專利名稱：電磁波吸收板及其制造材料的制作方法
發(fā)明的背景1．發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于建造能吸收電磁波(特別是在無線電信號傳輸、電視信號傳輸和微波頻率范圍內(nèi)的電磁波)的建筑物的板材。更具體地說涉及由兩種或多種不同材料制得的板材，如復(fù)合材料和多層板。
2．問題的闡述多年來認識到從建筑物或其它結(jié)構(gòu)物上反射電磁波會產(chǎn)生問題，如電視接受上的疊影及無線電接受上的靜電干擾和噪聲。在人口稠密的高技術(shù)社會，如美國、歐洲和日本的大城市這尤其是一個很大的問題。例如，日本的大城市在建造大型建筑物前必須有廣播電視電磁波影響報告，建筑法規(guī)還可能要求建成的建筑物應(yīng)避免反射無線電、電視和某些微波頻率范圍(即80-2400MHz)的電磁波。在某些情況下電磁波透過建筑材料也會造成保密問題。鑒于這些原因，業(yè)已對能吸收電磁輻射的建筑材料進行了廣泛的研究。例如，可參見Investigetion onOblique Incident Characteristics of Ferrite Absorbing Panels For TV GhostSuppression,Hironobu Ito et al.Japan Broadcasting Corporation et al(約1994)。用于建筑物的電磁波吸收板一般包括混凝土或其它基本建材的支承層、通常為金屬網(wǎng)或其它導(dǎo)電材料的反射層、通常為鐵氧體的吸收層以及用于保護吸收層免遭環(huán)境影響的外層(如硅酸鹽貼磚)。其它用作吸收層的材料包括混合在樹脂中的導(dǎo)電材料(如碳纖維)。
由于幾乎所有物質(zhì)都有吸收電磁輻射的特征吸收頻率，因此在一些窄頻率范圍內(nèi)能相對容易地找到吸收電磁輻射的材料。例如，鐵氧體的吸收峰約為200-400MHz。但很難(如果不是不可能的話)找到能在數(shù)千兆赫或甚至僅數(shù)百兆赫寬的頻率范圍吸收電磁波的材料。因此曾試圖使用包括鐵氧體、在樹脂中的導(dǎo)電纖維以及其它相似結(jié)構(gòu)物的組合材料的多層結(jié)構(gòu)作為電磁波吸收體。
已知使用1/4波片作為電磁波吸收體。在這種吸收體中，將厚度為1/4波長的材料置于100％反射材料(如金屬層)的前面。至今為止這種吸收原理還未用于制造建筑物吸收板，因為電視頻率范圍的電磁波波長有數(shù)米長。因此，幾米長的這種吸收體對建筑物來說太厚。
用于電磁波吸收板的最成功的材料是鐵氧體，它相對較重，厚度必須高達厘米級才能生效，并且相對較軟，因而需要其它建材層(如貼磚)以保護其免遭環(huán)境影響。因此，本領(lǐng)域已知的電磁波吸收板體積大，重量重，使得建筑物成本高，難以廣泛地用于整幢建筑，并且不能吸收通常存在于大城市中的所有頻率范圍的電磁波，或者兩種問題都有。另外，常規(guī)鐵氧體吸收頻率為200-400MHz，而VHF電視頻率范圍約為100-250MHz,UHF電視頻率范圍約從450MHz至高達約800MHz。因此，迫切需要一種相對輕而薄，同時能吸收寬頻率范圍(包括高達約800MHz)電磁波的吸收板。
現(xiàn)有的電磁波吸收板一般僅適用于電視電磁波的頻率范圍，這種電磁波由于反射而產(chǎn)生的問題是最普遍的。但是，在其它特定的區(qū)域電磁波反射問題會導(dǎo)致嚴重的后果，例如無線電LAN體系(它會由于反射而丟失數(shù)據(jù))以及機場無線電控制體系(其信號的清晰度關(guān)系到生存和死亡)。因此迫切需要一種在這些特殊用途的頻率范圍內(nèi)能強烈吸收電磁波的吸收板。
在實踐中發(fā)現(xiàn)，由于接近窄頻率范圍的電磁波源，因此許多建筑場所僅對窄的頻率范圍的電磁環(huán)境具有消極影響。在得知建筑物建造場所以前該窄頻率范圍是難以預(yù)知的。因此，能容易地調(diào)節(jié)至特定頻率的吸收板和這種吸收板的制造方法是非常有用的。
發(fā)明的概述本發(fā)明通過提供多組分吸收體來解決上述問題，根據(jù)由特定的建筑場所所決定的電磁環(huán)境問題，可將所述吸收體調(diào)節(jié)至覆蓋寬頻率范圍，或調(diào)節(jié)至對特定的頻率范圍具有大吸收性。所述調(diào)節(jié)可通過選擇多層組合材料中的具體材料、選擇復(fù)合材料中的具體材料、改變多層組合材料中層的厚度或復(fù)合材料的厚度、改變復(fù)合材料中各組分的含量以及組合使用上述方法來實現(xiàn)。
本發(fā)明提供特殊的材料組合，并使用這種組合來解決寬范圍的問題，或調(diào)節(jié)該組合以解決特殊的問題。例如，本發(fā)明提供一種高介電常數(shù)材料和鐵氧體的組合，它是中等范圍電視頻率的高效吸收體，并能通過選擇具體的材料以及通過改變各個組分層的厚度而調(diào)節(jié)至特定的頻率范圍。在另一個例子中，鐵電體層、鐵氧體層、聚合物層和反射金屬層的組合對整個電視頻率范圍的電磁波具有優(yōu)良的吸收性。在另一個例子中，可將第一鐵氧體層和第二鐵氧體層的組合調(diào)節(jié)至特定的頻率，當產(chǎn)生反射損耗的頻率范圍發(fā)生變化時，反射損耗的量變化很小。
本發(fā)明提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板包括建筑支承元件和由該支承元件層支承的吸收體元件，所述吸收體元件包括第一層、第二層和第三層，與所述第二層相比，所述第一層更靠近電磁波在所述吸收板上的入射點，所述第三層離所述電磁波入射點的距離更遠，所述第一層包括高介電常數(shù)材料，所述第二層包括鐵氧體，所述第三層包括低介電常數(shù)材料。較好的是，所述低介電常數(shù)材料是聚合物，高介電常數(shù)材料是鐵電材料。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板包括建筑支承元件和由該支承元件支承的吸收體元件，所述吸收體元件包括第一層和第二層，與所述第二層相比，所述第一層更接近電磁波在所述吸收板上的入射點，所述第一層包括鐵氧體，所述第二層包括高介電常數(shù)材料。較好的是，所述鐵氧體是鎳鋅鐵氧體，所述高介電常數(shù)材料是BST。所述吸收體元件最好還包括位于所述第一層和第二層之間的第三層以及位于所述第三層和第二層之間的第四層，所述第三層包括聚合物；所述第四層包括LSM。較好的是，所述吸收體元件還包括與第一層相比離電磁波的入射點更遠的第三層，所述第三層包括低介電常數(shù)材料。較好的是，第三層位于第一層和第二層之間，并且所述反射板還包括與吸收體元件相比離電磁波入射點更遠的導(dǎo)電反射元件。較好的是，吸收體元件還包括含有介電材料的第四層。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板包括建筑支承元件和由該支承元件支承的吸收體元件，所述吸收體元件包括第一層和第二層，與所述第一層相比，所述第二層離電磁波在所述吸收板上的入射點更遠，所述第一層包括鐵電材料，所述第二層包括鐵氧體。較好的是，所述吸收體元件還包括與所述第二層相比離電磁波的入射點更遠的第三層。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板包括建筑支承元件和由該支承元件支承的吸收體元件，所述吸收體元件包括第一層和第二層，與所述第一層相比，所述第二層離電磁波在所述吸收板上的入射點更遠，所述第一層包括鐵氧體，所述第二層包括鐵電材料。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板包括建筑支承元件和由該支承元件支承的吸收體元件，所述吸收體元件包括含有聚合物的第一層和含有介電常數(shù)比所述聚合物更高的材料的第二層。較好的是，與所述第一層相比，所述第二層離電磁波在所述吸收板上的入射點更遠?；蛘撸c所述第二層相比，所述第一層離電磁波在所述吸收板上的入射點更遠。較好的是，所述第二層含有鐵氧體并有n組吸收體元件，各組吸收體元件包括一層第一層和一層第二層，n是2-100的整數(shù)。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板包括建筑支承元件、由該支承元件支承的反射元件和由該支承元件支承的吸收體元件，與所述反射元件相比，所述吸收體元件更靠近電磁波在吸收板上的入射點，所述吸收體元件包括含有鐵氧體的第一層和含有低介電常數(shù)材料的第二層，與所述第一層相比，所述第二層離電磁波在所述吸收板上的入射點更遠。較好的是，有n組吸收體元件，各組吸收體元件包括一層第一層和一層第二層，并且n是2-100的整數(shù)。
本發(fā)明還提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板包括建筑支承元件和由該支承元件支承的吸收體元件，所述吸收體元件包括含有高介電常數(shù)材料的第一層，含有磁導(dǎo)率虛部大于或等于磁導(dǎo)率實部的材料的第二層，以及含有低介電常數(shù)材料的第三層，與第一層相比所述第三層離電磁波在吸收板上的入射點更遠，第二層位于第一層和第三層之間。較好的是，第二層含有鐵氧體，并且反射板還包括與吸收體元件相比離電磁波在吸收板上的入射點更遠的導(dǎo)電反射元件。較好的是，所述第三層含有聚合物，所述第一層含有選自ABO3型鈣鈦礦和分層的超點陣材料的材料。
另外，本發(fā)明提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板能在一頻率范圍內(nèi)有效地吸收電磁波，它包括電容率有效實部為ε’eff和磁導(dǎo)率有效實部為μ’eff的多組分吸收體元件，在所述頻率范圍內(nèi)(ε’effμ’eff)1/2～1/f，其中f為入射電磁波的頻率。
本發(fā)明的另一方面是提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板能在一頻率范圍有效地吸收電磁波，該吸收板包括電容率有效實部ε’eff隨頻率下降的多組分吸收體元件。
本發(fā)明還通過提供電磁波吸收板來解決上述問題，所述吸收板的材料包括例如以前從未考慮用于這種吸收板中的高介電常數(shù)材料、鐵電體、導(dǎo)電氧化物、磁鉛石、石榴石和影象(signet)磁性材料。這些材料可與以前用于電磁波吸收板的鐵氧體一起組合使用，本發(fā)明還提供一種新的鎳鋅鐵氧體(即Ni0.4Zn0.6Fe2O4)，它特別適用于電磁波吸收板。
本發(fā)明提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板包括建筑支承元件和支承在該支承元件上的吸收體元件，所述吸收體元件包括高介電常數(shù)材料。較好的是，該吸收體元件還包括鐵氧體和聚合物。較好的是，所述高介電常數(shù)材料是選自ABO3型鈣鈦礦、分層的超點陣材料、導(dǎo)電氧化物和影象磁性材料的材料。較好的是，所述高介電常數(shù)材料是選自BST、LSM和Z×BaTiO3+(100％-Z)×BiFeO3的材料，其中100％＞Z＞0％。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板包括建筑支承元件和支承在該支承元件上的吸收體元件，所述吸收體元件包括鐵電材料。較好的是，該吸收體元件還包括鐵氧體和聚合物。較好的是，所述鐵電體選自ABO3型鈣鈦礦和分層的超點陣材料。較好的是，該鐵電體是選自鈦酸鋇、鉭酸鍶鉍、鈮酸鍶鉍、鈦酸鍶鉍、鋯酸鍶鉍及其固溶體。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，所述吸收板包括建筑支承元件和支承在所述支承元件上的吸收體元件，所述吸收體元件包括聚合物和第二種材料的復(fù)合材料，所述第二種材料是選自高介電常數(shù)材料、鐵電體、石榴石、磁鉛石和影象磁性材料。較好的是，所述第二種材料是選自鎳鋅鐵氧體、BST、LSM、釔-鐵石榴石、鉭酸鍶鉍、鈮酸鍶鉍、鈦酸鍶鉍、鋯酸鍶鉍及其固溶體的材料。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，所述吸收板包括建筑支承元件和支承在所述支承元件上的吸收體元件，所述吸收體元件包括石榴石。較好的是，所述石榴石是釔-鐵石榴石。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，所述吸收板包括建筑支承元件和支承在所述支承元件上的吸收體元件，所述吸收體元件包括磁阻材料。較好的是，該磁阻材料是選自La0.67Sr0.33MnO3、LaxCa(1-x)MnO3以及LaxPb(1-x)MnO3的材料，其中0＜x＜1。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，所述吸收板包括建筑支承元件和支承在所述支承元件上的吸收體元件，所述吸收體元件是Ni0.4Zn0.6Fe2O4。
這些新材料制得的吸收板比現(xiàn)有的吸收板更輕，體積更小，并能吸收更寬頻率范圍內(nèi)的電磁波。另外，分析新材料的工作原理可進一步理解電磁波的吸收過程。
本發(fā)明不僅提供新的電磁波吸收板用多組分結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)比建筑中用于吸收電磁波的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)更輕、體積更小并吸收更寬頻率范圍的電磁波，而且對這種結(jié)構(gòu)的研究導(dǎo)致對電磁波的吸收原理(如在吸收板中介電常數(shù)所起的作用)有更深的理解，還形成了吸收板的設(shè)計方法先研制一種結(jié)構(gòu)，它在要求吸收的區(qū)域大致能吸收電磁波，隨后調(diào)節(jié)吸收體的組成使得介電常數(shù)和其它參數(shù)能接近于1/4波片，并調(diào)節(jié)材料的厚度以遷移吸收波段使之覆蓋要求的頻率范圍。以下參照附圖的描述將進一步說明本發(fā)明的許多其它特征、目的和優(yōu)點。
附圖簡述

圖1是部分截去的本發(fā)明電磁波吸收板的示意圖；圖2是本發(fā)明電磁波吸收板沿圖1的2-2的剖面圖；圖3是圖1吸收板的電磁波吸收層的較好實例的剖面圖；圖4是圖1吸收板的電磁波吸收層的另一個較好實例的剖面圖；圖5是本發(fā)明三種不同的高介電常數(shù)/鐵氧體電磁波吸收貼磚的反射損耗-頻率曲線；圖6是六種不同的鎳鋅鐵氧體的固溶體的反射損耗-頻率曲線；圖7是鐵氧體Ni0.4Zn0.6Fe2O4電容率的實部和虛部與頻率的關(guān)系；圖8是鐵氧體Ni0.4Zn0.6Fe2O4磁導(dǎo)率的實部和虛部與頻率的關(guān)系；圖9-15是圖1吸收板的電磁波吸收層的另一些較好實例的剖面圖；圖16是由一層錳鐵氧體和一層鎳鋅鐵氧體固溶體制成的多層電磁波吸收體的五種不同厚度組合的反射損耗-頻率曲線。
圖17是計算機模擬的包括1mm50/50BaTiO3+BaFeO3固溶體、5mmNi0.4Zn0.6Fe2O4以及5mmTeflonTM的吸收板的反射損耗-頻率曲線；圖18是計算機模擬的包括具有5mmNi0.4Zn0.6Fe2O4、4mm聚碳酸酯和1mm70/30BST的鐵氧體/聚合物/高介電常數(shù)吸收層的吸收板的反射損耗-頻率曲線；圖19是計算機模擬的包括具有13mm50％聚碳酸酯和50％(BaTiO3+4BiFeO3)的聚合-陶瓷復(fù)合吸收層的吸收板的反射損耗-頻率曲線；圖20是計算機模擬的包括具有Ni0.4Zn0.6Fe2O4作為鐵氧體、BST作為介電182并且無反射層的鐵氧體/高介電常數(shù)電磁波吸收體的反射損耗-頻率曲線；圖21-24是圖1吸收板的電磁波吸收層的另一些較好實例的剖面圖；圖25是計算機模擬的各種厚度的鐵氧體/聚合物/LSM/高介電常數(shù)吸收體的反射損耗-頻率曲線；圖26是計算機模擬的各種厚度的多層鐵氧體/聚合物吸收體的反射損耗-頻率曲線；圖27是計算機模擬的具有50組鐵氧體/聚合物層的吸收體中各種鐵氧體/聚合物組合厚度的反射損耗-頻率曲線；圖28是制造本發(fā)明聚合物-陶瓷復(fù)合材料方法的流程圖；圖29是制造本發(fā)明陶瓷材料方法的流程圖30是圖1吸收板的電磁波吸收層的另一個較好實例的剖面圖。
較好實例的詳細描述圖1和圖2是本發(fā)明電磁波吸收板的示意圖。圖1是部分截去的透視圖，圖2是剖面圖。首先，應(yīng)理解圖1、圖2和其它用于描述本發(fā)明吸收體106剖面的附圖不是描述實際吸收板或吸收體的圖片，而是與實際圖片相比能更清楚地說明本發(fā)明的簡化示意圖。例如，某些層與其它層相比太薄，以致于如果以正確的相對厚度描繪各層的話，則許多附圖會太大而難以畫在單張紙上。吸收板100包括四個基本元件支承元件102、反射元件104、吸收體元件106和外保護元件108。較好的是，各個元件102、104、106和108均包括一層材料，所述各層材料間基本相互平行。支承元件102是由建筑材料(如混凝土)制成的。反射層104通常是一層導(dǎo)電材料(如金屬)。在較好的實例中，它通常是一層鐵網(wǎng)或鐵格子104，它被埋入混凝土102中并且如混凝土領(lǐng)域中已知的那樣還起加固混凝土的作用。一般來說，網(wǎng)104在混凝土102中埋入的深度為1-5英寸。由于要吸收的電磁波波長為一米至數(shù)百米數(shù)量級，因此它們“覺得”該網(wǎng)基本是整塊的并被反射。反射體元件106只是示意地顯示在圖1和圖2中。該層106的較好實例詳細描述于下。由下面描述可知，吸收體106的各個實例包括多個組分，它可含有兩種不同的材料組分(如聚合物-陶瓷復(fù)合材料中的聚合物和第二種材料)，或者含有兩層或多層不同材料的層。由上所述，應(yīng)理解本文中術(shù)語“多組分”不包括單種化合物，即使該化合物含有多種元素。保護元件108一般由常規(guī)建筑材料(如含硅貼磚)制成，它同時兼有裝飾作用和抗天候老化作用。本發(fā)明的一個重要特征是在某些實例中，保護貼磚元件108是任選的，換句話說，它是吸收體元件106的一部分。也就是說，本發(fā)明某些吸收體材料(如高介電常數(shù)材料(參見下面))也是具有高抗天候老化性的陶瓷材料或其它硬化材料。反射元件104也是任選的。在某些情況下，可將反射元件104混入厚度足以阻止所有電磁輻射穿透的支承元件102中。在某些情況下，當吸收體元件106的強度足以支承其參與的墻壁或其它結(jié)構(gòu)物時，支承元件102可以與該吸收體元件106相同。盡管較好的實例一般涉及將反射元件104作為一個整體部分的混凝土或其它建筑物，但是在某些應(yīng)用中，如果要求將反射保持在最小時，可不需要反射元件。也就是說，在某些情況下，要根本不產(chǎn)生反射才可解決疊影問題。除非另有說明，否則在下面描述的實例中均存在有反射元件104。由于本發(fā)明主要涉及吸收體元件106的材料和結(jié)構(gòu)，因此在本文的下面部分將主要描述吸收元件106。在圖2和下面吸收體元件106的各個實例中，電磁輻射110從附圖的左面入射。這是重要的，因為從電磁輻射110的入射點109開始的多層吸收材料的排列次序?qū)τ诋a(chǎn)生最佳的吸收性是重要的。
難以建造并試驗吸收體板100是在本領(lǐng)域中取得進步的最大障礙。試驗板100體積大，不易制造成各種不同的構(gòu)造。另外，難以制造能滿意地對試樣進行試驗的試驗裝置。本發(fā)明通過建立能模擬各種吸收板100結(jié)構(gòu)的復(fù)雜的計算機體系而克服了上述困難。建立了許多吸收板100的實例并將其與計算機模擬體系的結(jié)果進行比較以幫助完善該模擬體系。在下面的描述中，除非特別說明測得的數(shù)據(jù)來自計算機模擬體系，否則數(shù)據(jù)均由實際的試樣給出。
圖3是本發(fā)明吸收體元件的較好實例106A的剖面圖。在吸收體106的實際制造和試驗中，對于圖3的實例106A和下述其它實際制造的實例，按下述方法制得吸收體，并將其固定在同軸夾具中的金屬支承體上。也就是說，由于試驗中的明顯困難，因此試驗時不包括支承體102和外貼磚109。但是，由于電磁波從導(dǎo)電金屬層上100％被反射，并且試驗表明外貼磚109不會明顯影響吸收體，因此本文所描述的實驗結(jié)果很接近實際的吸收板100。吸收體元件106A包括材料112，它最好是介電材料，但也可以是表1所列的任何材料。在圖3的實例中，盡管該實例的介電材料112最好是高介電常數(shù)材料，但是也可使用表1所列的任何介電材料。層114是鐵氧體。它可以是任何鐵氧體，盡管較好是鎳鋅鐵氧體、銅鋅鐵氧體、或鈷鋅鐵氧體，最好是Ni0.4Zn0.6Fe2O4。介電材料112最好明顯薄于鐵氧體114，尤其當它是高介電常數(shù)材料時。當材料112是高介電常數(shù)材料時，它一般比鐵氧體114薄2-10倍、最好約薄3-6倍。在圖3實例中，材料112遠離反射體104而更靠近吸收板100的外表面。還發(fā)現(xiàn)電磁波吸收板非常需要高介電常數(shù)材料，而不論其相對于其它吸收體材料的位置。在本文中，術(shù)語“高介電常數(shù)”指介電常數(shù)為20或更高，最好為50或更高，術(shù)語“低介電常數(shù)材料”指介電常數(shù)為10或更低的材料。較好的是，低介電常數(shù)材料是硅玻璃或塑料，如TeflonTM、聚碳酸酯、聚乙烯或其它聚合物。也可使用氧化鋁。高介電材料112可以是在某些溫度下為鐵電體的金屬氧化物，盡管在室溫它可能不是鐵電體。適用于電磁波吸收板的高介電常數(shù)材料的例子有ABO3型鈣鈦礦，包括介電材料和鐵電體如鈦酸鋇鍶(BST)、鈦酸鋇和分層的超點陣材料，還包括同時是介電材料和鐵電體的材料如鉭酸鍶鉍、鈮酸鍶鉍鉭和鈮酸鋇鉍。ABO3型鈣鈦礦描述在Franco Jona and G.Shirane,Ferroelectric Crystals,Dover Publications,New York,pp108et seq。分層的超點陣(superlattice)材料描述在1996年5月21日公告的美國專利5,519,234中?？膳c鐵氧體114層疊的其它材料包括導(dǎo)電氧化物如La1-xSrxMnO3(LSM)和Fe3O4；磁阻材料，包括某些配比的LSM，如La0.67Sr0.33MnO3以及LaxCa(1-x)MnO3和LaxPb(1-x)MnO3；影象磁性材料，如BaTiO3+BiFeO3；磁鉛石，如BaO·6Fe2O3；石榴石如釔-鐵石榴石(3Y2O3·5Fe2O4或Y6Fe10O24)等。
可用于圖3實例以及本發(fā)明所有其它實例中的各種類型的材料列于表1。應(yīng)理解所列特性是概括的，對給定類型的具體材料會有偏差。注意在公式中的圓點將材料中可能以不同比例存在的兩部分分開；例如，BaO·6Fe2O3是指1單位BaO和6單位Fe2O3的混合物，它是例如磁鉛石和影象磁性材料這種材料的常規(guī)表示方法。表1列出“復(fù)合材料”作為一種類型的介電材料(dielectric)。許多這類復(fù)合材料將在下面描述。在本文中，術(shù)語“復(fù)合材料”是指由至少兩種不同材料的均勻混合物(如陶瓷粉均勻地分布在整個聚合物中)制得的材料。
表1
圖5是由高介電常數(shù)材料和鐵氧體制得的三種不同的多層吸收貼磚106A的吸收性能。各根曲線117、118和119表示以分貝為單位的反射損耗與以GHz為單位的頻率間的函數(shù)關(guān)系。反射損耗是比較入射在109側(cè)上的電磁輻射量與從109側(cè)反射的電磁輻射量得到的損耗量。所有曲線均在室溫測得。曲線117是貼磚106A的反射損耗與頻率的函數(shù)關(guān)系，其中層112是1mm鉭酸鍶(SrTa2O6)；層114是5mm鎳鋅鐵氧體(Ni0.4Zn0.6Fe2O4)，它是兩種鐵氧體NiFe2o4和ZnFe2O4的固溶體。曲線118是貼磚106A的反射損耗與頻率的函數(shù)關(guān)系，其中層112是1mm鉭酸鍶(SrTa2O6)；層114是4mm鎳鋅鐵氧體(Ni0.4Zn0.6Fe2O4)。曲線119是貼磚106A的反射損耗與頻率的函數(shù)關(guān)系，其中層112是1mm鉭酸鍶(SrTa2O6)；層114是5mm錳鐵氧體(MnFe2O4)。SrTa2O6的介電常數(shù)約為90，而Ni0.4Zn0.6Fe2O4的介電常數(shù)約為10(見圖7)。一般來說，在電磁波吸收板領(lǐng)域中，認為具有20db或更高的入射波反射損耗的材料是良好的吸收體。20db的吸收是大得足以在建筑物電磁波影響中產(chǎn)生明顯差異的衰減，因為這是目前的電子線路足以濾去不合需要的反射的衰減。1mm/5mm鉭酸鍶/鎳鋅鐵氧體曲線119的吸收使之成為約0.1-0.3GHz(100Mhz-300MHz)范圍內(nèi)可接受的吸收體。如曲線118所示，將鎳鋅鐵氧體的厚度減少1mm，使得貼磚在約0.25-0.5GHz成為優(yōu)良吸收體。將鐵氧體改成錳鐵氧體，可使貼磚在約0.5-0.65GHz范圍內(nèi)成為優(yōu)良吸收體。這對于電磁波影響報告中認為需要在該范圍內(nèi)吸收的建筑物來說是理想的選擇。一般來說，鐵氧體具有低的介電常數(shù)ε’，低或中等的磁導(dǎo)率虛部ε”，低的磁導(dǎo)率實部μ’，以及高的磁導(dǎo)率虛部μ”。
從圖5曲線能獲得的最重要的信息可能是吸收峰頻率和吸收峰寬度受到厚度的微小變化和材料變化的強烈影響。因此，可設(shè)計調(diào)節(jié)高介電常數(shù)/鐵氧體吸收體，使之覆蓋整個電視頻率范圍，即由約0.1GHz-8GHz，中幾乎任一位置的約200兆赫的范圍。
含有兩種或多種鐵氧體的固溶體的電磁波吸收體元件106B示于圖4。發(fā)現(xiàn)這種固溶體本身優(yōu)于單種鐵氧體，尤其當特定的頻率范圍是關(guān)鍵的時。吸收峰頻率和吸收峰寬度高度依賴于固溶體中各種鐵氧體的比例和吸收體的厚度。這可參見圖6，圖6顯示六種不同的鎳鋅鐵氧體固溶體的吸收性能。固溶體的化學(xué)式和各種貼磚的厚度列于表2。
表2
由圖6所示的結(jié)果可見，固溶體(如圖3中的層疊貼磚)有助于設(shè)計能在要求的頻率范圍內(nèi)進行吸收的貼磚。Ni0.4Zn0.6Fe2O4、Ni0.50Zn0.50Fe2O4固溶體在整個電視頻率范圍內(nèi)形成20dB或更大的反射損耗，Ni0.4Zn0.6Fe2O4特別適用于VHF,Ni0.5Zn0.5Fe2O4特別適用于UHF。鐵氧體作為電磁波吸收體的能力與隨頻率而變的材料的電容率和磁導(dǎo)率有關(guān)。在本文中，當使用“電容率”時，它是指單位與介電常數(shù)相應(yīng)的參數(shù)。也就是說，“電容率”的實部等于介電常數(shù)。圖7和圖8分別表示鐵氧體固溶體Ni0.4Zn0.6Fe2O4的電容率ε和磁導(dǎo)率μ。在圖7中，顯示電容率的實部ε’和電容率的虛部ε”與以千兆赫為單位的頻率的關(guān)系。在圖8中，顯示了磁導(dǎo)率的實部μ’(介電常數(shù))和磁導(dǎo)率的虛部μ”與以千兆赫為單位的頻率的關(guān)系。該曲線是非常有啟發(fā)性的。在大多數(shù)材料中，電容率的虛部ε”和磁導(dǎo)率的虛部μ”遠小于相應(yīng)參數(shù)的實部。但是，在鎳鋅鐵氧體中，磁導(dǎo)率的虛部μ”大于磁導(dǎo)率的實部μ’。在這種鐵氧體中磁導(dǎo)率的虛部μ”特別大。
“混合”鐵氧體以設(shè)計吸收體元件106的另一種方法是制造多層鐵氧體吸收體。這種多層鐵氧體吸收體106C示于圖9。在本發(fā)明的這個實例中，吸收體元件106C包括兩層或多層鐵氧體材料150和152，層150和層152是不同的鐵氧體材料。同樣，吸收峰頻率和吸收曲線的寬度隨層150和152中鐵氧體的種類而異并隨各層的厚度而變。在圖16中，顯示對于由錳鐵氧體層150和鎳鋅鐵氧體固溶體層152制得的多層吸收體106C，它的五種不同厚度組合的反射損耗(dB)與頻率(GHz)的關(guān)系。各種錳鐵氧體層和鎳鋅鐵氧體層多層組合的厚度列于表3。
表3
單獨地看，每種多層鐵氧體吸收體在約覆蓋整個電視波段2/3的寬范圍內(nèi)形成大于20dB的反射損耗。例如，將1.5mm厚的MnFe2O4層與4.5mm厚的Ni0.4Zn0.6Fe2O4層組合在一起的多層吸收體的曲線152表明，該吸收體106C能高效地吸收整個VHF頻率區(qū)的電磁波。整體上看，由圖16的結(jié)果可見，可對由多層鐵氧體層形成的多層吸收體106C進行設(shè)計，以便在電視譜中央的相對寬的頻率范圍內(nèi)將峰值頻率遷移至任何特定的頻率處，而不明顯改變反射損耗的絕對值。
圖10是本發(fā)明吸收體元件106的另一個實例106D。該實例包括高介電常數(shù)材料160、鐵氧體162和低介電常數(shù)材料164。所述高介電常數(shù)材料160最好是鐵電陶瓷材料如鈦酸鋇(BaTiO3)，盡管它也可以是其它高介電常數(shù)材料如BST或其它ABO3型鈣鈦礦、其它分層的超點陣材料或影象磁性材料如BaTiO3+BaFeO3。參見1996年5月21日公告的Araujo的美國專利5,519,234對于分層的超點陣材料的全面描述。影象磁性材料包括BaTiO3+BaFeO3、BaTiO3+BiFeO3和BaO·3BaTiO3·3Fe2O3。鐵氧體162最好是Ni0.4Zn0.6Fe2O3，盡管它也可以是上述其它鐵氧體。低介電常數(shù)材料164較好是聚合物，如TeflonTM、聚碳酸酯或聚乙烯如ButvarTM，但也可以是其它塑料或其它重量相對較輕的低介電材料。
圖17是吸收板100的反射損耗(dB)與頻率(GHz)關(guān)系的計算機模擬曲線，其中吸收板100的吸收元件106D包括1mm50/50的BaTiO3+BaO·6Fe2O3固溶體、5mmNi0.4Zn0.6Fe2O3以及5mmTeflonTM。該吸收板在整個電視頻率區(qū)的反射損耗約為30dB，這是目前為止已知的所有吸收板在該頻率范圍內(nèi)的最佳反射損耗。它還是優(yōu)良的機場用吸收體，因為它在機場控制體系的頻率范圍內(nèi)(即約0.1-0.4GHz)能很好地吸收電磁波。
圖11顯示吸收體元件106的另一個實例106E，其中鐵氧體166和高介電常數(shù)材料170將聚合物168夾在中間。本實例的較好的材料與圖10實例的材料相同，但是排列次序各異。圖18是吸收板100的反射損耗(dB)與頻率(GHz)關(guān)系的計算機模擬曲線，其中吸收板100的鐵氧體/聚合物/高介電常數(shù)材料吸收元件106E包括5mm Ni0.4Zn0.6Fe2O3、4mm聚碳酸酯、以及1mm 70/30BST(即Ba0.7Sr0.3TiO3)。該實例在800-900MHz頻率范圍具有優(yōu)良的吸收性能，并因此當在該范圍內(nèi)的吸收是關(guān)鍵的話(如需要吸收的電磁波是無線電局部網(wǎng)絡(luò)(LAN)體系時)能形成優(yōu)良的吸收板。
圖12顯示電磁波吸收體元件106的另一個實例106F。該實例包括聚合物-陶瓷復(fù)合層176。較好的聚合物是聚碳酸酯或聚乙烯，盡管也可以是TeflonTM或任何其它重量輕、強度相對較高的聚合物。可在聚合物中摻入上面提到的任何粉末狀陶瓷材料。較好的陶瓷材料列于表4，該表中還列出了各種材料在100MHz-1GHz的介電常數(shù)實部和虛部平均值ε’及ε”，以及磁導(dǎo)率實部和虛部的平均值μ’及μ”。
表4
較好的聚碳酸酯聚合物和某些表4陶瓷材料與聚碳酸酯聚合物的復(fù)合材料的實驗數(shù)據(jù)列于表5。表5還列出了各種材料在100MHz-1GHz的介電常數(shù)的實部和虛部平均值ε’及ε”，磁導(dǎo)率的實部和虛部平均值μ’及μ”。
表5
圖19是吸收板100的反射損耗(dB)與頻率(GHz)關(guān)系的計算機模擬曲線，其中吸收板100的聚合物-陶瓷復(fù)合材料吸收元件106F包括13mm50％聚碳酸酯和50％(0.25BaTiO3+0.75BiFeO3)。在高頻無線電波譜區(qū)它表現(xiàn)出良好的吸收性。
圖13顯示本發(fā)明吸收體106的一個實例106G，它包括鐵氧體108和材料182。該實例與圖3實例相同，但是相對于電磁輻射入射波110來說鐵氧體180和材料182的位置顛倒了。鐵氧體180可以是表1所列的或者在描述圖3時提到的任何鐵氧體。對于電視應(yīng)用，較好是鎳鋅鐵氧體，尤其是Ni0.4Zn0.6Fe2O4。材料182可以是表1所列的或者在描述圖3時提到的任何材料。同樣，介電材料是較好的，盡管在某些頻率范圍某些其它材料(如LSM)給出的結(jié)果好于介電材料給出的結(jié)果。在本實例中，根據(jù)鐵氧體的不同，發(fā)現(xiàn)低或高介電常數(shù)的材料均能給出良好的結(jié)果。應(yīng)注意在介電材料更靠近入射電磁波110的情況下(即圖3實例)，最好是高介電常數(shù)的材料，而在介電材料被置于鐵氧體和金屬104之間的情況下(如圖13)，低介電常數(shù)材料(即介電常數(shù)最高為10的材料)也能提供良好的結(jié)果。盡管低介電常數(shù)材料本身在MHz頻率范圍不是良好的吸收體，但將其置于鐵氧體和金屬之間以后，它們能顯著地改進體系100的總體吸收性能。
圖20是五種不同厚度的鐵氧體/高介電常數(shù)材料電磁波吸收體106G的反射損耗(dB)與頻率(GHz)關(guān)系的計算機模擬曲線，其中吸收元件106G包括Ni0.4Zn0.6Fe2O4作為鐵氧體，BST作為介電材料182。在本具體實例中，不使用反射層104。各個曲線的鐵氧體層180的厚度列于表6。介電材料182的厚度足以使電磁波不能穿透試樣，或者出于計算機模擬的需要，其厚度為無窮大。實際上，對于許多材料，數(shù)英寸或一英尺厚的材料厚度即可防止電磁輻射穿透試樣。由于電磁輻射未穿透試樣，它不是被吸收就是被反射，因此如前面那樣反射損耗再次成為吸收性能的合適的量度。
表6
由圖可見，對于一種介電材料厚度其吸收性是高的，其它則相對較低。因此，在無反射元件104時電磁波吸收體元件106G的厚度顯得更為重要。電磁波吸收體106G實例的另一個計算機模擬曲線是試樣中鐵氧體180為Ni0.4Zn0.6Fe2O4、材料182為LSM并包括金屬背襯板104的曲線。結(jié)果與圖20的曲線相似，但是吸收約為32dB，并且吸收并不象圖20那樣強烈依賴于厚度。最大的吸收發(fā)生在鐵氧體180為5mm厚，LSM為5mm厚。電磁波吸收體106G實例的再一個計算機模擬曲線是試樣中鐵氧體180為Ni0.4Zn0.6Fe2O4、材料182為磁鉛石Ba4Ti3Fe6O19并包括金屬背襯板104的曲線。結(jié)果與圖20的曲線相似，但是最小吸收約為-29dB，并且吸收并不象圖20那樣強烈依賴于厚度。最大的吸收發(fā)生在鐵氧體180為5mm厚，磁鉛石為5mm厚。電磁波吸收體106G實例的第四個計算機模擬曲線是試樣中鐵氧體180為Ni0.4Zn0.6Fe2O4、材料182為氧化鋁Al2O3并包括金屬背襯板104的曲線。氧化鋁的介電常數(shù)約為9。結(jié)果與圖20的曲線相似，但是最小吸收約為-39dB，也就是說吸收稍大于圖20中的吸收，并且吸收并不象圖20那樣強烈依賴于厚度。最大的吸收發(fā)生在鐵氧體180為5mm厚，氧化鋁為1mm厚。氧化鋁可由液體沉積法制得，它在某些方面比本文所述的用于其它介電材料和鐵氧體的陶瓷制造方法更簡單，因此使用氧化鋁的這個實例在某種程度上優(yōu)于其它實例。
圖14和圖15是很容易調(diào)節(jié)的吸收體體系的另兩個實例。在圖14中，吸收體106H包括聚合物層186和另一個介電材料層188。在圖15中，吸收體106I包括介電材料層190和聚合物層192。較好的是，在各個實例中介電材料188和190的介電常數(shù)分別高于聚合物186和192的介電常數(shù)。盡管在某些頻率范圍這些實例表現(xiàn)出優(yōu)良的可調(diào)節(jié)性并且反射損耗顯著超過20dB，但是實際試驗過的材料組合中沒有一種具有圖3、10和11實例那樣良好的吸收特性。在這兩種實例中，較好的聚合物是聚碳酸酯或聚乙烯，較好的介電材料是BST，盡管也可使用其它聚合物和介電材料。由于吸收體106H和106I容易制造且重量相對較輕，因此它們特別重要。
圖21是能給出良好結(jié)果的吸收體106的另一個實例106J。吸收體元件106J包括鐵氧體層194、低介電常數(shù)材料層196以及高介電常數(shù)材料層198。該106J實例與圖11實例相同，但是它推廣為包括任何低介電常數(shù)材料196，而不僅僅是聚合物。硅玻璃是合適的低介電常數(shù)材料，而較好的鐵氧體194和高介電常數(shù)材料198可參見圖11的描述。可調(diào)節(jié)該實例106J以給出與圖11的實例106E大致相似的性能。對鐵氧體194為Ni0.4Zn0.6Fe2O4、介電材料196為硅玻璃并且介電材料198為BST的吸收體106J進行計算機模擬得到反射損耗曲線。最佳的吸收為吸收體106J中層194為5mm厚，層196為4mm厚并且層198為1mm厚。該吸收體在整個電視光譜區(qū)的反射損耗高于20dB，峰值吸收接近35dB。
圖22、23和24是幾個例子，表示怎樣將上述層疊原理應(yīng)用于多層吸收體106中。在圖22的106K實例中，具有一層鐵氧體層210和三層介電材料層212、214和216。上述任何鐵氧體均可用作鐵氧體210，上述任何介電材料均可用作這些實例的介電材料，應(yīng)說明的是介電材料214不同于介電材料212和216。這種實例的一個例子是吸收體106K中鐵氧體210是Ni0.4Zn0.6Fe2O4、介電材料212是聚合物、介電材料214是LSM、介電材料216是BST。對于不同的材料厚度用計算機模擬得到的反射損耗(dB)-頻率(GHz)曲線示于圖25。材料的厚度列于表7。
表7
本發(fā)明設(shè)想可使用更多層的介電材料。由于介電材料層相對較薄，因此相對較容易形成這種多層板。
圖22的106L實例的吸收體106包括鐵氧體層220、聚合物層222、第二鐵氧體層224、第二聚合物層226和第三鐵氧體層228。同樣，可使用任何上述鐵氧體和聚合物。圖26是吸收體106L的反射損耗(dB)-頻率關(guān)系的計算機模擬圖，在該106L中鐵氧體220、224和228為Ni0.4Zn0.6Fe2O4，聚合物222和226為聚碳酸酯，其性能列于表5。各個曲線的各層厚度列于表8。
表8
圖24的實例106M所示的吸收體106包括n組鐵氧體/聚合物層，其中n大于1并最好為100或小于100。也就是說，實例106M的基本吸收體元件是一層鐵氧體層230和一層聚合物層231。如圖所示用數(shù)字1表示的基本吸收體元件被重復(fù)n次。鐵氧體可以是上述任何鐵氧體，聚合物可以是上述任何聚合物。較好的是，在各個吸收體元件中鐵氧體和聚合物分別相同，盡管本發(fā)明設(shè)想可使用與其它元件不同的材料制得一種或所有1-n個吸收體元件。圖27是吸收體106M反射損耗(dB)-頻率關(guān)系的計算機模擬曲線，在吸收體106M中鐵氧體230為Ni0.4Zn0.6Fe2O4，聚合物231為聚碳酸酯，其性能列于表5,n=50。各個曲線的基本吸收體元件中鐵氧體230的厚度和聚合物231的厚度列于表9。
表9
對上述所有結(jié)果的分析表明，最好的吸收體106可能是圖30所示的106N實例。該吸收體106N包括夾在高介電常數(shù)材料300和低介電常數(shù)材料304中間的高μ”材料302。較好的是，高介電常數(shù)材料最靠近電磁輻射的入射側(cè)110，低介電常數(shù)材料最靠近支承結(jié)構(gòu)100和金屬反射材料104。較好的是，中間層302的磁導(dǎo)率的虛部μ”不僅較大，而且還大于磁導(dǎo)率的實部μ’。較好的是，高介電常數(shù)材料的介電常數(shù)為100或更大，低介電常數(shù)材料為5或更小。
在本領(lǐng)域中上述進步是根據(jù)經(jīng)驗的結(jié)果。一般來說，發(fā)明人認為對于某些材料(如鐵氧體)，良好的結(jié)果歸因于這些材料的高μ”。但是，難以解釋所獲得的許多良好結(jié)果，尤其是由于所使用的許多材料不具有能解釋結(jié)果的容易確定的性能。對上述結(jié)果進行了仔細分析，目前認為某些良好的吸收性能與1/4波片的原理有關(guān)。在1/4波片吸收體中，將厚度為波長1/4的材料置于100％反射材料(如金屬層)的前面。也就是說這種吸收原理僅在下列厚度有效(1)t=λeff/4其中，λeff=λ/(ε’μ’)1/2，λ是入射波的波長。粗略地看，由于所用材料的厚度遠薄于典型的電視波長的1/4，并且等式(1)僅在很窄的波長范圍內(nèi)才能成立，因此它似乎不能提供如上所述的相對寬的吸收。但是，在高介電常數(shù)材料中，給定頻率的電磁波波長遠比其在空氣中的波長短。另外，如果對于某些吸收體106的結(jié)構(gòu)，ε’μ’與頻率有關(guān)，使得
(2)f=1/(ε’μ’)1/2其中f是波長為λ的電磁波的頻率，則該結(jié)構(gòu)在等式(2)成立的整個頻率范圍內(nèi)都是良好的吸收體。如果在一個相對寬的頻率范圍內(nèi)一種吸收體結(jié)構(gòu)的有效ε’μ’服從等式(2)，也就是說，如果在寬的頻率范圍內(nèi)(3)(ε’effμ’eff)1/2～1/f或者(4)neff～1/f其中，neff為有效折射率，那么該結(jié)構(gòu)將是良好的吸收體。參見上面表4和表5可發(fā)現(xiàn)對于許多本發(fā)明材料，μ’eff=1或非常接近1。用幾種這些材料制得的結(jié)構(gòu)，其μ’eff也會等于1或非常接近1。用這些材料制得的并且在特定的頻率范圍內(nèi)(5)(ε’eff)1/2～1/f的結(jié)構(gòu)在該頻率范圍內(nèi)將是良好的吸收體。
由上面描述可見，在一頻率范圍內(nèi)有效ε’μ’隨頻率而下降的任何材料或結(jié)構(gòu)，或者在一頻率范圍內(nèi)有效介電常數(shù)隨頻率而下降并且在該頻率范圍內(nèi)μ’為1或接近1的任何材料或結(jié)構(gòu)，只要其厚度接近等式(1)給出的厚度，那么至少在部分該頻率范圍內(nèi)它一般是良好的吸收體。也就是說，ε’隨頻率下降這一事實增加了四分之一波長關(guān)系式(1)大致成立的范圍，從而增加了材料或結(jié)構(gòu)成為有效1/4波片的范圍。在該范圍內(nèi)有效介電常數(shù)的減小越接近等式(5)，結(jié)構(gòu)成為良好吸收體的頻率范圍越寬。記住這一點，從圖7和8就可理解為什么鎳鋅鐵氧體，尤其當其與高介電常數(shù)材料組合在一起時，在寬的頻率范圍內(nèi)是良好的吸收體。
形成良好吸收性的另一個重要因素是相鄰層的阻抗匹配。也就是說，相鄰層的阻抗應(yīng)基本相等。對于最接近反射板100外表面的層，這意味著阻抗應(yīng)為1或接近1，因為空氣的阻抗為1。如果相鄰層的阻抗相差很大，電磁波會在兩層間的界面發(fā)生反射，內(nèi)層將不會明顯地參與吸收。阻抗定義為z=([μ’-iμ”]/[ε’-iε”])1/2。盡管這是一個復(fù)雜的表達式，其性能難以直觀地理解，但是可在認識到ε”和μ”基本上是損耗的基礎(chǔ)上將其簡化，因此(μ’/ε’)1/2是需要匹配的主要參數(shù)。空氣的阻抗為1。圖7和圖8顯示在接近200MHz的很寬的頻率范圍內(nèi)，對于Ni0.4Zn0.6Fe2O4,μ’≈ε’，因此(μ’/ε’)1/2接近1。當將這種鐵氧體還滿足前段所述條件這一事實綜合在一起考慮時，這事實就能說明該材料是良好吸收體的原因。
由上面描述可清理出設(shè)計電磁輻射吸收板的較好的方法。首先，尋找折射率隨頻率下降并且在要吸收的頻率范圍附近的頻率范圍內(nèi)具有良好吸收性的材料組合。隨后，調(diào)節(jié)該組合，使得其折射率更接近理想方程式(4)，從而擴大吸收的范圍。如有必要，還可調(diào)節(jié)材料和材料的相對厚度以便遷移峰值吸收頻率，并盡可能使相鄰層的阻抗匹配，隨后在一個迭代過程中再將形成的材料組合調(diào)節(jié)至更接近等式(4)。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)具有隨頻率減小的有效介電常數(shù)的材料很適合作為表層，即最靠近入射的電磁輻射110的層，以改進多層吸收體體系的電磁波吸收特性。
在上面描述中，許多實例含有聚合物-陶瓷組合物。這種組合物的制造流程圖列于圖28。先在步驟284中將要求的陶瓷材料粉末280、聚合物粉末281和可溶解聚合物的溶劑282混合在一起。例如，如果聚合物是ButvatTM，則合適的溶劑是四氫呋喃(THF)。陶瓷粉末懸浮在溶液中。混合得到的溶液直至其均勻，隨后在步驟286中將其倒入模具中。接著在合適的溫度下將該復(fù)合材料固化合適的時間。例如，對于ButvarTM，合適的溫度是室溫，合適的時間是12小時。
由上述可見，聚合物-陶瓷復(fù)合材料比常規(guī)吸收體有數(shù)個優(yōu)點。它們不僅重量輕，而且容易在室溫下制造。它們能將數(shù)種不同性能的材料(如鐵電體和鐵氧體，或者高介電常數(shù)材料和鐵氧體)容易地混合在一起，以調(diào)節(jié)材料解決特殊的反射性問題。另外，形成的吸收體106相對柔軟，更容易操作和進行常規(guī)建筑。
用于本發(fā)明吸收體106中的許多介電材料、鐵電體、鐵氧體等均是陶瓷材料。所有這些陶瓷材料均由圖29所述的方法制得。在步驟291中，將要求的陶瓷材料粉末置于模具中。該模具最好由不銹鋼制成。在步驟292中，將粉末在模具中等靜壓成形，壓力最好為50,000磅/平方英寸(PSI)。隨后在步驟6中，從模具中取出陶瓷并燒結(jié)，燒結(jié)溫度最好為900-1100℃。如有必要進一步對試樣成形并隨后試驗。如果該試驗是介電試驗，則從模具中取出的圓盤形試樣本身是合適的。對于磁性試樣，在試驗前在試樣上鉆孔使之形成環(huán)的形狀。
本發(fā)明的一個特征在于，與現(xiàn)有的吸收體相比本發(fā)明層疊的吸收體體積更小并更輕。例如，上述本發(fā)明高介電常數(shù)材料的較好的厚度比現(xiàn)有的鐵氧體的較好厚度薄2-10倍。另外，許多高介電常數(shù)材料(如BST)是抗天候老化的硬化陶瓷。因此，可省去外保護貼磚109或使之更薄。
本發(fā)明另一個特征在于，發(fā)現(xiàn)材料的介電常數(shù)越高，材料就可越薄，并且與其它材料組合在一起仍能提供良好的吸收性。
本發(fā)明另一個特征在于，對于本發(fā)明材料或結(jié)構(gòu)物有一個對應(yīng)最佳吸收性能的臨界厚度tc，在該臨界厚度附近的一個厚度范圍內(nèi)具有良好的吸收性能。
本發(fā)明的另一個特征在于，其介電常數(shù)ε’隨頻率而變的材料可形成良好的吸收體，尤其將其與其它可在寬的頻率范圍內(nèi)使有效介電常數(shù)滿足公式(3)的材料組合在一起時。
本發(fā)明的另一個特征在于，事實上能相對容易地將本發(fā)明所有實例調(diào)節(jié)至電視和高頻無線電波長范圍內(nèi)的特定頻率。這可以通過改變各個實例的組成、改變各個組成的厚度、或當涉及復(fù)合材料或固溶體時改變各個組分的量、或者組合使用上述方法來實施。因此，本發(fā)明吸收板本身能解決特殊建筑場所的特定電磁波環(huán)境問題。
本發(fā)明的另一個特征在于，鎳鋅鐵氧體是用于吸收的最佳鐵氧體，并且這種材料的Ni0.4Zn0.6Fe2O4化學(xué)計量是最好的。上面討論了數(shù)種不同的化學(xué)計量制劑。鎳鋅鐵氧體還可以摻雜(如用鎂或其它金屬)，但是發(fā)現(xiàn)在電視頻率范圍內(nèi)未摻雜的鐵氧體是最好的。
本發(fā)明的另一個特征在于，盡管在MHz頻率范圍內(nèi)低介電常數(shù)材料不是良好的吸收體，但是當將其夾在鐵氧體和金屬之間時，它們能改進電磁波吸收板體系的總體吸收性能。
盡管描述了目前認為是本發(fā)明較好的實例，但是應(yīng)理解可在不偏離本發(fā)明精神和基本特征的情況下使用其它特殊的形式來實施本發(fā)明?，F(xiàn)已描述了使用本發(fā)明多層吸收體的優(yōu)點，但是還可提出這些吸收體的許多改進和變化。因此，本發(fā)明實例是說明性而非限制性的。本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書載明。
權(quán)利要求
1．一種用于建造建筑物的電磁波吸收板(100)，該吸收板包括建筑支承元件(102)和由該支承元件支承的吸收體元件(106)，所述電磁波吸收板的特征在于所述吸收體元件包括第一層(166、186、210)和第二層(170、182、216)，與所述第二層相比，所述第一層更靠近所述電磁波在所述吸收板上的入射點，所述第一層含有鐵氧體，所述第二層含有高介電常數(shù)材料。
2．如權(quán)利要求1所述的電磁波吸收板，其特征在于所述吸收體元件包括位于所述第三層和所述第二層之間的第四層214，所述第四層含有LSM。
3．如權(quán)利要求1所述的電磁波吸收板，其特征在于所述吸收體元件包括在與所述第一層相比離所述電磁波的所述入射點更遠位置上的第三層(168、212)，所述第三層包括低介電常數(shù)材料。
4．如權(quán)利要求3所述的電磁波吸收板，其特征在于所述第三層位于所述第一層和所述第二層之間。
5．一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板包括建筑支承元件和由該支承元件支承的吸收體元件，所述電磁波吸收板的特征在于所述吸收體元件包括含有聚合物的第一層(164、168、186、192、222)和含有介電常數(shù)比所述聚合物更高的材料的第二層(160、170、188、190、220)。
6．一種用于建造建筑物的電磁波吸收板(100)，該吸收板包括建筑支承元件(102)、由該支承元件支承的反射元件(104)和由該支承元件支承的吸收體元件(106)，與所述反射元件相比，所述吸收體元件更靠近電磁波在所述吸收板上的入射點，所述電磁波吸收板的特征在于所述吸收體元件包括含有鐵氧體的第一層(162、166、220)和含有低介電常數(shù)材料的第二層(164、168、222)，與所述第一層相比，所述第二層離所述電磁波的入射點更遠。
7．如權(quán)利要求6所述的電磁波吸收板，其特征在于所述吸收體元件還包括含有高介電常數(shù)材料的第三層(160、170)。
8．如權(quán)利要求5或6所述的電磁波吸收板，其特征在于存在多個所述吸收體元件，每個吸收體元件包括一層所述第一層(230)和一層所述第二層(231)。
9．如權(quán)利要求8所述的電磁波吸收板，其特征在于存在n組所述吸收體元件(160M)，其中n是2-100的整數(shù)。
10．一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板能在一頻率范圍內(nèi)有效地吸收電磁波，所述吸收板包括多組分吸收體元件(106)，所述電磁波吸收板的特征在于所述吸收體元件具有電容率有效實部ε’eff和磁導(dǎo)率有效實部μ’eff，使得在所述頻率范圍內(nèi)(ε’effμ’eff)1/2～1/f，其中f為入射電磁波的頻率。
11．一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板能在一頻率范圍內(nèi)有效地吸收電磁波，所述吸收板包括多組分吸收體元件(106)，其特征在于所述吸收體元件具有隨頻率下降的電容率有效實部ε’eff。
12．一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板包括建筑支承元件和支承在該支承元件上的吸收體元件(112、160、170、198)，所述吸收體元件包括高介電常數(shù)材料，所述電磁波吸收板的特征在于所述高介電常數(shù)材料是選自分層的超點陣材料、影象磁性材料和Z×BaTiO3+(100％-Z)×BiFeO3，其中100％＞Z＞0％。
13．一種用于建造建筑物的電磁波吸收板，該吸收板包括建筑支承元件和支承在該支承元件上的吸收體元件，所述電磁波吸收板的特征在于所述吸收體元件(106)包括選自石榴石、磁阻材料、分層的超點陣材料、磁鉛石、影象磁性材料、LSM、Fe3O4和Ni0.4Zn0.6Fe2O4的材料。
14．如權(quán)利要求13所述的電磁波吸收板，其特征在于所述材料包括釔-鐵石榴石。
15．如權(quán)利要求13所述的電磁波吸收板，其特征在于所述磁阻材料是選自La0.67Sr0.33MnO3、LaxCa(1-x)MnO3以及LaxPb(1-x)MnO3的材料，其中0＜x＜1。
16．如權(quán)利要求12或13所述的電磁波吸收板，其特征在于所述吸收體元件(176)包括聚合物與從列出的材料中選用的材料的復(fù)合材料。
17．如權(quán)利要求12或13所述的電磁波吸收板，其特征在于所述分層的超點陣材料包括選自鉭酸鍶鉍、鈮酸鍶鉍、鈦酸鍶鉍、鋯酸鍶鉍及其固溶體的材料。
全文摘要
公開了一種建造建筑物用電磁波吸收板(100),它包括用新材料(如分層超點陣材料、石榴石、磁阻材料、導(dǎo)電氧化物、磁鉛石、影象磁性材料、Fe
文檔編號E04B1/92GK1216166SQ98800025
公開日1999年5月5日 申請日期1998年1月12日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月13日
發(fā)明者V·瓊斯, 木村健一, C·A·帕茲德阿若久, 清川博 申請人:西米崔克斯有限公司, 株式會社藤田