DE3311001C2

DE3311001C2 - Absorber für elektromagnetische Wellen

Info

Publication number: DE3311001C2
Application number: DE3311001A
Authority: DE
Inventors: Toshikatsu Ishikawa; Hiroshi Ichikawa; Yoshikazu Imai; Tokuji Hayase; Yoichi Nagata
Original assignee: Nippon Carbon Co Ltd
Current assignee: Nippon Carbon Co Ltd
Priority date: 1982-03-31
Filing date: 1983-03-25
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2003-03-26
Also published as: JPH0335840B2; SE8301747D0; GB2117569A; US4507354A; FR2524719A1; GB2117569B; SE8301747L; IT8320338A0; IT1163181B; GB8308111D0; CA1203873A; JPS58169997A; SE455451B; FR2524719B1; DE3311001A1

Description

Die Erfindung betrifft Absorber für elektromagnetische Wellen entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.

Zu den bisher vorgeschlagenen Wellenabsorbern gehören (1) Verbundmaterialien aus einem Ferrit und einem organi schen Material, wie z. B. einem Harz oder Kautschuk, (2) Verbundmaterialien aus Kohlenpulver und einem organischen Material, wie z. B. Harzfasern oder einem Harz, und (3) Laminate von Kohlefasern. Da jedoch nicht nur die Ver bundmaterialien aus einem Ferrit und einem organischen Material bei ihrer Verwendung zum Absorbieren von Wellen mit einer hohen Frequenz, insbesondere einer solchen von mindestens 10 GHz, ein geringes Absorptionsvermögen aufweisen, sondern auch ein hohes spezifisches Gewicht besitzen, war es bisher schwierig, daraus Wellenabsor ber mit einem geringen Gewicht herzustellen. Es war auch schwierig, große Wellenabsorber aus Verbundmaterialien aus Kohlenpulver und einem organischen Material herzu stellen, da diese Verbundmaterialien eine geringe Festig keit besitzen. Die Laminate von Kohlefasern haben den Nachteil einer großen Dicke und einer geringen Festigkeit, vom Standpunkt ihres Wellenabsorptionsvermögens aus be trachtet. Außerdem ist es unmöglich, auch durch kombinierte Verwendung von Materialien für die obengenannten kon ventionellen Wellenabsorber diese Nachteile in einem gro ßen Umfang zu beseitigen.

Aus der DE-AS 10 11 015 ist eine nach dem Interferenzprinzip arbeitende selektive Dämpfungsschicht für elektromagnetische Wellen bekannt, die aus einer vor einer reflektierenden Unterlage angebrachten Zwischenschicht mit erhöhter, Wellenlängen verkürzender Dielektrizitätskonstante und einer teilreflektierenden dünnen, halbleitenden Oberschicht mit einem bestimmten Flächenwiderstand besteht. Die Dämpfungsschicht weist ferner eine Zwischenschicht in Form einer trocknenden oder härtenden Streichmasse auf, welche aus dielektrisch wirksamen Füllstoffen und einem Bindemittel besteht.

Aus der DE-AS 12 85 350 ist eine Radarstrahlen absorbierende Panzerplatte bekannt, welche aus abwechselnd harten und weichen Kunststoffschichten mit einer harten Schicht als äußere Schicht und Metalleinlagen zwischen den einzelnen Kunststoffschichten gebildet ist.

Die DE-AS 21 51 349 beschreibt eine biegsame, wickelbare Radartarnplane, die eine einzige ein dünnes, inhomogenes, elektrisch leitendes Material enthaltende Radartarnschicht aufweist. Die Tarnschicht enthält ungesponnene, ungewebte Fasern aus Metall oder Fasern mit leitender Oberfläche, wobei einfädige Mineral- oder Glasfasern mit einem in ihre Oberfläche eingebrannten Belag aus Kohle oder Graphit in Betracht kommen.

Ein Absorber für elektromagnetische Wellen entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 ist aus der DE-AS 10 52 483 bekannt. In dieser Druckschrift ist eine zum Bedecken von Oberflächen von Metallteilen geeignete Dämpfungsschicht für elektromagnetische Wellen beschrieben, die eine reflexionsarme Absorption von Wellen bewirkende Füllstoffe enthält und mit einem solchen Bindemittel versetzt ist, daß sie als streichfähiger Lack auf die Metallteile aufgebracht werden kann. Als Zusatzstoff zur Erhöhung der ohmschen Leitfähigkeit der Lackschicht wird unter anderem Siliziumcarbid genannt, welches in einer Feinmahlung von 0,4 bis 2 µm Teilchengröße verwendet werden soll. Als Bindemittel werden zum Beispiel Polyvinylacetat, Polyacrylsäureester oder Mischpolymerisate aus Styrol und Butadien, aber auch Alkydharze oder andere ähnliche Lackbindemittel angegeben.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Absorber für elektromagnetische Wellen entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 zu schaffen, der bei ausgezeichnetem Wellenabsorptionsvermögen, insbesondere für Hochfrequenzbänder, gegen hohe Temperaturen und gegen chemische Einflüsse beständig ist und dabei ein geringes spezifisches Gewicht aufweist.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand und Siliziumcarbid fasern und ihrer Wärmebehandlungszeit jeweils bei 1300°C, 1400°C und 1500°C zeigt; und

Fig. 2 jeweils Diagramme, welche die durch die Wel lenabsorber bewirkten Wellenschwächungen bzw. -dämpfungen, bestimmt auf der Basis der durch die Reflexion der Welle durch die Originalalumi niumplatte bewirkten Eigenwellenschwächung bzw. -dämpfung, wie in den weiter unten folgenden Beispielen 1 und 2 angegeben, zeigen.

Die erfindungsgemäß verwendeten Siliciumcarbidfasern weisen einen spezifischen elektrischen Widerstand von vorzugsweise 10° bis 10⁵ Ohm×cm, insbesondere von 10¹ bis 10³ Ohm×cm auf. Diese spezifischen elektrischen Widerstände können eingestellt werden durch Variieren der Wärmebehandlungsbedingungen in einer inerten At mosphäre, wie in der Fig. 1 dargestellt. Die Silicium carbidfasern können zu gewebten Geweben (Stoffen), Matten oder Filzen für die erfindungsgemäße Verwendung verarbeitet werden oder sie können parallel zueinander in mehreren Schichten angeordnet, miteinander laminiert und dann mit einem Kunstharz oder mit Keramiken verbunden werden unter Bildung eines Verbundmaterials, das erfin dungsgemäß als wellenabsorbierende Schicht verwendet werden kann. Die obengenannten gewebten Gewebe (Stoffe), Matten, Filze oder Laminate aus Siliciumcarbidfasern können mit einem Kunstharz oder mit Keramiken verbunden werden, indem man sie mit der Oberfläche des Harzes oder der Keramiken verbindet oder sie sandwichartig zwischen dem Harz oder den Keramiken einschließt. Je höher die spezifische Festigkeit (Festigkeit/spezifisches Gewicht) der Verbundmaterialien aus den Siliciumcarbidfasern und dem Harz oder den Keramiken ist, um so vorteilhafter sind die Verbundmaterialien. Zu den für die Herstellung solcher Verbundmaterialien verwendeten Kunstharzen gehören wärmehärtbare Harze, wie z. B. Harze vom Epoxytyp und Phenoltyp, und thermoplastische Harze, wie z. B. PPS und Nylon. Zu den hier verwendeten Keramiken gehören Alumi niumoxid-Siliciumdioxid, SiN, SiC und Sialon.

Die erfindungsgemäßen Wellenabsorber müssen ein Wellen absorptionsvermögen, ausgedrückt durch die Wellenschwä chung bzw. -dämpfung, aufweisen, das um mindestens 10 dB (1/10 der Einfallmenge) höher ist als die durch die Reflexion der Welle durch die von der absorbierenden Schicht freie Originalmetallplatte hervorgerufene Wellen schwächung bzw. -dämpfung, wobei es sich bei der ver wendeten Welle um eine solche mit einer Frequenz von 8 bis 16 GHz handelt (die mit der von der absorbieren den Schicht freien Originalmetallplatte erzielte zu letzt genannte Wellenschwächung bzw. -dämpfung wird hier der Einfachheit halber als "Eigenschwächung bzw. -dämpfung" bezeichnet). Die erfindungsgemäßen Wellenab sorber sind insbesondere wirksam, wenn sie für Mili tärflugzeuge verwendet werden, da Wellen mit einer Fre quenz von 8 bis 16 GHz in Radars verwendet werden. Außer dem gibt es bisher keine konventionellen Wellenabsorber, die eine Wellenabsorption, ausgedrückt durch eine Wellen schwächung bzw. -dämpfung, aufweisen, die um mindestens 10 dB höher ist als die Eigenwellenschwächung bzw. -dämpfung, wobei die verwendete Welle eine Frequenz von 8 bis 16 GHz hat.

Wie aus den vorstehenden Angaben ersichtlich, weisen die erfindungsgemäßen Wellenabsorber nicht nur ein zu friedenstellendes Wellenabsorptionsvermögen auf, das um mindestens 10 dB (über eine Breitbandfrequenz von 8 bis 16 GHz) höher ist als dasjenige, das mit den konventionel len Wellenabsorbern erzielt wird, sondern auch die in der wellenabsorbierenden Schicht in den Wellenabsorbern verwendeten Siliciumcarbidfasern weisen eine Zugfestig keit von mindestens 120 kg/mm² auf, wenn sie allein in der absorbierenden Schicht verwendet werden, und sie weisen eine Zugfestigkeit von mindestens 70 kg/mm² auch dann auf, wenn sie im Verbund mit einem Kunstharz oder mit Keramiken verwendet werden. Außerdem können die Wellenabsorber, in deren absorbierender Schicht allein Siliciumcarbidfasern verwendet werden, in der Regel bei 1000°C in einer oxidierenden Atmosphäre verwendet werden und sie sind gegenüber fast allen Chemikalien korrosionsbeständig; sie besitzen daher eine ausge zeichnete Wärmebeständigkeit und chemische Beständig keit (Beständigkeit gegen Chemikalien). Es ist auch möglich, die Siliciumcarbidfasern mit einem Kunstharz oder mit Keramiken zu verbinden und dann die dabei er haltenen Verbundmaterialien in verschiedener Weise zu formen.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Beispiel 1

Ein Organosiliciumpolymeres mit einem Molekulargewicht von 2000 bis 20 000 wurde schmelzgesponnen, unschmelzbar gemacht und dann gebrannt zur Herstellung von Silicium carbidfasern, die behandelt wurden zur Herstellung eines Textilgewebes aus einem 0,5 mm dicken 8-Schichten-Satin. Das so hergestellte Textilgewebe aus Siliciumcarbid fasern wurde auf die Vorderseite einer Aluminiummetall platte aufgebracht. Das auf die Aluminiumplatte aufge brachte Textilgewebe wurde auf seine Schwächung bzw. Dämpfung einer Welle mit einer Frequenz von 8 bis 16 GHz durch Reflexion derselben durch das auf die Platte aufgebrachte Textilgewebe, bezogen auf die Eigenschwä chung bzw. -dämpfung (hervorgerufen durch die Reflexion der Welle durch die von dem Gewebe freie Original-Alumi niumplatte), untersucht. Das Ergebnis ist in der Fig. 2 dargestellt. Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, daß mit dem erfindungsgemäßen Wellenabsorber eine Schwächung bzw. Dämpfung erzielt wurde, die um mindestens 10 dB höher war als die Eigenschwächung bzw. -dämpfung, und daß der Absorber ein ausgezeichnetes Wellenabsorptionsvermögen aufwies.

Beispiel 2

Das gleiche Organosiliciumpolymere wie in Beispiel 1 wurde schmelzgesponnen, unschmelzbar gemacht und dann 10 Minuten lang bei 1400°C in einer inerten Atmosphäre wärmebehandelt zur Herstellung von Siliciumcarbidfasern mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 3×10² Ohm×cm und einer Zugfestigkeit von 120 kg/mm². Die so erhaltenen Siliciumcarbidfasern wurden mit einem Epoxyharz als Matrixmaterial verbunden, wobei man ein in einer Richtung verstärktes Faser-Harz-Verbundmaterial (FRP) in Form einer Platte mit einem Faservolumenan teil (V_f) von 60 Vol.-% erhielt. Das so erhaltene Verbund material in Form einer Platte wurde auf die Vorderseite einer Aluminiummetallplatte mit einem Epoxyharzbinde mittel aufgebracht zur Herstellung eines Wellenabsor bers, der auf seine Schwächung bzw. Dämpfung (dB) einer Welle mit der Frequenz von 8 bis 16 GHz, bezogen auf seine Eigenschwächung bzw. -dämpfung, untersucht wurde. Das Ergebnis ist in der Fig. 2 dargestellt. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, führte die Verwendung dieses Wellen absorbers zu einer Schwächung bzw. Dämpfung, die um mindestens 10 dB höher war als die Eigenschwächung bzw. Eigendämpfung, wodurch bewiesen wurde, daß dieser Absorber ein ausgezeichnetes Wellenabsorptionsvermögen aufwies. Außerdem hatte die FRP-Platte eine Zugfestigkeit von 75 kg/mm² in Richtung der Fasern, was eine ausreichende spezifische Festigkeit anzeigt.

Beispiel 3

Das gleiche Organo-siliciumpolymere wie in Beispiel 1 wurde schmelzgesponnen, unschmelzbar gemacht und dann 20 Minuten lang in einer inerten Atmosphäre bei 1300°C wärmebehandelt zur Herstellung von Siliciumcarbidfasern mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 3×10³ Ohm×cm und einer Zugfestigkeit von 150 kg/mm².

Die so hergestellten Siliciumcarbidfasern wurden durch ein Acrylharz mit darin dispergiertem feingepulvertem Si₃N₄ (Teilchengröße 0,04 mm (350 mesh) oder feiner) hindurchgeführt, um zu bewirken, daß das feine Si₃N₄- Pulver in ausreichendem Maße zwischen die Fasern eindrang (Imprägnierung), um so Prepreg-Folien herzustellen.

10 der so hergestellten Prepreg-Folien wurden miteinander laminiert und in einen Vakuumbehälter eingeführt, der dann entgast, unter verminderten Druck gesetzt und ver schlossen wurde.

Der so geschlossene Behälter mit den Prepreg-Folien darin wurde 1 Stunde lang unter Anwendung einer heißen hydrostatischen Presse bei 1400°C und 100 atm wärmebe handelt zur Herstellung eines in einer Richtung mit SiC-Fasern verstärkten Si₃N₄-Verbundmaterials (FRC) mit einem Faservolumenanteil (V_f) von 50 Vol.-%.

Das auf diese Weise erhaltene FRC wurde auf die vordere Oberfläche einer Stahlplatte aufgebracht. Die Stahlplatte mit dem aufgebrachten FRC wurde auf ihre Schwächung bzw. Dämpfung (dB) einer Frequenz einer Welle von 8 bis 16 GHz, bezogen auf ihre Eigenschwächung bzw. -dämpfung, untersucht, wobei gefunden wurde, daß die Stahlplatte mit der aufgebrachten FRC-Schicht eine Schwächung bzw. Dämpfung aufwies, die um mindestens 20 dB höher war als die Eigenschwächung bzw. -dämpfung, wenn man eine Frequenz von 13 GHz auf die Stahlplatte mit der aufge brachten FRC-Schicht auftreffen ließ, und daß sie auch eine um mindestens 12 dB höhere Schwächung bzw. Dämpfung aufwies als die Eigenschwächung bzw. -dämpfung, wenn eine Welle mit einer Frequenz von 8 bis 16 GHz mit Aus nahme einer solchen von 13 GHz darauf auftreffen gelas sen wurde.

Außerdem wies das FRC eine Biegefestigkeit von 70 kg/mm² auf, die höher war als die 50 kg/mm² von üblichem Si₃N₄ und es wies eine bessere Wärmebeständigkeit auf als das in Beispiel 2 hergestellte FRP, da ersteres ein FRC war.

Vergleichsbeispiel 1

Das gleiche Organosiliciumpolymere wie in Beispiel 1 wurde schmelzgesponnen, unschmelzbar gemacht und dann 10 Minuten lang in einer inerten Atmosphäre bei 1200°C wärmebehandelt zur Herstellung von Siliciumcarbidfasern mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 2×10⁶ Ohm×cm. Die so hergestellten Fasern wurden mit einem Epoxyharz als Matrix verbunden zur Herstellung eines in einer Richtung verstärkten Faser-Harz-Verbund materials (FRP) in Plattenform mit einem Faservolumen anteil (V_f) von 60 Vol.-%. Das so erhaltene Verbundma terial in Plattenform wurde mit einem Epoxyharzbinde mittel auf die Vorderseite einer Aluminiummetallplatte aufgebracht. Die so erhaltene Aluminiumplatte mit auf gebrachtem FRP wurde auf ihre Schwächung bzw. Dämpfung (dB), bezogen auf die Eigenschwächung bzw. -dämpfung, untersucht unter Verwendung einer Welle mit einer Frequenz von 8 bis 16 GHz als durch die Aluminiumplatte mit aufgebrachtem FRP oder die von FRP freie Aluminium platte zu reflektierende Welle, wobei gefunden wurde, daß die erzielte Schwächung bzw. Dämpfung nur in dem Bereich von 0 bis 5 dB lag, bezogen auf die Eigenschwä chung bzw. Eigendämpfung.

Vergleichsbeispiel 2

Das gleiche Organosiliciumpolymere wie in Beispiel 1 wurde schmelzgesponnen, unschmelzbar gemacht und dann 180 Minuten lang in einer inerten Atmosphäre bei 1500°C wärmebehandelt zur Herstellung von Siliciumcar bidfasern mit einem spezifischen elektrischen Wider stand von 3×10^-1 Ohm×cm. Das Vergleichsbeispiel 1 wurde wiederholt, wobei diesmal jedoch die obengenannten Siliciumcarbidfasern verwendet wurden, wobei man eine Aluminiumplatte mit aufgebrachtem FRP erhielt, die dann auf ihre Wellenschwächung bzw. -dämpfung (dB), bezogen auf die Eigenwellenschwächung bzw. -dämpfung, hervorge rufen durch die Reflexion der Welle durch die Original- Aluminiumplatte, untersucht wurde, wobei als Welle eine solche mit einer Frequenz von 8 bis 16 GHz verwendet wurde, wobei gefunden wurde, daß die gemessene Schwä chung bzw. Dämpfung nur 0 bis 3 dB betrug.

Wie oben angegeben, weisen die erfindungsgemäßen Absor ber für elektromagnetische Wellen ein zufriedenstellen des Wellenabsorptionsvermögen, eine ausgezeichnete Festig keit, Wärmebeständigkeit und chemische Beständigkeit (Beständigkeit gegen Chemikalien) auf und können mit einem Kunstharz oder mit Keramiken verbunden werden zur Herstellung von Verbundmaterialien jeder gewünschten Form; sie eignen sich daher besonders gut für Militär flugzeuge.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen näher erläu tert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorlie genden Erfindung verlassen wird.

Claims

1. Absorber für elektromagnetische Wellen zum Bedecken einer elektromagnetische Wellen reflektierenden Metalloberfläche, wobei der Absorber eine gegen die Metalloberfläche anliegende Deckschicht bildet, welche zur Beeinflussung ihres ohmschen Widerstandes Siliziumcarbid enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß das Siliziumcarbid in Form von Siliziumcarbidfasern vorliegt,
daß der spezifische elektrische Widerstand der Siliziumcarbidfasern auf einen Wert zwischen 10° und 10⁵ Ohm×cm eingestellt ist, und
daß die Deckschicht durch eine oder mehrere parallel zueinander in Schichten angeordnete Lagen aus Siliziumcarbidfasergewebe, Siliziumcarbidfaserfilz oder/und parallelen Bündeln von Siliziumcarbidfasern gebildet ist.

2. Absorber für elektromagnetische Wellen zum Bedecken einer elektromagnetische Wellen reflektierenden Metalloberfläche, wobei der Absorber eine gegen die Metalloberfläche anliegende Deckschicht bildet, welche zur Beeinflussung ihres ohmschen Widerstandes Siliziumcarbid enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß das Siliziumcarbid in Form von Siliziumcarbidfasern vorliegt,
daß der spezifische elektrische Widerstand der Siliziumcarbidfasern auf einen Wert zwischen 10° und 10⁵ Ohm×cm eingestellt ist, und
daß die Deckschicht durch eine Lage oder mehrere parallele Lagen aus einem Siliziumcarbidfasern und ein Kunstharz oder/und eine Keramik umfassenden Kompositmaterial gebildet ist, und
daß die Lage Siliziumcarbidfasergewebe, Siliziumcarbidfaserfilz oder/und parallele Bündel von Siliziumcarbidfasern aufweist.

3. Absorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompositmaterial Si₃N₄ enthält.