Es wird bereits seit 2008 intensiv mit den verschiedensten Additiven in verschiedensten Kombinationen geforscht, um Lacke zu entwickeln, die ihren metallischen Träger ein radarabsorbierendes Tarnkleid verpassen. Im Jahr 2022 wurde ein sehr interessanter Test mit Bariumhexaferrit und ultrafeinem Kupferpulver in Kombination publiziert, der Radarstrahlen um ein Drittel absorbierte. Im Jahr 2023 wurde plötzlich viermal so viel ultrafeines Kupferpulver verkauft wie im Jahr zuvor.

Die Technik

Polymerverbundwerkstoffe haben aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer einfachen Verarbeitung sowie ihrer außergewöhnlichen Kombination von Eigenschaften Einzug in alle Bereiche unseres Lebens gehalten. So sehr, dass diese Materialien in der Raumfahrt, der Luftfahrt und sogar in der Verteidigungsindustrie zu finden sind. In diesem Zusammenhang wurde der Einsatz von Polymerverbundwerkstoffen für Radarabsorptionsanwendungen diskutiert. Radar ist ein System zur Erkennung von Objekten, das elektromagnetische Wellen nutzt, um Informationen wie Entfernung, Höhe, Richtung oder Geschwindigkeit von Objekten zu ermitteln. Dieses System kann sowohl bewegliche Objekte wie Flugzeuge, Schiffe und Kraftfahrzeuge als auch stationäre Objekte wie Land erkennen. Auch Informationen über Wetterformationen können mit Hilfe von Radar gewonnen werden. Diese Technologie, die die Luft- und Seekriegsführung revolutioniert hat, ist eine der wichtigsten technologischen Entwicklungen aus dem Zweiten Weltkrieg. Tatsächlich wurde der Begriff RADAR 1940 von der US-Marine als Abkürzung für RAdio, Detection, And Ranging geprägt. Später gewann es nicht nur für militärische und polizeiliche Anwendungen an Bedeutung, sondern auch für Flugmanöver und -erfassung, meteorologische Datenerfassung.

Wenn man sich das Funktionsprinzip des Radars anschaut, scheint es recht einfach zu sein: Ein Signal wird ausgesendet, es prallt an einem Objekt ab, und dieses zurückgeworfene Signal wird dann von einer Art Empfänger aufgenommen. Dies beruht auf demselben Prinzip wie das Echo des Schalls an einer Wand. Allerdings wird im Radarsystem nicht der Schall als Signal verwendet, sondern Mikrowellen werden verwendet. Die Stärke der Reflexion und Brechung dieser Wellen hängt von den Eigenschaften und der Oberfläche des Materials ab, von dem das Signal gesendet wird. Trifft das Radarsignal auf eine vollkommen ebene Oberfläche, wird das Signal in eine Richtung reflektiert. Trifft es auf eine unebene Oberfläche, wird es in mehrere Richtungen reflektiert, wobei nur ein sehr kleiner Teil des ursprünglichen Signals zum Empfänger zurückgesendet wird. Eine andere Möglichkeit zur Reduzierung des reflektierten Signals besteht darin, dass das Signal von dem Material, das es durchquert, absorbiert wird. Die radarabsorbierenden Materialien, die wir kennen, verfügen über einen Mechanismus, der die eintreffenden Radarsignale im Inneren einfängt und verhindert, dass sie reflektiert werden. Die ältesten Formen dieser Materialien wurden von den Deutschen während des Zweiten Weltkriegs verwendet.

Bariumhexaferrit- und ultrafeines Kupferpulver wurden für die Herstellung von radarabsorbierenden Verbundbeschichtungen verwendet. Bariumhexaferrit-Pulver wurden nach der Sol-Gel-Methode synthetisiert, und als Ausgangsstoff für den Syntheseprozess verwendet. Nach dem Syntheseprozess wurden Mischungen hergestellt, indem Bariumhexaferrit- und ultrafeines Kupferpulver in unterschiedlichen Mengen zu einem Polyurethanharz gegeben wurden (um die Konzentrationsabhängigkeit zu bestimmen). Durch Auftragen dieser Mischungen auf die Oberflächen von Glas- und Metallsubstraten wurden Beschichtungen mit einer Dicke von 3 mm erhalten. Anschließend wurden sie bei Raumtemperatur an der Luft getrocknet.

Betrachtet man die Morphologie von Bariumhexaferrit, so sieht man, dass es glattkantige, plattierte Partikel hat und die durchschnittliche Partikelgröße etwa 5 μm beträgt. Bei Kupfer handelt es sich um relativ große, Partikel im Größenbereich von 7-10 μm.

Der Radarabsorptionswert der Probe, die 5 % Bariumhexaferrit und 10% Kupferpulver enthält, absorbierte maximal 11,38 %, während der Absorptionswert der Probe mit mehr Kupfer anstieg und 12 % überstieg. Ein maximaler Wert kann theoretisch bei über 80% Absorption liegen.

Was den Mechanismus von Kupfer angeht, so absorbiert Kupfer keine elektromagnetischen Wellen. Der Mechanismus der Radarabsorption in Kupfer unterscheidet sich geringfügig von dem in Bariumhexaferrit. Wenn die elektromagnetische Welle auf die Kupferoberfläche trifft, treibt das elektrische Feld die Ladungsträger (Elektronen) zur Erzeugung eines Wechselstroms an. Wenn die elektromagnetischen Wellen auf die Kupferoberfläche treffen, schwingen die freien Elektronen mit dem sich ändernden elektrischen und magnetischen Feld und erzeugen so einen elektrischen Strom. Der erzeugte Wechselstrom erzeugt in und um den Leiter ein magnetisches Wechselfeld. In diesem Fall entsteht eine elektromagnetische Gegenkraft, die die Ladungsträger dazu zwingt, auf der Leiteroberfläche zu bleiben. Das bedeutet, dass ihre elektromagnetischen Wellen von den Elektronen im Metall absorbiert werden oder sich in dieselbe Richtung zurück ausbreiten. Gleichzeitig geht ein Teil der elektromagnetischen Energie als Wärme verloren.

Die Untersuchung dieser Ergebnisse zeigt, dass die mit Bariumferrit- und Kupferpulver verstärkten Beschichtungen höhere magnetische Sättigungswerte aufweisen als die Einzelschichten. Mit zunehmender Menge an Bariumhexaferrit und Kupfer nimmt der Radarabsorptionswert zu. Die Hinzufügung von Bariumhexaferrit und Kupfer führte also zu einer guten Synergie in Bezug auf die Erhöhung der Absorptionsleistung. Diese Synergie ist darauf zurückzuführen, dass die Zusatzstoffe mit ihren magnetischen und elektrischen Eigenschaften separat zum Verbundstoff beitragen. So wurde der Mechanismus jedes Zusatzstoffes aktiviert und die Radarabsorptionsleistung auf unterschiedliche Weise erhöht.

Der Markt von Kupferpulvern

Kupferpulver wird vermehrt in Russland, Kanada und in Chile hergestellt. In Kanada und Chile wird meist biologisches nahezu rundes Pulver hergestellt, welches auch in Pharmalogischen Anwendungen zu Hause ist. In Russland wird fast ausschliesslich Kupferpulver für technologische Anwendungen gefertigt.

Mit dem (warmen) Krieg, den Russland 2022 gegen die Ukraine angefangen hat, hat sich der Markt in vielen Bereichen des globalen Handels verändert. Westliche Banken nehmen nur sehr vereinzelnd Überweisungen an, die aus dem Verkauf von russischen Waren stammen. So haben sich tausende von russischen Firmen neu strukturiert und ihre Firma in Russland abgebaut und in Nachbarländern wieder aufgebaut, sind einfach mit ihren Maschinen umgezogen oder haben gar einen Neuanfang im Ausland gestartet. Im Resultat sehen wir heute Kupferpulverproduzenten entlang der russischen Grenze von Estland bis Kasachstan.

Da die meisten Produzenten von ultrafeinen metallischen Pulvern Kunden von uns sind, sind wir recht gut in der Lage den Markt für ultrafeines Kupferpulver zu beobachten. Wir haben vermehrt grosse Mengen im Verkauf gesehen. So haben wir im Jahr 2018 den globalen Handel noch mit rund 20 Tonnen eingeschätzt. Im Jahr 2023 haben allein wir über 60 Tonnen den Besitzer wechseln sehen. So dass von einem derzeitigen jährlichen Handelsvolumen von rund 100 Tonnen ausgegangen werden darf.

Da der Bedarf in den anderen Anwendungsbereichen von Kupferpulver nicht derart in den letzten fünf Jahren gestiegen ist, gehen wir von einem neuen Player aus, - dem Militär. Die bekannten Anwendungsgebiete von Kupferpulver sind: Elektronik, Halbleiter, Antibakterielle Beschichtungen, 3D-Druck, Pharmalogie, Lackhersteller. Für das Militär wären die Anwendungsmöglichkeiten schier grenzenlos. Vom Satelliten bis zum Truppentransporter könnte alles für moderne Radargeräte unsichtbar sein. Dieser taktische Vorteil könnte dem Militärs dieser Welt mehrere Milliarden USD wert sein. Wir werden den Markt weiterhin beobachten und wieder berichten.

The Technology

Polymer composites have become an integral part of modern life due to their light weight, ease of processing, and exceptional combination of properties. They are now found in aerospace, aviation, and even defense industries. In this context, the use of polymer composites for radar absorption applications has been discussed.

Radar is a detection system that uses electromagnetic waves to determine information such as the distance, altitude, direction, or speed of objects. It can detect both moving objects such as aircraft, ships, and vehicles, and stationary ones such as terrain. Radar can also be used to gather meteorological data. This technology, which revolutionized air and naval warfare, is one of the most important technological developments of World War II. In fact, the term RADAR was coined in 1940 by the U.S. Navy as an acronym for RAdio Detection And Ranging. Since then, it has gained importance not only for military and police use but also for flight navigation and weather observation.

At first glance, radar operation seems simple: a signal is emitted, it bounces off an object, and the reflected signal is received. This is similar to how an echo works—but instead of sound, radar uses microwaves. The degree of reflection and refraction depends on the properties and surface of the material hit by the signal. When a radar signal strikes a perfectly flat surface, it is reflected in one direction. When it hits an uneven surface, it is scattered in multiple directions, and only a small portion of the original signal returns to the receiver. Another way to reduce the reflected signal is through absorption of the radar waves by the material itself.

Radar-absorbing materials (RAM) have a mechanism that traps incoming radar waves within the material, preventing them from being reflected. The earliest forms of such materials were developed by the Germans during World War II.

Barium hexaferrite and ultrafine copper powder were used to produce radar-absorbing composite coatings. The barium hexaferrite powders were synthesized using the sol-gel method. After synthesis, mixtures were prepared by adding barium hexaferrite and ultrafine copper powder in various amounts to a polyurethane resin (to determine the dependence on concentration). These mixtures were then applied to glass and metal substrates, producing coatings about 3 mm thick, which were dried at room temperature in air.

The morphology of barium hexaferrite shows smooth-edged, plate-like particles with an average particle size of about 5 μm. The copper particles are relatively large, between 7–10 μm.

The radar absorption of the sample containing 5% barium hexaferrite and 10% copper powder reached a maximum of 11.38%, while increasing the copper content further boosted absorption beyond 12%. Theoretically, maximum absorption could exceed 80%.

As for the mechanism of copper, copper itself does not absorb electromagnetic waves. The radar absorption mechanism in copper differs slightly from that in barium hexaferrite. When electromagnetic waves strike the copper surface, the electric field drives free electrons, generating an alternating current. These oscillating electrons create a magnetic alternating field in and around the conductor. This generates an electromagnetic counterforce that confines the charge carriers to the surface of the conductor. Thus, the electromagnetic waves are either absorbed by the electrons or reflected in the same direction, with some of the electromagnetic energy dissipated as heat.

Analysis of the results shows that coatings reinforced with barium ferrite and copper powder exhibit higher magnetic saturation values than single-component coatings. As the amounts of barium hexaferrite and copper increase, radar absorption also increases. The addition of barium hexaferrite and copper therefore creates a synergistic effect, enhancing absorption performance. This synergy arises because the additives contribute independently through their magnetic and electrical properties—each activating different mechanisms that together improve radar absorption.

The Copper Powder Market

Copper powder is primarily produced in Russia, Canada, and Chile. In Canada and Chile, mostly biologically derived, nearly spherical copper powder is made, often used in pharmaceutical applications. In Russia, nearly all copper powder production is for technological uses.

With the (hot) war Russia began against Ukraine in 2022, global trade patterns changed dramatically. Western banks now rarely process payments related to Russian goods. As a result, thousands of Russian companies restructured—relocating operations, moving machinery abroad, or restarting under new names in neighboring countries. Consequently, we now see copper powder producers operating along the Russian border, from Estonia to Kazakhstan.

Because most producers of ultrafine metallic powders are our clients, we are in a good position to monitor the market for ultrafine copper powder. We have seen increasingly large volumes traded. In 2018, global trade was estimated at around 20 tonnes. By 2023, we alone observed over 60 tonnes changing hands, suggesting a current annual market volume of roughly 100 tonnes.

Since demand in other known application areas of copper powder has not grown nearly as much in the past five years, we suspect the emergence of a new player — the military. Known applications for copper powder include: electronics, semiconductors, antibacterial coatings, 3D printing, pharmaceuticals, and paint production.

For the military, the potential applications are virtually limitless. From satellites to armored vehicles, anything could be made invisible to modern radar systems. Such a tactical advantage could be worth billions of U.S. dollars to the world’s militaries.

We will continue to monitor this market and report again.