Способ изготовления заграждающих и пропускающих частотно-селективных мембран

Способ изготовления заграждающих и пропускающих частотно-селективных мембран

Реферат

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.