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Bambusverbundstoff schirmt Mikrowellen ab
Elektronische Geräte können sich durch elektromagnetische Störsignale gegenseitig beeinflussen. Ein neu entwickelter Kunststoffverbund mit Kohle aus Bambus schirmte im Labor Mikrowellen wirksam ab und war zugleich fester und zäher als das Ausgangsmaterial. Entscheidend ist die gezielte Anordnung der leitfähigen Kohlepartikel zwischen mehreren Kunststoffschichten.
Zibo (China). Smartphones, Funkmodule und empfindliche Elektronik können sich gegenseitig stören, wenn elektromagnetische Wellen ungewollt in benachbarte Bauteile eindringen. Metallische Abschirmungen halten solche Signale häufig durch Reflexion zurück. Gesucht sind deshalb leichte Werkstoffe, die Mikrowellen möglichst im Inneren dämpfen und dabei mechanisch belastbar bleiben.
Kunststoffe lassen sich vielseitig formen, schirmen hochfrequente Wellen allein aber nur begrenzt ab. Leitfähige Zusätze können die Dämpfung verbessern, schwächen bei ungünstiger Verteilung jedoch die Verbindung zwischen den Polymerbestandteilen. Eine neue Materialstudie zeigt, wie sich diese beiden Anforderungen durch einen gezielten Schichtaufbau besser miteinander vereinbaren lassen.
Forscher der Shandong University of Technology (SDUT) um Deli Zhang haben dafür einen mehrlagigen Kunststoffverbund entwickelt und verschiedene Varianten im Labor verglichen. Als elektrisch leitenden Zusatz nutzten sie Kohle aus Bambus, die sie vor dem Einbau besonders behandelten und anschließend zwischen die einzelnen Kunststoffschichten einbrachten.
Aus getrocknetem Bambuspulver stellte das Team zunächst durch Erhitzen unter Stickstoff eine kohlenstoffreiche Substanz her. Anschließend erhitzten elektrische Strompulse kleine Mengen davon für 0,3 Sekunden auf ungefähr 3.000 Kelvin. Diese sogenannte Blitz-Joule-Erhitzung verändert die Kohlenstoffstruktur und verbessert die elektrische Leitfähigkeit der Partikel.
Eine zusätzliche Behandlung mit einer Silanverbindung sollte die Haftung der Kohle am Kunststoff verbessern. Die Forscher verteilten die Partikel nicht gleichmäßig in einer Masse, sondern an den Grenzflächen eines Verbunds aus abwechselnden Lagen zweier Polymere. Dabei handelte es sich um Polymilchsäure (PLA) und Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT), die unterschiedliche mechanische Eigenschaften mitbringen.
Bei Messungen zwischen 8,2 und 12,4 Gigahertz erreichte die optimierte Probe im Mittel eine Abschirmwirkung von 36,7 Dezibel. Eine konventionell gemischte Probe mit derselben Menge behandelter Bambuskohle kam dagegen nur auf 7,5 Dezibel. Die gezielte Anordnung der Kohle war für den großen Unterschied somit entscheidend.
Von den 36,7 Dezibel entfielen rechnerisch 30,8 Dezibel auf den Absorptionsbeitrag und 5,9 Dezibel auf Reflexion. Der angegebene Absorptionsanteil von 84 Prozent bezieht sich auf diese Zerlegung der Abschirmwirkung. Er bedeutet nicht, dass genau 84 Prozent der ursprünglich eingestrahlten Energie absorbiert wurden.
Die leitfähigen Kohlepartikel bilden an den Schichtgrenzen zusammenhängende Wege für elektrische Ladungen. Zugleich werden die eindringenden Wellen an mehreren Grenzflächen beeinflusst und können ihre Energie im Material verlieren. So verringerte die optimierte Struktur im untersuchten Frequenzbereich vor allem die durch das Material hindurchtretende Strahlung.
Auch die mechanischen Messungen sprechen für die Schichtbauweise. Die Zugfestigkeit erreichte 25,5 Megapascal statt 14,1 Megapascal beim unverstärkten Kunststoffgemisch, ein Anstieg um 81 Prozent. Die gemessene Zähigkeit stieg von 0,98 auf 2,68 Megajoule pro Kubikmeter und lag damit um 173 Prozent höher.