Тип работы:
Предмет:
Язык работы:


ТЕРАГЕРЦОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АКРИЛОНИТРИЛБУТАДИЕНСТИРОЛА И МНОГОСТЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Работа №192602

Тип работы

Магистерская диссертация

Предмет

физика

Объем работы68
Год сдачи2022
Стоимость5680 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
16
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Обзор литературы 11
1.1 Радиопоглощающие материалы и покрытия 11
1.2 Композиционные материалы 12
1.2.1 Углеродные нанотрубки 14
1.2.2 Поляризация. Диэлектрическая проницаемость 16
1.3 Спектроскопия в терагерцовой области 20
1.3.1 Спектроскопия с разрешением по времени 22
1.3.2 Обработка интерферограммы 23
1.3.3 Преобразование Фурье 23
1.3.4 Быстрое преобразование Фурье 28
2 Экспериментальная часть 31
2.1 Исследуемые образцы композитов 31
2.2 Методика измерения электромагнитных параметров материалов 33
2.3 Верификация результатов 35
2.3.1 Измерение электрофизических свойств стандартных образцов предприятий 37
2.4 Расчет диэлектрической проницаемости 40
3 Результаты 43
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 51
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 54
ПРИЛОЖЕНИЕ А 65


Со времен Ньютона спектроскопия всегда была одним из самых информативных методов исследования вещества. За прошедшее время существенно модернизированы способы регистрации излучения. Однако принципы построения спектральных приборов до середины XX века практически не менялись. Большинство приборов традиционно строили по одной и той же схеме: излучение фокусируется на входную щель прибора, прошедшее излучение параллельным пучком направляется на диспергирующий элемент (долгое время это была призма, в XX веке она стала заменяться на дифракционную решетку) и после фокусировки на выходной щели излучение регистрируется каким-либо приемником излучения.
Одновременно развивались интерференционные методы исследования - они обеспечивали более высокое спектральное разрешение, но, как правило, могли быть использованы только для узкого круга специальных задач. Во второй половине XX века началось бурное развитие интерференционной спектроскопии с преобразованием Фурье [1]. Широкое распространение этого метода определилось развитием вычислительной техники, поскольку вычислительная машина является необходимым элементом современного фурье-спектрометра. Такие спектрометры обеспечили резкое повышение спектрального разрешения, информативности и скорости получения информации по сравнению с другими оптическими спектрометрами, за исключением, быть может, лазерных.
Фурье-спектроскопия - совокупность методов измерений спектров различной природы (оптических, ЯМР, ЭПР и др.), в которых спектр вычисляется не по интенсивности сигнала, как например, в призменных спектроскопах, а по отклику во временной (ЯМР, ЭПР, масс-спектроскопия) или пространственной области (для оптических спектроскопов).
В последние годы применение Фурье-спектроскопии в терагерцовой области, находящейся в пределах от 300 ГГц до 10 ТГц, привлекает большой интерес вследствие перспективного использования данных систем в научных целях, а также для возможных применений в военной и гражданской технике.

Рисунок 1 - Шкала электромагнитных излучений [1]

В настоящее время развиваются несколько параллельных направлений создания когерентных импульсных источников ТГц диапазона. В начале 90 -х годов несколькими группами исследователей было показано, что при освещении некоторых фотополупроводников фемтосекундными импульсами света поверхность образцов излучает когерентные сверхкороткие широкополосные импульсы в ТГц диапазоне [2 - 14]. Наряду с возбуждением фотоносителей, ТГц излучение может генерироваться в процессе коллективного оптического возбуждения электронов в гетероструктурах и квантовых ямах [15 - 22]. Возможно получение ТГц излучения при
фокусировке первой и второй гармоник излучения фемтосекундного лазера в воздух, при нелинейно-оптическом выпрямлении высокоинтенсивного импульса [23]. ТГц импульсное излучение с высокой эффективностью преобразования было получено при использовании биполярной фотопроводящей антенны [24].
Ультракороткие ТГц оптические импульсы в настоящее время перспективны для внутренней и внешней связи в интегральных схемах [25], (чипах), для целей спектроскопии дальнего ИК диапазона с разрешением во времени и химического определения состава сложных соединений [26-30], для создания ТГц радаров [31, 32], для целей оптической ТГц томографии с разрешением во времени (T-ray imaging) [33, 34].
Одновременно с этим рос интерес научного сообщества к созданию новых материалов в радиочастотной области, обладающими уникальными характеристиками при смешении и недостижимыми для компонент по отдельности. Композиционные материалы открыли обширную область научных исследований и широкий ряд новых функциональных элементов на их основе [35 -37]. В сочетании с современными аддитивными технологиями стало возможным конструирование легких и прочных конструкций сложной геометрии [38, 39].
Наиболее популярным наполнителем для композиционных материалов на основе полимерной матрицы являются углеродные нанотрубки, за счёт, например, их поглощающих свойств, которые являются ключевым параметром при разработке радиопоглощающих материалов на их основе. Причем на свойства и дальнейшие перспективы использования РМП существенное влияние оказывает массовое соотношение матрицы и вводимого наполнителя.
Целью данной работы является исследование методами непрерывной и импульсной терагерцовой спектроскопии поглощающих свойств композиционных материалов, содержащих многостенные углеродные нанотрубки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) провести литературный обзор по радиопоглощающим покрытиям, композиционным материалам на основе МУНТ и ТГц спектроскопии;
2) провести измерение электромагнитного отклика композитов, содержащих МУНТ в ТГц области;
3) провести расчет комплексной диэлектрической проницаемости композитов, содержащих МУНТ, на основе экспериментально полученных данных об электромагнитном отклик.
Положения, выносимые на защиту (ПВЗ) диссертантом:
1) Материал, полученный методом 3D печати послойным наплавлением из композиционной нити на основе АБС и 4 масс. % МУНТ диаметром 9,4 мм, полученными химическим осаждением, при толщине материала 1,16 мм может использоваться в качестве РПМ с коэффициентом поглощения электромагнитного излучения не менее 90% в диапазоне частот 400-1000 ГГц.
2) Влияние ультразвуковой обработки в течении 10 мин. при мощности 75 Вт композиционной смеси материала на основе АБС и 4 масс. % МУНТ диаметром 9,4 мм, полученными химическим осаждением, в процессе производства материала для 3D печати, основанной на методе послойного наплавления, ведет к снижению значения диэлектрической проницаемости в среднем для е' на 4% и для е" на 21% в диапазоне 400-1000 ГГц.
Достоверность защищаемого положения:
Достоверность ПВЗ подтверждается стабильностью характеристик при четырёхкратном повторении эксперимента в одних и тех же условиях (отличия не более 2%), совпадением результатов при сопоставлении с данными, полученными с помощью спектрометра непрерывного действия СТД-21 в диапазоне частот 115-258 ГГц (расхождение результатов не превышает 4%), точность определения частоты излучения которого: в отдельной точке ± 0,01%, во всём рабочем интервале частот ± 0,5%. Достоверность
экспериментальных данных подтверждается использованием
сертифицированного оборудования ЦКП «Центр радиоизмерений ТГУ» (http://www.ckp.tsu.ru/about/directions/radiophysics/), который в составе Томского регионального центра коллективного пользования аккредитован на основании ФЗ "Об аккредитации в национальной системе аккредитации". № 412 от 28.12 2013г, получен аттестат аккредитации испытательной
лаборатории № RA.RU.21BO08 от 16.11.2017г. Применение аттестованных в Сибирском научно-исследовательском институте метрологии СОП также подтверждают достоверность результатов измерений.
Новизна ПВЗ:
1) Впервые получены экспериментальные данные частотной зависимости коэффициента прохождения, отражения и поглощения изготовленного аддитивной технологией послойного наплавления композиционного материала на основе AБС пластика с добавлением МУНТ-2 концентрацией 1-4 масс. % в диапазоне частот 258 - 1000 ГГц.
2) Впервые рассчитаны на основе экспериментальных данных коэффициента прохождения частотные зависимости комплексной диэлектрической проницаемости изготовленного аддитивной технологией послойного наплавления композита на основе АБС пластика и МУНТ-2 с массовой концентрацией 1-4 % в диапазоне частот 258 - 1000 ГГц.
Практическая значимость:
Содержание ПВЗ позволяет получать градиентный радиопоглощающий материал (РПМ) с одним видом наполнителя (МУНТ 4%) путём изменения количества этапов в процессе стандартной аддитивной технологии: 8 этапов (выбор компонентов, взвешивание, смешивание, разлив по формам, полимеризация, экструдирование, печать образца, механическая обработка) для получения слоя с диэлектрической проницаемостью 4,22 отн. ед. Этап УЗ обработки в дополнение к основным этапам позволяет получить слой с меньшей диэлектрической проницаемостью равной 4 отн. ед. Использование одного вида наполнителя позволяет объединить основные этапы изготовления (4 этапа от выбора компонент до разлива по формам два будущих слоя РПМ проходят вместе), что сокращает время изготовления материала по сравнению с технологией изготовления материалов, содержащих два вида наполнителя, где каждому слою необходимо пройти минимум 8 этапов подготовки (суммарно 16 этапов против предложенных выше 13). Использование одного вида наполнителя также уменьшает стоимость РПМ в несколько раз 9
по сравнению с материалами, использующими несколько видов наполнителя для получения аналогичных значений диэлектрической проницаемости.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!


В результате выполненной работы были получены следующие результаты:
а) проведен обзор литературных источников по радиопоглощающим покрытиям, композиционным материалам на основе МУНТ и ТГц спектроскопии, в результате которого сформулированы цель и задачи дипломной работы; исследования;
б) освоен принцип работы терагерцового спектрометра с разрешением по времени;
в) проведены измерения электромагнитного отклика напечатанных на 3D принтере композитов, содержащих МУНТ-2 в ТГц области;
г) создан алгоритм для расчета КДП композитов, содержащих МУНТ-2;
д) проведен расчет комплексной диэлектрической проницаемости напечатанных на 3D принтере композитов, содержащих МУНТ-2, на основе экспериментально полученных данных об электромагнитном отклик;
е) построены графики частотных зависимостей коэффициента отражения, прохождения, поглощения, действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости, напечатанных на 3D принтере композитов с МУНТ-2;
ж) показано влияние ультразвуковой обработки материала на электромагнитный отклик от образца;
з) проведен анализ экспериментальных данных, полученные в ходе измерений образцов.
Для результатов, полученных при выполнении научноисследовательской работы, можно сделать следующие выводы:
а) с ростом частиц наполнителя МУНТ-2 в матрице из АБС значения коэффициента поглощения увеличиваются вплоть до 95% на частотах свыше 600 ГГц. Максимальное значение - для 4% МУНТ.
б) увеличение концентрации МУНТ-2 в матрице из АБС с 1 до 4 масс. % приводит к росту средней диэлектрической проницаемости (е' в 1,3 раза и е'' в 4,4 раза) и позволяет варьировать значения КДП для создания РПМ технологией SD-печати методом послойного направления.
в) влияние ультразвуковой обработки композиционной смеси в процессе производства материала в течении 10 мин. при мощности 75 Вт ведет к снижению значения средней диэлектрической проницаемости (е' на 4% и е'' на 21%).
Результаты научно-исследовательской работы по теме исследования были опубликованы в рецензируемых журналах и материалах конференций:
1) Shematilo, T. N., Moskalenko, V. D., Kuleshov, G. E., Badin, A. V., Suslyaev, V. I., & Dunaevskii, G. E. Time-domain spectroscopy of 3D-printing ABS/MWCNT composites at the THz frequency range. In 2021 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz) (pp. 1-2). IEEE.
2) Dorozhkin, K. V., Moskalenko, V. D., Badin, A. V., & Gering, M. O. (2020, November). Dielectric properties of 3Dprinting ASA/MWCNTs composites at the Sub-THz frequency range. In Fourth International Conference on Terahertz and Microwave Radiation: Generation, Detection, and Applications (Vol. 11582, pp. 75-80). SPIE. • РИНЦ:
3) Бадьин А.В., Дорожкин К.В., Кулешов Г.Е., Геринг М.О., Москаленко В.Д. Электрофизические свойства композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок для 3Э-печати в Суб-ТГц диапазоне // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: Сборник научных трудов 30-й Международной научно-технической конференции, Севастополь, 6-12 сентября 2020 г. (КрыМиКо'2020) / Севастоп. гос. ун-т ; под ред. Ю. Б. Гимпилевича, П. П. Ермолова. — Севастополь: СевГУ, 2020. — С. 261-262.
4) Москаленко В. Д., Дорожкин К. В. Исследование электромагнитных характеристик композитов, содержащих многостенные углеродные нанотрубки, методами непрерывной и импульсной терагерцовой спектроскопии // Восемнадцатая Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов. Томск, 5-7 мая 2021 г. - Томск: STT, 2021. - С. 89-93.
Измерения проводились на оборудовании Центра коллективного пользования «Центр радиоизмерений ТГУ».
Выражаю благодарность за оказанную помощь в измерениях и расчетах Дорожкину К.В., Бадьину А.В., а также Кулешову Г.Е. за предоставленные материалы.



1 Белл Р. Дж. Введение в фурье-спектроскопию / Р. Дж. Белл. - Москва: Мир, 1975. - 160 с.
2 Far-infrared light generation at semiconductor surfaces and its spectroscopic applications / B. I. Greene, P. N. Saeta, R. D. Douglas, S. L. Chuang // IEEE J. Quant. Electron. - 1992. - Vol. 28. - P. 37.
3 THz pulses from the creation of polarized electron-hole pairs in biased quantum wells / P. C. Planken, M. C. Nuss, W. H. Knox [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 1992. - Vol. 61. - P. 89.
4 Benicewicz P. K. Scaling of teraherz radiation from large-aperture biased photoconductors / P. K. Benicewicz, J. P. Roberts, A. J. Taylor // JOSA. -
1994. - Vol. 12. - P. 113-117.
5 Teraherz photomixing with diode lasers inlow-temperature-grown GaAs / K. A. McIntosh, E. R. Brown, K. B. Nichols [et al.] // Appl. Phys. Lett. -
1995. - Vol. 67. - P. 201.
6 High average-power THz radiation from femtosecond laser-irradiated InAs in a magnetic field and its elliptical polarization characteristics / N. Sarukura, H. Ohtake, S. Izumida, Z. Liu // J. Appl. Phys. - 1998. - Vol. 84. - P. 654-656.
7 Free space electro-optic and magneto-optic sampling / P. Campbell, M. Li, Z. G. Lu. [et al.] // Proc. SPIE. - 1998. - Vol. 3269. - P. 114-124.
8 Li M. Portable THz system and its applications / M. Li, X. C. Zhang // Proc. SPIE. - 1999. - Vol. 3616 - P. 126-135.
9 Spectrum control of THz radiation and frequency chirp of the exitation pulses / S. Izumida, S. Ono, Z. Liu [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 1999. - Vol. 75. - P. 451-453.
10 Terahertz radiation from (111) InAs surface using 1.55 mm femtosecond laser pulses / T. Kondo, M. Sakamoto, M. Tonouchi, M. Hangyo // Jpn.
J. Appl. Phys. - 1999. - Vol. 38. - P. L1035-L1037.
11 Terahertz pulse propagation in the near fied and the far field / A. Gurtler, C. Winnewisser, H. Helm, P. U. Jepsen // JOSA. - 2000. - VO1.T1. - P. 7483.
12 Conductivity artifacts in optical-pump THz-probe measurements of YBa2Cu3O7 / R. D. Averitt, G. Rodriguez, J. L. Siders [et al.] // JOSA. - 2000. - Vol. 17. - P. 327-331.
13 Recent advances in terahertz imaging / D. M. Mittleman, M. Gupta, R. Neelamani [et al.] // Appl. Phys. - 1999. - Vol. B68. - P. 213-217.
14 Herrmann M. Display modes in time-resolved terahertz imaging / M. Herrmann, M. Tani, K. Sakai // Appl. Phys. - 2000. - Vol. 39. - P. 471-474.
15 Coherent submillimeter-wave emission from charge oscillations in a double-well potential / H. Roskos, M. C. Nuss, K. Leo [et al.] // Phys. Rev. Lett. - 1992. - Vol. 68. - P. 587-591.
..106


Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ