Спосіб одержання композитного матеріалу-перетворювача енергії поля

Реферат: Спосіб одержання композитного матеріалу-перетворювача енергії поля належить до радіотехніки і може бути використаний для екранування безлунових камер, приміщень і електронної техніки для послаблення впливу зовнішніх електромагнітних полів від електротранспорту, а також передавачів телебачення та радіо, виробництва мікрохвильових камер виробничого і побутового призначення для послаблення їх завадових випромінювань та збільшення рівномірності поля в камері, модернізації антен супутникового телебачення для послаблення завад з бокових напрямків. Спосіб реалізується шляхом наповнення розчину полімерної основи композиту електропровідним матеріалом та затвердіння суміші наповнювача і полімерної основи. Додатково здійснюють вібромеханічну обробку суміші одної масової частини гранульованого полімеру з десяттю частинами складного наповнювача у вигляді суміші магнетиту і карбіду кремнію з рівними масовими частинами кожного, готують 20-відсотковий розчин гранульованого полімеру, взятого за масою, яка в 2,25 разу перевищує масу складного наповнювача, і наповнюють розчин віброобробленою сумішшю у співвідношенні за масою розчину до віброобробленої суміші, яка дорівнює 11:1. Технічним результатом є збільшення коефіцієнта перетворення енергії електромагнітного поля в широкій смузі частот і зменшення коефіцієнта відбиття за допомогою вибору компонентів наповнювача та попередньої модифікації суміші наповнювача і зв′язуючої полімерної основи. UA 102742 C2 (12) UA 102742 C2 UA 102742 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб призначений для розв'язання виробничих задач: - екранування безлунових камер, приміщень і електронної техніки для послаблення впливу зовнішніх електромагнітних полів від електротранспорту, а також передавачів телебачення та радіо; - виробництва мікрохвильових камер виробничого і побутового призначення для послаблення їх завадових випромінювань та збільшення рівномірності поля в камері; - модернізації антен супутникового телебачення для послаблення завад з бокових напрямків. Відомі різноманітні способи одержання композитних матеріалів-перетворювачів енергії поля. Спосіб одержання тридіапазонного композитного матеріалу K-RAM англійської фірми "Плессі" (журнал "Зарубіжний військовий огляд" № 6, 1988р.) реалізують шляхом послідовного готування і затвердіння шарів багатошарової композиції. При цьому наповнюють зв'язуючу основу арамідними волокнами, що наносять на підкладку з вуглепластика. Недоліком цього способу є технологічна складність і можливість досягнення лише резонансного поглинання на частотах 3; 10; 13 ГГц. Відомий спосіб одержання композитної фарби RAP (патент США US (II) 4600848. Каталог перекладів описів винаходів. № 11, 1990р. стор. 74.) шляхом наповнення зв'язуючої речовини електропровідними волокнами, які виготовляють із нержавіючої сталі і графіту. Недоліком цього способу є неможливість досягнення малого рівня коефіцієнта відбиття електромагнітного випромінювання від композита через занадто високі електропровідністі композиційного матеріалу, що є близькими до металевого рівня. З відомих способів одержання композитів найбільш близькими до пропонованого за характеристиками технологічної складності забезпечення необхідних коефіцієнтів відбиття і поглинання, а саме, перетворення енергії, є спосіб одержання композитного матеріалу LAO (GEC-Marconi Material Produkts. Див. мережа Internet http://www.gmmt.com/ukymats/matprods.htm), та патент US 5446459 A опублікований 29.08.1995 вибраний як прототип. Цей спосіб реалізується шляхом виготовлення основи у вигляді гнучкої, чарунчастої структури пінополіуретану, який насичують вуглепластиком. Недоліком прототипу є неможливість досягнення ефективного перетворення енергії електромагнітних випромінювань в теплову, перш за все, в діапазоні частот 0,9;…; 3 ГГц, що дозволені міжнародними стандартами для промислового застосування. Задачею винаходу є створення способу одержання композитного матеріалу, який забезпечував би суттєве збільшення коефіцієнта перетворення енергії електромагнітного поля в широкій смузі частот шляхом узгодження хвилевих опорів на межі поділу повітря та композита і забезпечував би зменшення коефіцієнта відбиття за допомогою вибору компонентів наповнювача та попередньої модифікації суміші наповнювача і зв'язуючої полімерної основи за рахунок здійснення механохімічного сплавлення елементів цієї суміші. Для вирішення задачі одержання композитного матеріалу шляхом наповнення розчину полімерної основи композита електропровідним матеріалом та затвердіння суміші наповнювача і полімерної основи, згідно з винаходом, здійснюють додатково вібромеханічну обробку суміші одної масової частини гранульованого полімеру з десяттю частинами складного наповнювача у вигляді суміші магнетиту і карбіду кремнію з рівними масовими частинами кожного, готують 20відсотковий розчин гранульованого полімеру, взятого за масою, яка в 2,25 разу перевищує масу складного наповнювача, і наповнюють розчин віброобробленою сумішшю у відношенні за масою розчину до віброобробленої суміші, яке дорівнює 11:1. Варіант реалізації способу з поясненням досягнення ефекта зменшення коефіцієнта відбиття поля від поверхні композита, збільшення показників поглинання поля і досягнення додаткового ефекту збільшення механічної міцності композита розглянуто нижче. Оптимальні (за мінімумом коефіцієнта відбиття) значення діелектричної та магнітної проникностей і відповідних їм провідностей інградієнтів композита, які практично забезпечують узгодження хвильових опорів середовищ "повітря-композит" на межі їх розділу, встановимо шляхом рішення системи налінійних рівнянь в комплексній формі відносно вказаних характеристик поглинача. Під час падіння плоскої однорідної електромагнітної хвилі за нормаллю (це найбільш несприятливий випадок) на межу розділу середовищ, комплексні амплітуди векторів напруженостей Е, Н падаючої, відбитої та пройденої в композит хвиль мають вигляд: 1 UA 102742 C2 0 0   Em  x0 Ae  jzk 0 ; Hm  y0 Ae  jzk 0 / W0 , (z  0) ;     Em  x0 Be jzk 0 ; Hm  y0 Be jzk 0 / W0 , (z  0) ; 5 10 (1)      Em  x0 Ce jzk 0 ; Hm  y0 Ce jzk 0 / W , (z0) ,  де W0 і W - хвилевий опір повітря і поглинача; k0 (k ) - коефіцієнт розповсюдження хвилі в повітрі (в середовищі композита).  Для коефіцієнтів відбиття p і проходження  у вигляді    ( 0 ) / E 0 ( 0 ) ,   E  (0 ) / E  (0 ) ,        Em m     згідно з (1), з врахуванням умови неперервності тангенціальних компонент-векторів E і H на границі розділу середовищ, тобто      E0m  E m  E Em1  Em2      m ,      0m  Hm  H   Hm1  Hm2  H    m  виходить система рівнянь     1     ; 1    ( W0  ) / W , Розв'язок системи дає залежність цих коефіцієнтів від параметрів середовища з втратами   (4)    ( W  W0 ) /( W  W0 ) ;   (5)    2W /( W  W ) . 0 Із (4) та (5) випливає, що відбиття від границі розділу відсутнє, а проходження є повним, якщо виконується умова рівності хвильових опорів повітря і композиційного матеріалу, тобто за умовою  (6) W0  W . Ця умова для довільного випадку середовища з втратами має вид 15 20    jм     0  0    0   , (7)  0 0     j е     0    де 0 (0 ) - діелектрична (магнітна) проникність вакуума; () - відносна проникність повітря; ( ) - відносна проникність композитного середовища; е (м ) - підсумкова електрична (магнітна) проводимість середовища;  - частота коливань поля. Оскільки для повітря   1 , а   1000536 , умову (7) покажемо у вигляді: , 1     jм  2    0      м   е   j  (8)    exp 2 arctg 0   arctg 0   1 .          j е      0         Із умови (8) випливає система рівнянь   м   е  arctg 0   arctg 0  ;       2  (м )2 / 2 2   2  ( е )2 / 2 2 . 0 0  (9) м Розв'язок системи (9) відносно  25 і ε дає шукані умови до співвідношень між 0 параметрами інгредієнтів композиції, при яких забезпечується відсутність відбиття хвилі від межи розділу середовищ, тобто від поверхні композитного матеріалу-перетворювача енергії поля. Ці співвідношення узгоджень хвилевих опорів середовищ мають вид 2 UA 102742 C2 (10) м  0   е  0 ;    . Перевіремо умову (10) узгодження хвилевих опорів середовищ повітря і композита для пропонованого способу одержання композиційного матеріалу-перетворювача. Спочатку обчислимо ε та  наповнювача, враховуючи, що маємо реальні параметри е м магнетиту: 1  17 ; 1  2,3 ; 1  0,6  10 2 ; 1  10 3 ; а для карбіду кремнію маємо: 2  16 ; , , 5 10 15 20 25 2  10 ; е  10 3 ; м  0 . , 2 2 Для частинок симетричної форми результуючі параметри 12 та 12 наповнювача визначаються із формул Ланауера. (1  q)(1  12 ) /(1  212 )  q(2  12 ) /(2  212 )  0; (11) (1  q)(1  12 ) /(1  212 )  q(2  12 ) /(2  212 )  0. Для однакової концентрації інгредієнтів наповнювача (q=0,5), результуючі параметри наповнювача дорівнюють:   12  0,125  (1  2 )2  3212 )  (1  2 )  160 ; ,     12  0,125  (1  2 )2  3212 )  (1  2 )  156 . ,   Тепер визначимо результуючі параметри  та  композиції, застосувавши формули Джилі Максвела (Maxwell J.C. Treatise on Electriciti and Magnetism, 3 rd ed., Oxford, 1904 (том 1, стор. 440)) для випадку, коли інгредієнти наповнювача представляють собою, напр., сфери, розміщені у зв'язуючому (з 3  12 ; 3  1) на відстанях, розділяючих сфери, більших, ніж , діаметри сфер, у вигляді: (  3 ) /(  23 )  p(12  3 ) /(12  23 ); (12) (  3 ) /(  23 )  p(12  3 ) /(12  23 ); Покажемо, що запропоновані у винаході співвідношення масових частин наповнювача і полімеру забезпечують досягнення властивостей малого рівня відбиття і високого рівня поглинання композита. Саме ці властивості забезпечують збільшення коефіцієнта перетворення. Позначимо масові частини: mн - маса наповнювача; mз - маса сухого зв'язуючого (гранульованого) полімеру; mз2 - маса гранульованого полімеру для виготовлення розчину; mр - маса розчинювача; mз2р - сумарна маса mз2 + mр ; Згідно з формулою винаходу маємо: m mз2 mн  0,2) ;  10 ; з2  0,25 ( томущо mр mз2  mр mз mз2р mн  11.  2,25 ; mн  mз mз 30 Тоді одержимо результуючу концентрацію Р складного наповнювача у складі композита після його затвердения, тобто після випарювання розчинювача: mн mн Р    mн  mз2р  mр  mз mн  11mн  11m3  mр  mз  mн 1   0,24 mн  11mн  11m3  4mз2  mз 1  11  11  0,1  4  2,25  0,1 Для концентрації наповнювача р  0,24 , враховуючи параметри зв'язуючого е  10 9 ; з 35 м  0 , отримаємо згідно з (12) і до даних складного наповнювача шукані параметри з пропонованого матеріалу-перетворювача. 3 UA 102742 C2  (1  2р)123  2(1  р) з2 (1  2  0,24 )1 6  1 2  2(1  0,24 )1 22 , , ,   13 ; , (1  р)12  (2  р) з (1  0,24 )  1 6  (2  0,24 )1 2 , ,  (1  2р)123  2(1  р) з2 1 48  156  1  2  0,76  12 , ,   13 , (1  р)12  (2  р) з 0,76  156  2,24  1 ,   (13)     е е  р 1  е / 2  (1  р)  е ; 2 з м м м   р 1  2 / 2  (1  р)  м ; з е  0,24(0,6  10 2  10 3 ) / 2  0,12  7  10 3 ; 5 м  0,24(10 3  0) / 2  0,12  10 3 Отже, маємо відносні провідності (10) композита в вигляді е / 0  (0,84  10 3 ) /(10 9 / 36   95  10 6 10 15 20 (14) м / 0  (0,12  10 3 ) /( 4  10 7 )  0,0095  1010  95  10 6 . В результаті, умова узгодження (10) хвилевих опорів середовищ повітря та пропонованого матеріалу-перетворювача, як видно із (13) і (14), виконується. Глибоке поглинання пройденої хвилі в пропонованому матеріалі забезпечується навіть в покритті товщиною 2 мм за рахунок досить великих значень тангенса кута магнітних та електричних втрат. Збільшення механічної міцності композита здійснюється за рахунок хімічного зв'язку між молекулами частинок магнетиту та карбіду кремнію, тобто складного наповнювача, і молекулами полімерних гранул під час віброобробки цих складових суміші в металевому циліндрі з металевими шарами діаметром 8-10 мм. Віброобробка з частотою вібрацій 20 Гц і амплітудою 3-5 мм сприяє створенню (через механохімічне сплавлення частинок порошкоподібних частинок складного наповнювача і полімеру) нової зернограничної фази у вигляді модифікованого наповнювача для подальшого наповнення розчину полімеру того ж типу, що містить в зернограничній фазі модифікованого наповнювача. Таким чином, досягнення ефекту, реалізованість і новизна пропонованого способу одержання композиційного матеріалу-перетворювача, які забезпечуються сукупністю істотних ознак винаходу, є доведеними. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 Спосіб одержання композитного матеріалу-перетворювача енергії поля шляхом наповнення розчину полімерної основи композита електропровідним матеріалом та затвердіння суміші наповнювача і полімерної основи, який відрізняється тим, що здійснюють додатково вібромеханічну обробку суміші одної масової частини гранульованого полімеру з десяттю частинами складного наповнювача у вигляді суміші магнетиту і карбіду кремнію з рівними масовими частинами кожного, готують 20-відсотковий розчин гранульованого полімеру, взятого за масою, яка в 2,25 разу перевищує масу складного наповнювача, і наповнюють розчин віброобробленою сумішшю у співвідношенні за масою розчину до віброобробленої суміші, яка дорівнює 11:1. 35 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4