Способ изготовления заграждающих и пропускающих частотно-селективных мембран
Владельцы патента RU 2264008:
Московский инженерно-физический институт (государственный университет) (RU)
Предлагаемое изобретение относится к материалам, которые пропускают или, наоборот, задерживают электромагнитное излучение определенной длины волны λ с шириной полосы Δλ. Технический результат заключается в получении частотно-селективных мембран с любым сложным рисунком, на любой диэлектрической подложке и в любых количествах для исследовательской работы и для промышленного применения. Сущность изобретения заключается в нанесении с заданным рисунком на диэлектрическую подложку низкорезистивной пасты. В качестве низкорезистивной пасты применяют электропроводящий низковязкий стабилизированный состав, состоящий из ультрадисперсных электропроводных порошков со стабильной электропроводностью и средним размером частиц 10-600 нм полимерного связующего, органического растворителя и поверхностно-активного вещества при следующем соотношением компонентов, мас.частей: ультрадисперсный электропроводящий порошок 60-90, полимерные связующие 39-7, органический растворитель 100-400 и поверхностно-активное вещество 1-3. При этом состав наносят на принтере или плоттере по заданной программе, получая необходимый рисунок с толщиной слоя не менее скин-слоя, после чего производят сушку. 2 табл.
Предлагаемое изобретение относится к материалам, которые пропускают или, наоборот, задерживают электромагнитное излучение определенной длины волны λ с шириной полосы Δλ. Подобные материалы в литературе [Ben A.Munk. Frequency selective Surfaces. Theory and Design. John Wiley & Sous, Jnc. 2000] называются заграждающими, либо пропускающими частотно-селективными мембранами (ЧСМ), что зависит от их устройства и назначения. Эти материалы применяются в технике для пропускания определенной частоты или выделения определенной частоты из широкого спектра электромагнитного излучения (селективно-пропускающие мембраны) либо для исключения излучения определенной частоты из широкого спектра электромагнитного излучения (селективно-задерживающие мембраны). Это, например, антенные обтекатели самолетов, защитные кожуха радаров. ЧСМ применяются также для защиты биологических объектов и электронной аппаратуры от воздействия электромагнитного излучения определенной частоты, которая даже в малых дозах опасна для объектов в случае резонансного характера. Например, экраны СВЧ-печек, мониторов, компьютеров и т.д.
Наиболее распространенным способом получения ЧСМ является перфорирование тонких металлических листов с помощью электроискрового или лазерного инструмента или механическим вырубанием [Аплеталин В.Н., Казанцев Ю.Н., Козырьков А.Н., Солосин B.C. Возможность создания сверхширокополосных заграждающих и пропускающих частотно-селективных поверхностей. Труды Х Международной конференции по спиновой электронике и гировекторной электродинамике, секция международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике (микроволновым ферритам), 16-18 ноября 2001 г., Москва (Фирсановка). Publisher UNC-1 MPEJ (TU) 2001, с.319-328]
Недостатком этого способа является невозможность получения тонкого и сложного рисунка, а также неровность края, что приводит к дополнительным погрешностям и рассеянию электромагнитной энергии. Кроме того, мембраны, особенно многослойные, получаются довольно массивными.
Другим способом получения ЧСМ является травление напыленного металлического слоя на диэлектрической подложке, используя фотолитографию [Ben A.Munk. Frequency selective Surfaces. Theory and Design. John Wiley & Sous, Jnc. 2000, с.332]. Недостатком указанного метода является невозможность нанесения слоя металла больше 0,5 мкм, невозможность получения сплошных линий шириной менее 0,5 мм. Технологический процесс является дорогим и длительным.
Еще известен способ [Ben A.Munk. Frequency selective Surfaces. Theory and Design. John Wiley & Sous, Jnc. 2000, с.330], по которому мембраны изготавливают методом сеткографии, нанося электропроводящую пасту на диэлектрическую подложку (прототип). Недостатком данного способа является невозможность получения линий толщиной менее 1 мм, и расстояний между ними менее 1 мм. Соответственно, невозможно получать фигуры диаметром менее 3 мм. Форма для сеткографии выходит из строя уже через 5-10 проходов и ее нужно заново делать, что стоит довольно дорого. После каждой печати форму необходимо тщательно промывать в органических растворителях. Это вредно для здоровья и требует дополнительного времени. Кроме того, т.к. процесс связан с ручным трудом, то для воспроизведения результатов необходимо изготовить много образцов, т.е. процент брака высок. Все это делает этот процесс довольно дорогим, трудоемким, вредным для здоровья работников и не дающим возможности получать сложные и с тонкими линиями рисунки.
Предлагаемое изобретение направлено на получение частотно-селективных мембран с любым сложным рисунком, на любой диэлектрической подложке и в любых количествах для исследовательской работы и для промышленного применения в рулонах. Изобретение позволяет увеличить точность изготовления, получить более сложный рисунок с любой толщиной линии, что повышает вероятность большого пропускания именно данной частоты или наоборот задерживать ненужную частоту с большим процентом. Процесс не связан с ручным трудом.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления частотно-пропускающих или частотно задерживающих мембран, заключающемся в нанесении с заданным рисунком на диэлектрическую подложку низкорезистивной пасты, в качестве низкорезистивной пасты применяют электропроводящий низковязкий стабилизированный состав, состоящий из ультрадисперсных электропроводных порошков со стабильной электропроводностью и средним размером частиц 10-600 нм, полимерного связующего, органического растворителя и поверхностно-активного вещества при следующем соотношением компонентов, мас.частей:
| ультрадисперсный электропроводящий порошок | 60÷90 |
| полимерные связующие | 39÷7 |
| органический растворитель | 100÷400 |
| поверхностно-активное вещество | 1÷3 |
при этом состав наносят на принтере или плоттере по заданной программе, получая необходимый рисунок с толщиной слоя не менее скин-слоя, после чего производят сушку.
Применение ультрадисперсного порошка позволяет получать состав, который хорошо проходит через отверстие принтерной или плоттерной головки, а поверхностно-активное вещество снижает вероятность слипания частиц и их оседания в процессе нанесения рисунка, что в противном случае приводит к забиванию отверстия головки. Полимерное связующее необходимо для закрепления состава на диэлектрической подложке, а органический растворитель необходим, чтобы снизить вязкость состава и дать ему возможность свободно истекать через отверстие головки принтера или плоттера.
Применение принтера или плоттера позволяет получать рисунок, исключив применение сетчатого трафарета и ручного труда, что делает процесс производительным и безвредным. При этом рисунок набирается на компьютере и по команде с него наносится на диэлектрическую подложку. Количество проходов определяется необходимой толщиной слоя δ, что в свою очередь зависит от длины волны электромагнитного излучения, для которой предназначена селективно-пропускающая или селективно-задерживающая мембрана. Минимальное значение толщины слоя равно величине скин-слоя и определяется по формуле [И.Е.Тамм. Основы теории электричества. Изд. Наука, M., 1966 г., с.422]
δ=[c2/(2·π·μ·λ·ω)]1/2,
где с - скорость света,
μ - магнитная проницаемость электропроводящего материала,
λ - коэффициент электропроводности,
ω - циклическая частота электромагнитного излучения.
Пример конкретного выполнения указанного способа.
Ультрадисперсный порошок серебра в количестве 60 г со средним размером частиц 100 нм помещают в бисерную мельницу и заливают 300 г спирта с введенной заранее стеариновой кислотой в количестве 1 г. Состав диспергируют в мельнице 20-30 часов, дают раствору отстояться и сливают верхний слой. Затем добавляют еще 300 г спирта, вновь дают раствору отстояться и сливают верхний слой. После этого вливают 200 г спирта и 10 г поливинилбутираля в стакан бисерной мельницы и диспергируют 5-6 часов. Затем состав сливают из бисерной мельницы и применяют в дальнейшей работе. Полученный состав заливают в пишущую головку принтера или в рапидограф плоттера, по программе набирают нужный рисунок на компьютере, заправляют бумагу или полимерную пленку и наносят рисунок. Для длины волны 3 см минимальная толщина линий составляет 0,6 мкм. Такую толщину с указанным составом получают за 1-2 прохода.
Данные по измерению параметров частотно-селективных мембран, изготовленных по предлагаемому способу и в соответствии с прототипом, представлены в таблице №1. Из таблицы следует, что применение предлагаемого способа позволяет уменьшить ширину линии в 2-3 раза, снизить электросопротивление почти на порядок. При этом минимальный размер элемента (в данном случае кольца) можно снизить в 2-3 раза. Это позволяет получать элементы селективно-частотной мембраны с более мелкими элементами и с большей точностью и расширить диапазон применения таких мембран в коротковолновую область.
Данные измерений для различных рецептур электропроводящего состава приведены в табл.№2.
Из таблицы следует, что применение составов, соотношения в которых выходят за пределы заявленных, приводит либо к ухудшению электропроводности (состав 1, 5) либо к тому, что состав забивает сопло рапидографа, а сама линия осыпается с подложки (состав 4, 6). Составы 2 и 3, в которых соотношения компонентов соответствуют заявленному, удовлетворяют по электросопротивлению и технологическим свойствам. С составом 2 были сделаны частотно-селективные мембраны, свойства которых представлены в табл.№1.
| Таблица №1. Способ изготовления заграждающих и пропускающих частотно-селективных мембран. | |||||
| № образца | Описание образца | Ширина линии, мм | Толщина слоя, мкм | Электросопротивление, ОМ·см | Минимальный диаметр кольца, мм |
| 1. | Частотно-селективная мембрана, полученная методом сеткографии (прототип) | 1.0 | 20.0 | 7·10-3 | 5.0 |
| 2. | Частотно-селективная мембрана, полученная предлагаемым способом | 0.3÷0.5 | 0.5÷1.0 | 5·10-4 | 2.0 |
| Таблица№2. Способ изготовления заграждающих и пропускающих частотно-селективных мембран | |||||||
| № п/п | Кол-во ПАВ, мас.ч. | Кол-во связующего, мас.ч. | | Кол-во растворителя, мас.ч. | Электросопротивление, Ом·см | Длина непрерывной линии, см | Примечание |
| 1 | 3 | 47 |  | 100 | 5·10-2 | Линия непрерывна до полной выработки емкости рапидографа | Связующего больше заявленного, размер частиц в пределах заявленного |
| 2 | 1 | 39 |  | 100 | 7·10-4 | Линия непрерывна до полной выработки емкости рапидографа | Состав соответствует заявленному, размер частиц в пределах заявленного |
| 3 | 3 | 7 |  | 200 | 4·10-4 | Линия непрерывна до полной выработки емкости рапидографа | Состав соответствует заявленному, размер частиц в пределах заявленного |
| 4 | 3 | 3 |  | 200 | 2·10-4 | Не более 5 см, после чего отверстие рапидографа забивается, линии осыпаются с подложки | Связующего меньше заявленного, размер частиц в пределах заявленного |
| 5 | 1 | 39 |  | 200 | 5·10-2 | Линия непрерывна до полной выработки емкости рапидографа | Состав соответствует заявленному, размер частиц меньше заявленного |
| 6 | 1 | 39 |  | 200 | 7·10-4 | Не более 5 см, после чего отверстие рапидографа забивается, линии осыпаются с подложки | Состав соответствует заявленному, размер частиц больше заявленного |
Способ изготовления заграждающих или пропускающих частотно-селективных мембран, заключающийся в нанесении с заданным рисунком на диэлектрическую подложку низкорезистивной пасты, отличающийся тем, что в качестве низкорезистивной пасты применяют электропроводящий низковязкий стабилизированный состав, состоящий из ультрадисперсных электропроводных порошков со стабильной электропроводностью и средним размером частиц 10,0-600,0 нм, полимерного связующего, органического растворителя и поверхностно-активного вещества при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
| Ультрадисперсный электропроводящий порошок | 60-90, |
| Полимерное связующее | 39-7, |
| Поверхностно-активное вещество | 1-3, |
| Органический растворитель | 100-400 |
при этом состав наносят с помощью принтера или плоттера по заданной программе, получая необходимый рисунок с толщиной не менее скин-слоя, после чего производят сушку.
