ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАТРИЦЫ С ВКЛЮЧЕНИЯМИ УГЛЕРОДНЫХ АЭРОГЕЛЕЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ
|
РЕФЕРАТ 3
Введение 4
1 Методы и средства исследования композитных материалов на основе
нанотрубок и их элементов на СВЧ 7
1.1 Композиты, их основные характеристики и методы измерения 7
1.2 Аэрогели и их свойства 10
1.3 Методы измерения электромагнитных характеристик объектов на СВЧ 12
1.4 Открытый резонатор, его свойства и применение для исследования
объектов 15
1.5 Метод измерения электромагнитных характеристик материалов с
включениями на СВЧ 16
2 Метод и результаты измерения поляризуемости сферических образцов
аэрогелей в ОР в сантиметровом диапазоне длин волн 19
2.1 Метод пробного тела и его применение для измерения поляризуемости и электрофизических характеристик малых объектов 19
2.2 Экспериментальная установка и измерения спектральных характеристик
ОР со сферическими образцами из металла. Сопоставление с расчетом и ограничения метода 25
2.3 . Измерение электрической и магнитной поляризуемостей аэрогелей в диапазоне 8 - 12 ГГц. Сопоставление результатов с измерениями
металлических и диэлектрических образцов 29
3 Метод и результаты измерения взаимодействия кластера их двух
сферических образцов аэрогелей 32
3.1 Метод исследования взаимодействия двух малых рассеивателей
в открытом резонаторе 32
3.2 Апробация метода. Исследование взаимодействия модельных образцов
из хорошо проводящего материала, оценка расстояний взаимодействия 33
3.3 . Исследование взаимодействия кластера из двух сферических образцов аэрогелей в ОР. Оценка расстояний взаимодействия и компонентов
тензора поляризуемости 35
4 Композит на основе включений сферических аэрогелей и его характеристики 38
4.1 Метод измерения плоских материалов 38
4.2 Измеряемые образцы и их изготовление 40
4.3 Измерение коэффициента отражения материалов на основе углеродных
аэрогелей 42
Заключение 45
Список использованных источников
Введение 4
1 Методы и средства исследования композитных материалов на основе
нанотрубок и их элементов на СВЧ 7
1.1 Композиты, их основные характеристики и методы измерения 7
1.2 Аэрогели и их свойства 10
1.3 Методы измерения электромагнитных характеристик объектов на СВЧ 12
1.4 Открытый резонатор, его свойства и применение для исследования
объектов 15
1.5 Метод измерения электромагнитных характеристик материалов с
включениями на СВЧ 16
2 Метод и результаты измерения поляризуемости сферических образцов
аэрогелей в ОР в сантиметровом диапазоне длин волн 19
2.1 Метод пробного тела и его применение для измерения поляризуемости и электрофизических характеристик малых объектов 19
2.2 Экспериментальная установка и измерения спектральных характеристик
ОР со сферическими образцами из металла. Сопоставление с расчетом и ограничения метода 25
2.3 . Измерение электрической и магнитной поляризуемостей аэрогелей в диапазоне 8 - 12 ГГц. Сопоставление результатов с измерениями
металлических и диэлектрических образцов 29
3 Метод и результаты измерения взаимодействия кластера их двух
сферических образцов аэрогелей 32
3.1 Метод исследования взаимодействия двух малых рассеивателей
в открытом резонаторе 32
3.2 Апробация метода. Исследование взаимодействия модельных образцов
из хорошо проводящего материала, оценка расстояний взаимодействия 33
3.3 . Исследование взаимодействия кластера из двух сферических образцов аэрогелей в ОР. Оценка расстояний взаимодействия и компонентов
тензора поляризуемости 35
4 Композит на основе включений сферических аэрогелей и его характеристики 38
4.1 Метод измерения плоских материалов 38
4.2 Измеряемые образцы и их изготовление 40
4.3 Измерение коэффициента отражения материалов на основе углеродных
аэрогелей 42
Заключение 45
Список использованных источников
Актуальность. Развитие технологий, используемых в современной радиоэлектронной аппаратуре, работающей в СВЧ диапазоне радиоволн, предъявляют высокие требования к материалам эффективно взаимодействующих с электромагнитным излучением. Природные материалы обладают ограниченным спектром свойств, поэтому создают искусственные материалы. Создание искусственных материалов с заданными электромагнитными характеристиками в широкой полосе частот, среди которых наибольшее распространение получили композиты, является актуальной задачей. В [1] композит определяется как результат объемного сочетания разнородных компонентов, один из которых пластичен (выполняет роль связующего), при этом полученный материал имеет свойства, которые не имеют его компоненты. Современные искусственные материалы для СВЧ диапазона создаются, как правило, в виде двухкомпонентных композитов, содержащих матрицу с включениями, среди которых можно выделить углеродные структуры на основе графена (нанотрубки). Такие структуры хорошо зарекомендовали себя в качестве радиоматериалов и могут быть использованы в качестве поглощающих покрытий или защитных экранов для снижения уровня электромагнитного излучения; для защиты биологических объектов от воздействия электромагнитного излучения; для решения задач электромагнитной совместимости и для защиты информации от несанкционированного доступа [2].
В Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН впервые были изготовлены образцы аэрогеля сферической формы из многостенных углеродных нанотрубок диаметрами 3, 4, и 6 мм CVD- методом [3], электромагнитные свойства которых не были ранее изучены. Аэрогели - материалы, представляющие собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной, и за счет этого они обладают чрезвычайно низкой плотностью(1 до 150 кг/м3), что в среднем, в 130 раз легче металлов, например меди (8930 кг/м3). Включая их в состав композиционных материалов можно получить лёгкие материалы, обладающие низкими массо-весовыми характеристиками и уникальными свойствами для достижения новых характеристик на СВЧ. А тот факт, что они состоят из углеродных нанотрубок, позволяет предположить их эффективное взаимодействие с электромагнитным излучением в СВЧ диапазоне.
Цель работы. Исследование характеристик сферических образцов углеродного аэрогеля и композитов на его основе резонаторными методами в сантиметровом диапазоне длин волн.
Задачи работы. Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:
1. Методом возмущения построить решение задачи нахождения характеристик сферических образцов аэрогеля из измерений в открытом резонаторе.
2. Экспериментально определить границы применимости используемого метода путем измерения спектральных характеристик основных мод открытого резонатора в заданной полосе частот при внесении в него образцов медных шаров близких по размерам к исследуемым образцам аэрогелей.
3. В пределах найденных границ применимости измерить значения
электрической и магнитной поляризуемостей аэрогелей в открытом резонаторе.
4. Провести исследование взаимодействия двух сферических образцов аэрогеля и определить компоненты тензора электрической поляризуемости для кластера из двух образцов.
5. Изготовить одно- и двухслойные модели композиционных материалов, с использованием в качестве компонентов образцов аэрогелей сферической формы, и исследовать коэффициенты отражения от таких образцов.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является аэрогель сферической формы диаметром от 3 до 6 мм из многостенных углеродных нанотрубок. В качестве предмета исследования выступают его электрофизические свойства в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц.
Методы исследования. Экспериментальное исследование электрофизических характеристик сферических аэрогелей проводилось методом открытого квазиоптического резонатора. Для исследования одно- и двухслойных структур с включениями аэрогелей различной концентрации применялся метод локальной диагностики плоских объектов через отверстие в зеркале открытого резонатора.
Научные положения, выносимые на защиту:
1) Метод пробного тела в открытом резонаторе применим для определения действительной части поляризуемости сферических проводящих объектов диаметром менее Х/4 и измеренные этим методом значения поляризуемости шариков аэрогеля диаметром от 4.5 до 6 мм в диапазоне частот 8-12 ГГц находятся в пределах от 13*10-8 м3 до 29*10-8 м3, что сопоставимо со значениям для металлических шаров тех же геометрических размеров.
2) Метод открытого резонатора применим для проведения оценок расстояний взаимодействия двух проводящих образцов сферической формы, при этом фазовые искажения падающего пучка соответствуют фазовым искажениям независимых рассеивателей, а рассеянная мощность системы двух проводящих шаров отличается от рассеянной мощности невзаимодействующих объектов на расстояниях менее 2,3 X.
Научная новизна.
1. Впервые исследованы электрофизические свойства одиночных сферических образцов аэрогеля диаметром от 3 до 6 мм в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц и найдены значения действительной части электрической и магнитной поляризуемости.
2. Предложен метод и найдены расстояния взаимодействия двух сферических образцов аэрогеля из измерений в открытом резонаторе.
3. Построены структуры в виде плоских слоев сферических аэрогелей и измерены коэффициенты отражения от одно и двухслойных образцов с разными концентрациями включений.
Практическая значимость результатов работы.
Полученные результаты можно применить при создании новых композиционных материалов с использованием углеродных аэрогелей сферической формы, а также при исследовании рассеяния электромагнитных волн сантиметрового диапазона на структурах, содержащих углеродные аэрогели.
Апробация работы. Основные результаты выполненной работы были представлены на: V и VI Международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2013, 2015 г.г.); на 24-й и 25-й международных конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2014, 2015 г.г.); всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов (Томск, 2014). Опубликовано 10 статей, 6 из них в рецензируемых журналах.
В Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН впервые были изготовлены образцы аэрогеля сферической формы из многостенных углеродных нанотрубок диаметрами 3, 4, и 6 мм CVD- методом [3], электромагнитные свойства которых не были ранее изучены. Аэрогели - материалы, представляющие собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной, и за счет этого они обладают чрезвычайно низкой плотностью(1 до 150 кг/м3), что в среднем, в 130 раз легче металлов, например меди (8930 кг/м3). Включая их в состав композиционных материалов можно получить лёгкие материалы, обладающие низкими массо-весовыми характеристиками и уникальными свойствами для достижения новых характеристик на СВЧ. А тот факт, что они состоят из углеродных нанотрубок, позволяет предположить их эффективное взаимодействие с электромагнитным излучением в СВЧ диапазоне.
Цель работы. Исследование характеристик сферических образцов углеродного аэрогеля и композитов на его основе резонаторными методами в сантиметровом диапазоне длин волн.
Задачи работы. Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:
1. Методом возмущения построить решение задачи нахождения характеристик сферических образцов аэрогеля из измерений в открытом резонаторе.
2. Экспериментально определить границы применимости используемого метода путем измерения спектральных характеристик основных мод открытого резонатора в заданной полосе частот при внесении в него образцов медных шаров близких по размерам к исследуемым образцам аэрогелей.
3. В пределах найденных границ применимости измерить значения
электрической и магнитной поляризуемостей аэрогелей в открытом резонаторе.
4. Провести исследование взаимодействия двух сферических образцов аэрогеля и определить компоненты тензора электрической поляризуемости для кластера из двух образцов.
5. Изготовить одно- и двухслойные модели композиционных материалов, с использованием в качестве компонентов образцов аэрогелей сферической формы, и исследовать коэффициенты отражения от таких образцов.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является аэрогель сферической формы диаметром от 3 до 6 мм из многостенных углеродных нанотрубок. В качестве предмета исследования выступают его электрофизические свойства в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц.
Методы исследования. Экспериментальное исследование электрофизических характеристик сферических аэрогелей проводилось методом открытого квазиоптического резонатора. Для исследования одно- и двухслойных структур с включениями аэрогелей различной концентрации применялся метод локальной диагностики плоских объектов через отверстие в зеркале открытого резонатора.
Научные положения, выносимые на защиту:
1) Метод пробного тела в открытом резонаторе применим для определения действительной части поляризуемости сферических проводящих объектов диаметром менее Х/4 и измеренные этим методом значения поляризуемости шариков аэрогеля диаметром от 4.5 до 6 мм в диапазоне частот 8-12 ГГц находятся в пределах от 13*10-8 м3 до 29*10-8 м3, что сопоставимо со значениям для металлических шаров тех же геометрических размеров.
2) Метод открытого резонатора применим для проведения оценок расстояний взаимодействия двух проводящих образцов сферической формы, при этом фазовые искажения падающего пучка соответствуют фазовым искажениям независимых рассеивателей, а рассеянная мощность системы двух проводящих шаров отличается от рассеянной мощности невзаимодействующих объектов на расстояниях менее 2,3 X.
Научная новизна.
1. Впервые исследованы электрофизические свойства одиночных сферических образцов аэрогеля диаметром от 3 до 6 мм в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц и найдены значения действительной части электрической и магнитной поляризуемости.
2. Предложен метод и найдены расстояния взаимодействия двух сферических образцов аэрогеля из измерений в открытом резонаторе.
3. Построены структуры в виде плоских слоев сферических аэрогелей и измерены коэффициенты отражения от одно и двухслойных образцов с разными концентрациями включений.
Практическая значимость результатов работы.
Полученные результаты можно применить при создании новых композиционных материалов с использованием углеродных аэрогелей сферической формы, а также при исследовании рассеяния электромагнитных волн сантиметрового диапазона на структурах, содержащих углеродные аэрогели.
Апробация работы. Основные результаты выполненной работы были представлены на: V и VI Международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2013, 2015 г.г.); на 24-й и 25-й международных конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2014, 2015 г.г.); всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов (Томск, 2014). Опубликовано 10 статей, 6 из них в рецензируемых журналах.
В результате проведенных исследований аэрогелей сферической формы методом открытого резонатора были получены следующие результаты:
1. Для определения характеристик взаимодействия электромагнитного поля со сферическими объектами предложено использовать метод пробного тела в открытом резонаторе.
2. Ввиду приближенного характера используемого метода, путем сопоставления экспериментальных данных с расчетными значениями сдвигов резонансной частоты для хорошо проводящих образцов, определены границы диапазона частот и максимальные размеры шаров. Показано, что из-за эффекта повышения добротности резонатора при внесении в него сферического рассеивателя, в рамках данного метода возможно определение только действительных частей электрической (диаметром менее 6 мм) и магнитной (диаметром менее 3,5 мм) поляризуемостей образцов в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц.
3. Из измерений в открытом резонаторе определены действительные части электрической и магнитной поляризуемости образцов аэрогелей в полосе частот 8-12 ГГц. В этой полосе частот значения поляризуемостей остаются практически постоянными и составили: а'т^-2х108м3 для а'т^ -3,4х10 8м3 образцов аэрогелей и металла диаметром 3,5 мм, а'е «13х10-8мМ и а'е «15х10-8мМ для образцов аэрогелей и металла диаметром 4.5мм, а'е « 29х10-8м3 и а'е «35х10-8м3для образцов диаметром 6 мм.
4. Предложен метод исследования взаимодействия двух сферических образцов в открытом резонаторе, заключающийся в определении реакции резонатора (сдвиг резонансной частоты и уширение резонансной кривой) на систему двух рассеивателей, располагающихся на различных расстояниях в точках с одинаковыми значениями электрического поля.
5. Определены расстояния взаимодействия системы из двух образцов аэрогелей. При этом фазовые искажения падающего пучка соответствуют фазовым искажениям независимых рассеивателей, а рассеянная мощность системы двух проводящих шаров отличается от рассеянной мощности невзаимодействующих объектов на расстояниях менее 2,3 X.
6. Были созданы одно-и двухслойные модели композиционного материла в виде диэлектрической матрицы с е=1 и включений упорядоченно расположенных сферических аэрогелей. Методом локальной диагностики в открытом резонаторе измерены коэффициенты отражения таких структур. Для различной плотности заполнения аэрогелей коэффициент отражения может меняться от 0.16 до 0.89, при этом данные изменения могут быть получены только для однослойной структуры
Выражаю благодарность сотрудникам института катализа СО РАН В.Л.Кузнецову и М.А. Шуваевой за любезно предоставленные образцы.
Список статей, опубликованных в рецензируемых журналах:
1) Дорофеев И. О. Метод пробного тела в задачах исследования малых объектов в открытом СВЧ-резонаторе / И. О. Дорофеев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика - 2014. - Т.57, № 9/2 - С.42 - 48
2) Дорофеев И . О . , Смирнова Т . Е . , Сусляев В . И. Исследование аэрогелей на основе углеродных нанотрубок в открытом СВЧ резонаторе // Труды 24 -й Междунар. конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - Севастополь, 2014. - С. 821 - 822.
3) Дорофеев И.О. Исследование взаимодействия образцов сферических аэрогелей резонаторным методом / И.О. Дорофеев, Т. Е. Смирнова, В. И. Сусляев // Труды 25-й Междунар. конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - Севастополь, 2015. - С. 886 - 887
4) .Сусляев В.И. Электромагнитный отклик от сферического образца аэрогеля из многостенных углеродных наотрубок / В. И. Сусляев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика - 2013. - Т.56, № 10/3 - С.183 - 185.
5) Kuznetsov V. L. Investigation of electromagnetic properties of MWCNT aerogels produced via catalytic ethylene decomposition / V. L. Kuznetsov [ and others] // Phys. Status Solidi - 2015. - B 252, No. 11. - P. 2519 - 2523.
6) Dorofeev I. O. A method of studying interaction of elements of artificial media in open resonator / I. O. Dorofeev, T. E. Smirnova, E. A. Krasilova // Известия высших учебных заведений. Физика - 2015. - Т.58, № 10/3 - С.265 - 268.
1. Для определения характеристик взаимодействия электромагнитного поля со сферическими объектами предложено использовать метод пробного тела в открытом резонаторе.
2. Ввиду приближенного характера используемого метода, путем сопоставления экспериментальных данных с расчетными значениями сдвигов резонансной частоты для хорошо проводящих образцов, определены границы диапазона частот и максимальные размеры шаров. Показано, что из-за эффекта повышения добротности резонатора при внесении в него сферического рассеивателя, в рамках данного метода возможно определение только действительных частей электрической (диаметром менее 6 мм) и магнитной (диаметром менее 3,5 мм) поляризуемостей образцов в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц.
3. Из измерений в открытом резонаторе определены действительные части электрической и магнитной поляризуемости образцов аэрогелей в полосе частот 8-12 ГГц. В этой полосе частот значения поляризуемостей остаются практически постоянными и составили: а'т^-2х108м3 для а'т^ -3,4х10 8м3 образцов аэрогелей и металла диаметром 3,5 мм, а'е «13х10-8мМ и а'е «15х10-8мМ для образцов аэрогелей и металла диаметром 4.5мм, а'е « 29х10-8м3 и а'е «35х10-8м3для образцов диаметром 6 мм.
4. Предложен метод исследования взаимодействия двух сферических образцов в открытом резонаторе, заключающийся в определении реакции резонатора (сдвиг резонансной частоты и уширение резонансной кривой) на систему двух рассеивателей, располагающихся на различных расстояниях в точках с одинаковыми значениями электрического поля.
5. Определены расстояния взаимодействия системы из двух образцов аэрогелей. При этом фазовые искажения падающего пучка соответствуют фазовым искажениям независимых рассеивателей, а рассеянная мощность системы двух проводящих шаров отличается от рассеянной мощности невзаимодействующих объектов на расстояниях менее 2,3 X.
6. Были созданы одно-и двухслойные модели композиционного материла в виде диэлектрической матрицы с е=1 и включений упорядоченно расположенных сферических аэрогелей. Методом локальной диагностики в открытом резонаторе измерены коэффициенты отражения таких структур. Для различной плотности заполнения аэрогелей коэффициент отражения может меняться от 0.16 до 0.89, при этом данные изменения могут быть получены только для однослойной структуры
Выражаю благодарность сотрудникам института катализа СО РАН В.Л.Кузнецову и М.А. Шуваевой за любезно предоставленные образцы.
Список статей, опубликованных в рецензируемых журналах:
1) Дорофеев И. О. Метод пробного тела в задачах исследования малых объектов в открытом СВЧ-резонаторе / И. О. Дорофеев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика - 2014. - Т.57, № 9/2 - С.42 - 48
2) Дорофеев И . О . , Смирнова Т . Е . , Сусляев В . И. Исследование аэрогелей на основе углеродных нанотрубок в открытом СВЧ резонаторе // Труды 24 -й Междунар. конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - Севастополь, 2014. - С. 821 - 822.
3) Дорофеев И.О. Исследование взаимодействия образцов сферических аэрогелей резонаторным методом / И.О. Дорофеев, Т. Е. Смирнова, В. И. Сусляев // Труды 25-й Междунар. конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». - Севастополь, 2015. - С. 886 - 887
4) .Сусляев В.И. Электромагнитный отклик от сферического образца аэрогеля из многостенных углеродных наотрубок / В. И. Сусляев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика - 2013. - Т.56, № 10/3 - С.183 - 185.
5) Kuznetsov V. L. Investigation of electromagnetic properties of MWCNT aerogels produced via catalytic ethylene decomposition / V. L. Kuznetsov [ and others] // Phys. Status Solidi - 2015. - B 252, No. 11. - P. 2519 - 2523.
6) Dorofeev I. O. A method of studying interaction of elements of artificial media in open resonator / I. O. Dorofeev, T. E. Smirnova, E. A. Krasilova // Известия высших учебных заведений. Физика - 2015. - Т.58, № 10/3 - С.265 - 268.
