DE69624188T2

DE69624188T2 - Herstellung von chiralem Verbundmaterial

Info

Publication number: DE69624188T2
Application number: DE69624188T
Authority: DE
Inventors: Sajad Haq
Original assignee: BAE Systems PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1995-08-16
Filing date: 1996-08-14
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2016-08-15
Also published as: ES2180705T3; GB2304618A; GB2304618B; GB9516792D0; DE69624188D1; EP0758803A1; US5728346A; EP0758803B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von chiralem Verbundmaterial und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Materials und auf ein chirales Verbundmaterial, das durch dieses Verfahren erzeugt wurde.
Die Chiralität, d. h. die Händigkeit von Elementen, ist nützlich zur Absorption elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise als Radarabsorptionsmaterial, insbesondere wenn diese Elemente in einem Grundmaterial, beispielsweise Kunstharz, eingebettet oder auf diesem aufgebracht sind, um ein Verbundmaterial zu erzeugen.
Ein Beispiel einer chiralabsorbierenden Struktur ist in der EP-A1-0520677 beschrieben. Hierbei werden die chiralen Elemente auf einem dämpfenden dielektrischen Material aufgebracht, und zwar entweder im freien Raum oder eingebettet in einem nicht dämpfenden Material. In jenem Dokument sind keine Einzelheiten des Herstellungsverfahrens erläutert.
Bei Versuchen der Herstellung chiraler Verbundmaterialien haben sich jedoch Schwierigkeiten wegen der geringen Größe der chiralen Elemente ergeben, die gewöhnlich als schraubenlinienförmige Elemente ausgebildet sind und von denen eine relativ große Zahl erforderlich ist.
Aus diesem Grunde ist die Anordnung chiraler Elemente innerhalb des Verbundmaterials schwierig, insbesondere deshalb, weil es unerwünscht ist, daß diese Elemente miteinander in Berührung kommen und es außerdem erwünscht ist, daß diese Elemente gleichförmig innerhalb des Verbundmaterials verteilt werden. Wenn die chiralen Elemente nicht gleichförmig verteilt werden, kann das elektromagnetische Verhalten des resultierenden Verbundmaterials ungünstig beeinträchtigt werden. Außerdem hat die Orientierung der chiralen Elemente innerhalb des Verbundmaterials einen Einfluß auf die elektromagnetischen Eigenschaften des Materials, so daß es notwendig sein kann, ein Verbundmaterial zu schaffen, bei dem die Elemente entweder zufällig orientiert oder in speziellen Richtungen ausgerichtet sind.
Es besteht daher der Bedarf nach einem allgemein verbesserten Verfahren zur Erzeugung eines chiralen Verbundmaterials, bei dem die vorerwähnten Schwierigkeiten wenigstens vermindert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung eines chiralen Verbundmaterials vorgesehen, das durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: es wird eine gelochte Platte hergestellt, die Öffnungen besitzt, welche an jenen Stellen liegen; wo die chiralen Elemente im Verbundmaterial liegen sollen; es wird die Platte über ein Substrat gefügt; es werden die chiralen Elemente in die Öffnungen unter einem gewünschten Winkel und einer gewünschten Orientierung gegenüber dem Substrat eingelegt und durch Lokalisierungsmittel in dieser Stellung in oder in Verbindung mit der gelochten Platte gehaltert; es wird eine erste Schicht aus flüssigem Grundmaterial in die Öffnungen in der Platte rings um die chiralen Elemente und gegen das Substrat eingebracht; die erste Schicht läßt man aushärten; es wird die gelochte Platte entfernt und es wird eine zweite Schicht aus flüssigem Grundmaterial auf die ausgehärtete erste Schicht aufgebracht; danach läßt man die zweite Schicht aushärten, um das gewünschte Verbundmaterial zu erzeugen.
Vorzugsweise besteht die benutzte gelochte Platte aus Silizium.
Zweckmäßigerweise besteht das oder bestehen die Lokalisierungsmittel aus einer Lasche, die in die jeweilige Öffnung in der Platte vorsteht.
Vorteilhafterweise ist die Lasche mit einer Ausnehmung an der Oberfläche versehen, um einen Haken zu bilden, auf dem ein vorstehendes Ende oder ein Teil des zugeordneten chiralen Elementes zu liegen kommt.
Vorzugsweise ist die Lasche so dimensioniert, daß sie in einen Bereich des zugeordneten chiralen Elementes vorsteht, der dort dagegen ruht.
Zweckmäßigerweise ist die benutzte gelochte Platte magnetisch und die benutzten chiralen Elemente sind magnetisch, wobei die magnetische Anziehung zwischen der gelochten Platte und den chiralen Elementen die Lokalisierungsmittel bildet. Vorteilhafterweise ist die Dicke der gelochten Platte so gewählt, daß die erforderliche Dicke der ersten Schicht rund um die chiralen Elemente zustandekommt.
Stattdessen kann die erforderliche Dicke der ersten Schicht dadurch erlangt werden, daß Abstandshalter gewünschter Dicke zwischen der gelochten Platte und dem Substrat angeordnet werden.
Vorzugsweise ist der benutzte Abstandshalter eine Platte aus dem gleichen Material wie die erste Schicht oder aus einem unterschiedlichen Material, wobei Öffnungen vorgesehen werden, die den Öffnungen in der gelochten Platte entsprechen und darauf ausgerichtet sind, wobei die gelochte Abstandsplatte in die ausgehärtete erste Lage einbezogen ist.
Stattdessen hat der benutzte Abstandshalter die Form eines Ringes oder irgendeine geeignete Gestalt, die zwischen die gelochte Platte und das Substrat eingefügt werden kann, um sich in der Nähe des äußeren Randes der gelochten Platte zu erstrecken und um eine äußere Begrenzung für die erste Schicht zu erzeugen und um hiervon entfernt zu werden, wenn die erste Schicht ausgehärtet ist.
Vorzugsweise wird die Dicke der gelochten Platte oder des Abstandshalters so gewählt, daß der gewünschte Winkel und die Orientierung der chiralen Elemente im Verbundmaterial zustandekommt.
Zweckmäßigerweise sind die benutzten chiralen Elemente schraubenlinienförmig oder als Möbius-Bänder oder als irreguläre Tetraeder ausgebildet.
Vorteilhafterweise bestehen die benutzten chiralen Elemente aus Metall oder Plastikmaterialien.
Vorzugsweise ist das Substrat eben oder besitzt eine Oberfläche, die mit Vertiefungen versehen ist, um eine Anpassung an die Öffnungen in der darüberliegenden gelochten Platte zu schaffen und um zusätzlich Mittel zu bilden, um darin die chiralen Elemente aufzunehmen und zu lokalisieren.
Zweckmäßigerweise werden die Abmessungen der Vertiefungen im Substrat so gewählt, daß die Schaffung des gewünschten Winkels der chiralen Elemente gegenüber dem Substrat unterstützt wird.
Vorzugsweise ist das Material der ersten und/oder zweiten benutzten Schicht ein Kunstharz oder Polysterol.
Vorzugsweise wird das Verfahren wenigstens zweimal durchgeführt, um ein chirales Verbundmaterial mit einer Vielzahl von Schichten mit chiralen Elementen zu schaffen.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie diese praktisch verwirklicht werden kann, wird auf in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele verwiesen. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht durch ein Substrat und eine gelochte Plätte gemäß einem Schritt des Verfahrens vorliegender Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht eines Substrats, einer gelochten Platte und eines Abstandshalters gemäß einem alternativen Schrill im Verfahren der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht eines Substrats, eines Abstandshalters und einer gelochten Platte gemäß einem weiter abgewandelten Schritt im Verfahren der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist eine Grundrißansicht zu Fig. 3;
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzten Lasche in größerem Maßstab;
Fig. 6 ist eine schematische Schnittansicht eines Substrats, eines Abstandshalters und einer gelochten Platte gemäß einem zweiten Schrift im Verfahren der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ist eine Schnittansicht eines Substrats und eines Abstandshalters gemäß einem dritten Schritt im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 8 ist eine schematische Schnittansicht durch einen Teil einer abgewandelten Möglichkeit der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von chiralem Verbundmaterial benutzt grundsätzlich ein Substrat 1, welches vorzugsweise eben gestaltet ist, wie in den Fig. 1 bis 7 dargestellt, und dieses Substrat besteht vorzugsweise aus Silizium. Außerdem wird bei dem Verfahren eine Lochplatte 2 benutzt, die mehrere Löcher 3 aufweist, die an Stellen angeordnet sind, wo die chiralen Elemente 4 in dem zu fertigenden Verbundmaterial liegen sollen.
Die Lochplatte 2 kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, beispielsweise Metall oder Silizium, und diese Lochplatte liegt über dem Substrat, und die chiralen Elemente 4 sind in den Löchern 3 mit dem gewünschten Winkel und der gewünschten Orientierung gegenüber dem Substrat 1 angeordnet, und sie werden in ihrer Lage durch Lokalisierungsmittel 5 gehalten, die in oder an der lochplatte 2 angeordnet sind. Die Lokalisierungsmittel 5 oder jedes Lokalisierungsmittel 5 besteht vorzugsweise aus einer Lasche, wie diese in Fig. 5 dargestellt ist, und diese steht in das jeweilige Loch in der Platte ein, wie dies aus den Fig. 1 bis 6 und 8 der beiliegenden Zeichnung ersichtlich ist. Die Lasche 5 kann, wie aus Fig. 5 ersichtlich, mit einer Ausnehmung Ei versehen sein, um einen Haken 7 zu bilden, an dem ein vorstehendes Ende oder ein Teil des zugeordneten chiralen Elementes erfaßt wird, wie dies beispielsweise in den Fig. 1, 2, 3 und 4 dargestellt ist. Alternativ ist die Lasche 5 so dimensioniert, daß sie in einen Bereich des zugeordneten chiralen Elementes 4 vorsteht, das hiergegen abgestützt ist, so daß die Lasche in das Element vorsteht, das vorzugsweise schraubenlinienförmig ausgebildet ist, wie dies aus Fig. 6 hervorgeht.
Gemäß einer weiteren Abwandlung ist die benutzte Positionierungsplatte 2 magnetisch und vorzugsweise aus Metall hergestellt, und die chiralen Elemente 4 sind ebenfalls magnetisch, so daß durch gegenseitige magnetische Anziehung zwischen der Platte 2 und den chiralen Elementen 4 die Lokalisierung der chiralen Elemente bewirkt wird. Zweckmäßigerweise werden auch hier Laschen 5 benutzt, die in die Öffnungen 3 einstehen, wie dies beispielsweise aus Fig. 8 der beiliegenden Zeichnung ersichtlich ist.
Nach der Lokalisierung der chiralen Elemente 4 wird eine erste Schicht 8 aus flüssigem Grundmaterial, beispielsweise einem Kunstharz oder Polysterol, in Richtung des Pfeiles A gemäß Fig. 6 in die Löcher 3 in der Lochplatte 2 eingefüllt, derart, daß dieses Material wenigstens teilweise die chiralen Elemente 4 umschließt. Das flüssige Material der ersten Schicht strömt um die chiralen Elemente 4 herum und gegen das Substrat 8, und man läßt dieses Material aushärten. Darauf wird die Lochplatte 2 entfernt und es wird eine zweite Schicht 9 aus flüssigem Grundmaterial aufgetragen, und diese Schicht kann wiederum aus einem Kunstharz oder aus Polysterol bestehen, und diese Schicht wird auf die erhärtete erste Schicht 8 aufgetragen, wie dies aus Fig. 7 ersichtlich ist, und man läßt dieses Material ebenfalls aushärten, um das gewünschte Verbundmaterial zu erzeugen.
Der aus Fig. 1 ersichtliche zwischen dem chiralen Element 4, zweckmäßigerweise einer Schraube, und dem Substrat 1 befindliche Winkel 6 wird in erster Linie durch den Abstand zwischen dem Substrat 1 und der oberen Oberfläche der Lochplatte 2 bestimmt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Dicke der Lochplatte 2, wie aus Fig. 1 ersichtlich, in geeigneter Weise dimensioniert wird, wodurch auch die Dicke der ersten Schicht 8 aus Grundmaterial um das Element 4 herum eingestellt werden kann. Stattdessen können die Dicke der ersten Schicht und der Anstellwinkel 4 des chiralen Elementes 4 gegenüber dem Substrat 1 durch einen Abstandshalter 10 bestimmt werden, der die gewünschte Dicke zwischen der Lochplatte 2 und dem Substrat 1 aufrechterhält.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 8 der Zeichnung besitzt der Abstandshalter 10 die Form eines Ringes irgendeiner geeigneten Gestalt, der zwischen die Lochplatte 2 und das Substrat 1 eingesetzt ist und sich in der Nähe eines äußeren Randes der Lochplatte 2 erstreckt, um eine äußere Begrenzung für die erste Schicht 8 aus dem Grundmaterial zu schaffen und der hiervon abgenommen werden kann, wenn die erste Schicht 8 ausgehärtet ist. Stattdessen · kann, wie in den Fig. 3, 6 und 7 dargestellt, der benutzte Abstandshalter 10 eine Platte sein. Diese Platte kann aus dem gleichen Material wie die erste Schicht 8 bestehen oder auch aus einem unterschiedlichen Material, und die Platte ist mit Löchern 11 versehen, die den Löchern 3 der Positionierungsplatte 2 entsprechen und auf diese ausgerichtet sind.
Die gelochte Abstandsplatte 10 kann, wie aus Fig. 7 ersichtlich, in die ausgehärtete erste Schicht 8 des Grundmaterials und die ausgehärtete zweite Schicht 9 des Grundmaterials eingeschlossen sein. Demgemäß bestimmen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Dicke der Lochplatte 2 allein oder zusammen mit der Dicke des Abstandshalters 10, wenn dieser benutzt wird, den gewünschten Anstellwinkel und die Orientierung der chiralen Elemente 4 gegenüber dem Substrat 1 im Verbundmaterial. Wie erwähnt, können die chiralen Elemente 4 in Form von Schraubenlinien, von Möbius-Bändem oder von irregulären Tetraedern ausgebildet sein. Sie können aus metallischem Material oder aus Plastikmaterial bestehen.
Gemäß der Zeichnung wurde die erste Schicht 8 und die zweite Schicht 9 des Grundmaterials über die Löcher 3 und die Löcher 11 eingegossen. Die Schichten können jedoch auch über Löcher zugeführt werden, die seitlich im Abstandshalter 10 vorgesehen sind. Das Verfahren kann wenigstens zweimal durchgeführt werden, um einen chiralen Verbundkörper mit mehreren Schichten aus chiralen Elementen zu schaffen, oder stattdessen kann ein Verbundmaterial mit einer einzigen Schicht chiraler Elemente mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt werden, und es können dann mehrere dieser Lagen kombiniert werden, um Strukturen zu erzeugen, die sowohl dicker als auch größer sind:
Um ein isotropes chirales Verbundmaterial zu erhalten oder ein Material mit einer vorbestimmten Winkeldispersion der chiralen Elemente 4, kann das Substrat 1a gemäß Fig. 8 mit Vertiefungen 12 versehen sein, die komplementär zu den Löchern 3 der darüberliegenden Lochplatte 2 liegen, und dadurch können zusätzliche Mittel geschaffen werden, um die chiralen Elemente 4 darin aufzunehmen und zu lokalisieren. Die Abmessungen der Vertiefungen 12 werden so gewählt, daß der Anstellwinkel Θ der chiralen Elemente 4 gegenüber der Grundplatte 1a für die einzelnen Elemente 4 unterschiedlich ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von chiralem Verbundmaterial, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: es wird eine Lochplatte (2) vorbereitet, die durchgehende Löcher (3) an Stellen aufweist, wo chirale Elemente (4) in dem herzustellenden Verbundmaterial zu liegen kommen sollen; es wird die Platte (2) über ein Substrat (1) gefügt; es werden die chiralen Elemente (4) in die Löcher (3) unter einem gewünschten Winkel und in einer gewünschten Orientierung zum Substrat (1) angebracht; und es werden diese chiralen Elemente durch Lokalisierungsmittel (5, 6, 7) in der Lochplatte (2), an der Lochplatte oder zugeordnet zur Lochplatte (2) gehalten; es wird eine erste Schicht (8) aus flüssigem Grundmaterial in die Löcher (3) in der Platte (2) um die chiralen Elemente (4) herum und gegen das Substrat (1) eingegossen; man läßt diese erste Schicht (8) aushärten; es wird dann die Lochplatte (2) entfernt und eine zweite Schicht (9) aus flüssigem Grundmaterial auf die erhärtete erste Schicht (8) gegossen, und dann läßt man die zweite Schicht (9) aushärten, um das gewünschte Verbundmaterial zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die benutzte Lochplatte (2) aus Silizium besteht.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem die Lokalisierungsmittel aus einer Lasche (5) bestehen, die in die jeweiligen Löcher (3) in der Platte (2) einstehen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Lasche (5) mit einer Ausnehmung (6) an der Oberfläche versehen wird, um einen Haken (7) auszubilden, an welchem ein vorspringendes Ende oder ein Teil des zugeordneten chiralen Elementes (4) angreift.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Lasche (5) so dimensioniert ist, daß sie in einen Bereich des zugeordneten chiralen Elementes (4) vorsteht, das hiergegen abgestützt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die benutzte Lochplatte (2) magnetisch ist und die benutzten chiralen Elemente (4) ebenfalls magnetisch sind, wobei die magnetische Anziehung zwischen der Lochplatte (2) und den chiralen Elementen (4) die Lokalisierungsmittel bilden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die Dicke der Lochplatte (2) so gewählt ist, daß die erforderliche Dicke der ersten Schicht (8) um die chiralen Elemente (4) herum geschaffen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die erforderliche Dicke der ersten Schicht (8) durch einen Abstandshalter (10) gewünschter Dicke zwischen der Lochplatte (2) und dem Substrat (1) erhalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der benutzte Abstandshalter (10) eine Platte ist, die aus dem gleichen oder einem anderen Material wie die erste Schicht (8) besteht und mit durchgehenden Löchern (11) versehen ist, die den Löchern (3) in der Lochplatte (2) entsprechen und auf diese ausgerichtet sind, wobei die gelochte Abstandsplatte (10) in der ersten Schicht (8) angeordnet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der benutzte Abstandshalter (10) die Form eines Ringes geeigneter Gestalt besitzt, der zwischen der Lochplatte (2) und dem Substrat (1) zu liegen kommt und sich in der Nähe des äußeren Randes der Lochplatte erstreckt, um eine äußere Begrenzung für die erste Lage (1) zu schaffen, wobei dieser Ring abgenommen wird, nachdem die erste Schicht (8) ausgehärtet ist.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 8, bei welchem die Dicke der Lochplatte (2) oder des Abstandshalters (10) so gewählt ist, daß der gewünschte Winkel und die gewünschte Orientierung der chiralen Elemente (4) in dem Verbundmaterial erhalten wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem die benutzten chiralen Elemente (4) schraubenlinienförmig oder in Gestalt von Möbius-Bändem oder als irreguläre Tetraeder ausgebildet sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die benutzten chiralen Elemente (4) aus Metall oder Plastikmaterial bestehen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem das Substrat (1) eben ist oder eine Oberfläche mit Vertiefungen (12) besitzt, die mit den Löchern (3) der darüberliegenden Lochplatte (2) zusammenwirken und zusätzliche Mittel bilden, um die chiralen Elemente (4) darin aufzunehmen und zu lokalisieren.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem das Maß der Vertiefungen (12) im Substrat (1) so gewählt wird, daß die Erzeugung des gewünschten Winkels der chiralen Elemente (4) gegenüber dem Substrat (1) unterstützt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem die erste und/oder die zweite benutzte Materialschicht aus Kunstharz oder Polysterol besteht.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, welches wenigstens zweimal durchgeführt wird, um ein chirales Verbundmaterial mit mehreren chiralen Elementenschichten (4) zu schaffen.