Электромагнитный поглощающий материал, способ изготовления его и экранирующих устройств

 

Изобретение относится к средствам поглощения электромагнитной энергии. Технический результат заключается в эффективном уменьшении электромагнитного излучения в широком частотном диапазоне. Сущность изобретения заключается в совмещении в одном материале экранирующих свойств с теплоизолирующими свойствами пористого материала при оптимальном соотношении между его плотностью и прочностью. 5 с. и 16 з.п.ф-лы, 2 ил., 4 табл.

Изобретение относится к электромагнитному поглощающему материалу, способу его изготовления, а также к способу изготовления экранирующих устройств, например поглощающих стен, поглощающих облицовок или поглощающих корпусов, в том числе лишенных электромагнитных полей, так называемых безъэховых измерительных камер, с применением этого поглощающего материала.

Изобретение направлено как на создание как можно более лишенных полей условий для осуществления особенно точных и/или особенно чувствительных электрических измерений, так и на защиту населения и, в частности, занятых в промышленном применении электромагнитных переменных полей от их возможных вредных воздействий.

Из дискуссии на тему “электросмог” можно сделать вывод о том, что население болезненно воспринимает факт технически обусловленного насыщения окружающей среды электромагнитным излучением. Как законодатель, так и профсоюзы прореагировали на постановление или ужесточение предельных значений максимальной плотности мощности источника излучения. В качестве примера здесь следует назвать 26-е BImSchV (Постановление об электромагнитных полях) и предписание DIN VDE 0848 (Безопасность в электромагнитных полях). При этом предельные значения, установленные для защиты населения в 26-м BImSchV, опираются на международные рекомендации, например Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP) или Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Эти рекомендации постоянно перерабатываются, как только появляются результаты новых научных исследований. Последняя публикация ICNIRP от апреля 1998 г. подтверждает значения, положенные в основу 26-го BImSchV.

В таблице 1 приведены допустимые для населения предельные значения высокочастотных полей по DIN VDE 0848.

Предпринятое в этом предписании разделение на электрическую и магнитную составляющие обязано значительным затратам при измерении удельной интенсивности поглощения (SAR [Вт/кг]). SAR является признанной во всем мире базовой величиной тепловых воздействий, поскольку воспринимаемая организмом мощность излучения является решающей для биологического воздействия ВЧ-излучения.

По современным данным, значения SAR 1-4 Вт/кг (усредненные по всему организму) приводят у человека в течение 30 минут к повышению температуры тела на 1°С. Для защиты облучаемого в силу своей профессии персонала предельное значение SAR для всего организма было установлено в 0,4 Вт/кг, а для населения 0,08 Вт/кг.

Проблема этих предельных или профилактических значений состоит в том, что уже их объявление внушает населению угрозу, или же население становится впечатлительным к, возможно, еще недоказуемому наверняка длительному воздействию. Эту проблему еще более усиливает чисто техническая дискуссия, т.е. исключительно ссылка на тепловые воздействия. Проводимые в настоящее время или уже опубликованные исследования ВОЗ, ICNIRP и IEGMP о влиянии токов на мозг, в частности за счет использования мобильных телефонов, обусловленном их частотой и модуляцией, заставляют усиленно выдвинуться на передний план так называемым атермическим эффектам. По этой причине и в ожидании положительных в смысле влияния на человеческий организм результатов проводимых в настоящее время исследований разработка поглощающего гранулята для защиты населения является настоятельно необходимой.

Для поглощения электромагнитных волн имеются главным образом ферриты и/или проводящие вещества в разных смесях, а также матрицы. Так, фирма “Феррит Домен Ко.” (Ferrite Domen Со.) в России предлагает различные ферриты в качестве поглотителей микроволн в виде порошка, имеющих полезную частоту от 1 до макс. 40 ГГц. Фирма “Спектро Дайнемик Системе” (Spectro Dynamic Systems) в США сбывает покрытые серебром кеносферы для поглощения ВЧ-излучения, причем они должны использоваться в качестве наполнителей для красок и смол для изготовления поверхностных покрытий. Мощность затухания указана в одном примере выполнения в 60 дБ при 100 МГц-10 ГГц для пленки толщиной 5 мм. Фирма ТДК (TDK) предлагает гамму поглотителей радиоволн с затуханием в результате отражения свыше 20 дБ, причем покрывается весь диапазон от 0,03 до 40 ГГц. Другой поглотитель сбывается фирмой “Эмерсон энд Кьюминг Микроуэйв Продактс, Инк.” (Emerson & Cuming Microwave Products, Inc.) под названием ECCOSORB®MCS для частотного диапазона 1-8 ГГц с затуханием 6-63 дБ/см.

В DE 19949631 А1 описан комбинированный поглотитель электромагнитных волн, причем ферритовый порошок с диэлектрической постоянной не выше 4,9 диспергируют в обычной смоле, формуют в виде пирамидообразного поглотителя и соединяют с ферритовой плитой. Указан состав ферритовой плиты с главными компонентами Fе₂О₃, NiO, ZnO и CuO, а также соединенного смолой пирамидообразного поглотителя с главными компонентами Fе₂О₃, NiO и ZnO. Достигаемое затухание указано в частотном диапазоне от 100 МГц до 10 ГГц, по меньшей мере, 20 дБ.

В DE 19525636 А1 описана стеновая облицовка для поглощения электромагнитных волн, которая обеспечивает широкополосное отражение за счет соединения ферритовой плиты с обращенным к стене резистивным материалом. Данные измерений достигнутого затухания в результате отражения не приведены.

В US 5323160 описано изготовление поглотителя за счет комбинации двух мягких ферритов (Mn-Zn, Ni-Zn) с варьируемой толщиной слоев. При этом слои в любом случае нанесены на металл в качестве подложки. Данные измерений дают поглощение, по меньшей мере, 20 дБ в диапазоне от 200 МГц до 1 ГГц.

В US 5446459 описан широкополосный поглотитель, состоящий из спеченного феррита и феррита со структурой шпинели СuО-Fе₂О₃. Поглощение измеряют с помощью сетевого анализатора HP 8510 А с использованием коаксиального измерительного кабеля. При этом для разных составов указаны частотные диапазоны с затуханием свыше 20 дБ. Они лежат между мин. 98 МГц и макс. 950 МГц.

В ЕР 0858982 А1 описаны состав поглотителя и способ его получения. Речь идет при этом о смеси из Fе₂О₃, NiO, ZnO и CuO, которую размалывают, формуют и спекают. Интенсивность поглощения измеряют с помощью измерительной системы Holaday HI-400 RF на разном удалении от мобильного телефона. При этом интенсивность поглощения указана в процентах.

В DE 19911304 А1 описано покрытие или пленка для электромагнитного экранирования в широком частотном диапазоне. Для этого ферритовый порошок смешивают с проводящим порошком и с помощью способного к намазыванию связующего перерабатывают в пленки или покрытия. Измеренные значения поглощения указаны >30 дБ/мм.

Описанному выше уровню техники присущ тот недостаток, что отчасти при применении сложных способов и дорогих материалов придается внимание только аспекту электромагнитного экранирования без учета применимости этих технологий в строительстве.

В основе изобретения лежит задача эффективного уменьшения электромагнитного излучения посредством поглощающего материала в широком частотном диапазоне, преимущественно от 100 Мгц до 10 ГГц, причем этот материал должен совмещать в себе желаемые экранирующие свойства с теплоизолирующими свойствами пористого материала, а также с его оптимальным соотношением между плотностью и прочностью.

Эта задача решается посредством изобретения, приведенного в формуле изобретения.

Преимущества изобретения становятся очевидными в результате нижеследующего сравнения параметров растворов Ml (обычный компактный раствор) и М2 (раствор с обычной легкой добавкой в виде гранулята вспученного стекла без электромагнитного экранирующего действия) с параметрами полученных согласно изобретению растворов М3.1, М3.2, М3.3 (покрытый гранулят вспученного стекла) и М4 (гранулят вспученного стекла с заполнителем).

Изобретение более подробно описано ниже на различных примерах выполнения.

Прежде всего приведены 4 примера выполнения для получения покрытого гранулята вспученного стекла по п.1.

Применяемый гранулят вспученного стекла характеризуется пористостью около 82% и плотностью около 430 кг/см³.

Пример 1

Брали по 2,5 л гранулята вспученного стекла с размером зерен 0,25-0,50 мм или 0,5-1,0 мм. Суспензия для покрытия состояла из 1500 г ферритового порошка, 375 г связующего раствора и 1350 г воды. Эту суспензию посредством двойного сопла напыляли на находящийся в псевдоожиженном слое гранулят. Полученный гранулят обрабатывали затем для упрочнения связующего при 200°С в течение 16 ч.

Пример 2

Брали по 2,5 л гранулята вспученного стекла с размером зерен 0,25-0,50 мм или 0,5-1,0 мм. Суспензия для покрытия состояла из 1085 г ферритового порошка, 315 г графита, 375 г связующего раствора и 1300 г воды. Эту суспензию посредством двойного сопла напыляли на находящийся в псевдоожиженном слое гранулят. Полученный гранулят обрабатывали затем для упрочнения связующего при 200°С в течение 16 ч.

Пример 3

Брали по 2 л гранулята вспученного стекла с размером зерен 0,25-0,50 мм или 0,5-1,0 мм на тарелке тарельчатого гранулятора ТР 10 фирмы “Эйрих”. Смесь из 600 г углеродного порошка и 400 г ферритового порошка предварительно смешивали в смесителе MTI и поочередно с поверхностным увлажнением гранулята связующим раствором в количестве приблизительно 600 г наносили на гранулят. Полученный гранулят обрабатывали затем для упрочнения связующего при 200°С в течение 16 ч.

Пример 4

Брали по 2 л гранулята вспученного стекла с размером зерен 0,25-0,50 мм или 0,5-1,0 мм на тарелке. 1000 г углеродного порошка поочередно с поверхностным увлажнением гранулята связующим раствором наносили на гранулят. Полученный гранулят обрабатывали затем для упрочнения связующего при 200°С в течение 16 ч.

Ниже приведены другие примеры 5-7 выполнения для получения гранулята вспученного стекла с заполнителем по п.2.

Эти смеси гранулировали со связующим и порообразователем, высушивали и вспучивали при температуре выше температуры размягчения применяемого стекла.

По сравнению с плотностью засыпки применяемого кварцевого песка 1200-1500 кг/м³ в качестве примеров возникают следующие значения плотности засыпки.

Для проверки эффективности изобретения по п.п.1 и 2 и зависимым пунктам были приготовлены четыре растворные смеси.

M1: раствор с кварцевым песком до 1 мм в качестве плотной добавки (в нижеследующей таблице составов обозначен [1]).

М2: по сравнению с раствором Ml фракция кварцевого песка 0,25-0,50 мм заменена тем же объемом непокрытого гранулята вспученного стекла с той же фракцией зерен (как это охарактеризовано выше) (в нижеследующей таблице составов обозначен [2]).

M3.1: аналогично М2, однако, с покрытым Mn-Zn-ферритом в соответствии с примером 1 гранулятом вспученного стекла (в нижеследующей таблице составов обозначен [3]).

М3.2: аналогично М2, однако, с покрытым Mn-Zn-ферритом, а также углеродом в соответствии с примером 3 гранулятом вспученного стекла (в нижеследующей таблице составов обозначен [4]).

М3.3: аналогично М2, однако, с покрытым углеродом в соответствии с примером 4 гранулятом вспученного стекла (в нижеследующей таблице составов обозначен [5]).

М4: аналогично М2, однако, с покрытым углеродом и ферритом в соответствии с примером 5 гранулятом вспученного стекла (в нижеследующей таблице составов обозначен [6]).

Виды добавок:

[1] кварцевые пески;

[2] вспученное стекло;

[3] покрытое вспученное стекло по примеру 1;

[4] покрытое вспученное стекло по примеру 3;

[5] покрытое вспученное стекло по примеру 4;

[6] вспученное стекло с заполнителем по примеру 5.

Измерения проводились с помощью сетевого анализатора HP 8510 А и коаксиального кабеля 16/100. При этом изображенное экранирующее затухание S складывается из долей поглощения А и отражения R.

Характер кривой результатов измерений растворных смесей приведен на фиг.1 и 2.

Формула изобретения

1. Электромагнитный поглощающий гранулят, преимущественно для частотного диапазона 100 МГц - 10 ГГц, отличающийся тем, что он состоит из высокопористого стеклянного и/или керамического гранулята, который покрыт ферритом и/или электропроводящим материалом.

2. Поглощающий гранулят по п.1, отличающийся тем, что электропроводящий материал представляет собой металл и/или углерод.

3. Поглощающий гранулят по п.1, отличающийся тем, что размер его зерен составляет 0,2-5 мм, а толщина покрытия ферритом и/или материалом с высокой электропроводностью - 10-300 мкм.

4. Поглощающий гранулят по п.3, отличающийся тем, что толщина покрытия ферритом и/или материалом с высокой электропроводностью составляет 100-300 мкм при условии, что толщина покрытия меньше 30% диаметра непокрытого гранулята.

5. Поглощающий гранулят по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что феррит представляет собой Mn-Zn-, Ni-Zn-, Ba- и/или Sr-феррит, замещенный Sc-, Co- или Ti-гексаферрит со структурой граната.

6. Поглощающий гранулят по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он содержит комбинацию из углерода и феррита, преимущественно Ni-Zn- или Ва-феррита, причем количественное отношение углерода к ферриту составляет более 0,225.

7. Электромагнитный поглощающий гранулят, преимущественно для частотного диапазона 100 МГц - 10 ГГц, отличающийся тем, что он состоит из высокопористого стеклянного и/или керамического гранулята, который заполнен ферритом и/или электропроводящим материалом.

8. Поглощающий гранулят по п.7, отличающийся тем, что электропроводящий материал представляет собой металл и/или углерод.

9. Поглощающий гранулят по одному из п.7 или 8, отличающийся тем, что феррит представляет собой Mn-Zn-, Ni-Zn-, Ba- и/или Sr-феррит, замещенный Sc-, Co- или Ti-гексаферрит со структурой граната.

10. Поглощающий гранулят по одному из пп.7-9, отличающийся тем, что он содержит комбинацию из углерода и феррита, преимущественно Ni-Zn- или Ва-феррита, причем количественное отношение углерода к ферриту составляет более 0,225.

11. Способ изготовления покрытого поглощающего гранулята по п.1 или одному из подчиненных ему пунктов, отличающийся тем, что феррит и/или материал с высокой электропроводностью тонко размалывают и вместе со связующим в виде суспензии наносят на стеклянный и/или керамический гранулят.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что суспензию наносят на гранулят способом псевдоожижения, барабанного гранулирования, тарельчатого гранулирования или окунанием.

13. Способ изготовления поглощающего гранулята с заполнителем по п.7 или одному из подчиненных ему пунктов, отличающийся тем, что из стеклянной муки, порообразователя, ферритового и/или электропроводящего порошка с добавлением связующего получают исходный гранулят, высушивают его, в термическом процессе упрочняют и вспучивают.

14. Способ изготовления экранирующих устройств, отличающийся тем, что применяют поглощающий гранулят по одному из пп.1-10.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что поглощающий гранулят наносят с органическим или неорганическим связующим в виде штукатурки на кладку.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что поглощающий гранулят наносят с органическим и/или неорганическим связующим в виде слоя на служащие преимущественно стенами подложки и/или плиты.

17. Способ по п.14, отличающийся тем, что поглощающий гранулят перерабатывают в виде заполнителя в органической и/или неорганической матрице в формованные изделия.

18. Способ по п.14, отличающийся тем, что переработку в формованные изделия преимущественно для поглощающих корпусов осуществляют путем заливки в полую форму.

19. Способ по п.14, отличающийся тем, что переработку преимущественно в поглощающие облицовки осуществляют путем экструзии.

20. Способ по п.14, отличающийся тем, что переработку преимущественно в поглощающие облицовки осуществляют путем прокатки.

21. Способ по п.14, отличающийся тем, что переработку преимущественно в поглощающие облицовки осуществляют путем литья пленок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2