Mittel zum Dämpfen elektromagnetischer Wellen, Verfahren zur Herstellung sowie Verwendung des Mittels

Abstract

 Das Mittel zur Absorption bzw. zum Dämpfen elektro­magnetischer Wellen in Granulatform oder als Formkörper ist nach der Gas- oder Schaumbetontechnologie herstellbar und enthält neben Luftporen und Restquarz kristallwasserenthaltende Kalziumsili­kathydratphasen wobei das Mittel überwiegend Kalziumsi­likat-hydratphasen aufweist, die einen chemisch gebundenen und/oder Kristallwasser-Gehalt von über 10 Mol% haben.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Mittel zum Dämpfen elektromagnetischer Wellen, ein Verfahren zur Herstellung sowie die Verwendung des Mittels.

[0002] Im Bereich der Digitaltechnik, der Radartechnik und der Medizin­technik werden immer höhere Ansprüche an die Abschirmung gegen hochfrequente Strahlungen gestellt. Aufgrund der Zunahme der Störstrahlungen wird die Abschirmung gegen hochfrequente Strahlungen immer wichtiger, da Auswirkungen von Fehlern in hochzentralisierten Systemteilen, z.B. in der Sicherheitstechnik, in der Flugsicherung, und bei bestimmten medizinischen Geräten vermieden werden müssen. Es werden deshalb spezielle Testräume gebaut, in denen elektronische Bauteile und Geräte auf ihre Sicherheit gegenüber hochfrequenten Strahlungen untersucht werden.

[0003] Um Abschirmungen gegen hochfrequente Strahlungen zu erreichen, werden sogenannte Absorber verwendet, die in einem breiten Frequenzband eine gute Dämpfung der elektromagnetischen Wellen gewährleisten. Bekannte Absorbermaterialien bestehen aus Polyuretanschaum, der mit kohlenstoffenthaltendem Latex imprä­gniert ist. Die aus diesem Material hergestellten Absorber benötigen einen erheblichen Platzbedarf, so daß der Raumbedarf und insofern die Kosten erheblich sind. Außerdem sind diese Absorber auf Basis von Polyuretanschaum sehr leicht brennbar, so daß eine hohe Gefährdung durch Feuer besteht.

[0004] Aus der DE-PS 1 026 805 ist bekannt, durch Bauelemente aus Gasbeton das Anpeilen eines Gebäudes mit Hilfe von Radargeräten zu erschweren.

[0005] Gasbeton besteht neben Luftporen im wesentlichen aus den Kalziumsilikathydratphasen Tobermorit und Xonotlit sowie aus Restquarz. Die Kalziumsilikathydratphasen haben die folgende Zusammensetzungsformel:
Tobermorit: 5C · 6S · 5H
Xonotlit: 6C · 6S · 2H
worin C der Kalziumoxid-, S der Siliciumdioxid- und H der Kristallwassergehalt bedeuten.

[0006] Der Gasbeton soll sich insbesondere wegen seines hohen Luftporen­gehalts, der eine kleine Dielektrizitätskonstante bewirkt, zwar zur breitbändigen Tarnung von Gebäuden gegen Ortung mit Mikrowel­len grundsätzlich eignen, bemängelt wird aber die durch die sehr hohen Luftporengehalte bedingte geringe Festigkeit eines Bauelements, die zu großvolumiger Bauweise zwingt. Es wird daher in der genannten Druckschrift vorgeschlagen, dafür zu sorgen, daß durch Variation der Zusammensetzung der Grundstoffe und des Luftgehalts die Dielektrizitätskonstante und der Verlustwinkel des Baustoffs innerhalb der Schicht in der Fortpflanzungsrichtung der von außen eindringenden elektromagnetischen Wellen zunehmen. Dies soll dadurch ermöglicht werden, daß sehr große Luftporen erzeugt werden, daß der Luftporengehalt im Oberflächenbereich sehr hoch und nach innen hin verringert gewählt wird und das bekannte verlusterzeugende Stoffe zugesetzt werden. Diese Maßnahmen verteuern das Bauelement ganz erheblich. Eine weitere Maßnahme soll dafür sorgen, daß kein Regenwasser in die Poren dringt. Vorgeschlagen wird eine wasserdichte Außenschicht, die jedoch keine Reflexion verursachen darf. Diese sehr dünne Außenschicht wird durch kurzzeitiges, starkes Erhitzen der betreffenden Oberfläche nach dem Schaumbildungsvorgang, aber vor dem endgültigen Härten erzeugt, wodurch die äußeren Gasblasen in sich zusammenfallen sollen und eine sehr harte und sehr dünne Oberflächenschicht ohne jede Pore entstehen soll. Insbesondere durch Auflegen einer heißen Metallplatte soll die Oberfläche sehr glatt werden, so daß Regenwasser gut ablaufen und Schmutz aller Art nicht festhaften kann. Die Erzeugung einer solchen Oberfläche ist schwierig und verteuert das Bauelement nochmals erheblich.

[0007] Gasbeton hat sich aber nicht nur wegen der oben beschriebenen schwierigen Herstellung der Sonder-Bauelemente nicht bewährt, denn die in der Druckschrift beschriebenen Anforderungen sind nicht in allen Fällen relevant, sondern es hat sich vielmehr gezeigt, daß die dämpfenden Eigenschaften von Gasbeton mit der Zeit bedeutend geringer werden.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist, ein Mittel zur Absorption bzw. zum Dämpfen elektromagnetischer Wellen zu schaffen, dessen dämpfende Eigenschaften zumindest ebenso gut sind wie die des Gasbetons und dessen dämpfende Eigenschaften im wesentlichen erhalten bleiben.

[0009] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0010] Die Erfindung schafft somit ein nach der gut beherrschbaren Gasbetontechnologie herstellbares, porosiertes Absorptionsmate­rial für elektromagnetische Wellen, dessen Eigenschaften langzeitig erhalten bleiben. Ermöglicht wird dies durch ein Produkt, das im wesentlichen neben Luftporen und Restquarz aus Kalziumsilikathydratphasen aufgebaut ist, die einen hohen Kristallwassergehalt haben. Es konnte festgestellt werden, daß diese Phasen eine gegenüber Gasbeton bessere Dämpfung ergeben, wobei die Dämpfung in Abhängigkeit vom Kristallwassergehalt erhalten bleibt. Es konnte nämlich überraschend festgestellt werden, daß die Dämpfung geringer wird, wenn der Kristallwasser­gehalt reduziert wird, was z.B. durch Wärmeeinwirkung unkontrol­lierbar bewirkt werden kann. Es ist daher wichtig dafür zu sorgen, daß der Kristallwassergehalt erhalten bleibt und/oder zu verhindern, daß im Absorbermaterial enthaltenes Wasser entweichen kann. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, daß die Oberfläche des Materials imprägniert oder versiegelt wird und dadurch Wasser und/oder Wasserdampf undurchlässig wird. Vorteil­haft ist eine Imprägnierung, die das Eindringen von Wasser und/oder Wasserdampf in das Material gestattet, das Heraustreten dagegen verhindert. Eine besonders wirksame Versiegelung wird mit einer Beschichtung auf Epoxydharzbasis, z.B. Disbon-Beschichtung Nr. 441 erreicht, das auf die Oberfläche des Materials zweckmäßi­gerweise vollflächig z.B. gesprüht wird. Das Material kann aber auch mit flüssigem Epoxydharz getränkt werden.

[0011] Der Fachmann kennt viele Kalziumsilikathydratphasen, die einen höheren Kristallwasseranteil als Tobermorit und Xonotlit haben, deren Kristallwassergehalt für eine ausreichende Dämpfung zu gering ist. Der Fachmann kennt auch die Verfahrensparameter der Gasbetontechnologie, mit dem die kristallwasserreichen Phasen erzeugt werden können. Bevorzugt werden die folgenden Kalziumsi­likathydratphasen, die neben Luftporen und Restquarz entweder allein oder in Kombination im Absorbermaterial vorhanden sein sollen:

14 Å Tobermorit	C · S · 2-2,5 H
teilkristallines CSH (CSH I)	0,8-1,5C · S · 0,5 - 2,5H
α - C₂S-Hydrat	2C · S · 2-4H

[0012] Die für die Absorption besonders wirksamen Kalziumsilikathydrat­phasen werden z.B. durch die folgenden Gemenge gewährleistet, die nach üblichen Gasbetonbedingungen im Autoklaven gehärtet werden:
20 bis 40 M% Branntkalk
20 bis 30 M% Zement
40 bis 60 M% Quarzmehl (Körnung < 100 µm)
0,1 bis 0,5 M% Alkalien (z.B. K₂O,Na₂O)
0,05 bis 0,15 M% Aluminiumpulver.

[0013] Die Härtung im Autoklaven sollte bei Temperaturen von 170 bis 210°C bis 4 bis 12 Stunden erfolgen.

[0014] Die Alkalien beeinflussen in vorteilhafter Weise die Phasenbil­dung derart, daß sich im wesentlichen kristallwasserreiche und beständige, d.h. das Kristallwasser haltende Phasen bilden. Es hat sich gezeigt, daß die Kristallwassergehalte des Absorber­materials über 10 M% liegen sollten, wobei Phasen von Vorteil sind, die noch teilamorph sind, weil diese Phasen einen besonders hohen chemisch gebundenen "Kristallwassergehalt" aufweisen.

[0015] Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird der chemisch gebundene Wassergehalt mit einem absorptiv gebundenen Wassergehalt kombiniert, d.h. das Absorbermaterial wird zusätz­lich mit Wasser angereichert, z.B. mit Wasser getränkt, oder man sorgt dafür, daß die sogenannte Autoklavfeuchte erhalten bleibt. Das absorptiv gebundene Wasser kann auch ganz oder teilweise die Poren ausfüllen. Damit dieses Wasser nicht verlorengeht, wird z.B. die Oberfläche des Materials - wie oben beschrieben - imprägniert und/oder versiegelt, so daß die Absorber-Eigenschaf­ten des Materials erhalten bleiben. Vorteilhaft sind Mengen von absorptiv gebundenem Wasser von 20 bis 40 M%.

[0016] Das erfindungsgemäße Mittel wird vorzugsweise mit einer Rohdichte von 300 bis 800 kg/m³ und einem Kristallwassergehalt von 10 bis 20 M% verwendet. Das erfindungsgemäße Mittel kann zudem mit Kohlenstoff und/oder Ferrit in einer Menge von 5 bis 30 M% versetzt sein, wodurch sich die Dämpfungswerte in an sich bekannter Weise noch verbessern lassen.

[0017] Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Absorber-Bauteil für elektromagnetische Wellen, das aus dem erfindungsgemäßen Mittel aufgebaut ist. Das Absorber-Bauteil kann vorzugsweise als Platte oder Baustein ausgebildet sein, die beliebige Raumformen aufweisen können. Es ergeben sich bei Verwendung der Bauteile zudem die Vorteile des normalen Wandbaustoffs, nämlich Wärmeiso­lierung und Schallisolierung. Des weiteren kann das erfindungsge­mäße Absorber-Bauteil mit einer üblichen Oberflächenschutz­schicht, z.B. einer Akrylatbeschichtung, versehen werden, wobei YR der Schutzschicht einen Wert von etwa YR = 10 nicht über­schreitet.

[0018] Anhand der Zeichnung wird ein erfindungsgemäßes Absorber-Bauteil im folgenden beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Absorber-­Bauteil;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1 und

Fig. 3 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Absorber-Bauteils.

[0019] Das erfindungsgemäße Absorber-Bauteil 1 gemäß Fig. 1 besteht aus dem oben beschriebenen porosiertem Kalziumsilikathydratmaterial. Es ist als Pyramidenabsorber ausgebildet und weist eine Vielzahl von einzelnen Pyramiden 2 auf einer Basisplatte 3 nebeneinander und hintereinander auf, wie aus Fig. 2 erkennbar ist. Der von den Seitenflächen 4 einer Pyramide in der Pyramidenspitze einge­schlossene Winkel α beträgt vorzugsweise 15 bis 40°. Die Höhe k der Pyramiden 2 sind abhängig von der tiefsten Betriebsfre­quenz. Die Dicke s der Grundplatte 3 ist primär abhängig davon, welche Durchgangsdämpfung insgesamt erreicht werden soll. Der Vorteil der Pyramidenstruktur liegt in der gleichmäßigen Dämpfung bezüglich des Einfallwinkels und der Polarisation sowie einer hohen Dämpfung aufgrund der Oberflächenstruktur. Diese Dämpfung kann bis zu 60 dB betragen. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Absorber-Bauteils gegenüber den bekannten Absorbern mit Pyrami­ denstruktur besteht darin, daß der erfindungsgemäße Absorber eine wesentlich geringere Tiefe bei gleicher Frequenz haben kann und trotzdem eine breitbandige Wirksamkeit der Dämpfung gegen hochfrequente Strahlungen erreicht wird.

[0020] In Fig. 3 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Absorber-Bauteils dargestellt. Dieses Absorber-­Bauteil 1 besteht wiederum aus einer Vielzahl von Pyramiden 2, die von einer Grundplatte 3 ausgehen. Als Herstellungsmaterial dient das erfindungsgemäße porosierte Kalziumsilikathydratmate­rial. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, daß der Zwischen­raum 5 zwischen den einzelnen Pyramiden 2 mit einem porosierten Kalziumsilikathydrat ausgefüllt ist, das eine geringere Dichte als das Material der Pyramiden selbst aufweist und damit ein aus der geringeren Dichte resultierendes günstiges Reflexionsverhal­ten. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung entsteht ein Absorber mit mindestens der gleichen Wirksamkeit wie ein reiner Pyramiden-Absorber gemäß Fig. 2, wobei jedoch der Vorteil erreicht wird, daß dieser Absorber eine vollkommen plane und ebene Oberfläche aufweist. Hierdurch kann das so gestaltete Absorber-Bauteil in üblicher Weise wie bei den bekannten Baumaterialien beschichtet werden und zwar beispielsweise mit einem Anstrich. Dieses erfindungsgemäße Absorber-Bauteil besitzt somit eine vollständig ebene Oberfläche auf der dem Welleneinfall zugewandten Seite.

[0021] Was die Abmessungen der erfindungsgemäßen Absorber-Bauteile betrifft, so können diese eine Seitenlänge von 30 bis 50 cm aufweisen. Die Höhe der Pyramiden beträgt vorzugsweise das Dreifache der Dicke der Grundplatte 3 und die Summe aus der Höhe der Pyramiden und der Dicke der Grundplatte beträgt ≦ 30 cm. Für sehr hohe Durchgangsdämpfungen kann die Grundplatte 3 durch plane Absorber-Bauteile verstärkt werden.

[0022] Durch die Auswahl der Rohdichte des porosierten Kalziumsilikat­hydratmaterials sowie des kristallin gebundenen Wassers bzw. chemisch gebundenen Wassers in einem Bereich von 10 bis 20 M% sowie beispielsweise durch Zugabe weiterer Beimengungen, vorzugsweise aus Kohlenstoff- und/oder Ferritpartikel mit einem Anteil von 5 bis 30 M% kann das erfindungsgemäße Absorber-­Bauteil, bezogen auf einen Frequenzbereich von z.B. 0,1 bis 30 GHz in Bezug auf seine Dämpfungseigenschaften optimiert werden.

[0023] Aus diesem Beispiel ergibt sich ohne weiteres die überraschend hohe Absorptionswirkung eines erfindungsgemäßenAbsorbermaterials gegenüber üblichem Gasbeton.

Ansprüche

1. Mittel zur Absorption bzw. zum Dämpfen elektromagnetischer Wellen in Granulatform oder als Formkörper, das nach der Gas- oder Schaumbetontechnologie herstellbar ist und neben Luftporen und Restquarz kristallwasserenthaltende Kalziumsi­likathydratphasen aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß es überwiegend Kalziumsilikathydratphasen aufweist, die einen chemisch gebundenen und/oder Kristallwasser-Gehalt von über 10 M% haben.

2. Mittel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der chemisch gebundene und/oder Kristallwasser-Gehalt der Kalziumsilikathydratphasen über 12 M% beträgt.

3. Mittel nach Anspruch 1 und/oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der chemisch gebundene und/oder Kristallwasser-Gehalt 10 bis 20 M% beträgt.

4. Mittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß es absorptiv gebundenes und/oder porenfüllendes Wasser in einer Menge von 20 bis 40 M% enthält.

5. Mittel nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß es absorptiv gebundenes und/oder porenfüllendes Wasser in einer Menge von 25 bis 35 M% enthält.

6. Mittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche gegen Wasseraustritt imprägniert ist.

7. Mittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche gegen Wasserdampfaustritt imprägniert ist.

8. Mittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche gegen Wasseraustritt versiegelt ist.

9. Mittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche gegen Wasserdampfaustritt versiegelt ist.

10. Mittel nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche mit einer Beschichtung auf Epoxydharzba­sis belegt ist.

11. Mittel nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche mit einer Beschichtung auf Epoxydharzba­sis besprüht ist.

12. Mittel nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche durch Tränkung mit Epoxydharz belegt ist.

13. Mittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kalziumsilikathydratphasen überwiegend aus minde­stens einer der folgenden Kalziumsilikathydratphasen bestehen:
14 Å Tobermorit
α -C₂S-Hydrat
CSH I
teilkristallines CSH
und gegebenenfalls 11,3 Å Tobermorit aufweist.

14. Mittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß es Kohlenstoff und/oder Ferrit enthält.

15. Mittel nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß es Kohlenstoff und/oder Ferrit in einer Menge von 5 bis 30 M% enthält.

16. Mittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß es eine Rohdichte von 300 bis 800 kg/m³ aufweist.

17. Verfahren zur Herstellung eines Mittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Gemenge bestehend aus
20 bis 30 M% Branntkalk
20 bis 30 M% Zement
40 bis 60 M% Quarzmehl (Sand)
0,1 bis 0,5 M% Alkalien
0,05 bis 0,15 M% Aluminiumpulver
hydrothermal gehärtet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Härtung bei Temperaturen von 170 bis 210° C durchge­führt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17 und/oder 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Härtung 4 bis 12 Stunden durchgeführt wird.

20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche mit Akrylharz versiegelt wird.

21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche zur Verhinderung von Wasser- und/oder Wasserdampfaustritt mit einem geeigneten Mittel imprägniert wird.

22. Verwendung eines Mittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16,
hergestellt nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Mittel platten- oder bausteinförmig verwendet wird.

23. Verwendung nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Mittel in Form eines Pyramidenabsorbers (1) verwendet wird, dessen Pyramiden (2) nebeneinander und hintereinander auf einer Grundplatte (3) angeordnet sind.

24. Verwendung nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Pyramidenabsorber (1) verwendet wird, bei dem die Seitenwände (4) der Pyramiden (2) in der Pyramidenspitze einen Winkel α von 15 bis 40° einschließen.

25. Verwendung nach Anspruch 23 und/oder 24,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Pyramidenabsorber (1) verwendet wird, bei dem der zwischen den einzelnen Pyramiden (2) bestehende Zwischenraum (5) mit einem porosierten Kalziumsilikathydrat ausgefüllt ist, das gegenüber dem Material der Pyramiden (2) eine geringere Rohdichte aufweist.

26. Verwendung nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Pyramidenabsorber (1) verwendet wird, bei dem das die Zwischenräume (5) ausfüllende Material eingegossen ist.

27. Verwendung nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Pyramidenabsorber (1) verwendet wird, bei dem das die Zwischenräume (5) ausfüllende Material aus einzelnen Formkörpern gebildet ist.

Zeichnung