РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННЫХ РАДИОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТОКОПРОВОДЯЩИХ СТРУКТУР И ФЕРРИТОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Основные свойства микропроводов и оксидных ферримагнетиков 7
1.1 Микропровод как перспективный материал 7
1.2 Композитные материалы на основе микропроводов 9
1.3 Радиопоглощающие и экранирующие свойства композитных материалов на
основе микропроводов 10
1.4 Управляемые композитные материалы на основе микропроводов 12
1.5 Способы получения микропроводов 14
1.6 Понятие оксидных ферримагнетиков 15
1.7 Актуальность оксидных ферримагнетиков как радиоматериала 16
1.8 Основные электрические свойства оксидных ферримагнетиков 17
1.9 Радиопоглощающие свойства оксидных ферримагнетиков 17
1.10 Выводы по литературному обзору 19
2 Изготовление образцов композиционных материалов 20
2.1 Изготовление образцов композиционных материалов на основе
микропроводов 20
2.2 Изготовление образцов композиционных материалов на основе токопроводящего пластика 21
2.3 Изготовление образцов композиционных материалов на основе ферритов 23
3 Методика измерений свойств образцов 25
3.1 Измеряемые величины 25
3.2 Скалярный анализатор цепей 25
3.3 Методика измерений посредством скалярного анализатора цепей 27
3.4 Спектрометр терагерцового диапазона 28
3.5 Система катушек Гельмгольца 31
3.6 Методика расчета комплексной диэлектрической проницаемости 33
4 Результаты измерений и их анализ 35
4.1 Измерения и анализ для образцов композитов на основе микропроводов 35
4.1.1 Постановка основных задач измерений на скалярном анализаторе цепей ...35
4.1.2 Зависимость электромагнитного отклика от материала проводящей жилы
микропровода 35
4.1.3 Зависимость электромагнитного отклика от параметров микропровода 37
4.1.4 Зависимость электромагнитного отклика от расстояния между соседними
отрезками микропровода 37
4.1.5 Зависимость электромагнитного отклика от ориентации решеток в
композите 38
4.1.6 Зависимость электромагнитного отклика от числа решеток образующих
композит 38
4.1.7 Зависимость электромагнитного отклика от внешнего магнитного поля 39
4.2 Измерения и анализ для образцов композитов на основе проводящего
пластика 41
4.3 Измерения и анализ для образцов композитов на основе ферритов 43
4.4 Измерения и анализ для образца на основе объемной сеточной структуры и
феррита 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 48
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 52
1 Основные свойства микропроводов и оксидных ферримагнетиков 7
1.1 Микропровод как перспективный материал 7
1.2 Композитные материалы на основе микропроводов 9
1.3 Радиопоглощающие и экранирующие свойства композитных материалов на
основе микропроводов 10
1.4 Управляемые композитные материалы на основе микропроводов 12
1.5 Способы получения микропроводов 14
1.6 Понятие оксидных ферримагнетиков 15
1.7 Актуальность оксидных ферримагнетиков как радиоматериала 16
1.8 Основные электрические свойства оксидных ферримагнетиков 17
1.9 Радиопоглощающие свойства оксидных ферримагнетиков 17
1.10 Выводы по литературному обзору 19
2 Изготовление образцов композиционных материалов 20
2.1 Изготовление образцов композиционных материалов на основе
микропроводов 20
2.2 Изготовление образцов композиционных материалов на основе токопроводящего пластика 21
2.3 Изготовление образцов композиционных материалов на основе ферритов 23
3 Методика измерений свойств образцов 25
3.1 Измеряемые величины 25
3.2 Скалярный анализатор цепей 25
3.3 Методика измерений посредством скалярного анализатора цепей 27
3.4 Спектрометр терагерцового диапазона 28
3.5 Система катушек Гельмгольца 31
3.6 Методика расчета комплексной диэлектрической проницаемости 33
4 Результаты измерений и их анализ 35
4.1 Измерения и анализ для образцов композитов на основе микропроводов 35
4.1.1 Постановка основных задач измерений на скалярном анализаторе цепей ...35
4.1.2 Зависимость электромагнитного отклика от материала проводящей жилы
микропровода 35
4.1.3 Зависимость электромагнитного отклика от параметров микропровода 37
4.1.4 Зависимость электромагнитного отклика от расстояния между соседними
отрезками микропровода 37
4.1.5 Зависимость электромагнитного отклика от ориентации решеток в
композите 38
4.1.6 Зависимость электромагнитного отклика от числа решеток образующих
композит 38
4.1.7 Зависимость электромагнитного отклика от внешнего магнитного поля 39
4.2 Измерения и анализ для образцов композитов на основе проводящего
пластика 41
4.3 Измерения и анализ для образцов композитов на основе ферритов 43
4.4 Измерения и анализ для образца на основе объемной сеточной структуры и
феррита 46
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 48
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 52
Актуальность: Современная радиотехника в последние десятилетия активно использует СВЧ диапазон, создавая новые изделия, радиокомпоненты, радиоматериалы на основе новых материалов, с уникальным комплексом свойств и характеристик недоступным ранее. Наиболее часто используются микропровода, токопроводящие структуры, различные ферримагнетики, углеродные материалы (сажа, графиты, реже углеродные наноструктурные соединения), металлические порошки (наиболее часто карбонильное железо). Уже в настоящее время изделия на их основе применяются во многих методах и средствах радиоэлектронной борьбы и защиты, бытовой и компьютерной электронике, измерительной и контролирующей аппаратуре, для защиты биологических существ от микроволнового излучения. Широкое применение данных материалов связано с их исключительными показателями поглощения и отражения радиоволн в СВЧ диапазоне, высокими магнитными и электрическими свойствами, массогабаритными характеристиками, дешевой стоимостью, высокой технологичностью производства. Улучшение свойств (уменьшение размеров и потерь энергии, лучшая точность, надежность) выпускаемой аппаратуры требует материалов с соответствующими характеристиками. Примером такого перспективного радиоматериала является композит на основе оксидных ферримагнетиков и проводящих структур.
Целью работы является - разработка и исследование композиционных радиоматериалов на основе углеродных наноструктур и токопроводящих структур в гигагерцовой области электромагнитного излучения.
Для достижения поставленной цели были сформулированы задачи:
1. Проведение аналитического обзора литературных источников по тематике научно-исследовательской работы.
2. Освоение методики измерений электромагнитных свойств материалов на скалярном анализаторе цепей Р2М-04А и терагерцовом спектрометре СТД-21.
3. Освоение программного обеспечения для моделирования 3D объектов.
4. Изготовление образцов композиционных материалов на основе микропроводов, токопроводящего пластика и ферритов.
5. Измерение электромагнитных характеристик образцов.
6. Исследование влияния внешнего магнитного поля на электромагнитные свойства образца с помощью системы катушек Гельмгольца.
7. Анализ полученных результатов.
8. Оформление курсовой работы и подготовка доклада.
Целью работы является - разработка и исследование композиционных радиоматериалов на основе углеродных наноструктур и токопроводящих структур в гигагерцовой области электромагнитного излучения.
Для достижения поставленной цели были сформулированы задачи:
1. Проведение аналитического обзора литературных источников по тематике научно-исследовательской работы.
2. Освоение методики измерений электромагнитных свойств материалов на скалярном анализаторе цепей Р2М-04А и терагерцовом спектрометре СТД-21.
3. Освоение программного обеспечения для моделирования 3D объектов.
4. Изготовление образцов композиционных материалов на основе микропроводов, токопроводящего пластика и ферритов.
5. Измерение электромагнитных характеристик образцов.
6. Исследование влияния внешнего магнитного поля на электромагнитные свойства образца с помощью системы катушек Гельмгольца.
7. Анализ полученных результатов.
8. Оформление курсовой работы и подготовка доклада.
В результате выполненной работы были получены следующие результаты:
1) Проведён аналитический обзор литературы композиционных радиоматериалов на основе проводящих структур и ферримагнетиков.
2) Освоены методики изготовления композиционных радиоматериалов на основе микропроводов, токопроводящих пластиков, ферритов, а также волноводный и квазиоптический методы измерения электромагнитных характеристик.
3) Освоена инженерная программа для 3D моделирования образцов на основе различных видов пластиков.
4) Изготовлены экспериментальные образцы на основе различных типов микропроводов, проводящего пластика, ферритов.
5) Измерены электромагнитные характеристики экспериментальных образцов радиокомпозитов, а также исследовано влияние внешнего магнитного поля на сеточные структуры на основе микропроводов.
6) Проведен анализ экспериментальных данных, полученные в ходе измерений образцов, и сделаны выводы об их практическом использовании.
Для результатов, полученных при выполнении дипломной работы, можно сделать ряд выводов. Для сеточных радиокомпозитов содержащих микропровода с FeCoSiB и NiCrSiMn:
1. Одиночные решетки из FeCoSiB (F2) и NiCrSiMn (N1) незначительно взаимодействуют с падающем излучением (7-98-92%) по сравнению с парными решетками из тех же материалов (7-90-50%). Для большего снижения уровня электромагнитного излучения, следует использовать несколько пар скрещенных решеток на основе данных материалов.
2. На высоких частотах (с 3 ГГц) композиты, на основе FeCoBSi (F1) проявляют экранирующие свойства и поглощающие свойства (R-10-24%, A-10-22%), на основе NiCrSiMn (N1) поглощающие свойства (A-10-15%).
3. Наиболее выражено взаимодействие композитов с падающем излучением на высоких частотах, для скрещенных решеток микропровода NiCrSiMn (N1) (7-80-55% c 2 ГГц, R-10-25% c 2 ГГц, A-15-20% c 3 ГГц). Но при возникновении сквозной проводимости, у параллельных решеток на основе FeCoBSi (F1) возникают процессы поглощения (потери на проводимость, взаимодействие между соседними микропроводами [9]) на низких частотах (7-20-70% до 2 ГГц, R-30-5% до 1 ГГц, A-55-25% до 4 ГГц).
4. Сравнив параллельные и скрещенные решетки, на основе FeCoBSi (F1) с разными периодами (t),видно что, скрещенные решетки с t=1мм проявляют экранирующие (R• 10:15% с 3 ГГц) и поглощающие (4-10^20% с 3 ГГц) свойства на 10¬20% больше чем с t=2мм.
5. Для четырех решеток на основе FeCoBSi (F1) (две скрещено, две параллельно) на высоких частотах проявляются поглощающие и отражающие свойства (R~10~35%, 4-5-15%).
6. Приложение внешнего магнитного поля в исследуемом частотном диапазоне (34-82 ГГц) практически не оказывает воздействия на электромагнитные свойства образцов.
Анализ проведенных измерений взаимодействия радиокомпозитов на основе протяженных отрезков микропроводов различного состава и параметров с падающем излучением подтверждает перспективность использования решеток с протяженными отрезками микропроводов в многослойных покрытиях для экранирования и поглощения падающих электромагнитных волн. Такие покрытия, благодаря использованию микропроводов будут иметь относительно небольшую толщину, малый вес, значительный электромагнитный отклик. Очень перспективно использовать данные радиокомпозиты в средствах радиоэлектронной борьбы, для защиты от вредного СВЧ - излучения.
Для композиционных материалов на основе проводящего пластика и пластика, содержащего МУНТ:
1. Образец на основе протяженных отрезков проводящего пластика задерживает от 10 до 55% падающего излучения. Для исследуемого диапазона частот (34-56 ГГц) максимум взаимодействия приходится на частоты 44-45 ГГц. При изменении угла а (от 0 до 90 градусов) между проводящими отрезками и плоскостью поляризации плоской электромагнитной волны, наблюдается уменьшение коэффициента прохождения почти в два раза.
2. Образец на основе конечных отрезков проводящего пластика задерживает от 30 до 37% падающего излучения. С ростом частоты коэффициент прохождения уменьшается на 5%. С ростом угла а взаимодействие снижается.
3. Образец на основе протяженных отрезков пластика, содержащего МУНТ, задерживает от 12 до 40% падающего излучения. С ростом частоты коэффициент прохождения слабо изменяется. С ростом угла а взаимодействие снижается.
4. Образцы на основе протяженных отрезков токопроводящего пластика и пластика содержащего МУНТ имеют значения мнимой части диэлектрической проницаемости е"=1,9 отн.ед., что позволяет судить о наличии поглощающих свойств, то есть их можно применять для снижения уровня электромагнитного излучения.
Полученные результаты для образцов на основе протяженных отрезков проводящего пластика и пластика, содержащего МУНТ, позволяют судить о наличии у них неких поляризационных свойств, так как им присуще положения с максимумом и минимумом пропускания разница между которыми, порядка 40%. Данные свойства композита можно использовать при создании поляризаторов.
Для композиционных материалов на основе бариевого гексаферрита:
1. Коэффициент прохождения, изменяется в пределах от 85% до 20%. Значительное падение прошедшей мощности наблюдается на частотах порядка 45-55 ГГц, что объясняется наличием у используемого феррита, в рассматриваемой области частот, естественного ферромагнитного резонанса [3]. На более высоких частотах минимумы коэффициента прохождения связаны с явлением объемного резонанса, связанного с толщиной образцов.
2. С ростом содержания феррита в образце, происходит заметное снижение величины интенсивности прошедшей волны. Наиболее эффективно взаимодействует с электромагнитным излучением композит с 75% содержанием феррита в диапазоне 45-85 ГГц, коэффициент прохождения, 7=50-20%.
3. Действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости с ростом частоты практически не изменяется, только для образцов с 60 и 75% немного убывает. Мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости с ростом частоты начинает возрастать
4. С ростом концентрации бариевого гексаферита от 15% до 75% s'увеличивается с 3,3 до 7 относительных единиц, а s'изменяется в пределах 0,05 до 0,3 отн.ед. в измеряемом частотном диапазоне. Композит с 75% содержанием BaFe12O19имеет наибольшую комплексную диэлектрическую проницаемость.
Таким образом, перспективно использование композитов с содержанием феррита (BaFe12O19) более 45% в частотном диапазоне 45-55 ГГц с целью снижения уровня электромагнитного излучения.
Для композиционных радиоматериалов на основе 3D сетки из проводящего пластика добавление феррита приводит к следующему:
1. Коэффициент прохождения изменяется в пределах 32-65%, сохраняется минимум на 45-55ГГц вызванный ЕФМР в феррите (Tf)=35-45%) - наблюдается увеличение экранирующих свойств сеточного образца.
2. Практически нет разницы в положении образца композита относительно поляризации падающего излучения - теряются поляризационные свойства сеточного образца.
Таким образом, при добавлении феррита в сеточный образец наблюдается увеличение его поглощающих и экранирующих свойств, но теряются поляризационные свойства. Данный материал можно использовать для снижения уровня электромагнитного излучения.
Результаты, указанные в данной выпускной квалификационной работе, были представлены на: Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2017 г.); I Международной студенческой научно-практической конференции «Научный потенциал молодежи и технический прогресс» (Санкт-Петербург, 2018); Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов (Томск, 2018 г.). Основные результаты дипломной работы представлены в 6 публикациях. Разработки, полученные в ходе выполнения научной работы, представлены на Шестой Международной выставки «Радиофизика и электроника - 2017» проходившей в рамках международного форума «Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy» и получен диплом второй степени.
Выражаю благодарность за оказанную помощь в измерениях Дорожкину К.В., и за предоставленные образцы на основе проводящих пластиков Бадьину А.В.
1) Проведён аналитический обзор литературы композиционных радиоматериалов на основе проводящих структур и ферримагнетиков.
2) Освоены методики изготовления композиционных радиоматериалов на основе микропроводов, токопроводящих пластиков, ферритов, а также волноводный и квазиоптический методы измерения электромагнитных характеристик.
3) Освоена инженерная программа для 3D моделирования образцов на основе различных видов пластиков.
4) Изготовлены экспериментальные образцы на основе различных типов микропроводов, проводящего пластика, ферритов.
5) Измерены электромагнитные характеристики экспериментальных образцов радиокомпозитов, а также исследовано влияние внешнего магнитного поля на сеточные структуры на основе микропроводов.
6) Проведен анализ экспериментальных данных, полученные в ходе измерений образцов, и сделаны выводы об их практическом использовании.
Для результатов, полученных при выполнении дипломной работы, можно сделать ряд выводов. Для сеточных радиокомпозитов содержащих микропровода с FeCoSiB и NiCrSiMn:
1. Одиночные решетки из FeCoSiB (F2) и NiCrSiMn (N1) незначительно взаимодействуют с падающем излучением (7-98-92%) по сравнению с парными решетками из тех же материалов (7-90-50%). Для большего снижения уровня электромагнитного излучения, следует использовать несколько пар скрещенных решеток на основе данных материалов.
2. На высоких частотах (с 3 ГГц) композиты, на основе FeCoBSi (F1) проявляют экранирующие свойства и поглощающие свойства (R-10-24%, A-10-22%), на основе NiCrSiMn (N1) поглощающие свойства (A-10-15%).
3. Наиболее выражено взаимодействие композитов с падающем излучением на высоких частотах, для скрещенных решеток микропровода NiCrSiMn (N1) (7-80-55% c 2 ГГц, R-10-25% c 2 ГГц, A-15-20% c 3 ГГц). Но при возникновении сквозной проводимости, у параллельных решеток на основе FeCoBSi (F1) возникают процессы поглощения (потери на проводимость, взаимодействие между соседними микропроводами [9]) на низких частотах (7-20-70% до 2 ГГц, R-30-5% до 1 ГГц, A-55-25% до 4 ГГц).
4. Сравнив параллельные и скрещенные решетки, на основе FeCoBSi (F1) с разными периодами (t),видно что, скрещенные решетки с t=1мм проявляют экранирующие (R• 10:15% с 3 ГГц) и поглощающие (4-10^20% с 3 ГГц) свойства на 10¬20% больше чем с t=2мм.
5. Для четырех решеток на основе FeCoBSi (F1) (две скрещено, две параллельно) на высоких частотах проявляются поглощающие и отражающие свойства (R~10~35%, 4-5-15%).
6. Приложение внешнего магнитного поля в исследуемом частотном диапазоне (34-82 ГГц) практически не оказывает воздействия на электромагнитные свойства образцов.
Анализ проведенных измерений взаимодействия радиокомпозитов на основе протяженных отрезков микропроводов различного состава и параметров с падающем излучением подтверждает перспективность использования решеток с протяженными отрезками микропроводов в многослойных покрытиях для экранирования и поглощения падающих электромагнитных волн. Такие покрытия, благодаря использованию микропроводов будут иметь относительно небольшую толщину, малый вес, значительный электромагнитный отклик. Очень перспективно использовать данные радиокомпозиты в средствах радиоэлектронной борьбы, для защиты от вредного СВЧ - излучения.
Для композиционных материалов на основе проводящего пластика и пластика, содержащего МУНТ:
1. Образец на основе протяженных отрезков проводящего пластика задерживает от 10 до 55% падающего излучения. Для исследуемого диапазона частот (34-56 ГГц) максимум взаимодействия приходится на частоты 44-45 ГГц. При изменении угла а (от 0 до 90 градусов) между проводящими отрезками и плоскостью поляризации плоской электромагнитной волны, наблюдается уменьшение коэффициента прохождения почти в два раза.
2. Образец на основе конечных отрезков проводящего пластика задерживает от 30 до 37% падающего излучения. С ростом частоты коэффициент прохождения уменьшается на 5%. С ростом угла а взаимодействие снижается.
3. Образец на основе протяженных отрезков пластика, содержащего МУНТ, задерживает от 12 до 40% падающего излучения. С ростом частоты коэффициент прохождения слабо изменяется. С ростом угла а взаимодействие снижается.
4. Образцы на основе протяженных отрезков токопроводящего пластика и пластика содержащего МУНТ имеют значения мнимой части диэлектрической проницаемости е"=1,9 отн.ед., что позволяет судить о наличии поглощающих свойств, то есть их можно применять для снижения уровня электромагнитного излучения.
Полученные результаты для образцов на основе протяженных отрезков проводящего пластика и пластика, содержащего МУНТ, позволяют судить о наличии у них неких поляризационных свойств, так как им присуще положения с максимумом и минимумом пропускания разница между которыми, порядка 40%. Данные свойства композита можно использовать при создании поляризаторов.
Для композиционных материалов на основе бариевого гексаферрита:
1. Коэффициент прохождения, изменяется в пределах от 85% до 20%. Значительное падение прошедшей мощности наблюдается на частотах порядка 45-55 ГГц, что объясняется наличием у используемого феррита, в рассматриваемой области частот, естественного ферромагнитного резонанса [3]. На более высоких частотах минимумы коэффициента прохождения связаны с явлением объемного резонанса, связанного с толщиной образцов.
2. С ростом содержания феррита в образце, происходит заметное снижение величины интенсивности прошедшей волны. Наиболее эффективно взаимодействует с электромагнитным излучением композит с 75% содержанием феррита в диапазоне 45-85 ГГц, коэффициент прохождения, 7=50-20%.
3. Действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости с ростом частоты практически не изменяется, только для образцов с 60 и 75% немного убывает. Мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости с ростом частоты начинает возрастать
4. С ростом концентрации бариевого гексаферита от 15% до 75% s'увеличивается с 3,3 до 7 относительных единиц, а s'изменяется в пределах 0,05 до 0,3 отн.ед. в измеряемом частотном диапазоне. Композит с 75% содержанием BaFe12O19имеет наибольшую комплексную диэлектрическую проницаемость.
Таким образом, перспективно использование композитов с содержанием феррита (BaFe12O19) более 45% в частотном диапазоне 45-55 ГГц с целью снижения уровня электромагнитного излучения.
Для композиционных радиоматериалов на основе 3D сетки из проводящего пластика добавление феррита приводит к следующему:
1. Коэффициент прохождения изменяется в пределах 32-65%, сохраняется минимум на 45-55ГГц вызванный ЕФМР в феррите (Tf)=35-45%) - наблюдается увеличение экранирующих свойств сеточного образца.
2. Практически нет разницы в положении образца композита относительно поляризации падающего излучения - теряются поляризационные свойства сеточного образца.
Таким образом, при добавлении феррита в сеточный образец наблюдается увеличение его поглощающих и экранирующих свойств, но теряются поляризационные свойства. Данный материал можно использовать для снижения уровня электромагнитного излучения.
Результаты, указанные в данной выпускной квалификационной работе, были представлены на: Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2017 г.); I Международной студенческой научно-практической конференции «Научный потенциал молодежи и технический прогресс» (Санкт-Петербург, 2018); Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов (Томск, 2018 г.). Основные результаты дипломной работы представлены в 6 публикациях. Разработки, полученные в ходе выполнения научной работы, представлены на Шестой Международной выставки «Радиофизика и электроника - 2017» проходившей в рамках международного форума «Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy» и получен диплом второй степени.
Выражаю благодарность за оказанную помощь в измерениях Дорожкину К.В., и за предоставленные образцы на основе проводящих пластиков Бадьину А.В.