschicht auf ihrer Oberfläche enthalten und daher das gewünschte ohmsche Perkolationsphenoman verhindern. Obwohl ein Körper bei Verwendung von Metallpulver als leitende Komponente mit Verlusten behaftet sein kann, würde er nicht die gleichen Merkmale aufweisen wie ein aus Kohlenstoffpulver gefertigter. Platin oder andere Edelmetalle könnten verwendet werden, aber dies wäre bei weitem zu teuer, 0 während darüber hinaus eine schwere Beschichtung hergestellt würde und auf diese Weise die Dichte des frei fließenden Materials erhöht würde.

Das Kohlenstoffpulver sollte rein von Oberflächen-5 behandlungen oder Additiven, welche zugesetzt worden

sein könnten, um die Verteilbarkeit dieses Materials in Wirtsharzsysteme zu unterstützen, sein. Diese Behandlungen oder Additive können das Einsetzen der Perkolation verschlechtern. Es ist daher vorteilhaft, als vorherrschendes leitendes Material entweder im Harz oder das Harz in Form einer Kruste umgebend Graphitpulver von einer nominalen Teilchengröße zwischen 4 4 und 71 Mikrometer zu verwenden. Es ist vorteilhaft, wenn das Graphitpulver eine Reinheit von über 95 % aufweist, obwohl geringere Reinheiten bei Inkaufnahme einer Verringerung der elektromagnetischen Effizienz verwendet werden können.

Zusätzlich zu Graphitpulver kann zusammen mit dem Graphitpulver Ruß dem Harz zugegeben werden. Es kann auch während des Aufstaubens ausschließlich oder gleichzeitig zugegeben werden. Elektrisch leitendes Ruß- und Graphitpulver kann in optimalen relativen Mengen in der Formulierung nach Verfahren 3 verwendet 0 werden. Wenn elektrisch leitender Ruß verwendet wird, muß dieser zur Vermeidung von Agglomeraten vor entweder den Misch- oder den Aufstaub-Schritten zermahlen werden. Bei Verwendung im Aufstaub-Schritt wird der elektrisch leitende Ruß als trockenes Pulver zugegeben. Aus diesem Grunde gibt es eine Grenze, bis zu welcher trockener leitender Ruß als feingemahlenes, nicht agglomerisiertes Pulver erhalten werden kann. Wenn elektrisch leitender Ruß im Verfahren 2 verwendet wird, d.h. wenn er dem Harz zugegeben wird und dieses Harz zur Beschichtung der Kügelchen verwendet wird, ist es vorteilhaft, naß gemahlenes elektrisch leitendes Rußkonzentrat ähnlich dem als Drucktintenkonzentrat verwendeten zu verwenden. Diese naß gemahlenen Konzentrate sind stabile Dispersionen 5 elektrisch leitenden Rußes in einem Dispersionsmittel

wie Wasser und der Ruß kann problemlos eine Teilchengröße von weniger als 1 Mikrometer aufweisen. Dispersionen werden problemlos als Konzentrate von bis zu 3 0 Gew.-% Ruß in Wasser hergestellt. Als ein Beispiel von Verfahren 2 ohne die Schritte "b" und "c" kann diese Ruß/Wasser-Suspension dem Harz zur Erzeugung eines mit Ruß beladenen Harzes zugegeben werden, wobei Wasser die Rolle eines Lösungsmittels spielt. Die Volumenkonzentration von elektrisch leitendem Ruß in dem getrockneten und ausgeheilten Harz wird dadurch bestimmt, wieviel Konzentrat einer gegebenen Harzmenge zugegeben wird. Daher kann in einigen im Zusammenhang mit dieser Lehre beschriebenen Fällen elektrisch leitender Ruß ausschließlich zur Herstellung der halbleitenden Beschichtung auf dem teilchenförmigen Material verwendet werden.

Das Beschichtungsharz ist bevorzugt ein geringfügig nicht-benetzendes Harz für Graphitpulver wie beispielsweise Phenolharz. Benetzende Harze, welche durch die Manifestation von Oberflächenspannung und Oberflächenenergie den Kohlenstoff während des gesamten Vorganges vom Vermischen bis zum vollen Aushärten benetzen, werden letztendlich den elektrischen Kontakt zwischen elektrisch leitenden Teilchen verhindern und auf diese Weise die Beschichtung oder die Haut auf jedem Teilchen nichtleitend machen. Es ist bevorzugt, Harze zu verwenden, welche frei von Lösungsmitteln oder Komponenten sind, welche das 0 teilchenförmige Material beschädigen. Das Harz hat bevorzugt eine Viskosität, welche gering genug ist, um die Mischung des teilchenförmigen Kohlenstoffes in das Harz zu erlauben, wenn Verfahren 2 oder Verfahren 3 gefolgt wird. Phenolharzsysteme sind ideal geeignet 5 für diese Anwendung. Phenolharzsysteme und deren ver-

wandte Harzsysteme wie Harnstoff-Formaldehyd zeigen Eigenschaften, welche deren Verdünnung mit Wasser, Ethanol, Methanol und den meisten Alkoholen erlauben. Außerdem schädigen diese Lösungsmittel das aufgeschäumte Polystyrol nicht. Die Viskositäten der Phenolharzsysteme sind üblicherweise gering genug, um in Verfahren 1 in Formulierungen verwendet zu werden, welche eine minimale Menge an Harzbeschichtung für jedes Kügelchen vor dem Aufstäubungsschritt erfordern.

Die obige Vorgehensweise führt zur Bildung eines Kügelchens geringen Gewichtes, welches eine halbleitende Beschichtung aufweist. Eine Mehrzahl von Kügelchen, welche unabhängige Gebilde darstellen, fließen frei und fast wie eine makroskopische Flüssigkeit. In elektromagnetischer Hinsicht berühren sich die Mehrzahl der einzelnen Kügelchen gegenseitig und bilden einen makroskopischen halbleitenden Körper. Die extrem niedrige Dichte dieses Makropulvers bildet ein Material, welches eine intrinsisch geringe reelle Dielektrizitätskonstante aufweist. Die makroskopische halbleitende Eigenschaft führt zu einer relativ hohen imaginären Dielektrizitätskonstante.

Die Steuerung sowohl der reellen als auch der imaginären Dielektrizitätskonstanten bildet die Basis zur Herstellung eines effizienten strahlungsabsorbierenden Materials, insbesondere wenn der Realteil der Dielektrizitätskonstante sehr niedrig ist und das Verhältnis von Imaginär- zu Realteil der Dielektrizitätskonstante hoch ist. Dies wird durch Verwendung der effizientesten Umhüllung der Kohlenstoffbeschichtung unter Verwendung der minimalen Menge an Kohlenstoff erreicht.

Das hier beschriebene fließfähige strahlungsabsorbierende Material weist nicht nur den Vorteil auf, daß es auf einfache Weise in komplexe Hohlräume in einer Flugzeugzelle integriert werden kann. Andere Verwendungsbeispiele können aufgezeigt werden. Das fließfähige Material kann über den Boden einer reflexionsfreien Kammer verteilt werden, so daß ungewollte Sekundärechos oder -signale bei einem elektromagnetischen Experiment reduziert werden. Das Material kann als ein Füllstoff in einer Zellen aufweisenden Decke verwendet werden und als eine leicht entfaltbare zeitweilige Abdeckung zur Verringerung des Radar-Reflexionsvermögens eines MilitärfahrZeuges oder einer anderen Struktur in einem Experiment zur Diagnose des Radar-Reflexionsvermögens verwendet werden.

Figur 4 zeigt eine flexible uniaxiale Decke 26, welche zwei äußere Lagen 28, 30, welche Räume oder Zellen 32 definieren, in welche strahlungsabsorbierendes Material 34 gemäß der Erfindung gefüllt wurde, aufweist. Die Lagen 28, 3 0 werden in festen Abständen durch Stege 36 überbrückt.

Die Lagen 28, 30 wurden aus 0,15 mm dickem Baumwollgewebe gefertigt. Das nach Beispiel 7 hergestellte Material wurde in die Zellen 38 gefüllt, welche durch die Lagen 28, 3 0 verschlossen wurden. Bei dieser zellulären Ausgestaltung betrug die maximale Dicke "t" 25 mm, die Breite "w" der gefüllten Zelle betrug 4 5 mm und die überbrückende Breite "b" betrug 15 mm.

In Figur 5 ist eine weitere flexible Decke, eine uniaxiale Decke 38 gesteppten Typs, dargestellt. Sie

weist äußere Lagen 40, 42 auf, welche an den Punkten 44 zur Bildung von Räumen oder Zellen 46, welche mit strahlungsabsorbierendem Material 48 gemäß der Erfindung gefüllt sind, zusammengefügt sind. 5

Diese gesteppte Decke 38 wurde durch Zusammennähen zweier Lagen 40, 42 aus Baumwollgewebe mit Nahtlinien an den Punkten 44, welche alle 50 mm entlang der Lagen angeordnet sind, gefertigt. Das nach Beispiel 7 hergestellte Material wurde in die Zellen 46 gefüllt und durch die Lagen 40, 42 verschlossen. Die Decke 38 hatte dann eine Zellenbreite von 45 mm und eine maximale Dicke von 25 mm.

Figur 6 zeigt die Dallenbach-Reflexion der Decke 26 von Fig. 4 zwischen 2 und 18 GHz. Die Decke wurde über einer Metall-Lage von 1 m² plaziert und die sich daraus ergebende Änderung der Reflektivität bei Normaleinfall gemessen.

Figur 7 zeigt die Dallenbach-Reflexion der Decke 38 gemäß Fig. 5, welche zwischen 2 und 18 GHz bei Normaleinfall gemessen wurde.

Figur 8 zeigt die Dallenbach-Reflexion einer modifizierten gesteppten Decke, welche der aus Fig. 5 ähnelt, aber bei welcher die Zellenbreite auf 70 mm erhöht wurde. Diese Steppung wurde ebenfalls mit dem gemäß Beispiel 7 gefertigtem Material gefüllt. Die 0 Dicke dieser Steppung betrug 35 mm.

BESCHREIBUNG DER AUSFUHRUNGSBEISPIELE

Ausführunasbeispiel 1; Formulierung basierend auf Verfahren 2 ohne Schritte b und c 5

Die Mischung bestand aus:

41 Gramm einer Lösung, die sich aus 50 Gew.-% Ethanol und 50 Gew.-% Silres SY 43 0 (Wacker Chemie) zusammensetzte.

24 Gramm 96 %igem Graphitpulver, 41 Mikrometer (Kropfmuhl Graphitwerk).

3 0 Gramm expandierten Polystyrol-Kügelchen,

2-3 mm Durchmesser (BASF Klasse 403/423), Dichte 24 kg/m³.

Die Präparation ist wie folgt: Mische das Graphitpulver und die Silres SY 430-Lösung solange bis homogen. Mische langsam die Polystyrol-Kugeln während des Mischens zu. Fahre mit dem Mischen fort bis kein Abtröpfeln der Lösung von den Kügelchen erfolgt. Verteile sie breit auf einem Polyesterfilm (kommerziell erhältlich unter dem Handelsnamen Mylar) bis das Ethanol abtrocknet. Alle Polystyrol-Kügelchen weisen eine schwarze anhaftende Graphitbeschichtung auf und sind nicht agglomerisiert, d.h. separat, während die Ansammlung von Kügelchen frei fließt. Die komplexe Dielektrizitätskonstante dieses Materials wurde bei leicht geklopfter Dichte zwischen 11 und 17 GHz zu Re(epsilon) bei 13 GHz =2,0, Im(epsilon) bei 11 GHz = 0,8, Im(epsilon) bei 17 GHz = 0,5 gemessen.

Dieses Material wird in eine uniaxiale, mit Zellen versehene Decke gegossen, wobei die das offene Ende aufweisende Seite der Decke durch Nähen verschlossen wird. Die Decke ist vollständig aus einem 0,15 mm dickem Baumwollgewebe gefertigt. Diese Decke, wenn sie einmal mit Material gefüllt ist, besitzt Gesamtabmessungen von 300 mm &khgr; 300 mm und der Querschnitt besteht aus sieben 50 mm breiten Zellen, 25 mm dick in der Mitte der Zelle und 15 mm dick dort, wo die beiden Seiten der Decke unter Verwendung von 15 mm breiten Baumwollgewebeabstandshaltern verbunden sind. Dieses Material wird zwischen 11 und 17 GHz bei Normaleinfall in einem Aufbau mit Metallrückreflexion gemessen. Fig. 9 zeigt den Reflexionsverlust dieses Materials relativ zu einer Metall-Lage bei Normaleinfall.

Die beiden Kurven stellen die tatsächlich gemessenen Daten und eine Vorhersage basierend auf den gemessenen Mikrowellendielektrizitätskonstanten dar. Zwischen 11 und 17 GHz ist die Reflexion herunter von einer Metallplatte unterhalb -22 dB.

Das Material kann auch in vorgeformte dünnwandige hohle thermoplastische oder Verbundwerkstoff-Pyramiden oder Keile gegossen werden, um elektromagnetisch spitz zulaufende monolithische Absorber für die Verwendung in reflexionsfreien Kammern oder anderen Diagnoseeinrichtungen, wo ungewollte Sekundär-0 reflexionen die gewünschten Messungen fälschen oder verunreinigen können, herzustellen.

Beispiel 2; Formulierung basierend auf Verfahren 1 Die Mischung bestand aus:
6 Gramm Phenolharz,

0,55 Gramm Phenolharzkatalysator,

0,7 Gramm Mikrokugeln aus Glas, 0,1 mm (3M Klasse C22),

2 Gramm fein expandierte Polystyrolkügelchen, 0,5 bis 1 mm Durchmesser (BASF Klasse F655), Dichte 17 kg/m³.

Das Phenolharz, der Phenolharzkatalysator und die Glasmikrokugeln wurden bis zur Homogenität zusammengemischt. Die expandierten Polystyrolkugeln wurden zugefügt und intensiv gemischt bis alle Kügelchen gleichmäßig mit der phenolischen Mischung benetzt waren. Ruß, welcher vorher zum Aufbrechen von Agglomeraten gemahlen wurde, wurde auf die dicke Masse benetzter Polystyrolkügelchen aufgestaubt. Diese Masse wurde zwischen einer rechten und einer linken Hand gerollt und kontinuierlich mit dem Ruß bestaubt, bis der Ruß sich auf den mit Harz umhüllten Kügelchen abschied. Nachdem die Oberfläche der Kügelchen mit einer Kruste aus einer trockenen Rußschicht bedeckt war, fielen die einzelnen Kügelchen aus der 0 Masse. Eine weitere Rollbewegung trennte alle Kügelchen.

Die verwendete Rußmenge war gerade genug, um all die Kügelchen zu beschichten. Weiter zugegebener Ruß 5 bleibt nicht haften und konnte durch Filtration von

den einzelnen Kügelchen getrennt werden. Man ließ die Mischung aushärten, gegebenenfalls unterstützt durch geringe Hitze. Es entstand eine frei fließende Ansammmlung von mit gut anhaftendem Ruß beschichteten Kügelchen. Die komplexe Dielektrizitätskonstante dieses Materials bei geklopfter Dichte wurde zwischen 11 und 17 GHz gemessen und betrug Re(epsilon) bei 13 GHz = 1,7, Im(epsilon) bei 11 GHz = 1,2, Im(epsilon) bei 17 GHz = 0,7. Das Material zeigte einen makroskopischen ohmschen spezifischen Gleichspannungswiderstand von 1000 Ohm über 50 mm Material.

Beispiel 3: Formulierung basierend auf Verfahren 2 mit Schritten b und c
15

Die Mischung bestand aus:

3,2 Gramm Phenolharz,

0 0,35 Gramm Phenolharzkatalysator,

0,37 Gramm Glasmikrokugeln (3M Klasse C22),

2,0 Gramm 100 %igem Ethanol, 25

0,3 Gramm Ruß,

3,0 Gramm expandierten Polystyrolkügelchen (BASF

Typ F403/423), Dichte 22 kg/m³. 30

Das Phenolharz, der Phenolharzkatalysator und die Glasmikrokugeln wurden so lange gemischt bis eine homogene Mischung entstand. Das Ethanol und der Ruß wurden anschließend zugegeben und bis zur Homogenität 5 gemischt. Der Ruß war mit einem Mörser und einem

Untersatz vorgemahlen bis alle Agglomerate aufgebrochen waren. Die Polystyrolkügelchen wurden zugegeben und die Mischung so lange gerührt bis alle Kügelchen mit der flüssigen Mischung beschichtet waren. Abschließend wurde vorgemahlener Ruß auf die beschichteten Kügelchen aufgestaubt, wobei so lange weitergemischt wurde, bis sich alle Kügelchen getrennt hatten.

Die mit einer Kruste versehenen Kügelchen wurden breit über einen Mylar-Film verteilt und man ließ sie aushärten. Nach einem einstündigen Aushärten an Luft wurden die Kügelchen gesammelt und in einem Ofen bei 70 ⁰C 30 Minuten lang getrocknet. Der überschüssige Ruß wurde anschließend durch Filtration unter Verwendung eines Siebes entfernt. Die komplexe Dielektrizitätskonstante dieses Materials bei leicht festgeklopfter Dichte wurde zwischen 11 und 17 GHz gemessen und betrug Re(epsilon) bei 13 GHz = 1,7, Im(epsilon) bei 11 GHz = 1,35, Im(epsilon) bei 17 GHz = 0,9. Diese Mischung zeigte einen ohmschen spezifischen Gleichspannungswiderstand von 200 Ohm über 50 mm Material.

Beispiel 4: Formulierung basierend auf Verfahren 3 Die Mischung bestand aus:

3 9,3 Gew.-% Phenolharz,
30

1,18 Gew.-% Phenolharzkatalysator,

21,96 Gew.-% (Kropfmuhl Graphitwerk) 96%igem Graphitpulver,
35

27,11 Gew.-% (BASF Typ 403/423) Polystyrol-Kügelchen-Zwischenprodukt
expandiert auf eine Dichte von 17 kg/m³, 0,5 bis 1 mm Kügelchen-Durchmesser,
5

52 Gew.-% 99 %igem Ethanol.

Gemäß einem weiteren Rezept für einen gießbaren Absorber wurde nach dem Mischungsschritt das Material lose in eine hölzerne Gußform gepackt und man ließ es mit Unterstützung geringer Hitze aushärten. Der entstehende Gußkörper wurde nachfolgend in Basis- und Keilprofile für den Aufbau eines monolithischen, auf Keilen basierenden Mikrowellenabsorbers zersägt.

Nachdem die Aushärtung stattgefunden hatte, wurde das ausgehärtete und agglomerisierte Material von dem
großen Block in handgroßen Klumpen abgebrochen. Diese handgroßen Klumpen wurden dann per Hand in Stücke von 0 einer Größe von ungefähr 2 0 mm zerbrochen. Die

kleineren Stücke wurden dann zwischen einer rechten und einer linken Hand so lange gerollt, bis
schließlich eine große Masse an einzelnen Kügelchen hergestellt war. Die leicht geklopfte Dichte dieser 5 frei fließenden Kügelchen betrug 48 kg/m³, in Vergleich zu einer Dichte von 52 kg/m³ als das Material fest gepacktes Agglomerat, welches für die Herstellung eines monolithischen Mikrowellenabsorbers verwendet wurde, war. In diesem Beispiel wurden alle

0 Komponenten gleichzeitig gemischt und der Auf-

staubungsschritt folgte nicht. Lose gepackt und ausgehärtet, zerbrach das agglomerisierte Material frei in getrennte und einzelne Kügelchen derart, daß die

Unversehrtheit der kohlenstoffbeladenen Harzbeschichtung jedes Kügelchens erhalten blieb.

Die komplexe Dielektrizitätskonstante wurde gemessen bei geklopfter Dichte und betrug Re(epsilon) bei 13 GHz = 1,7, Im(epsilon) bei 11 GHz = 0,12, Im(epsilon) bei 17 GHz = 0,08.

Figur 10 zeigt die Reflexion einer 120 &khgr; 80 mm großen Metallplatte, welche mit dieser Formulierung beschichtet war, relativ zu der unbehandelten Metallplatte. Die Metallplatte wurde im Inneren eines Polystyrolschaumzylinders mit einem Innendurchmesser von 110 mm und einem Außendurchmesser von 150 mm befestigt. Der Zylinder hatte eine innere Höhe von 200 mm. Das frei fließende Material wurde in den Zylinder gegossen und abgedeckt. Der Maximalabstand zwischen der Innenwand des Zylinders und der Metallplatte betrug 80 mm, während der Minimalabstand 65 mm betrug.

Figur 10 zeigt die Reflexion des leeren Zylinders (Kurve a), die Reflexion der Metallplatte im Inneren des Zylinders (Kurve b) und die Reflexion der Metallplatte, wenn sie mit dem frei fließenden Absorbermaterial (Kurve c) bedeckt ist. Die in dB pro Quadratmeter (dB/m²) angegebenen Ergebnisse weisen daraufhin, daß eine Verringerung des Reflexionsvermögens unterhalb desjenigen der unbehandelten Metall-0 platte von zwischen 15 und 2 0 dB zwischen 6 und 8 GHz erzielt wurde.

Beispiel 5: Material hoher Impedanz unter Verwendung von Verfahren 2 mit Schritten b und c

Die vorhergehenden Beispiele lehrten die Herstellung von frei fließendem Material geringer Impedanz. Im

Beispiel 5 wird gezeigt, wie Materialien mit höherer Impedanz hergestellt werden können, und es werden Formulierungen aufgezeigt, welche für einen Impedanzbereich hergestellt werden können. 10

Die Mischung bestand aus:

37,5 Gramm Phenolharz,
3,75 Gramm Phenolharzkatalysator,

28 Gramm 99 %igem Graphit (Kropfmuhl Graphitwerk) ,

0 13 Gramm Ethanol,

37,5 Gramm expandierten Polystyrolkugeln (BASF Typ 403/423), expandiert zu einer Dichte von 17 kg/m³/ Kugelchendurchmesser 2-2,5 mm. 25

Diese Mischung wurde solange gut gemischt, bis es danach aussah, daß alle Polystyrolkügelchen mit der flüssigen Suspension benetzt waren. Eine größere als die übliche Ethanolmenge wurde verwendet, so daß jedes Kügelchen vollständig benetzt und umhüllt von der Harz/Graphitpulvermischung war. Dies gewährleistete, daß das während des Aufstaubschrittes zugeführte Graphitpulver die Kügelchen gleichmäßig ohne Ausbildung einer inhomogenen Anhäufung von

Graphit, welche eine optimale elektrische Perkolation verhindern würde, umhüllte.

Nachdem ungefähr 5 Minuten gewartet wurde bis das Ethanol abgedampft war, wurden Mengen Graphitpulvers dazugefügt und durch Mischen und Schütteln dazugemischt. Das gesamte zugefügte Graphitpulver beschichtete die klebrigen Polystyrolbälle. Das obige Rezept reichte aus für die Herstellung von 2,5 Litern frei fließenden Materials. Die Dielektrizitätskonstante wurde zwischen 11 und 17 GHz gemessen. Der Realteil der Dielektrizitätskonstante, Re(epsilon), wurde bei 13 GHz angegeben, während der Imaginärteil, Im(epsilon), bei 11 und 17 GHz angegeben wurde. Bei einer Formulierung wurden 40 Gramm 99 %iges Graphit (Kropfmuhl Graphitwerk) verwendet und in einem zweiten Beispiel betrug die Menge verwendeten Graphits 55 Gramm.

Gramm Graphit Re(epsilon) Im(epsilon) Im(epsilon)

bei 13 GHz bei 11 GHz bei 17 GHz

40 2,6 1,58 1,18

55 3,25 2,1 1,66

Diese Vorgehensweise erlaubte Impedanzen, welche in dem herzustellenden hohen Bereich variieren. Durch Veränderung der in dem Aufstaubschritt verwendeten Graphitmenge kann ein Bereich von Dielektrizitätskonstanten erzielt werden.

Beispiel 6: Metallbeschichtete frei fließende Materialien

In einer weiteren Abänderung wurden Polystyrolbälle mit einer Rußsuspension nach Verfahren 1 behandelt. Ein frei fließendes Material mit der dünnsten jeden Ball beschichtenden Rußschicht wurde hergestellt. Die Schicht war dünn und zusammenhängend und leitend. Hier wurde der in Beispiel 5 verwendeten Vorgehensweise gefolgt, mit der Ausnahme, daß Ruß anstatt Graphit verwendet wurde. Dieses Material kann anschließend einem Bad einer autokatalytischen Nickel-Galvanisierlösung zugegeben werden. Durch Änderung der Zeitdauer im Galvanisierbad kann eine sehr dünne und kontinuierliche Nickelschicht auf den Polystyrolkügelchen aufgebaut werden. Diese Nickelbeschichtung hat eine wesentlich höhere Leitfähigkeit als jeder mit einer Graphit- oder Rußkruste versehene Polystyrolball. Die Dicke der Nickelbeschichtung muß dünn gehalten werden, um zu verhindern, daß die Dielektrizitätskonstanten zu hoch werden. Dicken von unterhalb 0,1 Mikrometer sind ausreichend. Da das Nickel eine derart hohe Leitfähigkeit hat, bildet sich zwischen sich berührenden Bällen ein ausgezeichneter ohmscher Kontakt aus. Dies verbessert die makroskopische ohmsche Leitfähigkeit durch ein Medium aus frei fließenden Bällen. Andere Metallarten können verwendet werden, wenn der Galvanisierprozeß die Bälle nicht beschädigt.

Beispiel 7; Material mit mittlerer Impedanz basierend auf Verfahren 1

Die Mischung bestand aus:
5

33 6 Gramm Phenolharz,

2 3 Gramm Phenolharzkatalysator,

300 Gramm 95 %igem Graphitpulver, 41 Mikrometer

(Kropfmuhl Graphitwerk),

240 Gramm expandierten Polystyrolsphären, 2-3 mm Durchmesser (BASF Typ 403/423), Dichte 20 kg/m³. 15

Der Phenolharz und der Phenolharzkatalysator wurden zusammengegeben und bis zur Homogenität gemischt. Die expandierten Polystyrolkugeln wurden mit dem Ethanol zugegeben und mit dem katalysierten Harz bis zur 0 . Homogenität gemischt. An diesem Punkt waren alle Kügelchen mit der Harzmischung benetzt. Nach ungefähr 10 Minuten war genügend Ethanol verdampft, um dem Harz in Folge teilweisen Aushärtens zu erlauben, zu beginnen klebrig zu werden. Unter Mischen wurde langsam das Graphitpulver zugegeben. Nachdem ungefähr 3/4 des Graphits zugegeben wurde, begannen die Kügelchen sich in eine Vielzahl von mit einer Graphitkruste versehene Kügelchen zu entagglomerisieren. Diese Mischung wurde breit auf einer Lage 0 eines Mylar-Filmes ausgebreitet und man ließ sie aushärten. Die komplexe Dielektrizitätskonstante dieses Materials bei leicht festgeklopfter Dichte zwischen 11 und 17 GHz wurde zu Re(epsilon) bei 13 GHz = 2,0, Im(epsilon) bei 11 GHz = 0,48, Im(epsilon) bei 17 GHz = 0,43 gemessen.

Claims

Schutzansprüche

1. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes

Material bestehend aus teilchenförmigen! Material geringen Gewichtes, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material geringen Gewichtes aus getrennten Teilchen (10, 14, 20) besteht, wobei jedes Teilchen mit einem Beschichtungsmaterial (12, 16, 22), welchem ein elektrisch

leitendes Material (18, 24) zugeordnet ist, beschichtet ist.

2. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes

Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich

net, daß die Teilchen (10, 14, 20) undurchlässig für das Beschichtungsmaterial sind.

3. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial (12) intrinsisch elektrisch leitend ist.

4. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes

Material nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Beschichtungsmaterial (16) ein elektrisch leitendes Material (18) beigemischt ist.

5. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes

Material nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial (22) mit einem elektrisch leitenden Material (24) beschichtet ist.

6. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material halbleitend ist.

7. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material unbeschränkt leitend ist.

8. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen Kügelchen (10, 14, 20) sind.

9. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kügelchen einen Durchmesser zwisehen 0,5 und 3 mm aufweisen.

10. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material ein kohlenstoffhaltiges Material ist.

11. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich-

0 net, daß das kohlenstoffhaltige Material Graphit

ist.

12. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das kohlenstoffhaltige Material elektrisch leitender Ruß ist.

13. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das kohlenstoffhaltige Material eine Mischung aus Graphit und elektrisch leitendem Ruß ist.

14. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial ein Beschichtungsharz ist.

15. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsharz ein Synmetal ist.

16. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsharz ein Phenolharz ist.

17. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsharz Harnstoff-Formaldehyd ist.

18. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen von einer auf galvanischem Wege abge-

5 schiedenen Metallschicht überzogen sind.

19. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material ausgewählt ist aus einer Gruppe von Materialien bestehend aus natürlichem

Polymermaterial geringen Gewichtes, synthetischem Polymermaterial geringen Gewichtes, mineralischem Material, Glas und Keramikmaterial.
10

20. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das mineralische Material Vermiculit ist.

21. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial sich aus expandierten Polystyrolkügelchen zusammensetzt.

22. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas sich aus Glasmikrokugeln, die Luft, ein Vakuum oder irgendein Inertgas enthal-

5 ten, zusammensetzt.

23. Ein fließfähiges strahlungsabsorbierendes Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das teil-

0 chenförmige Material geringen Gewichtes eine

Dichte von weniger als 25 kg/m³ aufweist.

24. Eine flexible Decke (26, 38), enthaltend mindestens zwei flexible Lagen, welche beabstandet voneinander angeordnet sind und zwischen sich

einen Raum ausbilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (32, 42) mit fließfähigem strahlungsabsorbierenden Material (34, 46) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche gefüllt ist.

25. Eine flexible Decke nach Anspruch 24, welche eine Decke gesteppter Art (38) ist.