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Verwendung textiler metallisierter Polwaren als
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Mikrowellenabsorber Metallisierte textile Flächengebilde zeigen die
Eigenschaft, je nach textiler Konstruktion bereits bei sehr geringen Metallschichten,
die z.B. naß-chemisch gemäß DE-AS 2 743 768 ( US-PS 4 201 825) auf die Oberfläche
aufgebracht werden, eine hohe Schirmdämpfung, verbunden mit einer hohen Reflexion,
d.h. mit sehr geringem Reflexionsverlust.
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Insbesondere vernickelte Filamentgarngewebe heben sich gegenüber vernickelten
Fasergarngewebe bei gleicher Mtalldicke, Metallgualität und Menge pro Flächeneinheit
hinsichtlich iS=os sehr geringen Reflexionsverlustes, gepaart mis hoher S@@rmdämpfung,
hervor.
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Die Werte eines vernickelten Filamentgarnge@@es zeigt z.B. folgendes
Bild:
Tabelle 1 GHz 1 - 1,5 2 - 2,4 9 - 10 35 - 36 70 T R T R T
R T R T R dB 58 0,02 53 0,02 59 0,02 62 0,02 45 0,5 T = Schirmdämpfung in db R =
Reflexionsverlust indb (dezibel) GHz = Frequenz in Gigahertz
Aus
der Tabelle erkennt man eindeutig neben einer sehr hohen Schirmdämpfung eine äußerst
hohe Reflexion, die z.B. für aufzuspürende Gegenstände, z.B. Schwimmwesten, Seenotrettungsinseln,
sehr wichtig ist.
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Für gewisse Objekte ist jedoch gerade das Gegenteil wünschenswert,
d.h. neben einer hohen Schirmd5mpfung soll eine der Umgebung angepaßte Reflexion
vorhanden sein.
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Überraschenderweise wurde gefunden, daß metallisierte textile Polwaren
mit Metallschichtdicken von 0,02 bis 2 am neben einer hohen Schirmdämpfung eine
verminderte Reflexion von Mikrowellen besitzen.
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Als Polwaren sind insbesondere textile Waren zu verstehen, bei denen
Einzelfasern von der Gewebeoberfläche abstehen, insbesondere senkrecht angeordnet
sind. Dabei beträgt der Abstand zwischen den Polfasern höchstens 10 %, vorzugsweise
1 bis 5 8 der Polhöhe.
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Geeignete Polwaren sind z.B. aufgerauhte Gewebe, Plüsch, Velours,
Samt, elektrostatische befgockte Gewebe, Nadelfilze, Papiere und Vliese.
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Als Metalle, die gemäß DE-OS 2 743 768 auf die Polwaren aufgebracht
werden können, kommen z.B. Kupfer, Nickel, Cobalt, Eisen und Gold einzeln oder in
Kombi-
nation (z.B. Co/Ni oder Ni/Fe) in Frage. Nickel und Cobalt
sind bevorzugt.
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Die Schichtdicke wird als Durchschnittsschichtdicke aus Faseroberfläche,
Warengewicht vor und nach der Metallisierung und der spezifischen Dichte des Metalls
bestimmt. Es gilt allgemein, daß bei kleinerer Polhöhe eine dünnere Metallschicht
und bei größerer Polhöhe eine dickere Metallschicht den gewünschten Erfolg gibt.
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Wichtig ist, daß diejenige Seite, die den Pol besitzt, in Richtung
zur einfallenden Mikrowelle zu liegen kommt. Besonders augenfällig ist, daß ein
aufgerauhtes Spinnfasergewebe nur dann einen hohen Reflexionsverlust besitzt, wenn
die aufgerauhte Seite des Gewebes zum Mikrowellensender sieht. Die glatte Rückseite
besitzt die bekannte hohe Reflexion.
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Der Effekt wird verstärkt, besonders bei längeren Wellen, wenn das
Grundgewebe der Polware mit einem leitfähigen Polymeren beschichtet wird, das zusätzlich
dielektrisch und/oder magnetisch verlustbehaftete Füllstoffe enthält. Derartige
Füllstoffe, wie Titandioxid, Titanate oder magnetische Ferrite können auch als Pigmente
in die Fasern des Polmaterials eingearbeitet sein.
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Als elektrisch leitfähige Füllstoffe kommen besonders bestimmte Arten
von Leitruss oder Graphit in Frage, als magnetisch verlustbehaftete Materialien
sind magnetische Ferrite, insbesondere Ni-, Mn-, Zn- und Ba-Ferrite geeignet.
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Die elektrische Leitfähigkeit der Polymeren, die zur Imprägnierung
des Grundgewebes dient, liegt vorzugsweise im Bereich 10 3 bis 10 1 (Ohm.cm)-l Wahl
der Polware und Schichtdicke der Metallschicht können nach je gewünschter Absorption
bzw. Reflexion bei unverändert hoher Schirmdämpfung individuell eingestellt werden.
Dadurch eignen sich die metallisierten textilen Polwaren hervorragend sowohl zur
Tarnung beliebiger, vorwiegend metallischer Objekte gegen Radar-Erkennung, als auch
zum Schutz beliebiger Objekte gegenüber elektromagnetischen Feldern.
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Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Tarnung beliebiger,
vorwiegend metallischer Objekte gegen Radar-Erkennung sowie zum Schutz beliebiger
Objekte gegenüber elektromagnetischen Feldern, dadurch gekennzeichnet, daß die Objekte
auf ihrer Oberfläche ganz oder teilweise eine metallisierte textile Polware aufweisen,
von der diejenige Seite, die den Pol besitzt, in Richtung zur einfallenden Strahlung
zu liegen kommt.
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Die reflexionsarme Absorption wird vorwiegend durch die Eigenschaften
des Pols, die Schirmdämpfung im wesentlichen durch das Grundgewebe, vorzugsweise
in Verbindung mit einer Imprägnierung mit einem leitfähigen Polymer, geleistet.
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Zum Einsatz als Fernfeldabsorber sind Metallisierungen im Bereich
um 0,05 bis etwa 0,15 ßm für die Polfasern und von etwa 0,2 bis 0,4 ßm für das Grundgewebe
optimal, vorzgusweise für den Frequenzbereich von ca. 0,03 bis über 100 GHz.
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Die Höhe des Pols beeinflußt im wesentlichen die Lage der unteren
Grenzfrequenz für reflexionsarme Absorption. Große Polhöhe gibt eine gute Absorption
bei niedrigen Frequenzen. Die Polhöhe sollte etwa 5 bis 10 % der Wellenlänge nicht
unterschreiten.
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Die Polhöhe kann bei gleichbleibender Absorptionsqualität (Reflexionsverlust)
weiter auf etwa 1 % der Wellenlänge verringert werden, wenn die induktive Komponente
der Polfasern und ihrer Verankerung im Grundgewebe, Gestrick, Gewirk oder Vlies
besonders ausgeprägt ist, z.B. bei sog. Kettwirkvelours. Die elektrische Wirkungsweise
der einzelnen Polfasern kann dann einem stark gedämpften/4-Dipol mit induktiver
Verkürzung der Dipollänge gleichgesetzt werden. Wirksame verlustbehaftete Mechanismen
sind die hochohmige Metallisierung der Polfaser und die ohm'-schen Ver-
luste
im metallisierten Grundgewebe, Gewirk, Gestrick, etc. und die dielektrischen Verluste
in der leitfähigen Imprägnierung.
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Eine wetterfeste Ausrüstung kann auch durch eine Einbettung der Polfasern
in einem geschlossenporigen Schaumstoff hergestellt werden, um ein Eindringen von
z.B. Regenwasser, das den Reflexionsverlust vermindern kann, zu vermeiden. Bei Einbettung
der Polware in den Schaumstoff wird bei mechanischer Belastung ein Umknicken der
Polfasern möglichst vermieden. Bei Druckentlastung richten sich die Polfasern wieder
in die ursprüngliche Richtung auf.
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Damit bei Anwendungen auf einer Metallunterlage eine Verringerung
der Absorption (Reflexionsverluste) vermieden wird, muß eine hinreichend hohe Schirmdämpfung
durch das Grundgewebe erzielt werden. Bei 20 db Reflexionsverlust (99 % Absorption)
sollte daher die Schirmdämpfung ebenfalls mindestens 20 db betragen, damit die von
der dahinter liegenden Metalloberfläche reflektierte Teilkomponente vernachlässigbar
klein bleibt.
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Die Aufgabenstellung bei der Tarnung erfordert eine Anpassung der
Reflexionseigenschaften des Objektes an das umgebende Gelände oder den umgebenden
Raum.
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Bei der Tarnung terrestrischer Objekte müssen die Tarnungsmaterialien
zur Anpassung an die Umgebung
Reflexionsverluste von 3 bis 8 db
aufweisen. Bei der Tarnung von Luftzielen müssen erheblich höhere Reflexionsverluste
von ca. 20 bis 40 db und mehr erzielt werden, um eine hinreichende Kontrastverminderung
gegenüber dem freien Raum zu ergeben. Weiterhin müssen zur Tarnung beweglicher Objekte
auf der Erde höhere Reflexionsverluste von ca. 30 bis 50 db erzielt werden, wenn
eine Ortung über Doppler-Radar vorgenommen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
gestaltet in jedem Fall die Lösung der gestellten Aufgabe durch individuelle Anpassung
von Absorption und Reflexion an den jeweils geforderten Bereich, wobei berücksichtigt
werden kann, daß die üblicherweise zur Radarerkennung benutzten Geräte vorwiegend
im kurzwelligeren Mikrowellengebiet, etwa bei 9,3 GHz, 35 GHz und 94 GHz arbeiten.
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Aufgabe der Tarnung kann sein, neben der vollkommenen Unsichtbarmachung
auch die Veränderung charakteristischer Silhouetten oder Profile zu bewirken.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich anwenden mit Tarnmatten für
ortsfeste und bewegliche Erdziele in einer Form, wie sie schon für die Tarnung im
sichtbaren und IR-Bereich üblich ist, für Fluggeräte mit Beschichtung wichtiger
Partien mit derartigen Absorbern.
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Bei allen derartigen Anwendungen ergeben die textilen Absorbermaterialien
gegenüber den bisher meist übli-
chen starren und relativ dicken
Absorbermaterialien folgende Vorteile: flexibler, textil-elastischer, robuster Aufbau,
niedriges Gewicht, gutes Absorptionsvermögen über breite Frequenzbänder, relativ
gute Wirkung in geringer Schichtdicke auch auf metallischer Unterlage, leichte Aufbringung
auf nichtplanare Flächen, Möglichkeit der Kombination der Tarnwirkung für den sichtbaren
und IR-Bereich.
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Der Schutz beliebiger Objekte gegenüber elektromagnetrischen Feldern
besteht z.B. in der sog. electromagnetic pulse protection (EMP). Hierunter wird
u.a.
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der Schutz von elektronischen Regel- und Steuereinrichtungen von erdgebundenen
und Luftfahrzeugen gegenüber extrem starken elektromagnetischen Feldern, wie sie
bei Kernexplosionen oder auch im Bereich stark fokussierter intensiver Mikrowellenstrahlen
auftreten, verstanden. Durch derartige Felder werden örtlich sehr hohe Spannungen
an Metallteilen induziert, z.B.
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auch bei Blitzeinschlag, die zu Uberschlägen und zur Zerstörung von
Elektronikschaltungen führen. Diese hohen Spannungen entstehen durch starke Oberflächenströme
auf metallischen Teilen, insbesondere im Bereich von Spalten, Kontaktstellen, usw.
Durch die Aufbringung von Absorbern in Form metallisierten Polmaterials können diese
Oberflächenströme stark gedämpft und die entstehenden Spannungen auf ungefährliche
Werte verringert werden.
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Gegenüber konventionellen Schirm-Materialien aus metallischen Werkstoffen,
wie Bleche, Geflechte, Gitter, usw., deren Sch irmwirkung auf der beschränkten Eindringtiefe
der Hochfrequenzströme in hoch leitfähiges Material beruht, und die deshalb eine
starke Reflexion der Strahlung ergeben, bieten die absorbierend wirkenden Schirm-Materialien
den Vorzug der vollständigen Umwandlung der auffallenden Strahlung in Wärme.
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Durch die Unterdrückung der Reflexion werden sogenannte hot spots
infolge möglicher Fokussierung der reflektierten Strahlung oder durch stehende Wellen
vermieden. Weiterhin enfallen durch die extrem starke Dämpfung von Oberflächenströmen
auf der Außenseite des Schirms die Probleme der Kontaktierung und der Erdung.
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Neben der überwiegend ohm'schen Verlustdämpfung der Hochfrequenzströme,
bedingt durch die relativ hochohmige Metallisierung der Polfasern, vorzugsweise
mit Flächenimpedanzen von 20 bis 400 Ohm, und dielektrischen Verlusten in dem halbleitenden
Kaschierungsmaterial des Grundgewebes, Gestrick, Gewirk, Vlies etc., mit Leitfähigkeiten
im Bereich zwischen 10 3 und 10(Ohm.cm) 1 werden als dritte, verlustbehaftete magnetrische
Absorber verwendet. Die magnetischen Absorber können in Form von z.B. Mn-Zn-Ferrit-Pigmenten
in das Kaschierungsmaterial des Grundgewebes (5 - 20 Gew.-%) eingesetzt werden.
Eine weitere Form des mag-
netischen Absorbers bietet die stromlose,
naß-chemische Metallisierung der Polfasern und gegebenenfalls auch des Grundgewebes
mit Cobalt oder mit Co/Ni- oder Ni-Fe- oder Ni-Fe-Co-Schichten, deren magnetische
Eigenschaften zusätzlich durch Tempern bei Temperaturen zwischen 200 und 5000C variiert
werden können.
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Derartige Metallschichten zeigen im Gegensatz zu Ferriten auch bei
höheren magnetischen Feldstärken im Bereich bis 1000 Gauss im Mikrowellenbereich
Maximalwerte des magnetischen Verlustes und sind deshalb speziell für die Anwendung
der electromagnetic pulse protection" (EMP) geeignet.
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Beispiel 1 Ein einseitig aufgerauhtes Gewebe aus textilen Spinnfasern
wurde gemäß DE-OS 2 743 768 mit ca.
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7,4 g Ni/m2 vernickelt. Der prozentuale Nickelgehalt betrug # 5 %
Ni, Das vernickelte Gewebe wurde einmal mit der aufgerauhten Seite zum Mikrowellensender
in 900 in Position gebracht. Dabei wurden folgende Reflexionsverluste gemessen:
| GHz 9 - 10 j 35 - 36 70 |
| Reflexions- |
| verlust in O, 5 3 10 |
| db |
Nach drehen des Gewebes um 1800, d.h. bei Position der glatten Seite des Gewebes
in 900 zur Position des Mikrowellensenders:
| GHz 9 - 10 35 - 36 70 |
| Reflexions- |
| verlust in 0,02 0,5 1,5 |
| db |
Wenn das aufgerauhte Gewebe mit einem Einfallswinkel von 300 gemessen wurde, konnte
folgender Reflexionsverlust gemessen werden:
Streifender Mikrowelleneinfall
von 300
| GHz 9 - 10 35 - 36 70 |
| Reflexions- |
| verlust in >20 :>20 >20 |
| db |
Beispiel 2 Ein Samtgewebe aus kurzpoliger Baumwolle (Polhöhe ca. 3 mm) wurde vernickelt.
Die Nickelmenge betrugt 50 g/m2. Der so vernickelte Samt wurde 900 zum Mikrowellensender
in Position gebracht. Dabei wurden folgende Reflexionsverluste in db gemessen:
| GHz 9 - 10 35 - 36 70 |
| Reflexions- |
| verlust in 0,7 3-4 9-10 |
| db |
Die glatte Rückseite des vernickelten Samtgewebes zeigte folgende Werte:
| GHz 9 - 10 35 - 36 70 |
| Reflexions- |
| verlust in 0,2 0,8 1,5 |
| db |
Beispiel 3 Ein Hochflor-Material mit einer Polhöhe von ca. 20
mm wurde vernickelt.
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Grund- und Polfäden des eingesetzten Hochflor-Materials bestanden
aus Poly-(1,4-bis-hydroxymethylcyclohexan)-terephthalat mit einem Titer von 6,7
dtex.
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Die Nickelmenge betrug 168 g/m2. Die Nickelschicht wurde im Bereich
des Pols auf etwa die halbe Schichtdicke des Nickels im Grundgewebe beschränkt (ca.
0,2 m). Die Reflexionsverluste bei Einstrahlung auf die Polseite betrugen:
| GHz 1 - 1,5 2 - 2,4 9 - 10 35 - 36 70 |
| Reflexionsver- |
| lust in db 3,5 7 17 a30 30 |
Die Schirmdämpfung lag im Bereich zwischen 1 und 70 GHz zwischen 9 und 50 db Beispiel
4 Ein Webpelzmaterial, bestehend aus einem Baumwollgrundgewebe und aus Polyacrylnitril-Grundfäden
mit einem Titer von 7 dtex wurde gemäß dem im folgenden Absatz beschriebenen Verfahren
vernickelt. Die abgeschiedene Nickelmenge betrug 80 g/m2.
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Die Reflexionsverluste bei senkrechtem Strahlungseinfall betrugen:
| GHZ 1 - 1,5 2 - 2,4 9 - 10 35 - 36 70 |
| Reflexionsver- |
| lust in db 3 3,5 8 7 8 |
Die Schirmdämpfung lag im gesamten Frequenzbereiah über 10 db.
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Das Webpelzmaterial wird gleichmäßig mit einer Lösung von 0,1 g Butadienpalladiumdichlorid
pro 1 Chloroform besprüht (Treibmittel Frigen).
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Anschließend wird es bei Raumtemperatur getrocknet und dann in ein
alkalisches Vernickelungsbad getaucht, das 30 g/l Nickelchlorid, 3 g/l Dimethylaminboran
und 10 g/l Citronensäure enthält und mit Ammoniak auf pH 8,1 eingestellt wurde.
Nach etwa 30 Sekunden beginnt sich die Oberfläche dunkel zu färben und nach 10 Minuten
war eine gut haftende, metallisch glänzende Nickelschicht abgeschieden worden.
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Beispiel 5 Ein Polyester Kettwirkveluors mit einer Polhöhe von ca.
1 mm wurde vernickelt nach dem in DE-OS 27 43 768 beschriebenen Verfahren. Die abgeschiedene
Menge
Nickel betrug 21 g/m2. Der Velour mit einem F1ächengewicht von 273 g/m2 besteht
im Grundgewebe aus Polyesterfilamentgarnen (167 dtex) mit 34 Einzelfilamenten (4,9
dtex). Das Garn der Polfäden besteht aus Polyesterspinnfasern Poly- (1 , 4-bis-hydroxymethylcyclohexan)
-terephthalat, 250 dtex, matt, Nm 40/1, Einzelfadentiter 3,3 dtex).
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Es ergaben sich folgende Reflexionsverluste:
| GHz 1 - 1,5 2 - 2,4 9 - 10 35 - 36 70 |
| Reflexionsver |
| lust in db 6,5 5,5 4 7 17 |
Die Schirmdämpfung lag zwischen 7 und 14 db. Nach Imprägnierung des Grundgewebes
mit einem leitfähigen Polymeren (Polyurethan mit 15 % Leitrußzusatz) konnte die
Schirmdämpfung auf über 16 db angehoben werden.