4.4 Herstellung sowie Charakterisierung von gestrichenen Mustern
4.4.1 Abschirmtests an Papiermuster
und elektrische Bewertung
Die hergestellten Papiermuster wurden hinsichtlich ihrer elektromagnetischen Abschirmeigenschaften sowie ihrer werkstofflichen und elektrischen Eigen-schaften geprüft. Die durchgeführten Prüfungen sowie die Ergebnisse werden im Folgenden dargestellt.
Die HF-Charakterisierung erfolgte nach EN 50147-1, MIL-STD 285 mit Hilfe ei-ner elektromagnetisch ausreichend dichten Abschirmkammer (lybyh=2,5 my2,5 my2,5 m),
• die nur eine Öffnung, die auf den Wellenlängenbereich des zu bewertenden Frequenzbereiches abgestimmt ist (hier: 30 cm *30 cm), besitzt,
• vor der die zu charakterisierende Probe so montiert wird,
• dass das von der Sendeantenne abgestrahlte elektromagnetische Feld nur durch das zu bewertende Material in die Kammer eintreten kann und
• hier von einer Empfangsantenne erfasst wird (s. Abb. 8 und Abb. 9).
Aus der logarithmischen Differenz des abgestrahlten Leistungsspektrum (P1, hier 10 mW) und des empfangenen (P2) ergibt sich die Schirmdämpfung S ge-mäß Gl. 1
1 2
10 lgP
S = ⋅ P Gl. 1
Abb. 8: Prinzipieller Messbau zur Bewertung der Schirmdämpfung ausgewählter Muster nach EN 50147-1, MIL-STD 285
Abb. 9: Blick auf die Abschirmkammer mit einem unbeschichteten Muster, das über einen Metallrahmen mit der Ab-schirmkammerwand verschraubt ist -von der Sendeseite
Abb. 10: Für Schirmdämpfungsmessun-gen mit der Abschirmkammer präparier-tes Muster „Papier 5a“
Die Schirmdämpfung S wird mit Netzwerkanalysatoren, die mit den Antennen gekoppelt sind, frequenzabhängig erfasst.
Wenn das Probenmaterial nicht reflektiert (elektrische Leitfähigkeit → 0), dann ist die ermittelte Schirmdämpfung gleich der Absorptionsdämpfung.
Der messbare Frequenzbereich wird von den technischen Daten des Netzwerk-analysators und der Antennen bestimmt. Er beträgt hier 1 GHz bis 3,8 GHz.
Die Messproben sind 36 cm x 36 cm groß, um eine ausreichend elektromagne-tisch dichte Verbindung zur Messkammer zu gewährleisten. Sie werden aus den von der Forschungsstelle 1 zur Verfügung gestellten A4-Mustern stoßüber-lappend 10-lagig zusammengeklebt (s. Abb. 10). 10 Lagen sind erforderlich um ausreichende Beschichtungen (> 200 m2/g) zu simulieren.
Die Bewertung des Reflexionsvermögens der beschichteten Papiere erfolgte durch Messung des elektrischen Durchgangswiderstandes RD nach IEC 93/1980 (DIN VDE 0303, Teil 30/02.91) mit einer Aufsetzelektrode, Durchmes-ser 50 mm, mit Schutzring bei einer Prüfspannung von 20 V und Messung des Stromes (Keithley 237) nach 60 s. Dann ergibt der spezifische elektrische Durchgangswiderstand ρD aus der Gleichung
E
D D
P
R A
ρ = ⋅ s , Gl. 2
wobei AE die Fläche der Aufsetzelektrode und sP die Dicke des Papiers be-zeichnet.
Ergebnisse Ein Überblick zu den Ergebnissen der Schirmdämpfungsmessungen sowie An-gaben zu werkstofflichen und elektrischen Eigenschaften der beschichteten Pa-piermuster sind der Tab. 1 zu entnehmen.
Tab. 1: Zusammenstellung der Ergebnisse von Schirmdämpfungs- und elektrischen Messungen an den beschichteten Mustern
Signifikante Schirmdämpfungen in Höhe von 2 bis 3 dB (= Reduzierung der Sendeleistung durch Absorption auf ca. 50%) im Frequenzbereich 2,4 bis 3,5 GHz wurden nur bei Papier 3a (P11 (SQ-BASF)) gemessen.
Ausreichend hohe spezifische elektrische Durchwiderstände ρD (> 109 Ωm) be-sitzen alle Papiere (s. Tab. 1, so dass
+ einerseits keine nennenswerte Dämpfung durch Reflexion auftritt und + andererseits das elektromagnetische Feld das Schichtvolumen hinreichend
durchdringt.
Die Papiermuster 4 und 5a wiesen nur geringere Schirmdämpfungswerte (ca.
13%-tige Leistungsreduzierung) in dem Frequenzbereich auf, obwohl die Er-wärmungskurve in der Mikrowelle von P13a höher lag als die von P11.
Für die Ursachensuche wurden
a) von auf dem Markt erhältlichen Absorbermaterialien und Abschirmtapeten Muster erworben und diese als Vergleichsmuster werkstofflich, elektrisch und HF-technisch (Schirmdämpfung) charakterisiert, um die Aussagefähig-keit der verwendeten Messtechnik zu bewerten,
b) die Schirmdämpfungsmessungen mit den verfügbaren technischen und fi-nanziellen Mitteln auf einen höheren Frequenzbereich ausgedehnt, da die ferromagnetische Resonanzfrequenz des undotierten Bariumhexaferrits bei 47,6 GHz [38] liegt, und die realisierten Dotierungen eventuell keine ausrei-chende Absenkung bewirken,
c) die im Labor entwickelten Pulver mit denen bei der JSJ Jodeit GmbH her-gestellten werkstofflich und physikalisch verglichen und unter Berücksichti-gung der gegebenen RahmenbedinBerücksichti-gungen korrigiert und
d) der Einfluss der Laminierung der Proben (Multilayereffekt) mit einem ko-axialen Messrohr der Firma CE-Lab untersucht.
Ursachensuche Vergleichsmuster
Wie bereits aus Recherchen hervorgeht, bietet die Fa. Laird Technologies Ro-senheim flächige Absorbermaterialien [90] und die Marburger Tapetenfabrik EMV-Tapeten [91] an. Aus den Angeboten und zugänglichen technischen Da-ten wurden geeignete Produkte ausgewählt, käuflich erworben, auf die Mess-bedingungen angepasst und analog zu den Papiermustern charakterisiert. Die Ergebnisse sind in Tab. 2 zusammengefasst dargestellt.
Tab. 2: Zusammenstellung der Ergebnisse von Schirmdämpfungs- und elektrischen Messungen an aus-gewählten Vergleichsmustern
Beide Vergleichsmuster VGLM02 und VGLM03 von der Fa. Laird und das Ver-gleichsmuster VGLM05 von der Marburger Tapetenfabrik zeigten mit dem Pa-piermuster 3 vergleichbare Schirmdämpfungen S.
Die Laird-Produkte haben auch einen mit den Papiermustern vergleichbaren hohen spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand ρD, obwohl die Füllstof-fe wahrscheinlich Füllstof-ferromagnetische Carbonyleisen-/ Eisensilicid-Pulver-gemische sind. Die großen spezifischen elektrischen Durchgangswiderstände werden durch verwendete Matrixmaterial (Naturkautschuk) und die hohen Di-cken > 1 mm gewährleistet. Infolge der verwendeten Pulver und der DiDi-cken be-sitzen diese Produkte aber auch wesentlich größere Flächengewichte >> 1 kg/m2, vgl. Angaben in Tab. 1 und Tab. 2.
Fazit Zusammenfassend zu den untersuchten Vergleichsmustern ist festzuhalten:
• Die hier verwendete Messtechnik zur Bewertung der Schirmdämpfung lie-fert vergleichbare Werte. Abweichungen resultieren aus der Probengröße und der Messmethode. Da es in diesem FuE-Projekt um die Entwicklung von Schirmdämpfungsmaterialien infolge Absorption geht, wird die Mess-methode nicht auf Reflexionsmodus umgestellt, obwohl damit an den Pa-piermustern höhere Dämpfungswerte (mindestens eine Verdoppelung) messbar wären.
• Für weiterführende FuE-Arbeiten sind aber, wie bereits in [92] beschrieben, die Hinterlegung der absorbierenden Schicht mit einer elektrisch leitfähigen Schicht zur Erzielung größerer Dämpfungseffekte zu nutzen.
• Vergleicht man darüber hinaus die Preise der Laird-Produkte, dann lassen sich für die BHF-Pulver Preise bis zu 1700 Euro/kg bei Flächengewichte der beschichteten Papiere von 500 g/m2 wertschöpfend umsetzen. Der Preis des vergleichbaren Marburger Produktes lässt allerdings nur maximal 44 Euro/kg zu.
Pulvereigen-schaften Aspektverhältnis
Bestimmend für die elektromagnetischen Absorptionseigenschaften der BHF-Pulver sind neben dem MS/JHc-Verhältnis, die Partikelmorphologie und die che-mische Zusammensetzung.
Die Partikelmorphologie beeinflusst über das Aspektverhältnis a*/d die Oberflä-chenanisotropiefeldstärke ΔN.MS und damit die Koerzitivfeldstärke JHC.
JHC ergibt sich nach der Stoner-Wohlfarth-Beziehung, Gl. 3, für eindomänige Partikel aus der Überlagerung von ΔN.MS und der Feldstärke Hk infolge magne-tokristalliner Anisotropie [26]:
0,48 ( )
J
H
c= ⋅ H
k− Δ ⋅ N M
S Gl. 3Hk wiederum bestimmt nach Gl. 5 die ferromagnetische Resonanzfrequenz fR:
R
2
k Sf = γ H M ⋅
π
, Gl. 4wobei γ den gyromagnetischen Faktor bezeichnet.
Somit kann eine erzielte Verringerung von JHc eine Reduzierung von fR vortäu-schen, wenn sich infolge einer Vergrößerung des Aspektverhältnisses die Oberflächenanisotropiefeldstärke ΔN.MS erhöht.
Die Ergebnisse der rasterelektronenmikroskopischen Bewertung der Kristall-größen a* und d von P2a und P4b sind als PartikelKristall-größenverteilungsfunktionen (Anzahl gewichtet)in Abb. 11 und Abb. 12 gegenübergestellt.
Abb. 11: Größenverteilungen der Diagonale F0(a*) der Kristalle der BHF-Pulver P4b und P12 im Vergleich zu denen , die im Labor der Forschungsstelle 2 hergestellt wurden
Man erkennt, dass das BHF-Pulver P4b, hergestellt mit der Syntheseanlage bei der JSJ Jodeit GmbH deutlich kleiner sind als die Laborchargen und größere Aspektverhältnisse a*/d besitzen.
Das bestätigt, dass bei P4b ein Teil der gemessenen Verringerung von JHc
(bzw. Vergrößerung von MS/JHc durch die erhöhte Oberflächenanisotropie her-vorgerufen wird.
Abb. 12: Größenverteilungen der Dicke F0(d) der Kristalle der BHF-Pulver P4b und P12 im Vergleich zu denen , die im Labor der Forschungsstelle 2 hergestellt wurden
Chemische
Zu-sammensetzung Aus der chemischen Zusammensetzung der Pulver kann zwar nicht die Gitter-platzbelegung abgeleitet werden, sie charakterisiert aber ob die Dotierungsio-nen nicht nur in der Schmelze waren, sondern im Pulver verblieben sind.
In der folgenden Tab. 3 sind die aus ICP-Analysen berechneten chemischen Zusammensetzungen der Pulver gegenübergestellt.
Tab. 3: Gegenüberstellung der chemischen Zusammensetzungen des im Labor (P2a) und bei der JSJ Jdeit GmbH hergestellten Co/Ti-dotierten BHF-Pulvers (P4b), ermittelt mit ICP-Analysen
Es wird ersichtlich, dass
a) an beiden Pulvern noch BaB2O4-Reste vorliegen, die jedoch durch Verbes-serung des Lösungsprozesses verschwinden werden und für elektromagne-tische Absorption nicht maßgebend sind,
b) in beiden Pulvern Chromionen eingebaut sind, die die angestrebte Gitter-platzbelegung sicher beeinflussen und mit den verwendeten Eisenrohstoff eingetragen wurden und
c) in P4b zu viele Titanionen (y= 0,75 statt ca. 0,6) sind.
Fazit Um Kristallgröße, Aspektverhältnis und chemische Zusammensetzung zu korri-gieren, wurde von der JSJ Jodeit GmbH eine 3. Schmelze angesetzt und dar-aus das Pulver P12 synthetisiert.
Die Eigenschaften von P12 veränderten sich wie gewünscht, jedoch die Schirmdämpfungsmessungen an damit hergestellten Papiermustern „Papier 4“
zeigten keine signifikante Vergrößerung von S.
4.4.2 Untersuchungen zum Schichtdesign