На правах рукописи

Землянухин Юрий Петрович

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ

РАДИОМАТЕРИАЛОВ, АКТИВНО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО

ДИАПАЗОНА

01.04.03 – Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», на кафедре радиоэлектроники.

кандидат физико-математических наук,

Научный руководитель:

доцент Сусляев Валентин Иванович

Официальные оппоненты:

Гынгазов Сергей Анатольевич, доктор технических наук, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», ведущий научный сотрудник Гребенюков Александр Иванович, кандидат физико-математических наук, федеральное государственное бюджетное учреждения науки «Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН», старший научный сотрудник Федеральное государственное бюджетное

Ведущая организация:

учреждение науки «Институт физики им.

Л.В. Киренского СО РАН» (г. Красноярск)

Защита состоится « 04 » июня 2014 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.268.04, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» по адресу: 634050, Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТУСУРа по адресу: 634034, г. Томск, ул Вершинина, 74.

Автореферат разослан «_» апреля 2014 г.

Ученый секретарь Ю.П. Акулиничев диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Неуклонный рост применения устройств, использующих высокочастотную радиоэлектронику, приводит к возрастанию суммарного электромагнитного загрязнения не только в производственных и научных, но и в бытовых помещениях, что требует принятия мер защиты, ослабляющих вредное воздействие электромагнитного излучения (ЭМИ). Во многих случаях требуемого медицинскими нормами снижения уровня электромагнитного излучения рациональным размещением оборудования и удалением его от биологических объектов достичь не удается. Задача может быть решена разработкой материалов, активно взаимодействующих с ЭМИ, отражая или поглощая электромагнитную энергию. Представляемый рынком обширный ряд поглотителей не полностью обеспечивает потребности в легких, негорючих, влагостойких, долговечных защитных устройствах, доступных по цене. В связи с этим исследование электромагнитных характеристик новых материалов, которые эффективно отражают или поглощают ЭМИ, с целью выбора оптимального состава или строения является актуальной физической задачей.

Важное значение имеет выбор участка частот, в котором необходимо производить исследование. С этой позиции представляет интерес граница СВЧ и КВЧ диапазонов электромагнитного излучения, где отмечаются отличия механизма воздействия на медицинские объекты: микроволны сантиметрового диапазона оказывают иммуномодулирующее действие [1] и вызывают иммуносупрессию, а излучение миллиметрового диапазона, напротив, вызывает иммуностимулирующее действие [2]. Этот диапазон представляет интерес и с позиции развития радиоэлектронных устройств широкого назначения, так как отчетливо прослеживается тенденция продвижения аппаратуры в сторону высоких частот, чем обеспечивается быстродействие, многофункциональность, снижение веса и энергопотребления.

В настоящее время активно ведутся работы по разработке физических основ создания эффективных поглотителей на основе пористых материалов, которые обладают малым весом и могут быть использованы как тепло- звукоизоляционные, теплоизоляционно-конструкционные изделия, что повышает их потребительскую привлекательность. Пористые радиопоглощающие гранулы пеностекла, обладая относительно низким весом, применяются в авиастроении [3], поскольку за счет их размещения в фюзеляже самолета не только снижается уровень теплопотерь, но и обеспечивается защита от радиационного и электромагнитного воздействий, неизбежно проявляющихся на больших высотах [4].

Особый интерес представляют мезопористые материалы [5], которые имеют большие площади поверхности, контролируемую пористость, низкую плотность, богатые возможности модификации как органических, так и неорганических частей каркаса и др.

Цель диссертационной работы. Используя метод «свободного пространства», экспериментально исследовать электромагнитный отклик и спектры диэлектрической проницаемости композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ), наноструктурных гексагональных ферримагнетиков, пеностеклокристаллических материалов (ПСКМ) и металлоорганических координационных полимеров в диапазоне 26 – 37 ГГц.

Задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:

1. Модернизировать измерительную установку для исследования материалов с большими потерями в диапазоне частот 26 – 37 ГГц неразрушающим методом «свободного пространства».

2. Разработать методику измерения электромагнитного отклика от плоских образцов диэлектрических и магнитодиэлектрических материалов в диапазоне частот 26 – 37 ГГц.

3. Освоить методику расчета спектров комплексной диэлектрической проницаемости исследуемых материалов по измеренным электродинамическим параметрам измерительной ячейки.

4. Обосновать выбор наиболее перспективных объектов исследования, которые могут быть использованы для устройства помещений с низким уровнем электромагнитного излучения и низкой отражательной способностью стен и потолка.

5. Провести экспериментальные исследования электромагнитного отклика от плоских образцов композитов на основе: 1) пеностеклокристаллического материала; 2) мезопористых материалов; 3) углеродных нанотрубок; 4) МУНТ и оксидных ферримагнетиков, в зависимости от толщины образцов, типа и концентрации активной фазы. Оценить достоверность полученных экспериментальных данных.

6. Провести расчет спектров комплексной диэлектрической проницаемости композитов на основе углеродных нанотрубок по измеренным электродинамическим параметрам измерительной ячейки.

7. Сформулировать рекомендации по практическому применению исследуемых композиционных материалов.

Методы исследования. В соответствии с поставленными задачами в диссертационной работе используется комплексный подход, сочетающий в себе численные расчеты и экспериментальные методы.

Экспериментальное исследование электромагнитного отклика и электрофизических характеристик материалов проводилось неразрушающим методом «свободного пространства» с применением рупорных преобразователей. Для исследования возможностей измерительной установки и вычисления погрешности измерений использовался метод решения прямой электродинамической задачи в приближении плосковолнового слоя при нормальном падении электромагнитной волны и сравнение расчетов с результатами, полученными в ходе эксперимента. При обработке экспериментально полученных спектров коэффициентов прохождения и отражения применялся метод Савицкого-Голея. При разработке линзового волновода использовался метод компьютерного моделирования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Усреднение результатов измерения электромагнитного отклика методом «свободного пространства» во всей полосе частот 26-37 ГГц повышает точность измерений коэффициентов прохождения листовых диэлектриков на процентов при сокращении объема измерений в 3-5 раз по сравнению с многократными измерениями в отдельных точках диапазона.

2. Модернизация спектрометра применением линзового волновода, включающего приемный и передающий рупорные преобразователи и четыре линзы из тефлона марки Ф-4, повышает чувствительность измерений материалов с большими потерями.

3. В диапазоне частот 26-37 ГГц коэффициент поглощения пеностеклокристаллического материала на основе природного кремнезема, доломита и соды в 1,9 - 1,94 раза выше, чем коэффициент поглощения пеностекольного материала (ПСМ) на основе лампового стекла марки СЛ-97.

4. Диэлектрическая проницаемость композиционных материалов на основе МУНТ в матрице из полиметилметакрилата, при содержании МУНТ 1 вес.%, в диапазоне частот 26 – 37 ГГц, значительно выше, чем в полистирольной и полиэтиленовой матрицах.

Достоверность защищаемых положений и других результатов работы.

Достоверность первого научного положения подтверждается проведенной теоретической оценкой применимости плосковолнового приближения при использовании линзового волновода, измерением характеристик ранее исследованных материалов и сравнением полученных результатов с экспериментальными данными, опубликованными в научных изданиях.

Достоверность второго научного положения достигается экспериментальным исследованием коэффициентов прохождения и отражения образцов, аттестованных как стандартные образцы предприятия Сибирским научноисследовательским институтом метрологии (СНИИМ), и аппроксимацией полученных данных полиномом второй степени по методу Савицкого-Голея.

Достоверность третьего и четвертого научных положений подтверждается экспериментально полученными частотными зависимостями электромагнитных характеристик ПСКМ на основе природного кремнезема, доломита и соды, ПСМ на основе лампового стекла марки СЛ-97, композиционных радиоматериалов на основе многостенных углеродных нанотрубок в полистирольной, полиэтиленовой матрицах и в матрице из полиметилметакрилата.

Достоверность экспериментальных данных подтверждается использованием своевременно поверенного оборудования и аттестованными методиками центра коллективного пользования Национального исследовательского Томского государственного университета «Центр радиофизических методов измерения, диагностики и исследований параметров природных и искусственных материалов», аккредитованного на техническую компетентность.

Научная новизна.

1. Модельным расчетом и экспериментальными измерениями доказана возможность применения плосковолнового приближения в линзовом волноводе, содержащем четыре линзы.

2. Впервые исследованы электрофизические характеристики разработанного пеностеклокристаллического материала на основе природного кремнезема, доломита и соды, в результате чего получен патент на изобретение № от 27.09.2013 г.

3. Впервые получены экспериментальные данные по электрофизическим характеристикам композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок в матрице из полиметилметакрилата, полистирольной и полиэтиленовой матрицах в диапазоне частот 26 – 37 ГГц.

4. Модернизирована установка для проведения измерений методом «свободного пространства» с применением рупорных преобразователей в полосе частот 26– 37 ГГц, на основании чего получено положительное решение на выдачу патента на полезную модель по заявке № 2013140548/28(061723), поданной 02.09.2013.

5. Впервые получены экспериментальные данные по частотной зависимости составляющих электромагнитного отклика для композитов на основе металлорганических координационных полимеров.

6. Впервые исследована зависимость электромагнитных свойств композита на основе многостенных углеродных нанотрубок от вида связующего.

Научная ценность защищаемых положений и других результатов работы заключается в следующем:

Первое научное положение способствует повышению метрологического качества измерений спектров составляющих электромагнитного отклика и электродинамических характеристик материалов. При этом достигается экономия времени, затрачиваемого на измерения.

Второе научное положение доказывает возможность измерения электромагнитных характеристик материалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением, расширяя динамический диапазон метода «свободного пространства» применением линзового волновода.

Содержание третьего и четвертого научных положений позволяют получить новые знания об электрофизических характеристиках ПСКМ, композиционных радиоматериалов на основе МУНТ в различных матрицах. Эти данные позволяют предсказывать поведение коэффициентов прохождения и отражения в рассматриваемой полосе частот.

Практическая значимость результатов работы. Полученные результаты измерений позволяют использовать исследованные материалы в качестве экранирующих устройств, отражающих и поглощающих электромагнитную энергию в выбранном диапазоне частот электромагнитного излучения. Построенные на основе исследованных материалов экраны могут применяться для обеспечения экологической безопасности, решения задач электромагнитной совместимости, для защиты информации и снижения радиозаметности военных объектов. Сформулированные в диссертации рекомендации по применению исследованных материалов расширяют возможности создания «уголков электромагнитной безопасности», безэховых камер, защитных наполнителей в авиационной промышленности на новой основе.

В результате проведенных исследований электромагнитных параметров создан новый пеностеклокристаллический материал на основе природного кремнезема, доломита и соды, что подтверждается выданным патентом на изобретение.

Модернизирован метод «свободного пространства» для измерений электромагнитного отклика и спектров диэлектрической проницаемости с применением рупорных преобразователей, позволяющий измерять параметры плоскопараллельных диэлектриков, в том числе с большими диэлектрическими потерями.

Результатом модернизации измерительной установки является положительное решение о выдаче патента на полезную модель.

Внедрение результатов диссертационной работы. Результаты были использованы при выполнении следующих проектов:

1) «Разработка физических основ создания методов и средств терагерцовой диагностики фундаментальных характеристик материалов искусственного и природного происхождения» (в рамках проекта № 2.1.1/13220); 2) «Многофункциональная аппаратура гигагерцового и терагерцового диапазонов на принципах квазистатических и квазиоптических подходов» (Гос. контракт № П24766 от 19.11.2009 г.); 3) «Взаимодействие электромагнитного излучения УВЧ, СВЧ, КВЧ и ГВЧ диапазонов с природными и искусственными материалами» (№ госрегистрации 01201274001); 4) «Разработка методов и элементной базы для исследований быстропротекающих процессов и малоинерционной диагностики в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах частот электромагнитных колебаний» (Госзадание, регистрационный № 2.4885.2011); 5) «Физика окружающей среды» (Соглашение 14.В37.21.0179 от 20.07.2012; 2012-1.4-12-000Результаты работы внедрены в образовательный процесс РФФ ТГУ.

Апробация работы. Основные защищаемые положения и результаты диссертационной работы были представлены на: Международных научнопрактических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (2010, г.г.); II Научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технология» (Томск, 2011 г.); 21-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо’ Севастополь, 2011 г.); Тринадцатой международной научнотехнической конференции «Измерения, контроль, информатизация» (Барнаул, 2012 г.); IV Общероссийской научно-технической конференции «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем (СВЧ 2012)» (Омск, 2012 г.); IX Всероссийской школы-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Инноватика-2013»

(Томск, 2013 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы представлено в 13 публикациях, включая 7 статей в отечественных журналах, входящих в перечень ВАК, 6 работ в материалах и тезисах российских и международных конференций, 2 работы отмечены в БД Scopus, индекс Хирша – 1, число цитирований – 1, 7 работ в РИНЦ, индекс Хирша – 2, число цитирований – 10.

Личный вклад автора. Автор лично определял оптимальное расположение элементов измерительной установки, предложил способ повышения точности измерений, участвовал в построении математической модели выбора геометрических параметров измерительного тракта. Для решения поставленной задачи автор модернизировал измерительную установку для проведения исследований материалов с большими потерями на СВЧ, лично выполнив монтаж и настройку различных комбинаций измерительной установки, проводил измерения на стандартных образцах предприятия, сравнивал экспериментальные значения с расчетными, определял достоверность и погрешность результатов измерений. Автор лично исследовал электромагнитные характеристики композиционных материалов и проводил необходимые расчеты. Совместно с научным руководителем формулировал научную задачу, анализировал результаты исследований и готовил материалы для опубликования в научных изданиях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы. Работа содержит: страниц – 120, рисунков – 64, таблиц – 7, приложений – 3. Список литературы – 122 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность задач диссертационной работы, описаны цели и задачи исследования, приведены защищаемые положения, показана научная новизна, практическая значимость полученных результатов и дана общая характеристика диссертационной работы.

Первая глава посвящена аналитическому обзору литературы по современным композиционным радиоматериалам, методам исследования их электромагнитных параметров и их практическому применению. На основании проведенного анализа поставлена цель и сформулированы задачи научного исследования.

Во второй главе дается описание метода «свободного пространства» для измерения составляющих электромагнитного отклика и расчета по этим данным электромагнитных параметров плоских образцов материалов с большими электромагнитными потерями. Метод основан на связи измеряемых комплексных коэффициентов отражения (R) и прохождения (T) с электромагнитными и геометрическими параметрами исследуемого образца. Величины модулей и фаз коэффициентов зависят от толщины слоя магнитодиэлектрика (d) и значений комплексных диэлектрической = ' – i" и магнитной = ' – i" проницаемостей. Здесь, – действительные,, – мнимые части проницаемостей, i – мнимая единица. Для плоской электромагнитной волны, падающей на плоский слой магнитодиэлектрика под прямым углом, выражения для коэффициентов отражения и прохождения могут быть записаны в виде:

где = (Z – 1) / (Z + 1) – коэффициент отражения от передней грани магнитодиэлектрика, Z = – волновое сопротивление, = k0 – постоянная распространения электромагнитной волны в слое магнитодиэлектрика, k0 = /c волновое число свободного пространства, = 2f круговая частота электромагнитного процесса.

Показано, что выполнение условия обеспечения плоского фронта волны приводит к существенному уровню принимаемого сигнала и сужению динамического диапазона метода, не позволяющему проводить достоверные исследования материалов с большими электродинамическими потерями.

В главе рассматривается возможность расширения динамического диапазона устройством линзового волновода. Для доказательства выполнения условий плосковолнового приближения проведено математическое моделирование распределения амплитуд и фаз на поверхности образца. Для этой цели была построена модель и разработана компьютерная программа. Геометрия рассматриваемой задачи приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Структура измерительной установки для построения модели В результате проведенного компьютерного эксперимента были сформулированы требования к местам размещения элементов. Поскольку задача решалась приближенно, как оценка выполнения условий плосковолнового приближения, то степень отклонения теоретических результатов оценивалась экспериментами на образцах, аттестованных как стандартные образцы предприятия (СОП).

Математическим моделированием и экспериментальными исследованиями доказано, что модернизация измерительной установки позволяет получить достоверные результаты, что подтверждается рисунком 2, где приведены коэффициенты прохождения, полученные из решения прямой задачи, и измеренные на образце.

Рисунок 2 Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения, СОП- На предложенный способ измерения спектров диэлектрической проницаемости материалов с большими электродинамическими потерями в диапазоне частот 26 – 37 ГГц, включающим два рупорных преобразователя и линзовый волновод, составленный из четырех тефлоновых линз получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель.

В третьей главе приводится описание экспериментальных средств исследования, методики получения результатов измерений, обоснование достоверности получаемых результатов и оценка погрешности измерений. Широко используемые из-за доступной стоимости и меньшей требовательности к калибровочном мерам скалярные анализаторы цепей дают возможность измерять на данной частоте модули |R| и |T|, по которым определяются две величины: или значения и при известных и, или наоборот. Блок-схема установки на основе аналогового анализатора цепей – панорамного измерителя коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) и ослабления для миллиметрового диапазона длин волн: Р2-65 (2637,5 ГГц) приведена на рисунке 3. Комплекс состоит из генератора качающейся частоты (ГКЧ) 2, волноводного тракта, трех направленных ответвителей 3, 4, 8 с детекторными секциями. Ответвитель 3 с детекторной секцией (ДС) служит для измерения падающей на измерительную ячейку (ИЯ) 5, 6 мощности Рпад. Ответвитель 4 с ДС предназначен для измерения мощности отраженного сигнала Pотр, а ответвитель 8 с ДС – для измерения прошедшей через исследуемый объект мощности Pпрох. На индикатор Я2Р- (позиция 1) сигналы от направленных ответвителей 3 и 4 с детекторными секциями подаются поочередно. Тракт оканчивается согласованной нагрузкой 7.

Результаты измерения можно визуально наблюдать на дисплее индикатора и считывать со шкал прибора или автоматически снимать с разъема «Самописец»

данного индикатора через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9 в память персонального компьютера 10, где производится обработка результатов, которые выводятся в удобной для исследования форме.

Применение векторного анализатора цепей позволяет перейти на более высокий уровень качества измерений, так как он позволяет измерить не только модули |R|, |T|, но и фазы отражен- Рисунок 3 Блок-схема рупорной установки ного R и прошедшего T, сигна- для исследования электромагнитного отлов, следовательно, он позволяют клика плоских образцов вычислить все составляющие комплексных значений диэлектрической и магнитной проницаемостей при одной установке образца. Этим принципиально ускоряется процесс проведения измерений. Электронная схема на основе синтезатора частоты позволяет обеспечить высокую точность изменения и измерения частоты во всем диапазоне перестройки, которая в настоящее время достигает 100 ГГц. Компьютерное управление перестраиваемым генератором, разработанная система калибровок микроволнового тракта, разработанный фирмой-производителем программный продукт статистической обработки принятого сигнала заслуженно определили ведущие позиции таких приборов среди радиоэлектронных средств, используемых для исследования электромагнитных параметров природных и искусственных материалов.

Блок-схема измерительной установки на основе векторного анализатора цепей Е8363В фирмы Agilent Technologies представлена на рисунке 4.

Использование векторного анализатора цепей Е8363В (рабочий диапазон частот 10 МГц – ГГц) 1 упростило устройство микроволнового тракта. Он состоит из гибких кабелей связи; коаксиально-волноводных переходов 2 и установки на основе рупорных преРисунок 4 Блок-схема измерительной усобразователей с линзами.

На рисунке 5 приведены сравнительные результаты измерений коэффициентов прохождения СОП-5 на векторном анализаторе цепей.

Коэффициент прохождения, дБ Рисунок 5 Результаты оценки достоверности измерений для СОП- На графике видно, что экспериментальные значения, полученные с помощью векторного анализатора цепей, в отдельных частотных точках имеют не меньший разброс, чем дают аналоговые панорамные измерители, но число точек несоизмеримо больше, а потому выбранное нами усреднение во всей рабочей полосе частот и аппроксимация экспериментальных значений полиномом второй степени снижает погрешность измерений до 0,2 дБ и менее для всех стандартных образцов.

Аппаратная погрешность, возникающая из-за несовершенства приемопередающего тракта, стабильности частоты, из-за влияния температуры, которая может изменяться за время измерений, а также за счет выбранной методики (метод «свободного пространства»), когда возможно влияние случайно возникающих внешних электромагнитных полей, и принятых упрощений при выводе расчетных формул, снижается применением статистической обработки результатов измерений в полосе частот при предположении отсутствия дисперсии диэлектрической проницаемости в диапазоне частот, в котором производится усреднение.

Проведенное сравнение показало, что коэффициент прохождения измеряется с погрешностью не более 0,5 дБ, что в процентном выражении соответствует 12% для скалярного анализатора цепей, и не более 0,2 дБ или 4,7 % для векторного анализатора цепей.

Кроме аппаратных погрешностей источником погрешностей может быть неточная установка образца в держателе, непараллельность граней плоского образца, неоднородность распределения частиц активной фазы в композите, технологические особенности приготовления образцов.

Снижение погрешностей за счет этих причин достигается в каждом отдельном случае: поворотом образца вокруг оси, смещением положения образца в держателе, измерением электромагнитного отклика при разных размерах диафрагмы, набором образцов одного состава, сличением результатов, полученных разными экспериментальными методами в пересекающихся участках частотного диапазона.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию электромагнитных характеристик композиционных радиоматериалов. Учитывая актуальность и многообразие задач, решаемых с помощью материалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением, в качестве объектов исследования перед данной диссертационной работы выбраны: пенокристаллический материал; композиты на основе мезопористых материалов; композиты на основе многостенных углеродных нанотрубок и наноструктурных оксидных ферримагнетиков.

Исследуемый пеностеклокристаллический материал (рисунок 6) получен в Томском политехническом университете, согласно разработанной там технологии.

Исследовалась зависимость электрофизических свойств при изменении количества кристаллической фазы. Спектры диэлектрической проницаемости двух сильно отличающихся по фазовому составу образцов [6] приведены в таблицах 1 и 2.

Рисунок 6 Электронно-микроскопическое изображение наноглобул межпоровой перегородки пеноматериала Таблица 1 Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь ПСКМ ШД-1 в полосе частот Проведенные патентные исследования показали, что исследуемый материал по степени активности взаимодействия с электромагнитным излучением превосходит другие материалы, применяемые в строительстве. Полученный материал отличается тем, что включает наноразмерные структурные элементы, повышающие его прочностные характеристики, который получают путем термообработки (800 – 850 оС) аморфной матрицы, содержащей кристаллическую фазу в виде кварца в количестве от 5 до (максимум) 15 мас. % и размером менее мкм, кристаллическая фаза в процессе вспенивания уменьшается до наноразмеров. Новизна свойств разработанного материала подтверждена выдачей патента на изобретение.

Таблица 2 Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь ПСКМ ШО-1в полосе частот В последнее время пористые координационные полимеры привлекают большое внимание в связи с перспективами их широкого использования в электронных и светоизлучающих устройствах, для создания легких источников тока. Электропроводящие полимеры полианилин и полипиррол представляют собой органические высокомолекулярные полупроводники, уровень электронной проводимости которых в допированном состоянии составляет 100–101 См см-1.

Указанные полимеры обладают высокой общей стабильностью и термостабильностью, их получают из дешевого и доступного сырья. Электропроводящие полимеры нашли широкое применение в различных сферах: электропроводящие, антистатические и радиопоглощающие покрытия, ингибирование коррозии металлов, электронные, оптоэлектронные устройства и датчики, химический и электрохимический катализ, энергосберегающие элементы (батареи, емкости, топливные элементы), химические и биологические сенсоры и т.д. Значительный прогресс достигнут в получении микропористых (с размерами пор менее 2 нм) координационных полимеров. Переход к мезопористым каркасам (размер пор более 2 нм) позволяет значительно расширить круг использования таких пористых сорбентов. Прежде всего, представляет особый интерес изучить электромагнитные характеристики мезопористых полимеров для использования в качестве радиоматериалов высокочастотного диапазона. Показано, что мезопористые полимеры Cr-MIL-101, Fe-MIL-101 представляют определенный интерес для использования в качестве материалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением.

Электромагнитные свойства композитов на основе МУНТ в широком диапазоне частот (от единиц герц до оптического диапазона, не исключая и терагерцовый диапазон) описаны в целом ряде работ. Этими работами, которые значительно активизировались в последние четыре года, показано, что композиционные материалы с наноуглеродными включениями активно взаимодействуют с электромагнитным излучением. В качестве связующего компонента композита используются такие полимеры: эпоксидные смолы, полиметилакрелаты, полиуретаны, полипропилен, полиэтилен и т.д. В диссертационной работе рассмотрено влияние матрицы, в которую внедрены МУНТ, на электромагнитные свойства. Рассматриваются полистирольная, полиметилметакрилатная, полиэтиленовая. Кроме того, исследовано влияние углеродных наноструктур на электромагнитные характеристики композиционного материала на основе оксидных ферримагнетиков.

На рисунке 7 приведены составляющие электромагнитного отклика, измеренные в полосе частот 26 – 36 ГГц. Видно, что электромагнитные характеристики образца с содержанием МУНТ 0,5 вес.% практически не отличается от контрольного образца из чистого полистирола – образцы радиопрозрачны. С ростом концентрации МУНТ до 10 вес.% коэффициент прохождения уменьшается до 0,5 отн. ед., а коэффициент отражения увеличивается до 0,45 отн. ед. на отдельных участках измеряемого диапазона.

Коэффициент отражения, отн.ед.

Рисунок 7 Измеренные коэффициенты композита МУНТ/ПС с различным содержанием нанотрубок: прохождения (а); отражения (б) Электромагнитный отклик определяется величинами комплексной диэлектрической проницаемости и толщиной образца. На рисунке 8 приведены спектры диэлектрической проницаемости композитов на основе МУНТ в полистирольной матрице с различной концентрацией активной фазы. Видно, что с ростом концентрации МУНТ увеличиваются значения и.

Диэлектрическая проницаемость, отн.ед.

Рисунок 8 Частотные зависимости диэлектрической проницаемости образцов композита МУНТ/ПС с содержанием нанотрубок 0 и 0,5 вес.% Для дальнейшего исследования были выбраны серии образцов композиционных материалов на основе МУНТ в матрице из полиметилметакрилата и полиэтиленовой матрице. Образцы отличались способом получения композита и количеством МУНТ.

Большой объем работ выполнен при исследованиях электромагнитных характеристик композиционных материалов, в которых в качестве наполнителя использовались два активных материала: МУНТ и оксидные ферримагнетики.

Такое сочетание является многообещающим, так как в некоторых публикациях утверждалось, что добавление нанотрубок к ферритам увеличивает поглощающую способность композита в десятки раз [7].

Синтез ферритов с гексагональной кристаллической структурой BaCo0,7Zn1,3Fe16O27 проведен по технологии самораспростроняющегося высокотемпературного синтеза с предварительной механохимической обработкой исходных компонентов в отделе Структурной макрокинетики Томского научного центра СО РАН.

В композитах при содержании МУНТ 1 вес. % выделяется только образец с примесью феррита 60 вес. %, где коэффициент прохождения увеличивается на 0,51,5 дБ (рисунок 9). В образце с МУНТ 2,5 вес.% наблюдается такая же картина, но с увеличением до 3 дБ. Из общего графика здесь также можно выделить материал с примесью феррита 10 вес.%, где коэффициент прохождения чуть ниже остальных, но это можно объяснить увеличенной толщиной образца.

На всех графиках прослеживается одинаковая закономерность: основное влияние на изменения коэффициента прохождения оказывает содержание МУНТ в композитном материале.

Проведя сравнительный анализ зависимости электромагнитных характеристик материалов от концентрации того или иного наполнителя, можно сделать вывод, что увеличение концентрации МУНТ снижает коэффициент прохождения, тогда как изменение концентрации феррита показывает немонотонность изменения T – из общей картины выпадет образец с 60 вес%..

Однако ферритового материала в композите было недостаточно много, чтобы обеспечить эффективное поглощение магнитной составляющей. Это связано с тем, что при большей концентрации композит с матрицей из ПММА рассыпался.

Коэффициент прохождения, дБ Коэффициент прохождения, дБ Рисунок 9 Зависимость коэффициента прохождения от концентрации феррита Показано, что добавление многостенных нанотрубок в композит с бариевым ферритом не привело к резкому повышению поглощающих свойств, как отмечено в [7].

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Сусляев В.И. Исследование электромагнитного отклика композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанорубок в полистирольной матрице / В.И. Сусляев, В.А. Журавлев, В.Л. Кузнецов, И.Н. Мазов, Ю.П. Землянухин // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2010. – №9/2. – С. 269-271.

2. Журавлев В.А. Повышение чувствительности и точности квазиоптических методов измерения электромагнитного отклика в миллиметровом диапазоне длин волн / В.А. Журавлев, В.И. Сусляев, Ю.П. Землянухин // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2011. – т.54. – №7. – С. 92 – 93.

Zhuravlev V.A. Increase of the sensitivity and accuracy of quasioptical methods of measuring the electromagnetic response in the millimeter wavelength range / V.A. Zhuravlev, V.I. Suslyaev, Yu.P. Zemlyanukhin // Russian Physics Journal. – December 2011. – Volume 54. – Issue 7. – pp 828-830.

3. Сусляев В.И. Рупорный метод измерения электромагнитного отклика от плоских образцов в диапазоне частот 26–37,5 ГГц с улучшенными метрологическими характеристиками / В.И. Сусляев, В.А. Журавлев, Е.Ю. Коровин, Ю.П. Землянухин // Доклады ТУСУРа. – 2011. – № 2 (24) часть 1. – С. 227-231.

4. Сусляев В.И. Исследование электромагнитных характеристик плоских образцов стеклокристаллического пеноматериала квазиоптическим методом / В.И. Сусляев, О.В. Казьмина, Б.С. Семухин, Ю.П.З емлянухин, К.В. Дорожкин // Ползуновский вестник. – 2012. – № 2/1. – С. 159-162.

5. Сусляев В.И. Исследование электромагнитных характеристик стеклокристаллического пеноматериала / В.И. Сусляев, О.В. Казьмина, Б.С. Семухин, Ю.П. Землянухин, К.В. Дорожкин // Известия высших учебных заведений.

Физика. – 2012. – Т.55. – № 9/2. – С. 312-314.

6. Сусляев В.И. Микроволновые характеристики мезопористых полимеров Cr-MIL-101, Fe-MIL-101 и композитов на основе полианилина / В.И. Сусляев, В.П. Федин, А.И. Романенко, Д.Н. Дыбцев, Ю.П. Землянухин, С.Б. Алиев, С.А. Сапченко, К.В. Дорожкин // Известия высших учебных заведений. Физика.

– 2012. – Т.55. – № 9/2. – С. 351–356.

7. Сусляев В.И. Электрофизические характеристики пеностеклокристаллического материала / В.И. Сусляев, О.В. Казьмина, Б.С. Семухин, Ю.П. Землянухин, М.А. Душкина // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2013. – Т. 56. – №9. – С. 17-22.

Suslyaev V.I. Electrophysical Characteristics of a Foam Glass Crystal Material / V.I. Suslyaev, O.V. Kazmina, B.S. Semukhin, Yu.P. Zemlyanukhin, M.A.

Dushkina // Russian Physics Journal. – January 2014. – Volume 56. – Issue 9. – pp 990-996.

Статьи в сборниках статей и трудов конференций:

1. Журавлев В.А. Исследование электромагнитного отклика плоских образцов квазиоптическим методом в диапазоне частот 26 – 37,5 ГГц / В.А. Журавлев, В.И. Сусляев, Ю.П. Землянухин // Материалы 21-ой Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

(КрыМиКо’ 2011), Севастополь, 12-16 сентября 2011 г..: в 2 т. – Севастополь:

Вебер, 2011. – Т. 2. – С. 941-942.

2. Землянухин Ю.П. Радиоспектроскоп для исследования электромагнитного отклика плоских образцов в диапазоне 26-38 ГГц / Ю.П. Землянухин, В.А. Журавлев, В.И. Сусляев, А.Н. Бабинович // Материалы II Научнопрактической конференции «Информационно-измерительная техника и технология», Томск, 5-7 мая 2011 г. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – С. 88-89.

3. Сусляев В.И. Исследование электромагнитного отклика от плоских образцов стеклокристаллического пеноматериала в диапазонах частот 26-40 ГГц и 170-230 ГГц / В.И. Сусляев, О.В. Казьмина, Б.С. Семухин, Ю.П. Землянухин, Дорожкин К.В. // Измерение, контроль, информатизация: Материалы Тринадцатой международной научно-технической конференции. Т.1. / Под ред.

Л.И.Сучковой - Барнаул: Изд-во АлГТУ, 2012 - С. 188-193.

4. Сусляев В.И. Электромагнитный отклик от плоского слоя композиционного материала на основе наноразмерных углеродных наноструктур в полосе частот от 10 МГц до 1 ТГц / В.И. Сусляев, В.А. Журавлев, В.Л. Кузнецов, Е.Ю.

Коровин, И.Н. Мазов, С.И. Мосеенков, Ю.П. Землянухин // Материалы IV Общероссийской научно-технической конференции: «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем (СВЧ 2012)», Омск, 10-13 октября 2012 г. Омск: Полиграфический центр КАН. – С. 193-204.

5. Журавлев В.А. Электромагнитные характеристики двухслойного композиционного материала на основе карбонильного железа / В.А. Журавлев, В.И.

Сусляев, Е.Ю. Коровин, Ю.П. Землянухин // Материалы IV Общероссийской научно-технической конференции: «Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем (СВЧ 2012)», Омск, 10-13 октября 2012 г. Омск: Полиграфический центр КАН. – С. 67-72.

6. Логинов С.С. Температурные измерения электромагнитных характеристик композиционных материалов в широком диапазоне частот / С.С. Логинов, А.Г. Левашкин, Ю.П. Землянухин, В.И. Сусляев // Инноватика-2013: сб. материалов IX Всероссийской школы-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием (23–25 апреля 2013 г.). Т.1. / под ред.

А.Н. Солдатова, С.Л. Минькова. – Томск: ТГУ, 2013 [Электронный ресурс], – http://tic.tsu.ru/www/uploads/smartsection/107_tom1.innovatica2013.pdf (дата обращения – 30.01.2014 г.).

Патенты:

1. Казьмина О.В., Верещагин В.И., Семухин Б.С., Сусляев В. И., Душкина М.А., Землянухин Ю. П. Материал для поглощения электромагнитных волн.

Патент РФ, № 2 494 507, Опубликовано: 27.09.2013. Бюл. №27.

2. Сусляев В.И., Коровин Е.Ю., Журавлев В.А., Землянухин Ю.П., Кулешов Г.Е. Устройство для измерения электромагнитного отклика от плоскопараллельных пластин в СВЧ диапазоне. Решение о выдаче патента на полезную модель. 3аявка № 2013140548/28(061723), (22) Дата подачи заявки 02.09.2013.

Дата начала отсчета срока действия патента 02.09.2013.

Цитируемая литература:

1. Улащик В.С. Иммуномодулирующее действие лечебных физических факторов / В.С. Улащик // Медицинские новости. – 2006. – №11. – С. 8–13.

2. Кожокару А.Ф. Механизмы индукции биологической активности и памяти воды при ее облучении низкоинтенсивным КВЧ ЭМИ / А.Ф. Кожокару // Успехи современного естествознания. – 2011. – № 10. – С. 53–56.

3. Гульбин В.Н. Разработка и исследование радио- и радиационнозащитных материалов / В.Н. Гульбин, В.А. Михеев, Н.С. Колпаков, и др. // Ядерная физика и инжиниринг. – 2013. – Т. 4. – № 6. – С. 597–604.

4. Гульбин В.Н. Разработка радио- и радиационно-защитных материалов для авиационной техники / В.Н. Гульбин, В.А. Михеев, Н.С. Колпаков, и др. / Сборник докладов IX международной научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон-2012». Сентябрь 7–8. – 2012.– Часть II.– C. 108 – 117.

5. Сусляев В.И. Микроволновые характеристики мезопористых полимеров Cr-MIL-101, Fe-MIL-101 и композитов на основе полианилина / В.И. Сусляев, В.П. Федин, А.И. Романенко, Д.Н. Дыбцев, Ю.П. Землянухин, С.Б. Алиев, С.А. Сапченко, К.В. Дорожкин // Известия высших учебных заведений. Физика.

– 2012. – Т.55. – № 9/2. – С.351–356.

6. Казьмина О.В. Влияние кристаллической фазы межпоровой перегородки на прочность стеклокристаллического пеноматериала / О.В. Казьмина, В.И.

Верещагин, Б.С. Семухин, А.В. Мухортова, Н.А. Кузнецова // Известия Вузов.

Физика, 2011.– т.54. – №11/3. – С.238 – 241.

7. Смирнов, Д.О. Композиционные радиопоглощающие материалы на основе ферримагнитных соединений : дис. … канд. тех. наук : 05.09.02 / Смирнов Денис Олегович. М., 2009. – 176 с.

Автор выражает благодарность доценту Мещерякову В.А., доценту Журавлеву В.А., доценту Коровину Е.Ю. за помощь в работе, за полезные обсуждения результатов исследования; профессору Казьминой О.В., научным сотрудникам СО РАН Кузнецову В.Л., Мосеенкову C.И., Мазову И.Н. за любезно предоставленные образцы.