Materiały do ekranowania

Ekranowanie polega na osłabianiu padającej fali elektromagnetycznej na skutek jej oddziaływania z materiałem osłony, na jej powierzchni, jak i wewnątrz, opartego na trzech mechanizmach: odbicia, absorpcji oraz wielokrotnych odbić wewnętrznych. Spośród nich odbicie dominuje w materiałach przewodzących, co wynika z niedopasowania impedancji wolnej przestrzeni (377 Ω) i impedancji ekranu. Skuteczność odbicia od jego powierzchni zależy od przewodności elektrycznej materiału, z którego go wykonano. Mechanizm odbicia w materiałach o dużej przewodności elektrycznej, jak miedź i aluminium, jest następujący: energia fali padającej na powierzchnię ekranu przewodzącego wywołuje ruch elektronów swobodnych, czego efektem są prądy powierzchniowe, wytwarzające z kolei pole przeciwstawne, czyli falę odbitą. Ekranowanie przez odbicie nie zawsze jest najlepszym rozwiązaniem. Wynika to stąd, że w związku z pojawieniem się fali odbitej ekran staje się źródłem wtórnych zaburzeń, mogących zakłócać pracę urządzeń w sąsiedztwie. Jest to problem zwłaszcza w przypadku sprzętów medycznych. Fala odbita może też pozwolić na zlokalizowanie ekranowanego urządzenia, co jest z kolei niepożądane w zastosowaniach wojskowych.

Absorpcja

Mechanizm absorpcji natomiast opiera się na konwersji energii fali elektromagnetycznej na ciepło na skutek jej oddziaływania z ładunkami i dipolami obecnymi w materiale ekranu. Po wniknięciu do niego jest ona stopniowo rozpraszana w konsekwencji ruchu swobodnych nośników ładunku – są to tzw. straty przewodzenia oraz strat polaryzacyjnych. Te pierwsze są skutkiem wydzielania się ciepła towarzyszącego przepływowi prądu ze względu na rezystancję materiału. Drugi typ strat jest wynikiem rozpraszania energii, towarzyszącego opóźnionemu ruchowi ładunków i dipoli podczas polaryzacji. Wyróżnia się jej cztery mechanizmy. Są to polaryzacja: elektronowa, jonowa, dipolowa oraz międzyfazowa. Pierwsza polega na przesunięcia chmury elektronów względem jądra atomu. Zachodzi bardzo szybko, w związku z czym jej wkład w straty jest pomijalnie mały. W niewielkim stopniu na absorpcję fali przekłada się także polaryzacja jonowa, polegająca na przemieszczaniu się jonów w strukturze sieci krystalicznej w opozycji do zewnętrznie przyłożonego pola. W materiałach z trwałymi momentami dipolowymi zachodzi trzeci rodzaj polaryzacji. W ich przypadku naturalna orientacja dipoli ma charakter statystycznie losowy, natomiast w obecności zewnętrznego pola – równają one do niego, czemu towarzyszą straty energii na tarcie. Polaryzacja dipolowa w niektórych materiałach, na przykład opartych na węglu (nanorurki, grafen) z odpowiednimi domieszkami, ma znaczący wpływ na ich właściwości pochłaniania fal elektromagnetycznych. Z czwartym typem polaryzacji wiążą się zwykle największe straty. Polaryzacja międzyfazowa występuje w materiałach niejednorodnych, składających się z odrębnych faz o różnej przewodności. Przykład to kompozyty.

Oprócz opisanych strat, które klasyfikowane są jako dielektryczne, w ekranach występują też straty magnetyczne, których źródłem są głównie prądy wirowe oraz histereza. Pierwsze są indukowane w materiale ekranu pod wpływem zmiennego pola magnetycznego. Prądy wirowe wytwarzają własne pole magnetyczne, przeciwne do pola zewnętrznego. Ich przepływowi towarzyszy strata energii w postaci ciepła. Straty histerezowe natomiast są skutkiem przemagnesowania materiału. Do kategorii strat magnetycznych zalicza się również te resztkowe, będące konsekwencją m.in. rezonansu ścian domen magnetycznych.

Kacper Gugała

specjalista techniczno-handlowy w firmie Dacpol

Jak zmieniały się ceny materiałów termoprzewodzących w ostatnich latach?

Ostatnie trzy lata były dla rynku materiałów termoprzewodzących okresem dużej niestabilności. Wpływ na ceny miały przede wszystkim globalne wydarzenia gospodarcze, wzrost kosztów energii oraz zakłócenia w łańcuchach dostaw. Branża chemiczna, w tym producenci materiałów termoprzewodzących, wyjątkowo mocno odczuła te zmiany. Produkcja tego typu materiałów jest procesem energochłonnym, dlatego gwałtowne wzrosty cen energii szczególnie przełożyły się na koszty wytwarzania w Europie. W przypadku materiałów produkowanych lokalnie podwyżki cen sięgały nawet około 30%. Dodatkowym czynnikiem wpływającym na końcową cenę są rosnące koszty transportu i logistyki, które w ostatnim czasie również znacząco wzrosły.

Jakie trendy i nowości produktowe są dziś najbardziej widoczne?

Jednym z najważniejszych trendów na rynku materiałów termoprzewodzących jest stopniowe odchodzenie od klasycznych materiałów stałych na rzecz materiałów półpłynnych, takich jak Gap Fillery. Choć ich aplikacja bywa bardziej wymagająca technologicznie, producenci urządzeń coraz częściej wybierają tego typu rozwiązania ze względu na korzystniejszy stosunek ceny do możliwości oraz większą elastyczność projektową.

Początkowo Gap Fillery były stosowane głównie w dużych, wielkoseryjnych projektach przemysłowych. Obecnie jednak coraz częściej znajdują zastosowanie również w mniejszych projektach, gdzie liczy się zarówno skuteczne odprowadzanie ciepła, jak i optymalizacja kosztów produkcji.

Z jakimi wyzwaniami mierzy się obecnie rynek?

Największym wyzwaniem pozostaje rosnące zapotrzebowanie na coraz wydajniejsze materiały termoprzewodzące. Postępująca miniaturyzacja elektroniki oraz wzrost mocy nowoczesnych układów powodują, że konstruktorzy potrzebują materiałów o coraz lepszych parametrach przewodzenia ciepła. Jednocześnie rynek znajduje się pod silną presją kosztową. Klienci oczekują wysokiej wydajności przy zachowaniu konkurencyjnej ceny końcowego produktu, co często ogranicza możliwość zastosowania bardziej zaawansowanych i kosztownych rozwiązań chemicznych. To sprawia, że projektanci i producenci muszą stale szukać kompromisu pomiędzy parametrami technicznymi a opłacalnością wdrożenia.

Wielokrotne odbicia

Na skuteczność ekranowania wpływają także wielokrotne odbicia wewnątrz ekranów. Są istotne w szczególności w tych cienkich. Mechanizm jest w tym przypadku następujący: fala padająca na granicę ośrodków po jednej stronie (z przodu) ekranu, częściowo się od niego odbija, a częściowo wnika wgłąb, aby następnie częściowo przejść na drugą (tylną) stronę. Jednocześnie częściowo się od niej odbija do wewnątrz i z powrotem – częściowo wychodzi z przodu, a częściowo odbija się wgłąb. Powtarza się to wielokrotnie, aż do całkowitego wytracenia energii fali. Im grubszy ekran, tym fala szybciej ulega stłumieniu i do wielokrotnych odbić nie dochodzi – w praktyce występują wówczas, jeżeli grubość ekranu jest mniejsza niż głębokość wnikania δ, która wynika z efektu naskórkowości i jest wyznaczana ze wzoru:

δ = 1 / √(π · σ · μ · f)

gdzie μ to przenikalność magnetyczna, σ – przewodność elektryczna materiału, a f – częstotliwość fali padającej.

Oprócz wielokrotnych odbić fali między zewnętrznymi powierzchniami ekranu, dochodzi też do jej wewnętrznego rozpraszania, szczególnie w materiałach o złożonej strukturze, z licznymi granica mi faz. Przykładem są struktury porowate i warstwowe. W takich materiałach fala ulega wielokrotnym wewnętrznym odbiciom na granicach faz w związku z niedopasowaniem ich impedancji. Skutkiem wydłużenia drogi jej propagacji jest większe prawdopodobieństwo oddziaływania fali z nośnikami ładunku i dipolami elektrycznymi i magnetycznymi. To zwiększa wydzielanie ciepła i w rezultacie absorpcję fali.

Metale

ekranujące to metale. Powszechnie ekrany wykonuje się z mosiądzu, miedzi, aluminium, srebra, niklu, stali. Poza właściwościami ekranującymi do ich zalet zalicza się również wytrzymałość i ciągliwość, która umożliwia ich dowolne kształtowanie. Z drugiej jednak strony, ekrany z litego metalu są ciężkie, nieelastyczne, mogą korodować. Poza tym w obudowach metalowych problem stanowi skuteczne ekranowanie złącz i otwieranych elementów (drzwiczek, pokryw). Ponieważ wszelkie otwory i szczeliny stanowią miejsce wycieku promieniowania (albo wlotu dla tego z zewnątrz) wymagają wypełnienia uszczelkami ekranującymi, które muszą być odpowiednio dopasowane. W przypadku metali o wysokiej i średniej przewodności elektrycznej jak srebro, miedź, mosiądz i aluminium, podstawowym mechanizmem ekranowania jest odbicie fal. Z kolei metale i stopy o właściwościach magnetycznych głównie absorbują fale elektromagnetyczne. Przykładami są stopy ferromagnetyczne, takie jak permaloj, czyli stop niklu z żelazem (Ni 80%, Fe 20%), o przenikalności magnetycznej 20000 (przy 1 kHz), mumetal – stop Ni i Fe w proporcjach 75% i 15%, z dodatkami, o przenikalności magnetycznej 100000 (przy 1 kHz) i ferrytyczna stal nierdzewna typu 430, o przenikalności magnetycznej 500.

Mariusz Piękoś

ARIZO

W jakim procencie przypadków materiały do ekranowania/tłumienia EMI/RFI stają się kołem ratunkowym dla konstruktorów?

Zagadnienia związane z kompatybilnością elektromagnetyczną towarzyszą konstruktorom praktycznie od początku procesu projektowego. Najlepsze efekty osiąga się wtedy, gdy wymagania EMC są uwzględniane już na etapie koncepcji urządzenia oraz projektowania obudowy i PCB. Doświadczenie pokazuje, że wiele nieprawidłowości EMC ujawnia się dopiero podczas badań prototypowych. Wynika to z dużej liczby czynników wpływających na emisję i odporność elektromagnetyczną urządzenia. W takich sytuacjach materiały ekranujące bardzo często pozwalają szybko ograniczyć poziom emisji lub wyeliminować nieszczelności EMC. Można więc powiedzieć, że bywają one rozwiązaniem "ostatniej linii obrony", szczególnie gdy modyfikacje konstrukcyjne są już trudne lub kosztowne do wdrożenia.

Nie należy jednak traktować ich wyłącznie jako działań naprawczych. Coraz częściej materiały EMC są świadomie uwzględniane już na etapie projektowania, co pozwala ograniczyć ryzyko późniejszych problemów podczas certyfikacji. Oczywiście zastosowanie dodatkowych elementów ekranowania wiąże się z kosztami, dlatego wielu producentów decyduje się na ich wdrożenie dopiero wtedy, gdy jest to rzeczywiście konieczne.

Jaka jest świadomość rynku w zakresie dostępności nowoczesnych materiałów związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną?

Świadomość znaczenia kompatybilności elektromagnetycznej w branży elektronicznej systematycznie rośnie. Obecnie konstruktorzy dysponują znacznie większymi możliwościami weryfikacji projektów już na etapie rozwoju urządzenia, zarówno poprzez symulacje, jak i badania prototypów. Równocześnie rynek materiałów EMC bardzo się rozwinął. Dostępne są rozwiązania dedykowane zarówno do aplikacji przemysłowych, telekomunikacyjnych czy automotive, jak i projektów wojskowych lub medycznych. Dzięki temu możliwe jest stosunkowo szybkie testowanie różnych wariantów ekranowania oraz dopasowanie odpowiednich materiałów do specyfiki danego projektu. Sama znajomość produktów EMC nie zawsze jednak wystarcza. W praktyce kluczowe znaczenie ma właściwe dopasowanie rozwiązania do aplikacji – nie tylko pod kątem skuteczności ekranowania, ale również trwałości mechanicznej, warunków środowiskowych, technologii montażu czy kosztów wdrożenia. Dlatego dobór materiałów EMC często wymaga doświadczenia projektowego oraz ścisłej współpracy pomiędzy konstruktorem a dostawcą technologii ekranowania.

Wybór materiału wymaga kompromisu między skutecznością ekranowania a ceną. Na przykład ze względu na przewodność srebro, które jest zarazem najdroższe, przewyższa miedź, a ta – tańsze aluminium oraz mosiądz, których przewodności wynoszą odpowiednio 60% i 30% przewodności miedzi. Aby zrównoważyć koszty i skuteczność ekranowania zazwyczaj wybiera się więc miedź i aluminium, przy czym trzeba pamiętać, że to drugie szybciej koroduje. Podobnie w przypadku materiałów o właściwościach magnetycznych. Na przykład ograniczeniem dla użycia permaloju i mumetalu może być to, że są dość ciężkie, ze względu na stosunkowo wysoką gęstość. Alternatywą jest nikiel, który też jest materiałem ferromagnetycznym. Chociaż ma znacznie niższą przenikalność magnetyczną (około 100), jego zaletą jest łatwość nanoszenia metodą galwanizacji.

Wojciech Sydor

sales and marketing manager w EX-CON Polska

Czy przy wyborze dławicy kablowej rynek rozważa własności EMC?

Własności EMC przy doborze dławnic kablowych stają się dziś jednym z kluczowych parametrów technicznych, szczególnie w automatyce, energetyce, kolei, przemyśle zbrojeniowym oraz nowoczesnych systemach opartych o falowniki, napędy i szybką transmisję danych. Sama szczelność IP nie gwarantuje poprawnej pracy instalacji. Dławnica EMC musi zapewnić skuteczny kontakt 360° z ekranem przewodu, wysokie tłumienie zakłóceń oraz odporność na drgania, starzenie materiałów i obciążenia środowiskowe. W praktyce źle dobrane lub niepoprawnie zamontowane przepusty kablowe są częstą przyczyną problemów komunikacyjnych, błędów sterowania oraz niestabilnej pracy urządzeń.

Czy obudowa metalowa może być nieszczelna elektromagnetycznie?

Warto pamiętać, że nawet metalowa obudowa może być elektromagnetycznie nieszczelna. Problem najczęściej pojawia się w miejscach wprowadzenia przewodów, na połączeniach elementów obudowy, drzwiach szaf sterowniczych lub przy nieprawidłowym zakończeniu ekranów kabli. Jeśli ekran przewodu nie zostanie połączony z obudową dużą powierzchnią już przy wejściu kabla, zakłócenia mogą przedostawać się bezpośrednio do wnętrza urządzenia i wpływać na pracę elektroniki.

Jak podejść do wyboru okablowania systemów i urządzeń pod kątem zgodności EM? Czy wojsko ma tutaj jakieś specjalne wymagania?

Projektując system zgodny z EMC, należy analizować cały tor kablowy. Znaczenie ma jakość ekranowania przewodów, prowadzenie tras kablowych, separacja przewodów sygnałowych od zasilających, poprawne uziemienie ekranów oraz odporność komponentów na zakłócenia wysokiej częstotliwości. W sektorze wojskowym wymagania są jeszcze wyższe i obejmują dodatkowo odporność na wibracje, mgłę solną, skrajne temperatury oraz zgodność z normami wojskowymi, np. VG 88846-4 dla zastosowań morskich.

Dostępne są również atramenty metaliczne i folie ekranujące. Pierwsze stanowią zawiesinę drobin metalicznych, zwykle miedzianych lub niklowych. Atrament może być natryskiwany na obudowy z tworzyw sztucznych. Po wyschnięciu tworzy ciągłą, przewodzącą metaliczną warstwę ekranującą. Folie to z kolei paski metali pokryte klejem. Są lekkie, łatwo je dopasować, aby pokryć chronioną powierzchnię, na przykład docinając lub owijając nimi kable.

Materiały węglowe

Coraz częściej ekrany wykonywane są z materiałów węglowych. Wynika to z ich licznych zalet. Taką jest łatwość obróbki. Oprócz tego są lekkie, co jest istotną cechą materiałów ekranujących w urządzeniach przenośnych oraz elektronice noszonej, w konstrukcji których nacisk jest kładziony na miniaturyzację i kompaktowość. Charakteryzuje je również odporność na korozję i wyróżniające właściwości mechaniczne – wysoka wytrzymałość i giętkość. Dzięki nim możliwe jest ich dowolne kształtowanie (skręcanie, owijanie) oraz wielokrotne odkształcanie, na które są narażone podczas codziennego korzystania z elektroniki użytkowej, bez wpływu na ich żywotność ani właściwości ekranujące. Ze względu na wysoką przewodność termiczną mogą także pełnić dodatkową funkcję, odprowadzając nadmiar ciepła wydzielanego w urządzeniu. Poza tym, chemicznymi i fizycznymi metodami obróbki łatwo można kontrolować ich właściwości w zakresie odbijania i absorpcji fal elektromagnetycznych. Przykładem takiego materiału są nanorurki węglowe, czyli nanoskalowe struktury cylindryczne zbudowane z heksagonalnej sieci atomów węgla. Są wykorzystywane przede wszystkim jako wypełniacze osadzane na przykład w polimerach lub ceramice. Dzięki wysokiemu współczynnikowi kształtu łatwo tworzą przewodzące sieci w materiale bazowym, poprawiając jego zdolność do ekranowania fal elektromagnetycznych.

Polimery i nanokompozyty

Generalnie polimery to materiały nieprzewodzące i w większości transparentne dla promieniowania elektromagnetycznego. Istnieje też jednak grupa polimerów przewodzących samoistnie (Intrinsically Conducting Polymers, ICP) wykorzystywanych w ekranowaniu, wytwarzanych w procesie modyfikacji polimerów nieprzewodzących albo przez bezpośrednią syntezę ze standardowych monomerów. Do tej grupy zalicza się polipirol, poliacetylen, poliindol, polianilina oraz ich kopolimery. Spośród nich ekrany najczęściej wykonuje się z wyróżniających się pod względem przewodności elektrycznej polianiliny i polipirolu. Przewodność elektryczną ICP można modyfikować przez domieszkowanie. Niestety pod względem właściwości mechanicznych ustępują polimerom nieprzewodzącym, a poza tym są droższe. ICP, jak i polimery nieprzewodzące są często używane jako materiały wiążące w nanokompozytach z wypełniaczami w postaci na przykład nanorurek węglowych.

Case study – Jak pogodzić ekranowanie i uszczelnienie pojazdów opancerzonych?

Projektanci opancerzonego pojazdu bojowego nowej generacji stanęli przed wyzwaniem zintegrowania w ramach jednej platformy mobilnej dużej liczby zaawansowanych systemów elektronicznych. Obejmowały one czujniki, moduły komunikacji, w tym rozwiązania IoMT (Internet of Military Things), systemy sterowania oraz obserwacji otoczenia. Konstrukcja pojazdu musiała jednocześnie spełniać wysokie wymagania w zakresie wydłużenia żywotności oraz zapewnienia niezawodności operacyjnej i zdolności do pracy w szerokim zakresie trudnych warunków środowiskowych, takich jak wysoka wilgotność, zapylenie i czynniki korozyjne. Sprawę komplikował wymóg zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej. To było utrudnione w związku ze skupieniem dużej liczby źródeł zaburzeń emitujących je jednocześnie w bardzo ograniczonej przestrzeni, co powodowało silne zakłócenia w pracy krytycznych systemów sterowania i łączności. Wyzwanie stanowiła także ochrona przed czynnikami środowiskowymi – dla wszystkich punktów penetracji kadłuba pojazdu, jak włazy, pokrywy serwisowe, przepusty kablowe i interfejsy urządzeń optycznych do obserwacji otoczenia (peryskopów) jednocześnie należało zapewnić szczelność oraz ciągłość ekranowania. W praktyce oznaczało to konieczność spełnienia trudnych do pogodzenia warunków, czyli szczelności mechanicznej, a zarazem przewodności elektrycznej w miejscu styku elementów konstrukcyjnych.

Jak wykazała analiza, głównymi powodami spadku skuteczności ekranowania były: nieszczelności strukturalne, które występują na połączeniach kadłuba pojazdu, obecność otworów wentylacyjnych i kanałów przepływu powietrza, interfejsy optyczne systemów obserwacji, przepusty kablowe oraz złącza elektryczne. W konsekwencji konstrukcja pojazdu nie spełniała wymagań, które stawiane są obudowie ekranowanej. By rozwiązać ten problem podjęto działania systemowe, które obejmowały jednoczesne rozwiązania w zakresie ekranowania i uszczelnienia środowiskowego.

W pierwszym etapie we włazach, panelach serwisowych, wokół modułów elektronicznych zostały zamontowane przewodzące uszczelki elastomerowe. Pełniły podwójną funkcję: zapewniały ciągłość elektryczną niezbędną dla ekranowania i jednocześnie zapewniały uszczelnienie, chroniąc wnętrze pojazdu przed wodą i pyłem. Dodatkowo zastosowano przewodzące powłoki ochronne na powierzchniach stykowych. Poprawiały one odporność złączy na korozję, stabilizowały rezystancję kontaktową i zapewniały długoterminową stabilność właściwości ekranujących w warunkach eksploatacyjnych. W miejscach, które są szczególnie narażone na przerwanie ciągłości ekranowania, jak szczeliny konstrukcyjne oraz połączenia nitowe, zastosowano przewodzące masy uszczelniające. Z kolei na wlocie i wylocie powietrza zamontowano metaliczne struktury o geometrii plastra miodu, które umożliwiały wentylację i jednocześnie tłumiły fale elektromagnetyczne.

Pojazd następnie poddano szerokiemu zakresowi testów na czynniki środowiskowe, obejmujące zmienne temperatury, wysoką wilgotność i ekspozycję na mgłę solną. Przeprowadzono także badania skuteczności ekranowania w warunkach zbliżonych do rzeczywistych warunków bojowych. Wdrożone rozwiązania okazały się skuteczne – nie odnotowano wzajemnych zakłóceń urządzeń elektronicznych i pozytywnie zweryfikowano szczelność konstrukcji, bez pogorszenia właściwości ekranujących.

Nanokompozyty polimerowe są bardzo obiecującym materiałem ekranów – uznaje się je nawet za alternatywę dla tradycyjnych ekranów metalowych. Ich istotną zaletą, będącą zasadniczo cechą wszystkich polimerów, jest łatwość kształtowania, m.in. z wykorzystaniem takich popularnych technik obróbki jak wytłaczanie i formowanie wtryskowe. Dzięki temu ekrany z materiałów tego typu mają potencjał znaleźć zastosowanie w różnych branżach. Fala elektromagnetyczna jest przez nanokompozyty na bazie polimerów nieprzewodzących przede wszystkim absorbowana, a w tych z ICP – także odbijana. Skuteczność ekranowania zależy od właściwego doboru wypełniaczy, które mogą mieć różną postać (m.in. płatki, włókna) oraz ich odpowiedniej dyspersji w matrycy polimerowej.

Poza różnymi typami materiałów ekranujących, pracuje się również nad ich różnymi postaciami. Przykłady to materiały porowate i cienkowarstwowe.

Materiały porowate i cienkie warstwy

W przypadku materiałów ekranów na potrzeby lotnictwa, wojska oraz technologii kosmicznych oprócz skuteczności ekranowania kluczową cechą jest ich lekkość. Wynika to stąd, że w samolotach, pojazdach wojskowych i satelitach każde dodatkowe obciążenie jest niepożądane, gdyż przekłada się na większe zużycie paliwa oraz mniejszą manewrowość. Dlatego w tych branżach popularne są materiały porowate, jak pianki, gąbki i aerożele. Oprócz tego, że są lekkie, jako materiał wykonania ekranu mają także inne zalety. Obecność porów zwiększa liczbę granic faz, co zwiększa absorpcję fali przez jej wewnętrzne rozpraszanie. Co więcej, obecność powietrza w porach zwiększa przenikalność elektryczną, a w efekcie również straty dielektryczne. Rosną przede wszystkim straty przewodzenia i te związane z polaryzacją międzyfazową. Absorpcję można jeszcze wzmocnić dzięki wprowadzeniu strat magnetycznych poprzez osadzenie w porach nanocząstek magnetycznych.

Wyróżnikiem pianek jest struktura komórkowa. Zapewnia nie tylko lekkość, ale również zwiększa wytrzymałość mechaniczną. Dodatkowo, w piankach można wpływać na stosunek powierzchni do objętości, co zapewnia kompaktowość, a zarazem zwiększa powierzchnię kontaktu z falą padającą. Możliwość wpływania na kształt, rozmiar i rozmieszczenie porów oraz dobór metody spieniania pozwalają na uzyskanie wymaganej skuteczności ekranowania. Ekrany wykonuje się m.in. z pianek elastomerowych wzmacnianych metalem, pianek węglowych domieszkowanych drobinami metali, pianek metali.

Kolejnym przykładem są cienkie warstwy o grubości rzędu mikrometrów, które charakteryzują się bardzo dużą przewodnością, w związku z czym główny mechanizm ekranowania w ich przypadku to odbicie. To ogranicza zakres ich zastosowań. Poza tym sprawdzają się głównie w kompaktowych i lekkich urządzeniach elektronicznych, w których grubość ekranu jest kluczowa. Opracowanie tak cienkich struktur o właściwościach absorpcyjnych jest większym wyzwaniem, ale nad takimi prace również są prowadzone. Przezroczyste cienkie warstwy to kolejny perspektywiczny typ materiałów ekranujących wykorzystywanych w urządzeniach elektronicznych oraz optycznych. Przykładem są nanokompozyty na bazie tlenku indu i cyny (ITO).

Czym są materiały RAM?

Podstawowy cel ekranowania to zapewnienie kompatybilności elektromagnetycznej urządzenia. W praktyce gwarantuje to jego prawidłowe działanie w obecności zaburzeń w jego otoczeniu, jak i to, że samo nie staje się źródłem tych, które mogłyby zakłócać pracę innych sprzętów lub oddziaływać negatywnie na ludzi. Poza tym, zwłaszcza w zastosowaniach wojskowych, ważne by urządzenia nie emitowały promieniowania, które mogłoby "zdradzić" ich obecność czy umożliwić "podsłuch". Oprócz tego jednak w obronności fale elektromagnetyczne są też celowo emitowane w celu wykrycia określonych obiektów, jak samoloty. Wykorzystuje się w tym przypadku to, że ich głównym materiałem konstrukcyjnym są metale, które to promieniowanie odbijają. To umożliwia ich wykrycie oraz namierzenie przez systemy radiolokacyjne – radary. Przy okazji opisywania mechanizmów i materiałów ekranowania warto wspomnieć o powiązanej, wojskowej technologii stealth i materiałach RAM (Radar Absorbent Materials), na których ona bazuje.

Rys. 1. Mechanizmy ekranowania w materiałach RAM

Technologia stealth, czyli niskiej wykrywalności, obejmuje różne środki i techniki, stosowane aby sprawić, że sprzęt wojskowy staje się "niewidzialny" dla przeciwników na polu bitwy. Na sygnaturę elektromagnetyczną takiego obiektu można wpłynąć nadając mu specjalny kształt i pokrywając go materiałami RAM pochłaniającymi promieniowanie radarowe. Są to zwykle kompozyty składające się ze spoiwa oraz przewodzących i magnetycznych wypełniaczy. Są używane w celu ograniczenia odbitego promieniowania elektromagnetycznego przez znaczące zmniejszenie energii fali padającej. Osiąga się to na jeden z dwóch sposobów, analogicznych jak w ekranowaniu. Pierwszy polega na jej absorpcji przez materiały, w których występują straty dielektryczne, rezystancyjne lub magnetyczne, w wyniku jej konwersji na ciepło. Jest skuteczny dla szerokiego spektrum częstotliwości radarowych. W drugim przypadku wykorzystuje się wielokrotne wewnętrzne odbicia fali padającej od tylnej i przedniej wewnętrznej powierzchni materiału. Ta metoda sprawdza się najlepiej dla określonej częstotliwości. Popularnymi materiałami RAM są m.in. te na bazie węgla. Już w czasie drugiej wojny światowej bombowce maskowano sadzą i materiałami na bazie gumy zmieszanej z grafitem, obecnie zaś pracuje się nad wykorzystaniem w tym zastosowaniu m.in. nanorurek węglowych.

Monika Jaworowska