Пористые материалы с внедренными наночастицами, способы их изготовления и применения

Пористые материалы с внедренными наночастицами, способы их изготовления и применения

Реферат

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 мен