Polymere Werkstoffe finden zunehmend Anwendung in Branchen, die Hochleistungsmaterialien mit vielfältigen, fortschrittlichen Eigenschaften erfordern, wie beispielsweise im Bauwesen und im Transportwesen. Dies ist auf die erheblichen Vorteile polymerer Werkstoffe zurückzuführen, die zu ihrem Einsatz in zahlreichen Anwendungen und zum Ersatz anderer Werkstoffgruppen geführt haben. Sie weisen unter anderem folgende charakteristische Merkmale auf: • Gute Leistung: Material, das von Natur aus korrosionsbeständig und äußerst langlebig ist, zudem sehr leicht ist und ein hohes Festigkeits-/Gewichtsverhältnis aufweist.
• Gestaltungsfreiheit: Ermöglicht komplexe Formen und eine Vielzahl von Herstellungsverfahren.
• Es ermöglicht hohe Produktionsmengen zu niedrigen Kosten.
Ein weiterer Bereich mit großem Potenzial für Polymerwerkstoffe ist die Telekommunikation. Hier besteht Bedarf an Materialien mit unterschiedlichen Wechselwirkungsmechanismen gegenüber elektromagnetischer Strahlung – von Materialien ohne jegliche Wechselwirkung bis hin zu solchen, die als Barriere wirken.
Polymerwerkstoffe sind im Allgemeinen relativ transparent für elektromagnetische Strahlung. Dies bietet eine interessante Ausgangsbasis für bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von Materialien, die nicht mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirken und somit als Radommaterialien dienen können. Darüber hinaus lässt sich mit Polymerwerkstoffen auch der gegenteilige Effekt erzielen. Fortschritte in der Synthese, Funktionalisierung und Dotierung ermöglichen es, die Vorteile dieser Materialien zu nutzen und gleichzeitig elektromagnetische Wellen abzuschirmen, wodurch sie als Abschirmmaterialien eingesetzt werden können.
Was ist die Dielektrizitätskonstante und was ist ein Radom-Material?
Die Dielektrizitätskonstante ist eine physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Materials zur Speicherung elektrischer Ladung quantifiziert. Eine niedrigere Dielektrizitätskonstante bedeutet daher eine geringere Ladungsspeicherung und eine geringere elektromagnetische Abschirmung.
Die wichtigste Anforderung an ein Material, um als Radom zu gelten, ist, dass es zwar vorzugsweise für sichtbares Licht undurchsichtig, aber für elektromagnetische Wellen transparent ist. Aus diesem Grund werden Radome aus dielektrischen Materialien mit sehr geringen Verlusten hergestellt. Tatsächlich hätte ein ideales Material für die Funktion eines Radoms eine Dielektrizitätskonstante von 1, was praktisch der von Luft entspricht. Materialien mit Dielektrizitätskonstanten nahe 1 sind im Allgemeinen am besten für die Radom-Konstruktion geeignet.
Was ist elektromagnetische Abschirmung und was ist Abschirmmaterial?
Elektromagnetische Abschirmung (EMI-Abschirmung) bezeichnet die Fähigkeit, elektromagnetische Felder mithilfe von Barrieren aus leitfähigem oder magnetischem Material in einem bestimmten Raum zu blockieren oder zu minimieren. Abschirmungen können unerwünschte Auswirkungen elektromagnetischer Störungen, wie z. B. Funkwellenkopplung, elektromagnetische Felder und elektrostatische Felder, reduzieren. Die Eigenschaften einer Abschirmung hängen von verschiedenen Faktoren ab, darunter das verwendete Material, die Geometrie des Raumes, die Frequenz des elektromagnetischen Feldes und das Vorhandensein von Öffnungen.
Abschirmmaterial reduziert die Transmission elektromagnetischer Wellen, indem es als Barriere wirkt und einen Großteil der auftreffenden Wellen am Durchdringen hindert. Zunächst wird die Welle teilweise von der Oberfläche reflektiert, anschließend wird ein Teil der transmittierten (nicht reflektierten) Wellen beim Durchgang durch das Material abgeschwächt. Man unterscheidet somit zwei Arten der elektromagnetischen Dämpfung: Reflexion und Absorption. Die Abschirmwirkung eines Materials entspricht daher der Summe beider Effekte und quantifiziert das elektromagnetische Feld, dessen Durchdringung durch das Material verhindert wird.
Anwendungen von Radomen und Abschirmmaterialien.
Radome und Abschirmmaterialien dienen beide dem Schutz der darin befindlichen Geräte. Obwohl der Zweck derselbe ist, schützen Radome Geräte vor physikalischen Einflüssen und minimieren Störungen elektromagnetischer Verbindungen, während Abschirmungen Geräte vor elektromagnetischen Störungen durch andere Geräte schützen.
Hauptanwendungsgebiet von Radomen ist der Antennenschutz. Der Einsatz dieser Materialien trägt dazu bei, die Windlast auf die Antenne und ihre Struktur zu reduzieren, Eisbildung zu verhindern und andere negative Umwelteinflüsse zu mindern. Es gibt zwei Hauptarten von Radomschutz. Die eine Art ist die Seitenabdeckung, die in verschiedenen Ausführungen (sphärisch, konisch oder flach) erhältlich ist und an der Antennenstruktur neben den zu schützenden Bereichen angebracht wird, um eine seitliche Abschirmung zu gewährleisten. Die andere Art ist das externe Radom, das nicht Teil der Antennenstruktur ist, sondern eine separate Struktur darstellt, die die Antenne vollständig umschließt. Es gibt Fälle, in denen die Struktur des Objekts selbst diese Funktion übernimmt, wie beispielsweise der Rumpf eines Flugzeugs. Externe Radome sind am weitesten verbreitet.
Darüber hinaus finden Abschirmmaterialien vielfältige Anwendung als elektromagnetische Abschirmung. Sie werden unter anderem in medizinischen Geräten (MRT-Geräten), in Computerspeicherräumen oder -schränken, in elektronischen Bauteilen oder Sensoren, die empfindlich auf elektromagnetische Störungen reagieren, zum Schutz von Transformatoren oder Netzteilen sowie zur Isolierung von Batterien in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Wenn eine Emissionsquelle isoliert oder ein bestimmter Raum oder ein Gerät immunisiert werden soll, ist die Installation von Abschirmplatten oder -abdeckungen die gängigste Lösung. So lassen sich Wände, Decke und Boden des Raumes, in dem sich das Gerät befindet, abdecken. Bei kleineren Geräten oder Bauteilen empfiehlt sich hingegen ein externes Gehäuse.
Die Rolle von Polymerwerkstoffen in der Entwicklung von Radomen und Abschirmungen.
Dank ihrer Vielseitigkeit, ihrer unterschiedlichen Leistungseigenschaften, ihres geringen Gewichts und ihrer niedrigen Kosten bieten Polymerwerkstoffe eine äußerst wettbewerbsfähige Alternative für eine breite Palette von Radom- und Abschirmungslösungen, wobei für jede spezifische Anwendung die optimale Lösung gefunden werden kann.
Darüber hinaus ermöglichen Entwicklungen auf diesem Gebiet bedeutende technologische Fortschritte. Zum einen werden Radommaterialien auf Basis von Endlosfaserverbundwerkstoffen entwickelt, die die Integration von Antennen verschiedener Typen ermöglichen. Dies eröffnet die Möglichkeit zur Entwicklung neuer Produkte, wie beispielsweise Stadt- oder Haushaltsmöbel, die an die aktuellen Herausforderungen des Internets der Dinge (IoT) und intelligenter Städte angepasst sind. Zum anderen werden Abschirmungsmaterialien auf Basis von thermoplastischen Polymeren, duroplastischen Polymeren und Endlosfaserverbundwerkstoffen entwickelt. Diese Materialien reduzieren das Gewicht im Vergleich zu Lösungen mit metallischen Komponenten und erreichen eine hohe Effektivität bei der elektromagnetischen Abschirmung. Sie bergen besonderes Potenzial für Anwendungen im Bereich der nachhaltigen Mobilität.
Am AIMPLAS, dem Technologischen Institut für Kunststoffe, laufen derzeit mehrere Forschungs- und Entwicklungsprojekte zu diesem Thema. Eines dieser Projekte ist FLEXOTRONICA, gefördert vom Valencianischen Institut für Unternehmenswettbewerbsfähigkeit (IVACE). Im Rahmen dieses Projekts wurden unter anderem verschiedene Arten von Polymerwerkstoffen für Panzerplatten entwickelt. Ein weiteres, ebenfalls von IVACE gefördertes Projekt ist EPLAST, das sich auf die Entwicklung von Panzerplatten und Radomen konzentriert.
Autor: Blai López Rius, Forscher im Bereich Bauwesen und erneuerbare Energien
