DE3117245A1

DE3117245A1 - Verwendung textiler metallisierter polwaren als mikrowellenabsorber

Info

Publication number: DE3117245A1
Application number: DE19813117245
Authority: DE
Inventors: Harold Dipl.-Chem. Dr. 5090 Leverkusen Ebneth; Hans Georg Dipl.-Phys. Dr. 5068 Odenthal-Hahnenberg Fitzky; Gerhard Dieter Dipl.-Chem. Dr. 4047 Dormagen Wolf
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1982-11-18

Description

Verwendung textiler metallisierter Polwaren als
Mikrowellenabsorber Metallisierte textile Flächengebilde zeigen die Eigenschaft, je nach textiler Konstruktion bereits bei sehr geringen Metallschichten, die z.B. naß-chemisch gemäß DE-AS 2 743 768 ( US-PS 4 201 825) auf die Oberfläche aufgebracht werden, eine hohe Schirmdämpfung, verbunden mit einer hohen Reflexion, d.h. mit sehr geringem Reflexionsverlust.
Insbesondere vernickelte Filamentgarngewebe heben sich gegenüber vernickelten Fasergarngewebe bei gleicher Mtalldicke, Metallgualität und Menge pro Flächeneinheit hinsichtlich iS=os sehr geringen Reflexionsverlustes, gepaart mis hoher S@@rmdämpfung, hervor.
Die Werte eines vernickelten Filamentgarnge@@es zeigt z.B. folgendes Bild: Tabelle 1 GHz 1 - 1,5 2 - 2,4 9 - 10 35 - 36 70 T R T R T R T R T R dB 58 0,02 53 0,02 59 0,02 62 0,02 45 0,5 T = Schirmdämpfung in db R = Reflexionsverlust indb (dezibel) GHz = Frequenz in Gigahertz Aus der Tabelle erkennt man eindeutig neben einer sehr hohen Schirmdämpfung eine äußerst hohe Reflexion, die z.B. für aufzuspürende Gegenstände, z.B. Schwimmwesten, Seenotrettungsinseln, sehr wichtig ist.
Für gewisse Objekte ist jedoch gerade das Gegenteil wünschenswert, d.h. neben einer hohen Schirmd5mpfung soll eine der Umgebung angepaßte Reflexion vorhanden sein.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß metallisierte textile Polwaren mit Metallschichtdicken von 0,02 bis 2 am neben einer hohen Schirmdämpfung eine verminderte Reflexion von Mikrowellen besitzen.
Als Polwaren sind insbesondere textile Waren zu verstehen, bei denen Einzelfasern von der Gewebeoberfläche abstehen, insbesondere senkrecht angeordnet sind. Dabei beträgt der Abstand zwischen den Polfasern höchstens 10 %, vorzugsweise 1 bis 5 8 der Polhöhe.
Geeignete Polwaren sind z.B. aufgerauhte Gewebe, Plüsch, Velours, Samt, elektrostatische befgockte Gewebe, Nadelfilze, Papiere und Vliese.
Als Metalle, die gemäß DE-OS 2 743 768 auf die Polwaren aufgebracht werden können, kommen z.B. Kupfer, Nickel, Cobalt, Eisen und Gold einzeln oder in Kombi- nation (z.B. Co/Ni oder Ni/Fe) in Frage. Nickel und Cobalt sind bevorzugt.
Die Schichtdicke wird als Durchschnittsschichtdicke aus Faseroberfläche, Warengewicht vor und nach der Metallisierung und der spezifischen Dichte des Metalls bestimmt. Es gilt allgemein, daß bei kleinerer Polhöhe eine dünnere Metallschicht und bei größerer Polhöhe eine dickere Metallschicht den gewünschten Erfolg gibt.
Wichtig ist, daß diejenige Seite, die den Pol besitzt, in Richtung zur einfallenden Mikrowelle zu liegen kommt. Besonders augenfällig ist, daß ein aufgerauhtes Spinnfasergewebe nur dann einen hohen Reflexionsverlust besitzt, wenn die aufgerauhte Seite des Gewebes zum Mikrowellensender sieht. Die glatte Rückseite besitzt die bekannte hohe Reflexion.
Der Effekt wird verstärkt, besonders bei längeren Wellen, wenn das Grundgewebe der Polware mit einem leitfähigen Polymeren beschichtet wird, das zusätzlich dielektrisch und/oder magnetisch verlustbehaftete Füllstoffe enthält. Derartige Füllstoffe, wie Titandioxid, Titanate oder magnetische Ferrite können auch als Pigmente in die Fasern des Polmaterials eingearbeitet sein.
Als elektrisch leitfähige Füllstoffe kommen besonders bestimmte Arten von Leitruss oder Graphit in Frage, als magnetisch verlustbehaftete Materialien sind magnetische Ferrite, insbesondere Ni-, Mn-, Zn- und Ba-Ferrite geeignet.
Die elektrische Leitfähigkeit der Polymeren, die zur Imprägnierung des Grundgewebes dient, liegt vorzugsweise im Bereich 10 3 bis 10 1 (Ohm.cm)-l Wahl der Polware und Schichtdicke der Metallschicht können nach je gewünschter Absorption bzw. Reflexion bei unverändert hoher Schirmdämpfung individuell eingestellt werden. Dadurch eignen sich die metallisierten textilen Polwaren hervorragend sowohl zur Tarnung beliebiger, vorwiegend metallischer Objekte gegen Radar-Erkennung, als auch zum Schutz beliebiger Objekte gegenüber elektromagnetischen Feldern.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Tarnung beliebiger, vorwiegend metallischer Objekte gegen Radar-Erkennung sowie zum Schutz beliebiger Objekte gegenüber elektromagnetischen Feldern, dadurch gekennzeichnet, daß die Objekte auf ihrer Oberfläche ganz oder teilweise eine metallisierte textile Polware aufweisen, von der diejenige Seite, die den Pol besitzt, in Richtung zur einfallenden Strahlung zu liegen kommt.
Die reflexionsarme Absorption wird vorwiegend durch die Eigenschaften des Pols, die Schirmdämpfung im wesentlichen durch das Grundgewebe, vorzugsweise in Verbindung mit einer Imprägnierung mit einem leitfähigen Polymer, geleistet.
Zum Einsatz als Fernfeldabsorber sind Metallisierungen im Bereich um 0,05 bis etwa 0,15 ßm für die Polfasern und von etwa 0,2 bis 0,4 ßm für das Grundgewebe optimal, vorzgusweise für den Frequenzbereich von ca. 0,03 bis über 100 GHz.
Die Höhe des Pols beeinflußt im wesentlichen die Lage der unteren Grenzfrequenz für reflexionsarme Absorption. Große Polhöhe gibt eine gute Absorption bei niedrigen Frequenzen. Die Polhöhe sollte etwa 5 bis 10 % der Wellenlänge nicht unterschreiten.
Die Polhöhe kann bei gleichbleibender Absorptionsqualität (Reflexionsverlust) weiter auf etwa 1 % der Wellenlänge verringert werden, wenn die induktive Komponente der Polfasern und ihrer Verankerung im Grundgewebe, Gestrick, Gewirk oder Vlies besonders ausgeprägt ist, z.B. bei sog. Kettwirkvelours. Die elektrische Wirkungsweise der einzelnen Polfasern kann dann einem stark gedämpften/4-Dipol mit induktiver Verkürzung der Dipollänge gleichgesetzt werden. Wirksame verlustbehaftete Mechanismen sind die hochohmige Metallisierung der Polfaser und die ohm'-schen Ver- luste im metallisierten Grundgewebe, Gewirk, Gestrick, etc. und die dielektrischen Verluste in der leitfähigen Imprägnierung.
Eine wetterfeste Ausrüstung kann auch durch eine Einbettung der Polfasern in einem geschlossenporigen Schaumstoff hergestellt werden, um ein Eindringen von z.B. Regenwasser, das den Reflexionsverlust vermindern kann, zu vermeiden. Bei Einbettung der Polware in den Schaumstoff wird bei mechanischer Belastung ein Umknicken der Polfasern möglichst vermieden. Bei Druckentlastung richten sich die Polfasern wieder in die ursprüngliche Richtung auf.
Damit bei Anwendungen auf einer Metallunterlage eine Verringerung der Absorption (Reflexionsverluste) vermieden wird, muß eine hinreichend hohe Schirmdämpfung durch das Grundgewebe erzielt werden. Bei 20 db Reflexionsverlust (99 % Absorption) sollte daher die Schirmdämpfung ebenfalls mindestens 20 db betragen, damit die von der dahinter liegenden Metalloberfläche reflektierte Teilkomponente vernachlässigbar klein bleibt.
Die Aufgabenstellung bei der Tarnung erfordert eine Anpassung der Reflexionseigenschaften des Objektes an das umgebende Gelände oder den umgebenden Raum.
Bei der Tarnung terrestrischer Objekte müssen die Tarnungsmaterialien zur Anpassung an die Umgebung Reflexionsverluste von 3 bis 8 db aufweisen. Bei der Tarnung von Luftzielen müssen erheblich höhere Reflexionsverluste von ca. 20 bis 40 db und mehr erzielt werden, um eine hinreichende Kontrastverminderung gegenüber dem freien Raum zu ergeben. Weiterhin müssen zur Tarnung beweglicher Objekte auf der Erde höhere Reflexionsverluste von ca. 30 bis 50 db erzielt werden, wenn eine Ortung über Doppler-Radar vorgenommen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren gestaltet in jedem Fall die Lösung der gestellten Aufgabe durch individuelle Anpassung von Absorption und Reflexion an den jeweils geforderten Bereich, wobei berücksichtigt werden kann, daß die üblicherweise zur Radarerkennung benutzten Geräte vorwiegend im kurzwelligeren Mikrowellengebiet, etwa bei 9,3 GHz, 35 GHz und 94 GHz arbeiten.
Aufgabe der Tarnung kann sein, neben der vollkommenen Unsichtbarmachung auch die Veränderung charakteristischer Silhouetten oder Profile zu bewirken.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich anwenden mit Tarnmatten für ortsfeste und bewegliche Erdziele in einer Form, wie sie schon für die Tarnung im sichtbaren und IR-Bereich üblich ist, für Fluggeräte mit Beschichtung wichtiger Partien mit derartigen Absorbern.
Bei allen derartigen Anwendungen ergeben die textilen Absorbermaterialien gegenüber den bisher meist übli- chen starren und relativ dicken Absorbermaterialien folgende Vorteile: flexibler, textil-elastischer, robuster Aufbau, niedriges Gewicht, gutes Absorptionsvermögen über breite Frequenzbänder, relativ gute Wirkung in geringer Schichtdicke auch auf metallischer Unterlage, leichte Aufbringung auf nichtplanare Flächen, Möglichkeit der Kombination der Tarnwirkung für den sichtbaren und IR-Bereich.
Der Schutz beliebiger Objekte gegenüber elektromagnetrischen Feldern besteht z.B. in der sog. electromagnetic pulse protection (EMP). Hierunter wird u.a.
der Schutz von elektronischen Regel- und Steuereinrichtungen von erdgebundenen und Luftfahrzeugen gegenüber extrem starken elektromagnetischen Feldern, wie sie bei Kernexplosionen oder auch im Bereich stark fokussierter intensiver Mikrowellenstrahlen auftreten, verstanden. Durch derartige Felder werden örtlich sehr hohe Spannungen an Metallteilen induziert, z.B.
auch bei Blitzeinschlag, die zu Uberschlägen und zur Zerstörung von Elektronikschaltungen führen. Diese hohen Spannungen entstehen durch starke Oberflächenströme auf metallischen Teilen, insbesondere im Bereich von Spalten, Kontaktstellen, usw. Durch die Aufbringung von Absorbern in Form metallisierten Polmaterials können diese Oberflächenströme stark gedämpft und die entstehenden Spannungen auf ungefährliche Werte verringert werden.
Gegenüber konventionellen Schirm-Materialien aus metallischen Werkstoffen, wie Bleche, Geflechte, Gitter, usw., deren Sch irmwirkung auf der beschränkten Eindringtiefe der Hochfrequenzströme in hoch leitfähiges Material beruht, und die deshalb eine starke Reflexion der Strahlung ergeben, bieten die absorbierend wirkenden Schirm-Materialien den Vorzug der vollständigen Umwandlung der auffallenden Strahlung in Wärme.
Durch die Unterdrückung der Reflexion werden sogenannte hot spots infolge möglicher Fokussierung der reflektierten Strahlung oder durch stehende Wellen vermieden. Weiterhin enfallen durch die extrem starke Dämpfung von Oberflächenströmen auf der Außenseite des Schirms die Probleme der Kontaktierung und der Erdung.
Neben der überwiegend ohm'schen Verlustdämpfung der Hochfrequenzströme, bedingt durch die relativ hochohmige Metallisierung der Polfasern, vorzugsweise mit Flächenimpedanzen von 20 bis 400 Ohm, und dielektrischen Verlusten in dem halbleitenden Kaschierungsmaterial des Grundgewebes, Gestrick, Gewirk, Vlies etc., mit Leitfähigkeiten im Bereich zwischen 10 3 und 10(Ohm.cm) 1 werden als dritte, verlustbehaftete magnetrische Absorber verwendet. Die magnetischen Absorber können in Form von z.B. Mn-Zn-Ferrit-Pigmenten in das Kaschierungsmaterial des Grundgewebes (5 - 20 Gew.-%) eingesetzt werden. Eine weitere Form des mag- netischen Absorbers bietet die stromlose, naß-chemische Metallisierung der Polfasern und gegebenenfalls auch des Grundgewebes mit Cobalt oder mit Co/Ni- oder Ni-Fe- oder Ni-Fe-Co-Schichten, deren magnetische Eigenschaften zusätzlich durch Tempern bei Temperaturen zwischen 200 und 5000C variiert werden können.
Derartige Metallschichten zeigen im Gegensatz zu Ferriten auch bei höheren magnetischen Feldstärken im Bereich bis 1000 Gauss im Mikrowellenbereich Maximalwerte des magnetischen Verlustes und sind deshalb speziell für die Anwendung der electromagnetic pulse protection" (EMP) geeignet.
Beispiel 1 Ein einseitig aufgerauhtes Gewebe aus textilen Spinnfasern wurde gemäß DE-OS 2 743 768 mit ca.
7,4 g Ni/m2 vernickelt. Der prozentuale Nickelgehalt betrug # 5 % Ni, Das vernickelte Gewebe wurde einmal mit der aufgerauhten Seite zum Mikrowellensender in 900 in Position gebracht. Dabei wurden folgende Reflexionsverluste gemessen:

GHz 9 - 10 j 35 - 36 70

Reflexions-

verlust in O, 5 3 10

db

Nach drehen des Gewebes um 1800, d.h. bei Position der glatten Seite des Gewebes in 900 zur Position des Mikrowellensenders:

GHz 9 - 10 35 - 36 70

Reflexions-

verlust in 0,02 0,5 1,5

db

Wenn das aufgerauhte Gewebe mit einem Einfallswinkel von 300 gemessen wurde, konnte folgender Reflexionsverlust gemessen werden: Streifender Mikrowelleneinfall von 300

GHz 9 - 10 35 - 36 70

Reflexions-

verlust in >20 :>20 >20

db

Beispiel 2 Ein Samtgewebe aus kurzpoliger Baumwolle (Polhöhe ca. 3 mm) wurde vernickelt. Die Nickelmenge betrugt 50 g/m2. Der so vernickelte Samt wurde 900 zum Mikrowellensender in Position gebracht. Dabei wurden folgende Reflexionsverluste in db gemessen:

GHz 9 - 10 35 - 36 70

Reflexions-

verlust in 0,7 3-4 9-10

db

Die glatte Rückseite des vernickelten Samtgewebes zeigte folgende Werte:

GHz 9 - 10 35 - 36 70

Reflexions-

verlust in 0,2 0,8 1,5

db

Beispiel 3 Ein Hochflor-Material mit einer Polhöhe von ca. 20 mm wurde vernickelt.
Grund- und Polfäden des eingesetzten Hochflor-Materials bestanden aus Poly-(1,4-bis-hydroxymethylcyclohexan)-terephthalat mit einem Titer von 6,7 dtex.
Die Nickelmenge betrug 168 g/m2. Die Nickelschicht wurde im Bereich des Pols auf etwa die halbe Schichtdicke des Nickels im Grundgewebe beschränkt (ca. 0,2 m). Die Reflexionsverluste bei Einstrahlung auf die Polseite betrugen:

GHz 1 - 1,5 2 - 2,4 9 - 10 35 - 36 70

Reflexionsver-

lust in db 3,5 7 17 a30 30

Die Schirmdämpfung lag im Bereich zwischen 1 und 70 GHz zwischen 9 und 50 db Beispiel 4 Ein Webpelzmaterial, bestehend aus einem Baumwollgrundgewebe und aus Polyacrylnitril-Grundfäden mit einem Titer von 7 dtex wurde gemäß dem im folgenden Absatz beschriebenen Verfahren vernickelt. Die abgeschiedene Nickelmenge betrug 80 g/m2.
Die Reflexionsverluste bei senkrechtem Strahlungseinfall betrugen:

GHZ 1 - 1,5 2 - 2,4 9 - 10 35 - 36 70

Reflexionsver-

lust in db 3 3,5 8 7 8

Die Schirmdämpfung lag im gesamten Frequenzbereiah über 10 db.
Das Webpelzmaterial wird gleichmäßig mit einer Lösung von 0,1 g Butadienpalladiumdichlorid pro 1 Chloroform besprüht (Treibmittel Frigen).
Anschließend wird es bei Raumtemperatur getrocknet und dann in ein alkalisches Vernickelungsbad getaucht, das 30 g/l Nickelchlorid, 3 g/l Dimethylaminboran und 10 g/l Citronensäure enthält und mit Ammoniak auf pH 8,1 eingestellt wurde. Nach etwa 30 Sekunden beginnt sich die Oberfläche dunkel zu färben und nach 10 Minuten war eine gut haftende, metallisch glänzende Nickelschicht abgeschieden worden.
Beispiel 5 Ein Polyester Kettwirkveluors mit einer Polhöhe von ca. 1 mm wurde vernickelt nach dem in DE-OS 27 43 768 beschriebenen Verfahren. Die abgeschiedene Menge Nickel betrug 21 g/m2. Der Velour mit einem F1ächengewicht von 273 g/m2 besteht im Grundgewebe aus Polyesterfilamentgarnen (167 dtex) mit 34 Einzelfilamenten (4,9 dtex). Das Garn der Polfäden besteht aus Polyesterspinnfasern Poly- (1 , 4-bis-hydroxymethylcyclohexan) -terephthalat, 250 dtex, matt, Nm 40/1, Einzelfadentiter 3,3 dtex).
Es ergaben sich folgende Reflexionsverluste:

GHz 1 - 1,5 2 - 2,4 9 - 10 35 - 36 70

Reflexionsver

lust in db 6,5 5,5 4 7 17

Die Schirmdämpfung lag zwischen 7 und 14 db. Nach Imprägnierung des Grundgewebes mit einem leitfähigen Polymeren (Polyurethan mit 15 % Leitrußzusatz) konnte die Schirmdämpfung auf über 16 db angehoben werden.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Tarnung beliebiger, vorwiegend metal-1 lischer Objekte gegen Radar-Erkennung sowie zum Schutz beliebiger Objekte gegenüber elektromagnetischen Feldern, dadurch gekennzeichnet, daß die Objekte auf ihrer Oberfläche ganz oder teilweise eine metallisierte textile Polware aufweisen, von der diejenige Seite, die den Pol besitzt, in Richtung zur einfallenden Strahlung zu liegen kommt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichtdicke der metallisierten textilen Polware 0,02 bis 2 ßm beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polwaren aufgerauhte Gewebe, Plüsch, Velours, Samt, elektrostatisch beflockte Gewebe, Nadelfilze, Papiere oder Vliese sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Polfasern höchstens 10 %, vorzugsweise 1 bis 5 % der Polhöhe beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polhöhe 15 bis 1 % der Wellenlänge der auftreffenden Mikrowellenstrahlung nicht unterschreitet.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Nickel und/oder Cobalt, Eisen oder deren Legierungen miteinander ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundgewebe mit einem leitfähigen Polymeren beschichtet ist, das zusätzlich dielektrisch und/oder magnetisch verlustbehaftete Füllstoffe enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundgewebe vollständig mit einem leitfähigen Polymeren imprägniert ist, wobei die Leitfähigkeit auf Werte im Bereich von 10 3 bis 10 (Ohm.cm) 1 eingestellt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polfasern in einen geschlossenporigen Schaumstoff eingebettet sind.