Пористые материалы с внедренными наночастицами, способы их изготовления и применения

Изобретение имеет отношение к пористым магнитным материалам, способу их изготовления, объемному поглотителю РЧ-излучения и трехмерному композиционному материалу. Пористый магнитный материал содержит: а) полимерную основу на основе вспененных полимеров, имеющую пористую структуру, и б) внедренные в материал основы наночастицы магнитного или диэлектрического материала, выбранного из группы, включающей ферриты вида MFe₂O₄ (где М=Мn, Ni, Cu), Ni-Zn ферриты, гексаферрит бария, железоникелевые сплавы, сплавы Sm-Fe, магнитотвердые составы Nd-Fe-B и Sm-Co или их сочетания, размером от 1 нанометра до 100 микрон в количестве от 0,2 до 15 мас.%. Указанные наночастицы ориентированы с формированием в полимерной основе непрерывных линий проводимости, образующих трехмерную волноводную структуру, обладающую по меньшей мере одним характеристическим размером, выбранным из длины и ширины указанной линии, пропорциональным длине волны или диапазону длин волн указанного поглощаемого, рассеиваемого или концентрируемого электромагнитного излучения. Технический результат - получение материала для изготовления антенн, линз, поглотителей или концентраторов, обладающий способностью к поглощению, рассеиванию или концентрированию электромагнитного излучения. 4 н. и 17 з.п. ф-лы.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к пористым структурам с внедренными наночастицами, способам формирования указанных структур и их применению. В самом общем виде изобретение относится к пористым полимерным материалам с внедренными наночастицами, обладающими свойствами, например магнитными свойствами, позволяющими ориентировать или располагать наночастицы в материале заданным образом под действием, например, силовых линий магнитного поля. Способ согласно настоящему изобретению позволяет соответственно варьировать магнитные или электромагнитные свойства полученных изделий в зависимости от из назначения, так, чтобы их можно было использовать в качестве поглотителей электромагнитных волн, волновых линз, концентраторов и т.п.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Возросшее разнообразие и сложность устройств, применяемых в телекоммуникационной промышленности, привело к необходимости создания способных взаимодействовать с электромагнитными волнами устройств, таких как антенны, линзы, поглотители, концентраторы, низкой плотности. Эта необходимость является особенно острой для низкочастотного диапазона электромагнитного спектра, такого как радиочастоты, и для широкого диапазона других частот, обычно в рамках от 100 КГц до 100 ГГц.

По этой причине было бы желательно разработать материал, который в процессе изготовления можно было бы оптимизировать для конкретного применения и частоты волн, например для низкой частоты, пригодной для радиопередач. Хотя такие широкополосные поглотители и антенны производят в настоящее время, они обычно достаточно громоздкие, тяжелые и в целом непригодны для эксплуатации в таких ситуациях, когда малые габариты и легкий вес имеют первостепенную важность. К тому же, даже если поглотители удовлетворяют требованиям как малых габаритов, так и низкого веса, часто оказывается, что конструкция поглотителя настолько сложна, что делает его производство экономически не целесообразным.

Известны объемные поглотители излучения, содержащие диэлектрические или магнитные частицы, распределенные с некоторым градиентом концентрации в объеме поглотителя. Концентрация частиц выбрана таким образом, чтобы происходило поглощение излучения заданной длины волны.

В патенте US 6,406,783A, 18.06.02, McDonnell Douglas Helicopter, Co, описан объемный поглотитель излучения, с модифицированными диэлектрическими или магнитными свойствами, в частности с заданным градиентом концентрации. Концентрации частиц выбраны таким образом, чтобы обеспечить поглощение заданных длин волн. Объемный поглотитель содержит частицы, распределенные в матрице с непрерывным градиентом концентрации. Частицы изменяют диэлектрические или магнитные свойства матрицы. Частицы могут представлять собой углеродное волокно, полые микросферы с покрытием, углеродную сажу, углеродные усы или их комбинацию. Матрица может состоять из пеноматериалов или керамических материалов. Пеноматериалы могут представлять собой синтактическую или газонаполненную пену и могут быть термопластичными или термореактивными.

Другая область, представляющая практический интерес для потенциального применения материалов с внедренными наночастицами, включает линзы, антенны и концентраторы.

В патенте US 6,788,273; 07.09.2004, Raytheon Company описан компенсированный обтекатель антенны, содержащий внутренний слой с отрицательным показателем преломления материала, часто называемого «метаматериал», и наружный слой с положительным показателем преломления материала. Толщину двух материалов и их относительные показатели преломления регулируют так, чтобы луч света, проходящий сквозь обтекатель, практически не преломлялся.

В патенте US 6,229,500, 08.05.01, Alcatel описана многослойная фокусирующая сферическая линза, выполненная с возможностью установки на приемно-передающем устройстве терминала удаленной приемопередающей системы и обладающая фокусной сферой с центром в центре линзы, причем линза содержит центральный слой и внешний слой, обладающие различными диэлектрическими постоянными, а значение каждой диэлектрической постоянной задано таким образом, чтобы линза фокусировала параллельные микроволновые лучи в направлении фокусной сферы с центром в центре линзы. В патенте US 6,249,261, 19.06.01, Southwest Research Institute описана антенна пеленгатора, изготовленная из полимерных электропроводных композитных материалов, заменяющих традиционные металлические материалы. Несмотря на значительно меньшую отражательную способность цели, антенное устройство имеет пеленгаторные характеристики, которые практически эквивалентны традиционным металлическим антеннам.

В патенте US 6,271,793, 07.08.01, International Business Machines Corporation описана РЧ-антенна, изготовленная из композитного материала, содержащего электропроводные частицы с плотностью, которая достаточно велика, чтобы антенна обладала способностью к приему РЧ-сигналов.

Ранее известные объемные поглотители, линзы и концентраторы с прерывистым градиентом изменения диэлектрических или магнитных свойств обладают многочисленными недостатками. Ступенчатое изменение градиента диэлектрических или магнитных свойств вызывают отклонения или отражения волн, которые должны быть сфокусированы или, наоборот, поглощены. Кроме того, наличие связующего также может служить причиной возможного отклонения или отражения волн.

Известны современные способы производства композитных легковесных материалов, пригодных в качестве волноводов, линз или волновых поглотителей.

Например, в заявке JP 2004182545; 02.07.2004, FDC Corporation описан способ производства пористого феррита, в котором проводят обжиг без разрушения или растрескивания, и пустоты образуются должным образом в спеченном брикете, при этом получают поглотитель радиоволн, обладающий такими характеристиками поглощения радиоволн, что он способен работать с высокими частотами и широким диапазоном частот благодаря пористости и обладает отличной механической прочностью и атмосферостойкостью. Способ производства пористого феррита осуществляют при помощи дозирования ферритового порошка основного материала, предварительного обжига при заранее заданной температуре, распыления предварительно обожженного вещества и гранулирования, смешивания с мелкодисперсными частицами органического материала и термопластическим порошком с низкой температурой плавления, служащим связующим веществом для предварительно обожженного ферритного порошка, формования и обжига, чтобы удалить дополнительные компоненты и получить пористый спеченный брикет. Органический дисперсный материал (крахмал) и термопластический порошок (мелкодисперсный парафин) добавляют в количестве 0-30 вес.% от общего количества и увеличивают соотношение органического дисперсного материала в смеси в диапазоне соотношений от 0 до 5 вес.% с увеличением количества термопластического порошка. При толщине образца (а) 0,8 см затухание отражения на частоте примерно 100-750 MHz составляют ≥20 дБ на всем протяжении ОВЧ-УВЧ-диапазона.

В качестве мелкозернистых ферритных частиц можно использовать магнитные мелкозернистые частицы, такие как система NiZn, система MgZn и система MnZn.

В заявке US 2006/0257090; 16.11.2006 Viktor A. Podolsky и Evgueni E. Narimanov описывают структуру волновода, содержащую первый и второй элементы границы волновода, имеющие в основном плоские поверхности, и материал сердцевины между ними, обладающий положительной диэлектрической постоянной в одной плоскости отрицательной диэлектрической постоянной в перпендикулярной плоскости, причем волноводная структура обладает отрицательным показателем преломления для электромагнитного излучения в диапазоне частот, таком как от 1 ГГц до 1 млн ГГц или в диапазоне длин волн от около 1×10^-7 до 1×10^-1 м. Материал сердцевины может содержать включения, обладающие отрицательной диэлектрической постоянной, внедренные в материал-носитель, обладающий положительной диэлектрической постоянной. Включения могут быть распределены в среде носителя в основном однородно. Кроме вышеописанных вариантов реализации с нанопроволокой, внедренной в диэлектрический носитель, можно использовать другие композиты, содержащие включения, внедренные в материал-носитель, для получения выбранных «леворуких» оптических характеристик. Например, случайным образом распределенные включения (например, наночастицы) с отрицательной диэлектрической постоянной, имеющие различную форму, можно внедрить в прозрачный диэлектрический носитель, обладающий положительной диэлектрической постоянной. Отрицательную величину е в указанных вариантах реализации можно получить как в оптическом, так и в инфракрасном диапазонах при использовании плазменных (например, Ag, Au и тому подобное) или полярных (например, SiC и тому подобное) материалов для формирования включений.

В заявке US 2002/0049276, 25.04.2002 Paul D. Zwick описывает композицию на основе термопластического эластомерного геля и способ ее изготовления. Композиция на основе термопластического эластомерного геля может содержать различные магнитные компоненты. Такие компоненты могут представлять собой ферритные комплексы, которые, будучи заряжены или возбуждены в сильных магнитных полях, становятся магнитными или диполярными и таким образом сами могут служить источником магнитного поля. Ферриты стронция и бария представляют собой наиболее широко применяемые в промышленности ферриты. Введение магнитных компонентов требует использования дополнительных стадий производства. В частности, для формования или экструзии геля, содержащего магнитные компоненты, необходимо использование высокомощного магнитного поля. При этом отсутствуют указания и описание того, как можно осуществить указанное ориентирование.

Поэтому существует потребность в создании легкого, компактного материала, обладающего свойствами, которые можно модифицировать в процессе изготовления в зависимости от конкретной области применения в конкретном диапазоне волн.

Кроме того, существует потребность в получении такого материала, который бы позволил минимизировать искажения формы сигнала, обусловленные прерывистыми градиентами диэлектрических или магнитных свойств.

С учетом вышеизложенного задачей настоящего изобретения является создание поглотителя электромагнитного излучения, обладающего одновременно малым объемом и низкой плотностью.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание поглотителя электромагнитного излучения, пригодного для рассеивания электромагнитного излучения заданного диапазона волн.

Еще одной задачей настоящего изобретения является получение поглотителя электромагнитного излучения, обладающего достаточной эластичностью, который, при желании, можно в процессе изготовления формировать вокруг некоего объекта, чтобы он приобрел форму указанного объекта.

Еще одной задачей настоящего изобретения является получение поглотителя электромагнитного излучения, который можно отливать или другим образом придавать ему практически любую заранее заданную геометрическую форму.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание поглотитель электромагнитного излучения, который применим на относительно большом участке спектра электромагнитного излучения, который имеет упрощенную конструкцию, легкую в изготовлении и экономически целесообразную.

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение простого способа производства поглотителя электромагнитного излучения, который удовлетворяет вышеизложенным общим задачам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

А. Пористый магнитный материал

Для решения поставленных задач согласно настоящему изобретению предложен материал, содержащий пористую основу и частицы, распределенные в основе с заданным градиентом концентрации или с образованием трехмерной структуры, параметры и форма которой также могут быть заданы или модифицированы в процессе получения путем воздействия магнитного или электромагнитного излучения. Частицы обладают определенными электрическими и магнитными характеристиками и, таким образом, путем внедрения таких частиц в материал можно изменять соответствующие характеристики полученного композиционного материала. Частицы могут представлять собой магнитные порошки с размером частиц от 1 нм до 10 микрон, содержащие Fe, Co, Ni, Cr, редкоземельные и другие металлы, различные ферриты, такие как ферриты вида MFe₂O₄ (где М=Mn, Ni, Cu), Ni-Zn ферриты, гексаферрит бария, другие ферриты, железо-никелевые сплавы, железо-кобальтовые сплавы, сплавы на основе редкоземельных металлов Nd-Fe-B, Sm-Co; Fe-B-Co-R (где R представляет собой редкоземельный элемент), или их сочетания.

Согласно одному аспекту изобретения предложено изделие, содержащее полимерную основу, имеющую пористую структуру, и внедренные в материал основы частицы магнитного или диэлектрического материала размером от 1 нанометра до 100 микрон, причем указанные частицы ориентированы посредством магнитного, электрического или электромагнитного излучения с образованием заданной объемной структуры, имеющей по меньшей мере один характеристический размер, который пропорционален длине волны или диапазону длин волн указанного магнитного, электрического или электромагнитного излучения.

Предпочтительно наночастицы внедрены в материал основы таким образом, что они в основном располагаются на поверхности стенок пор. Наночастицы также могут быть распределены внутри полимерной основы с заданным градиентом концентрации.

Согласно изобретению частицы могут быть ориентированы с образованием заданной структуры, форма которой определяется геометрией электрического, магнитного или электромагнитного поля, воздействию которого материал подвергается в процессе изготовления.

Предпочтительно размер частиц составляет от 3 до 27 нм. Предпочтительно, частицы представляют собой частицы с магнитокалорическим эффектом.

Магнитокалорический эффект (МКЭ) заключается в изменении температуры магнита или магнитного материала при его намагничивании или размагничивании во внешнем магнитном поле в адиабатических условиях (т.е. в условиях отсутствия теплового обмена с окружающей средой). Магнитокалорический эффект возникает в результате перераспределения внутренней энергии магнитного вещества между системой магнитных моментов его атомов и кристаллической решеткой. Максимальной величины МКЭ достигает при температурах магнитного фазового перехода, например, в области температуры Кюри ферромагнетиков. Приложение магнитного поля вызывает нагрев ферромагнетика, а снятие поля - его охлаждение. Адиабатичность процесса на практике достигается быстрым изменением магнитного поля. Среди магнитных веществ наиболее перспективными на сегодня можно выделить металл гадолиний и интерметаллическое соединение силицид-германид кремния Gd₅Ge₂Si₂. Магнитокалорический эффект в гадолинии составляет около 3 градусов при изменении магнитного поля 1 тесла.

В одном варианте реализации наночастицы могут быть получены из магнитного материала, выбранного из группы, включающей железо, кобальт, никель, хром, диспрозий, гадолиний или их сочетания.

В другом варианте реализации магнитный материал может быть выбран из группы, включающей редкоземельные и другие металлы, ферриты, такие как ферриты вида MFe₂O₄ (где М=Mn, Ni, Cu), Ni-Zn ферриты, гексаферрит бария, железо-никелевые сплавы или их сочетания.

Магнитный материал может также представлять собой металл переходной группы, выбранный из Ti, Sc, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Pd, Ag, Cd, Hf, Та, W, Re, Os, Ir, Pr, U и Hg.

В другом варианте реализации материал может представлять собой диэлектрический материал, выбранный из группы, включающей Al, Sn, Ga, Ge, In, Pb, Sb, As, Ga, Bi, Mg, Ba, Ca, Sr и Be.

Согласно изобретению могут быть использованы наночастицы в виде нановолокон, наносфер, наноэллипсов, нанопроволоки и другие формы.

Пористая основа может представлять собой пенообразные полимерные материалы или керамические материалы. Пенообразный материал может представлять собой синтактическую или газонаполненную пену и может быть термопластическим или термореактивным. Частицы, внедренные в пористую основу, образуют структуру под воздействием электромагнитного поля такой геометрии и мощности, чтобы обеспечить определенные свойства для пропускания или поглощения волн. Процесс согласно изобретению дает возможность контролировать размер пор, так что процесс изготовления пены можно модифицировать в зависимости от конкретной области применения.

Обычные пены, получаемые обычными способами образования пен, имеют пустоты или поры в рамках от 50 до 100 микрон в диаметре. По некоторым определениям микропористыми являются пены, которые содержат поры менее 50 микрон в диаметре. Согласно настоящему изобретению оба типа материалов, называемых микропористыми пенами и обычными пенами, содержащие пустоты или поры различной формы, пригодны для различных применений, как описано в изобретении. Особенно предпочтительными являются такие пены, которые содержат поры или пустоты с размерами от примерно 1 до примерно 400 микрон, наиболее предпочтительными - от примерно 5 до примерно 200 микрон.

Пены согласно изобретению могут быть изготовлены из подходящих органических полимерных материалов, включая термопластические полимеры, такие как полиамиды, полиэфиры и полиолефины. Другие подходящие полимеры включают поли(диоксанон), полигликолевую кислоту, полимолочную кислоту, полиалкиленоксалаты и их сополимеры.

Указанная пористая основа может также представлять собой пеноматериал, полученный из полимера, выбранного из группы, включающей полиолефины, полидиены, сложные полиэфиры, полиамиды, виниловые полимеры, иономеры, акриловые полимеры, полиакрилаты, полисульфонаты, полифениленоксид, полиацетали, силиконы, термопластичные полиуретаны, термопластичные полиимиды, поликетоны, фенольные полимеры, меламиновые смолы, эпоксидные смолы, ненасыщенные сложные полиэфиры, термореактивные полиуретаны и их сополимеры и галогенсодержащие производные, пенопласты-пенополиуретаны, пенопоместиролы, пенополивинилхлорид, пенополиолефины, пенофенопласты, кремнийорганические пенопласты и другие, полученные по известным традиционным технологиям с использованием различных стандартных целевых добавок (катализаторов, пластификаторов) и пенообразователей (физических или химических пенообразователей).

Примерами таких пенопластов являются: например, вспенивающийся полистирол (ПСВ); пенополиуретаны марок ППУ-210, ППУ-205-5, полученных на основе простых полиэфиров (лакролов) и полиизоциантов, ППУ-Э на основе сложных полиэфиров, пенополивинилхлоридные пенопласты (ППВХ), например, марок ПВХ-1, винипор; пенополиэтилены ППЭ-2, ППЭ-3, эпоксидно-новолачные пенопласты ПЭН-И и другие. Такие пенопласты широко описаны и являются известными (см., например, "Пенопласты, их свойства и применение в промышленности". Л., 1980, материалы семинара, с.6-70; "Вспененные пластические массы". М., ВНИИСС, 1983, Сборник трудов, с.4-80; А.А.Берлин и др. "Химия и технология газонаполненных высокополимеров". М.: Наука, 1980, с.241-457; "Энциклопедия полимеров", т.3. SU 910676, 07.03.82; SU 1735323, 23.05.92; SU 68062, 15.04.46; SU 618050, 30.10.75; SU 459482, 05.02.75 и др.).

В качестве пенообразователей для получения твердых и жидких магнитных пен используют различные физические газообразователи - CO₂, NH₃, фреоны и другие различные летучие жидкости, алифатические и галогенированные углеводороды, низкокипящие спирты, простые эфиры, кетоны; химические вспенивающие агенты - это вещества, выделяющие газообразные продукты в результате обратимого термического или необратимого термического разложения (аммонийные соли минеральных и органических кислот, гидрокарбонаты и карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов, ароматические, жирноароматические и алифатические азо- и диазосоединения, диазомиды и другие, выделяющие N₂, CO₂, NH₃ другие газы, например азодиизобутиронитрил (ЧХ3-57), азодикарбонамид (марки ЧХ3-21) и др. в зависимости от назначения магнитной пены. Пенообразователями могут служить и используемые в качестве стабилизаторов наночастиц поверхностно-активные вещества.

Способы получения пористых магнитных материалов согласно изобретению

Далее задачи изобретения могут быть решены посредством способа изготовления пористой структуры низкой плотности с внедренными наночастицами, включающего следующие стадии:

- получение исходного материала для пористой легковесной структуры,

- получение наночастиц магнитного материала,

- соединение исходного материала пористой структуры и микрочастичного магнитного материала в условиях, позволяющих образовать дисперсию указанного наночастичного материала в указанном исходном материале пористой структуры;

- помещение полученной дисперсии наночастиц в полимерной массе в форму с образованием заготовки;

- воздействие на дисперсию электромагнитным полем, чтобы обеспечить образование наночастичным материалом, распределенным в пористой структуре, трехмерной структуры, проявляющей выбранные электрические, магнитные или электромагнитные параметры;

- воздействие на структуру, образованную таким образом, условий, которые обеспечивают отверждение пористой структуры с внедренной в нее трехмерной наночастичной структурой.

В процессе воздействия электромагнитного поля на дисперсию наночастиц в полимерной массе наночастицы образуют непрерывные проводящие линии определенной геометрической формы внутри указанной пористой структуры.

В одном варианте реализации представлен способ формирования пористых структур с внедренными наночастицами, включающий следующие стадии:

получение исходного материала, содержащего полимерный или керамический исходный материал и магнитные наночастицы, причем наночастицы обладают основной характеристикой, такой как магнитная, позволяющей ориентировать или располагать в определенном порядке наночастицы в материале под воздействием, например, магнитного поля;

приготовление формуемой смеси полимерного или керамического исходного материала с магнитными наночастицами, причем смесь обладает определенным временем жизни, чтобы обеспечить ориентирование указанных наночастиц с формированием из них линий проводимости;

воздействие на смесь электрического, магнитного или электромагнитного поля, таким образом, чтобы ориентировать частицы заранее заданным образом, при одновременном осуществлении процесса порообразования, так чтобы обеспечить по меньшей мере частичное параллельное протекание указанных двух процессов; и

вулканизацию или отверждение полимерного или керамического исходного материала.

В результате происходят закрепление формы пористого материала с внедренными в него наночастицами и окончательное формирование линий электропроводности, обладающих требуемой электрической и/или электромагнитной проводимостью.

В зависимости от выбранного полимера и размера и распределения пор или пустот в пене пены могут различаться по своим механическим свойствам от гибких и полугибких до жестких. Таким образом, согласно изобретению можно создавать пористые изделия с различными свойствами для конкретных областей применения путем соответствующего выбора полимера и размера пор или пустот в зависимости от планируемого применения конструкции из пены.

Например, для получения пеноматериала согласно изобретению можно использовать способ, описанный в патенте США №5,677,355, с использованием летучего вещества. Указанные в патенте летучие вещества представляют собой твердые кристаллические композиции, которые имеют молекулярный вес ниже, чем примерно 300 дальтон и которые способны образовывать однородный раствор в расплавленном полимере. Дисперсный магнитный наполнитель может быть смешан с полимером в форме расплава перед добавлением летучего вещества, вместе с ним или после того, как летучее вещество добавлено в смесь.

После охлаждения полученного однородного раствора «полимер-магнитный наполнитель-летучее соединение» летучее соединение отделяют от полимера путем кристаллизации или образования межмакромолекулярных объектов. Это можно осуществить с помощью микрофазного разделения, вызванного кристаллизацией (CIMS). Указанные кристаллы или объекты затем удаляют из отвержденного полимера с образованием пустот или пор в тех местах, которые они занимали ранее. Поскольку магнитные частицы остаются внедренными в поры, они образуют магнитные структуры, имеющие характерный размер, соответствующий размеру пустот. Предпочтительными летучими соединениями являются такие твердые вещества, кристаллические композиции которых плавятся при температуре выше примерно 25°С, и такие кристаллические твердые композиции, которые возгоняются при температуре выше, чем примерно 25°С, и которые также могут быть экстрагированы растворителями. Примеры подходящих летучих соединений включают салициловую кислоту, нафталин, фенантрен, антрацен и тетраметиленсульфон.

Магнитное или электромагнитное поле может быть приложено либо к уже готовой пористой заготовке в процессе внесения в нее частиц магнитного вещества, в какой-нибудь подходящей текучей среде, либо к исходной смеси, содержащей как полимер, так и частицы, в процессе формирования из нее изделия, в частности, одновременно с отверждением изделия, сформированного из исходной смеси. В этом состоит отличие способа согласно изобретению от способов получения ориентированных полимерных композиций, к которым прикладывают магнитное поле в процессе их формования, например экструзии. В то время как известные способы направлены на то, чтобы добиться ориентации полимерных волокон, в данном способе нет необходимости использовать поляризующиеся полимеры, поскольку задача заключается в достижении требуемой ориентации магнитных наночастиц, которые имеют размер, значительно меньший размера макромолекул полимера, и, следовательно, способны к транспорту и ориентации под действием значительно меньших силовых полей. Оптимальный способ применения магнитного поля зависит от используемой композиции. Термотропные композиции, обладающие способностью сохранять свою молекулярную структуру в течение более длительного периода времени, чем изотропные расплавы, дают большую свободу действий. В общем случае необходимо для композиции, содержащей нетермотропный полимер, прикладывать поле на той части процесса, во время которой начинает протекать процесс отверждения. Оптимальная часть процесса, на которой следует применять магнитное поле, может быть легко определена экспериментально.

Согласно изобретению магнитное поле создают путем размещения источника электромагнитного излучения в непосредственной близости от исходного материала или помещая источник магнитного поля внутрь пористой магнитной структуры, изготавливаемой таким образом.

Согласно одному варианту реализации изобретения смесь указанного исходного материала для пористой структуры с наночастицами подвергают воздействию импульсного магнитного поля, имеющего напряженность примерно от 10 эрстед до 10 тесла.

Согласно другому варианту реализации изобретения смесь указанного исходного материала для пористой структуры с наночастицами подвергают воздействию статического магнитного поля, имеющего напряженность примерно от 10 эрстед до 2,5 тесла.

Например, чтобы получить отражатель антенны, сердечник антенны в виде электромагнитного устройства помещают в исходный материал, затем полученную структуру вулканизируют или отверждают при одновременном воздействии электромагнитного поля. При этом возможен синергический эффект за счет воздействия электромагнитного поля, которое способствует вулканизации и отверждению полимерных композиций. На этой стадии электромагнитное устройство можно использовать для создания электромагнитного поля выбранной геометрии, чтобы ориентировать наночастицы так, чтобы образовать непрерывные линии проводимости выбранной длины и ширины. После того, как форма материала зафиксирована, устройство с электромагнитным сердечником можно применять как сердечник антенны.

Одно и то же устройство-сердечник можно использовать много раз; например, если требуется получить новый отражатель антенны с другой геометрией, имеющийся на сердечнике отражатель из пористого полимера можно удалить любым доступным способом, например растворением в растворителе, сжиганием, замораживанием, чтобы вызвать разрушение полимера, и далее сердечник можно использовать вновь, чтобы изготовить новый отражатель для антенны, имеющей другую форму.

Согласно еще одному аспекту изобретения предложен способ получения пористых структур с внедренными наночастицами, включающий следующие стадии:

приготовление исходного пористого материала, содержащего полимерный или керамический пористый материал;

приготовление магнитных наночастиц, диспергированных в среде носителя, такого как суспензия, раствор, коллоид, аэрозоль, гидрогель, такой как феррогель, и тому подобное, причем наночастицы обладают основной характеристикой, такой как магнитная;

взаимодействие исходного пористого материала с вышеописанными наночастицами, диспергированными в среде носителя;

воздействие на смесь электрическим, магнитным или электромагнитным излучением, с тем чтобы вызвать перемещение частиц в поры исходного пористого материала, причем частицы под действием излучения располагаются вдоль силовых линий магнитного поля с образованием линий волновой проводимости, характеризующихся по меньшей мере одним параметром, пропорциональным длине волны воздействующего электромагнитного излучения;

нагревание, высушивание, высушивание замораживанием или другое закрепление наночастиц, распределенных в системе пор пористого материала, так чтобы линии проводимости, образованные в пористом материале, получили выбранную электрическую и/или электромагнитную проводимость.

Материал согласно изобретению можно получить не только так, как описано выше, то есть путем введения магнитного дисперсного наполнителя в виде наноструктур в процессе изготовления пористой полимерной основы, например в процессе сшивки полимера и его вспенивания, но также когда наночастицы магнитного наполнителя образуют непосредственно в готовой полимерной основе.

Таким образом, согласно еще одному аспекту изобретения предложен способ изготовления пористых структур с внедренными наночастицами, включающий следующие стадии:

приготовление исходного материала, состоящего из полимерного или керамического исходного материала и исходного материала магнитных наночастиц, имеющего основную характеристику, такую как магнитная, дающую возможность ориентировать или располагать в определенном порядке наночастицы в исходном материале под действием, например, магнитного поля;

получение формуемой смеси полимерного или керамического исходного материала и магнитных наночастиц, причем указанная смесь обладает определенным временем жизни, чтобы сделать возможным ориентирование указанных наночастиц таким образом, чтобы можно было получить линии проводимости, образованные из указанных наночастиц;

воздействие на смесь электрического, магнитного или электромагнитного поля, так чтобы ориентировать и перераспределить частицы заранее заданным образом;

воздействие на смесь любой стандартной процедуры для превращения исходных магнитных частиц в магнитные наночастицы, и

нагревание полимерного или керамического исходного материала, чтобы сформировать пористую структуру с внедренными в нее наночастицами, посредством чего образуют линии проводимости, обладающие требуемой электрической и/или магнитной проводимостью.

Любые другие процессы производства пространственно-стабильных композитных материалов, содержащих магнитные частицы, внедренные в пористую основу органического полимерного материала, можно использовать в качестве промежуточных стадий в способе согласно настоящему изобретению, как, например в US 4,211,664, RU 2226012, RU 2239250, RU 2241537, описания которых включены в настоящее изобретение согласно ссылке во всей их полноте.

Примеры получения изделий из пористого магнитного материала согласно изобретению

Согласно изобретению предложены изделия из пористого материала с внедренными наночастицами, полученного вышеописанным способом, которые можно использовать для различных областей применения, включая РЧ-применения, низкочастотные применения и так далее.

А. Пример реализации изделия согласно изобретению в форме РЧ-линзы

В одном примере реализации представлена радиочастотная линза, изготовленная из пористого материала основы с внедренными наночастицами. Согласно изобретению, РЧ-линза состоит из пористой основы, изготовленной из трехмерной синтактической полимерной пены с внедренными наночастицами, распределенными в пористой основе таким образом, чтобы обеспечить формирование непрерывных линий проводимости, обладающих заранее заданными длиной и шириной.

Наночастицы могут представлять собой магнитные порошки с размером частиц от 1 нм до 10 микрон, содержащие Fe, Co, Ni, Cr, редкоземельные и другие металлы, различные ферриты, такие как ферриты вида MFe₂O₄ (где М=Mn, Ni, Cu), Ni-Zn ферриты, гексаферрит бария, другие ферриты, железо-никелевые сплавы, железо-кобальтовые сплавы, сплавы на основе редкоземельных металлов Nd-Fe-B, Sm-Co; Fe-B-Co-R (где R представляет собой редкоземельный элемент) или их комбинацию. Пористая основа может состоять из полимерных пеноматериалов или керамических материалов. Пеноматериалы могут представлять собой синтактическую или газонаполненную пену, и могут быть термопластическими или термореактивными. Частицы, внедренные в пористую основу, образуют структуру под воздействием электромагнитного поля определенной геометрии и мощности, таким образом, чтобы обеспечить определенные свойства пропускания или поглощения волн.

Б. Пример реализации изделия согласно изобретению в форме волнового поглотителя

Согласно другому варианту реализации изобретения представлен объемный поглотитель, состоящий из пористой полимерной основы и частиц, диспергированных в основе с непрерывным градиентом концентрации. Частицы представляют собой магнитные порошки с размером частиц от 1 нм до 100 микрон в форме сфер, шариков, других наноструктур, таких как нанопроволока, содержащих Fe, Со, Ni, Cr, редкоземельные и другие металлы, различные ферриты, такие как ферриты вида MFe₂O₄ (где М=Mn, Ni, Си), Ni-Zn ферриты, или их комбинацию с углеродом, графитом, углеволокном, полыми микросферами с покрытием, углеродной сажей, углеродными усами или их комбинацией. Поглотитель формируют, помещая объект, такой как источник излучения или магнитного поля, в форму, оставляя зазор между объектом и стенками формы и заливая или выпуская в указанное пространство исходный материал, такой как исходный полимерный материал в смеси с дисперсными наноструктурами. На следующей стадии форму подвергают воздействию электромагнитного или магнитного излучения заранее заданной геометрии, чтобы ориентировать наночастицы с образованием заданной трехмерной структуры внутри полимерного корпуса или для равномерного распределения наночастиц с непрерывным градиентом концентрации в пористой основе. После отверждения полимерная основа будет иметь макроструктуру заранее заданной геометрии, образованную внедренными наноструктурами. Пеноматериал может представлять собой сшитые полиолефины (полиэтилен, полипропилен) с различной степенью сшивки вплоть до 80%.

В частности, согласно изобретнию получен объемный поглотитель РЧ-излучения, который представляет собой трехмерную структуру, образованную из сшитых пенообразных полиолефинов (полиэтилен, полипропилен) со степенью сшивки до 80%, на основе высокомолекулярных и ультравысокомолекулярных полиолефинов, и множества частиц, способных к изменению свойств под действием диэлектрического или магнитного полей, которые диспергированы в основном с непрерывной концентрацией в указанной трехмерной структуре. Градиент проходит по меньшей мере вдоль одного измерения трехмерной структуры (в одном предпочтительном варианте реализации структура представляет собой тело с прямоугольными гранями, при этом имеется градиент концентрации наночастиц по толщине, а также возможно по высоте или ширине указанной структуры), так что по меньшей мере вдоль одного измерения концентрация частиц изменяется в основном с непрерывным градиентом. Непрерывный градиент концентрации частиц обеспечивает соответственно непрерывный градиент изменения свойств полученной структуры по меньшей мере в одном измерении.

Особенно важным преимуществом настоящего изобретения является то, что процесс изготовления трехмерной структуры делает возможным его изготовление (а) в виде единого целого, (б) из одной смеси исходных материалов, включая исходный материал и частицы, что означает, в отличие от прототипа, что его не нужно изготавливать как многослойное изделие, состоящее из множества слоев, спрессованных между собой со связующими слоями, причем каждый слой нужно было изготавливать из отдельной исходной смеси различного состава, чтобы затем процесс спрессовывания их вместе привел к постепенному изменению концентрации частиц. В соответствии с настоящим способом градиент концентрации обеспечивают при помощи воздействия на полутвердую вязкую исходную смесь магнитного или электромагнитного поля заранее заданной геометрии, чтобы сформировать выбранный градиент распределения частиц и, таким образом, выбранный градиент электромагнитных и других свойств.

Другими словами, настоящее изобретение решает проблему изготовления объемного поглотителя, обладающего непрерывным градиентом концентрации частиц в одном или более измерении объемного поглотителя, так что больше не нужно производить множество слоев или смешивать отдельные потоки полимерных исходных материалов, каждый из которых имеет различную концентрацию частиц, а затем соединять их между собой для достижения непрерывного градиента концентрации частиц.

В. Оборудование для изготовления пористого магнитного материала согласно изобретению

Согласно изобретению можно использовать любое стандартное оборудование для изготовления объемного поглотителя, например любой подходящий смеситель, оборудованный датчиками температуры, регулятором скорости мешалки, а также средства формования, например, пресс-форма или другие подходящие средства формования, снабженные источником электромагнитного излучения.

В смесителе получают смесь исходного полимерного материала и магнитных наночастиц, которые подают при помощи питающих устройств, таких как вибрационные питатели. Контролирующее устройство изменяет расход частиц и исходного полимера. Контролирующее устройство может представлять собой любое подходящее устройство или контролирующую систему для контроля расхода исходных материалов.

Устанавливающее устройство помещает заранее приготовленную смесь в заранее заданную форму, чтобы создать незастывшее изделие, и регулирует относительное расположение формы с незастывшим изделием относительно источника электромагнитного излучения. Устанавливающее устройство может включать устройство параллельного перемещения и/или поворотное устройство для изменения положения формы в горизонтальном направлении относительно источника электромагнитного излучения.

Формирующее устройство предназначено для отверждения незастывшего изделия и превращения его в объемный поглотитель. В одном из вариантов изобретения, когда полимер представляет собой термореактивный материал, отверждающее устройство спекает незастывшее изделие в печи для спекания. Как вариант, когда полимер представляет собой сшитый материал, формирующее устройство может являться источником сшивающего агента или источником сшивающего излучения. Когда полимер представляет собой вспененный материал, формирующее устройство содержит вспенивающий химический или физический агент и так далее.

Еще в одном варианте изобретения первый поток полимерного исходного материала и второй поток магнитных частиц можно создавать вибрационными питателями. Первый и второй потоки затем смешивают в смесителе и выпускают из выходного отверстия в виде объединенного потока. Смесь дозируют из выходного отверстия в формы, расположенные под выходным отверстием, которые могут перемещаться конвейером, чтобы регулировать положение формы относительно выпускного отверстия. После того, как приготовленную смесь помещают в углубление, ее подвергают действию электромагнитного излучения выбранной силы и продолжительности импульса с тем, чтобы добиться перераспределения частиц в смеси. После того, как произошло выбранное перераспределение, смесь подвергают процессам вулканизации, спекания, термического твердения или иначе закрепляют форму предварительно сформированного изделия, при этом продолжая воздействовать на изделие электромагнитным излучением.

Еще в одном варианте изобретения кроме описанных выше магнитных наночастиц можно добавлять другие диэлектрические или магнитные материалы, модифицирующие свойства полученного материала, например углеволокно, полые микросферы с покрытием, углеродную сажу, углеродные усы или их комбинации. Кроме того, исходные материалы для поглотителя могут включать пену или керамический материал. Пеноматериалы могут представлять собой синтактическую или газонаполненную пену и могут быть термопластическими или термореактивными.

Г. Пример реализации изделия согласно изобретению в форме антенного отражателя

Еще в одном варианте реализации изобретения представлен антенный отражатель с заданной геометрией, приспособленный для того, чтобы обеспечивать выбранную зону действия приема и/или передачи, например, область, окружающую рассматриваемый объект, который легко можно изготовить в том месте, где его предполагают использовать. Геометрию антенны таким образом можно изменять в зависимости от фактических потребностей и условий использования, таких как видимость, погодные условия, требуемый охват по расстоянию и частоте. На практике это подразумевает антенный отражатель с профилированной диаграммой направленности с заранее выбираемой формой, или, для краткости, заранее конфигурируемый антенный отражатель.

Следует понимать, что настоящее изобретение применимо к любому антенному отражателю и позволяет изготовить антенный отражатель в соответствии с заранее заданной формой луча в эксплуатации без необходимости изменять сердечник антенны.

Общепринятый способ получения профилированной диаграммы направленности определенной формы - использование многочисленных облучателей, возбуждающих одинарную или двойную систему смещенных отражателей согласно соответствующему закону. Луч получают путем возбуждения облучателей с оптимизированными фазой и амплитудой посредством формирующей сигнал системы, составленной из волноводов ("система формирования луча").

Указанные волноводы могут быть образованы наночастицами, распределенными в материале и ориентированными при помощи воздействия на материал на стадии производства магнитным полем заранее заданной геометрии, так чтобы наночастицы образовали линии с достаточной проводимостью, ориентированные в пространстве таким образом, чтобы сформировать антенный отражатель требуемой формы.

Это особенно выгодно для тех применений, где необходимо иметь возможность изменять форму луча при использовании, как, например, на орбите, чтобы компенсировать изменения положения на орбите и соответствовать новым эксплуатационным ограничениям. Антенные системы с изменяемой конфигурацией обычно получают при помощи интеграции в систему формирования луча делителей мощности и регуляторов фазы с изменяемыми характеристиками. Это делает распределенное питание очень сложным, что приводит к потерям мощности радиочастот, риску возникновения пассивных интермодуляционных составляющих в корпусе передающей антенны, накладывая ограничения на требования температурной регуляции для платформы спутника, и увеличение массы.

Альтернативное решение проблемы изменения конфигурации антенного отражателя на орбите - применение способа согласно изобретению для изготовления антенны на месте, например на орбите, с одним или более отражателей с заранее заданными отражательными поверхностями, так чтобы полученная таким образом диаграмма направленности излучения могла быть сформирована желаемым образом.

В одном варианте реализации изобретения предложен легковесный объемный антенный отражатель заданной формы, содержащий жесткий сердечник, причем отражатель представляет собой структуру из ориентированных наночастиц, внедренных в пористую основу и проявляющих радиоотражающие свойства.

Далее отражающие свойства можно улучшить, комбинируя способы внедрения наночастиц в керамический или полимерный материал. Так, наночастичный материал в виде нанопроволоки можно ввести в исходный материал, а впоследствии можно ввести другой наночастичный магнитный материал, например в форме сфер, в пористую систему после отверждения, чтобы таким образом улучшить или изменить проводимость. Металлические частицы можно осадить в вакууме или присоединить при помощи клея.

Пример реализации изделия согласно изобретению в форме материалов с отрицательным показателем преломления

Предложенные пористые магнитные материалы согласно изобретению могут также найти применение в субволновой оптике в плоских панелях из материалов-левшей (LHM). Указанные материалы можно изготовить на основании вышеописанного способа с использованием наполнителя из наночастиц «материалов-левшей», распределенных заранее заданным образом в пористой полимерной основе. В результате можно изготовить прямоугольное изделие с плоскими поверхностями, которое можно использовать для фокусировки света в компактную точку. Более того, размер указанной точки меньше половины длины волны используемого света.

Обойти хорошо известный «дифракционный предел» (из-за которого трудно получить изображение объекта, размер которого меньше длины волны) было бы благоприятно для оптики (в микроволновом диапазоне, например, беспроводная связь принесла бы выгоду на уровне сотовых телефонов и базовых станций), и это обыкновенно достижимо только если располагать объект очень близко к источнику освещения.

Материалы-левши (названные так из-за того, что «правило правой руки», которое применяют физики, чтобы показать связь между электрическим и магнитным полями светового импульса и его линией распространения, здесь изменено на противоположное) обладают отрицательным показателем преломления. Этот факт, в свою очередь, означает, что луч света, входящий из воздуха в материал LHM, будет искривляться не вперед, а назад и в сторону от перпендикуляра, проведенного к поверхности материала. Именно это причудливое искривление приводит к новым оптическим эффектам (см. Toronto group, Grbic and Eleftheriades, Physical Review Letters, статья в печати; Moscow group, Lagarkov and Kissel, Physical Review Letters, 20 February 2004).

Таким образом, способ согласно изобретению можно использовать для изготовления композитного материала, обладающего одновременно отрицательной магнитной проницаемостью и электрической проницаемостью, как это описано в D.R.Smith*, Willie J. Padilla, D.С.Vier, S.C.Nemat-Nasser, and S.Schultz; Department of Physics, University of California, San Diego, 9500 Oilman Drive, La Jolla, California 92093-0319, 2 December 1999. Среду, обладающую отрицательными мю и эпсилон, можно использовать для исследования новых оптических эффектов, предсказанных русским ученым Веселаго. Кроме того, новый материал можно видоизменить таким образом, чтобы он соответствовал более коротким длинам волн. Что касается применения в СВЧ-связи, среда, которая фокусирует волны, в то время как другие материалы рассеивали бы их (и наоборот), должна быть полезна для усовершенствования существующих линий задержки, антенн и фильтров.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Примеры приготовления

ПРИМЕР 1

Приготовление полимерной композиции на основе полиуретановых гранул, наночастичного наполнителя и твердой салициловой кислоты в качестве вспенивателя

Композиция представляет собой пенообразующую систему широко известного типа, содержащую термореактивные полимеры указанного типа, применяемые с поверхностно-активными веществами, вспенивателями и каталитической системой. Обычная базовая композиция может представлять собой следующее:

Nylon 12 Микропористая пена с внедренными наночастицами MnFe₂O₄ феррита марганца с размером частиц примерно от 1 нм до 100 микрометров.

Твердые гранулы Nylon 12 нагревают с твердой салициловой кислотой, используя механическое перемешивание, чтобы получить 30% (по весу) однородный раствор. Примерно 10% наночастиц феррита марганца добавляют при непрерывном перемешивании. Применяют стационарное магнитное поле от 10 эрстед до 2 тесла в направлении, перпендикулярном оси механической мешалки, на протяжении 30 минут. По окончании перемешивания раствор нагревают примерно до 190°С в инертной атмосфере, а затем охлаждают сосуд жидким азотом. Полученную твердую пену промывают хлороформом, чтобы удалить салициловую кислоту. Пену Nylon 12 характеризовали с использованием сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и обнаружили размер пор от 50 до 100 микрон. Непрерывную пористость подтвердили с использованием способа переноса красителя. Исследования показали, что частицы феррита образуют проводящие линии в форме параболы.

ПРИМЕР 2

Приготовление вспенивающейся системы известного типа, содержащей полиол и изоцианат, воду в качестве вспенивателя, систему катализа и железоникелевый сплав в качестве наночастичного наполнителя с размером наночастиц от 1 нм до 100 микрон.

2.1. Полиуретановую пену получают при взаимодействии от 30 до 70 вес.% длинноцепочечного полиола с числом групп ОН от 20 до 160 и от 0 до 18 вес.% короткоцепочечного полиола с числом групп ОН от 450 до 1850 с от 30 до 50 вес.% ароматического полиизоцианата, такого как дифенилметандиизоцианат, и с использованием воды в качестве вспенивателя.

2.2. Полиуретановую пену получают при взаимодействии от 70 до 90 весовых частей полиола с молекулярной массой от 4000 до 8000, от 10 до 30 весовых частей амина и/или полиола с изоцианатным эквивалентным числом от 50 до 150 и диизоцианатного форполимера, эквивалентного изоцианатному числу от 90 до 115, с добавлением от 0 до 2 весовых частей катализатора и от 3 до 5 весовых частей воды.

Вышеуказанные компоненты, включая систему полиол плюс изоцианат, наполнитель из железоникелевого сплава, каталитическую систему и воду, подают из питающих резервуаров в смеситель, расположенный выше резервуара для приготовленной смеси. После смешивания приготовленную смесь подают в углубление заранее заданной формы и подвергают воздействию импульсного магнитного поля от 10 эрстед до 2 тесла с использованием магнитной катушки диаметром 80 мм и длиной 50 мм, равной длине углубления. Относительное расположение магнитной катушки и заданной формы показано на Фиг.2.

Показано, что образец, полученный в примере 2.1, имеет открытую пористость и желаемую эффективность поглощения РЧ-волн. Образец, полученный, как описано в примере 2.2, показал желаемую эффективность поглощения РЧ и меньшую открытую пористость.

ПРИМЕР 3

Композиции, содержащие различные концентрации Ni-Zn феррита, с размером наночастиц от 1 нм до 100 микрон, получали путем смешивания сухой смеси наполнителя с полностью ароматическим сложным полиэфиром, полученным в соответствии с патентом США №4,161,470 и содержащим 73 мольных процентов звеньев п-оксибензоила и 27 мольных процентов звеньев 6-окси-2-нафтоила. Полиэфир имеет характеристическую вязкость 6,4 дл/г, измеренную для 0,1% по весу раствора в пентафторфеноле при 60°С. Смесь приготавливали на двухвалковых вальцах при температуре валков 300°С.

Магнитное поле прикладывали перпендикулярно к направлению поступления композиции в форму. Напряженность магнитного поля между полюсами составляла 0,3 тесла, что обеспечивало напряженность в зоне отверждения композиции ~1,0-1,2 тесла. Контрольные образцы получали из указанной композиции, но без применения магнитного поля. Магнитную восприимчивость образцов измеряли по методу Фарадея с использованием в качестве эталона соли Мора. Полученные результаты приведены ниже.

ПРИМЕР 4

Композицию, содержащую 0,25% по весу феррита бария (Embedding Powder 304), полученного от Ferro Corporation, со средним размером частиц 1,8 микрон, получают путем смешения сухой смеси наполнителя с полностью ароматическим сложным полиэфиром, использованном в примере 3. Смешивание осуществляют с использованием двухшнекового экструзионного смесителя Gays (Hampton) Ltd TS40. Содержащую феррит композицию изготавливают в виде листов толщиной 3 см.

Магнитное поле прикладывали перпендикулярно поверхности листа на протяжении 71 см. Поле располагали таким образом, чтобы имелся интервал в 16 см между фильерой и началом поля, с тем чтобы отверждение композиции начиналось внутри поля. Поле получали с использованием комплекта из семи пар электромагнитов, расположенных так, чтобы имелся зазор в 7 мм между полюсными наконечниками, чтобы протягивать лист через отверстие. Поле, измеренное при помощи гауссметра LDJ Electronics (Model 511), составляло от 0,5 до 2,5 тесла. Контрольные образцы получали без применения магнитного поля и в отсутствие магнитного наполнителя.

Воздействие магнитного поля

Оказалось, что свойства готовых изделий, изготовленных из композиций согласно изобретению, можно контролировать путем воздействия магнитного поля на заранее приготовленную смесь или композицию, или на исходный материал композиции, в процессе изготовления изделия. Так, если силовые линии магнитного поля проходят перпендикулярно продольной оси композиции, содержащей термотропный полимер, будет получена ориентация наночастиц в направлении силовых линий, т.е. в поперечном направлении, на что указывает увеличение магнитной постоянной и электрической проводимости в указанном направлении полученного готового изделия. Указанный эффект получен на очень низких уровнях наполнителя (наиболее значительный эффект получен при концентрации феррита бария 0,2% по весу, однако предпочтительны высокие концентрации, вплоть до 10-15%). Полученный эффект отличается от того эффекта, который обычно наблюдается при использовании обычных наполнителей, не чувствительных к действию магнитного поля.

Хотя первоочередной целью присутствия магниточувствительного наполнителя в композиции является получение волноводов выбранной геометрии, другим применением является получение волнового поглотителя, обладающего анизотропной структурой. Подобно амортизатору, предложенный материал можно использовать в качестве волнового поглотителя. Магнитные свойства наполнителя также можно употреблять для других применений. Например, композиция, содержащая термотропный полимер, может быть использована для того, чтобы изготовить легковесный магнит. В таких применениях требуется высокая концентрация магниточувствительного наполнителя.

Примеры конкретных применений

Поглотитель радиоволн

Изделие изготавливают, как описано выше, из микропористой полиэфирной пены, имеющей непрерывную открытопористую структуру, с порами размером от 10 до 100 нм, в стенки пор которой внедрен ферритный наночастичный материал. В смеситель, содержащий 100 г (100 мас.ч.) композиции, состоящей из вспенивающегося полистирола ПСВ, пенообразователя - диоксида углерода, стабилизатора -поверхностно-активного вещества (оксиэтилированный алкилфенол ОП-7), вводят наночастицы феррита бария в количестве 2 г (2 мас.%) с размером частиц 15 нм, перемешивают в течение 2-2,5 ч. Наночастицы магнитного материала, стабилизированные молекулами поверхностно-активного вещества, гомогенно распределяются в пенистой массе. Пенистая масса может храниться в аэрозольных или других подобных баллонах, что облегчает ее применение. При высвобождении пены из контейнера (баллона) образуется твердая стабильная пористая пена с пониженным влагопоглощением и хорошими магнитными свойствами: удельная намагниченность при нормальных условиях от 0,5 до 5 Гс·см³/г, кажущаяся плотность 0,2 г/см³, затухание 0,3-0,4 дБ/км для радиоволн длиной 3-5 см). На миллиметровых волнах поглощение сказывается на определенных длинах волн и обусловливается строением полученной пенистой структуры. Для спеченных образцов наблюдается более сильное затухание для волн короче 10 см, составляющее 0,8-0,9 дБ/км.

Концентрация электромагнитного излучения

Композицию, содержащую феррит, готовят следующим образом. В смеситель, содержащий 100 г (100 мас.ч.) композиции, используемой для приготовления пенополиуретана и содержащей реакционную смесь из простого олигоэфира лапрола Л-5003, полиизоцианата ПИЦ, кремнийорганического пеностабилизатора (ПАВ) КЭП-1, катализатора ДАБКО или октоата олова, диметилэтаноламина, воды, вводят наночастицы магнитотвердого состава Sm-Fe (1:5) в количестве 10 г (10 мас.%). Перемешивают. При взаимодействии изоцианата с водой выделяется двуокись углерода, выполняющая роль вспенивающего агента. Пенный состав можно хранить в аэрозольном баллоне, при высвобождении его из баллона образуется стабильная пористая твердая пена, стенки которой содержат наночастицы магнитного материала, обладающая пониженной влагопоглощающей способностью и хорошими магнитными свойствами (удельная намагниченность при нормальных условиях от 0,5 до 5 Гс·см³/г с кажущейся плотностью 0,04 г/см³, влагопоглощение 0,3 кг/м² за 24 часа). Катушку электромагнита помещают в углубление, заполняют углубление исходным материалом для пены и, в то время как через катушку пропускают ток, отверждают исходный материал для пены в необходимых температурных условиях. Таким образом, катушка служит источником электромагнитного поля, чтобы получить выбранную наноструктуру из магнитных частиц, распределенных внутри полученного пористого изделия.

Полученное изделие тестируют в диапазоне волн от 10 до 100 кГц (что соответствует длинам волн λ≈3-30 км). Не желая быть связанными конкретной теорией, изобретатели считают, что наночастицы образуют линии проводимости, расположенные вдоль линий электромагнитного поля, созданного электромагнитной катушкой. Наподобие линий магнитного поля, которое концентрируется к центру катушки, наночастицы образуют линии, которые могут служить для того, чтобы концентрировать волны. В этом случае волны будут следовать по линиям и создадут магнитный контур.

Магнитные свойства полученного изделия измеряли при комнатной температуре на вибромагнетометре VSL 9600 фирмы LDJ в полях до 2,5 тесла с погрешностью около 2%. Диамагнитную восприимчивость измеряли методом Фарадея на установке "Oxford Instruments". Ошибка измерения восприимчивости не превышала 10-8 emu/g. Сигнал ЭПР измеряли на спектрометре Е-109 фирмы "Varian", работающем на частоте 9.3GHZ.

Антенно-радиоприемный блок (АРПБ), устанавливаемый на мачте, содержит антенно-коммутационный блок и блок тюнеров. В состав антенно-коммутационного блока входят две лековесные круговые антенные структуры, полученные согласно изобретению и содержащие решетки первой и второй литеры, образованные наночастицами. Антенная решетка первой литеры работает в диапазоне частот 25-1000 МГц, антенная решетка второй литеры - в диапазоне частот 1000-3000 МГц. Антенные элементы первой литеры закреплены на откидных траверсах, а антенная решетка второй литеры размещена под пластиковым обтекателем в верхней части АРПБ. Шарнирное крепление антенных элементов и поворотные траверсы существенно ускоряют разворачивание антенной системы, которое сводится к надеванию посадочного гнезда АРПБ на хвостовик мачты до совмещения поперечных отверстий, закреплению антенны на мачте, развороту траверс антенны на 90 градусов до фиксации на основании блока. При этом антенные элементы всегда сохраняют вертикальное положение. Указанные элементы повышают чувствительность пеленгатора в верхней части диапазона рабочих частот за счет сведения к минимуму длины высокочастотных кабелей, устраняют антенный эффект. Поскольку сигнал ПЧ с выхода ЦРПУ имеет сравнительно низкую частоту, возможно использование кабеля снижения длиной до нескольких сотен метров.

Работоспособность АРПБ сохраняется в широком диапазоне температур окружающей среды. При отрицательной температуре в корпусе АРПБ автоматически включается встроенный нагреватель, а при положительной температуре - система принудительной вентиляции. Отфильтрованные, усиленные и преобразованные тюнерами сигналы двух каналов на промежуточной частоте 41,6 МГц поступают в БАЦО. Основными элементами блока являются двухканальный модуль цифровой обработки сигналов, собранный на базе модуля АРК-ЦО5 и двухканального специализированного вычислителя АРК-С5. С управляющей ПЭВМ связь осуществляется по интерфейсу USB 2.0.

Проведенные испытания являются примерами реализации и не ограничивают область настоящего изобретния, которая определена в нижеследующей формуле изобретения.

1. Пористый магнитный материал для изготовления антенн, линз, поглотителей или концентраторов, обладающий способностью к поглощению, рассеиванию или концентрированию электромагнитного излучения, содержащий:
а) полимерную основу на основе вспененных полимеров, имеющую пористую структуру, и
б) внедренные в материал основы наночастицы магнитного или диэлектрического материала, выбранного из группы, включающей ферриты вида MFe₂O₄ (где М=Mn, Ni, Cu), Ni-Zn ферриты, гексаферрит бария, железоникелевые сплавы, сплавы Sm-Fe, магнитотвердые составы Nd-Fe-B и Sm-Co или их сочетания, размером от 1 нм до 100 мкм в количестве от 0,2 до 15 мас.%, причем указанные наночастицы ориентированы с формированием в полимерной основе непрерывных линий проводимости, образующих трехмерную волноводную структуру, обладающую по меньшей мере одним характеристическим размером, выбранным из длины и ширины указанной линии, пропорциональным длине волны или диапазону длин волн указанного поглощаемого, рассеиваемого или концентрируемого электромагнитного излучения.

2. Пористый магнитный материал по п.1, отличающийся тем, что наночастицы внедрены в материал основы таким образом, что они в основном располагаются на поверхности стенок пор.

3. Пористый магнитный материал по п.1, отличающийся тем, что наночастицы распределены внутри полимерной основы с непрерывным градиентом концентрации.

4. Пористый магнитный материал по п.1, отличающийся тем, что наночастицы ориентированы в виде проводящих линий в форме параболы.

5. Пористый магнитный материал по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что размер наночастиц составляет от 3 до 27 нм.

6. Пористый магнитный материал по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что указанные наночастицы находятся в виде нановолокон, наносфер, наноэллипсов, нанопроволоки.

7. Пористый магнитный материал по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что указанная полимерная основа представляет собой пеноматериал, полученный из полимера, выбранного из группы, включающей вспенивающийся полистирол, пенополиуретаны, полученные на основе простых эфиров и полиизоционатов, пенополиуретаны, полученные на основе сложных эфиров и полиизоционатов, пенополивинилхлоридные пенопласты, пеноэтилены, эпоксидно-новолачные пенопласты, сложные полностью ароматические полиэфиры, микропористую пену Найлон 12.

8. Способ изготовления пористого магнитного материала для поглощения, рассеивания или концентрирования электромагнитного излучения, содержащего трехмерную структуру, образованную распределенными в полимерной основе наночастицами магнитного или диэлектрического материала, по любому из пп.1-7, включающий следующие стадии:
соединение исходной полимерной композиции для приготовления полимерной основы, содержащей вспенивающийся полимер и возможно поверхностно-активные вещества, вспениватели и каталитическую систему, с наночастицами магнитного или диэлектрического материала, выбранными из группы, включающей ферриты вида MFe₂O₄ (где М=Мn, Ni, Cu), Ni-Zn ферриты, гексаферрит бария, железоникелевые сплавы, сплавы Sm-Fe, магнитотвердые составы Nd-Fe-B и Sm-Co или их комбинации, из расчета в количестве от 0,2 до 15 мас.% с образованием однородной дисперсии, содержащей наночастицы и указанную полимерную композицию;
вспенивание указанной дисперсии, содержащей наночастицы в указанной полимерной композиции;
помещение полученной дисперсии наночастиц в полимерной композиции в форму с образованием пористой заготовки;
воздействие на заготовку импульсным магнитным полем напряженностью от 10 Эрстед до 10 Тесла или магнитным полем напряженностью от 10 Эрстед до 2,5 Тесла и/или электромагнитным излучением в течение времени, достаточного для формирования наночастицами линий проводимости, образующих трехмерную волноводную структуру, обладающую по меньшей мере одним измерением, выбранным из длины и ширины линии, пропорциональным длине волны или диапазону длин волн указанного поглощаемого, рассеиваемого или концентрируемого электромагнитного излучения;
отверждение либо сшивка полимерной пористой заготовки с включенной в нее трехмерной волноводной структурой, образованной наночастицами.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что воздействие на заготовку оказывают электромагнитным устройством с заданной геометрией электромагнитного поля, обеспечивая ориентацию наночастиц в виде непрерывных линий проводимости.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что указанная полимерная основа представляет собой вспенивающийся полистирол, пенополиуретаны, полученные на основе простых эфиров и полиизоционатов, пенополиурентаны, полученные на основе сложных эфиров и полиизоционатов, пенополивинилхлоридные пенопласты, пеноэтилены, эпоксидно-новолачные пенопласты, сложные полностью ароматические полиэфиры, микропористую пену Найлон 12.

11. Способ по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что размер указанных наночастиц составляет от примерно 1 нм до 100 мкм.

12. Способ по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что воздействие указанным магнитным полем осуществляют в перпендикулярном направлении к продольной оси указанной заготовки.

13. Способ по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что источник электромагнитного поля помещают внутрь заготовки, причем источник поля служит приемником антенны готового пористого изделия с внедренными наночастицами.

14. Способ по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что полимер является термореактивным, причем заготовку из полимера и наночастиц подвергают воздействию электромагнитного поля одновременно с отверждением полимера.

15. Способ по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что полимер способен к образованию поперечных сшивок, при этом приготовленную смесь полимера и наночастиц подвергают воздействию электромагнитного поля одновременно с осуществлением сшивки.

16. Способ по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что полимерная смесь обладает определенным временем жизни, достаточным для ориентирования указанных наночастиц с формированием из них линий проводимости.

17. Способ по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что воздействие на смесь электрического или магнитного поля осуществляют одновременно с процессом порообразования, так чтобы обеспечить по меньшей мере частично параллельное протекание указанных двух процессов.

18. Объемный поглотитель для поглощения РЧ-излучения в заданном диапазоне длин волн, содержащий:
трехмерную пористую основу на основе вспененного полимера;
магнитные наночастицы диаметром от 1 нм до 100 мкм в количестве от 0,2 до 15 мас.%, распределенные в пористой основе с формированием трехмерной конфигурации, образованной линиями проводимости, имеющими по меньшей мере один характеристический размер, выбранный из длины и ширины линии, пропорциональный длине волны в указанном дипазоне РЧ-излучения, отличающийся тем, что
указанный вспененный полимер выбран из группы, включающей вспенивающийся полистирол, пенополиуретаны, полученные на основе простых эфиров и полиизоционатов, пенополиурентаны, полученные на основе сложных эфиров и полиизоционатов, пенополивинилхлоридные пенопласты, пеноэтилены, эпоксидно-новолачные пенопласты, сложные полностью ароматические полиэфиры, микропористую пену Найлон 12;
указанные наночастицы магнитного или диэлектрического материала выбраны из группы, включающей ферриты, такие как ферриты вида МFе₂O₄ (где М=Mn, Ni, Cu), Ni-Zn ферриты, гексаферрит бария, железоникелевые сплавы, сплавы Sm-Fe, магнитотвердые составы Nd-Fe-B и Sm-Со или их сочетания.

19. Трехмерный композитный материал, пригодный для концентрации радиочастотных волн в диапазоне роли от 10 до 100 кГц, содержащий полимерную основу на основе вспененного полимера с открытыми порами, размеры которых составляют от 10 до 100 мкм в диаметре, а внутренняя поверхность пор является электропроводящей благодаря наличию магнитных наночастиц, внедренных или покрывающих стенки пор полимерной основы, причем указанная полимерная основа нанесена на внешнюю сторону магнитной катушки, а наночастицы образуют линии проводимости, расположенные вдоль линий электромагнитного поля, созданного катушкой, и распределены в полимерной основе с образованием магнитного контура, который концентрируется к центру указанной катушки.

20. Трехмерный композитный материал по п.19, отличающийся тем, что
указанная полимерная основа с открытыми порами выбрана из группы, включающей вспенивающийся полистирол, пенополиуретаны, полученные на основе простых эфиров и полиизоционатов, пенополиурентаны, полученные на основе сложных эфиров и полиизоционатов, пенополивинилхлоридные пенопласты, пеноэтилены, эпоксидно-новолачные пенопласты, сложные полностью ароматические полиэфиры, микропористую пену Найлон 12; а
указанные наночастицы магнитного или диэлектрического материала выбраны из группы, включающей ферриты, такие как ферриты вида МFе₂O₄ (где М=Mn, Ni, Cu), Ni-Zn ферриты, гексаферрит бария, железоникелевые сплавы, сплавы Sm-Fe, магнитотвердые составы Nd-Fe-B и Sm-Со или их сочетания.

21. Трехмерный композитный материал по п.19, отличающийся тем, что количество наночастиц, нанесенных на основу, составляет от 0,2 до 15 мас.%.