ВВЕДЕНИЕ 4
1 Методы измерений электромагнитных характеристик материалов 6
2 Прямоугольный резонатор 8
2.1 Структура электромагнитного поля 8
2.2 Основной тип колебаний 10
2.3 Вывод формул для расчёта диэлектрической проницаемости с учётом
размера и местоположения образца 13
2.4 Вывод формулы для расчёта погрешности в Дю/юо за счёт неточной
установки образца в рамках теории малых возмущений 16
3 Композиционные материалы на основе нанотрубок 19
3.1 У глеродные нанотрубки 19
3.1.1 Свойства углеродных нанотрубок 19
3.1.1.1 Механические свойства 20
3.1.1.2 Электрические свойства 20
3.2 Композиционные материалы 21
4 Экспериментальные исследования 23
4.1 Моделирование диэлектрической проницаемости в программе MathCad 23
4.2 Оценка применимости метода малых возмущений для стержневых
образцов 24
4.3 Исходные компоненты для приготовления композита 26
4.4 Изготовление образцов 27
4.5 Методика измерения удельной проводимости образцов 27
4.6 Методика измерения параметров образцов 28
4.7 Измерение диэлектрической проницаемости образцов композиционных
материалов 30
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
При разработке современной аппаратуры необходимо проводить исследования динамических электромагнитных характеристик природных и искусственных материалов (частотных зависимостей комплексной
диэлектрической и магнитной проницаемостей), а также коэффициентов отражения, прохождения и поглощения материалов в рабочей полосе частот. Для этих целей используются разные типы измерительных ячеек: измерительные конденсаторы, коаксиальные и микрополосковые резонаторы, рупора, объёмные цилиндрические и прямоугольные резонаторы, открытые резонаторы и т.д. . Каждая из этих установок работает в определенном частотном диапазоне. Метод измерения комплексной диэлектрической проницаемости на СВЧ в коаксиальной ячейке используется для исследований небольшого количества исследуемого образца, в связи с малыми размерами ячеек. Преимущества данного метода заключаются в том, что данный метод применим для материалов, поддающихся механической обработке, и является широкополосным . Прямоугольный объемный резонатор используется для измерения параметров материалов в дискретном наборе точек, соответствующих его резонансным частотам . Диапазон измерений зависит от размеров резонатора. Преимуществом объемного резонатора является возможность измерений малого количества образца исследуемого материала, а также измерения материалов с небольшими величинами электромагнитных параметров. Для определения характеристик исследуемых образцов материалов используется метод малых возмущений (ММВ).
Авторы статьи показали, что формулы для расчёта динамических электромагнитных характеристик образцов материалов, полученные с использованием метода малых возмущений и используемые большинством исследователей, дают погрешность в результатах измерения. Они пишут, что в этом методе считается, что внесение образца не изменяет структуру поля в резонаторе. Однако при внесении образца поле изменяется, и получаемые результаты всегда содержат ошибку. В своей работе авторы приводят измерения известного материала (лавсана, полиэтилентерефталата) и полученные ими поправочные коэффициенты к измеренным значениям. Также авторы отмечают, что на погрешность получаемых результатов оказывает влияние положение образца в резонаторе, о чем сказано в работах .
В статье проведено моделирование измерений электрофизических параметров тонких образцов на основе объемного прямоугольного резонатора, используя метод возмущений, в среде проектирования Microwave Studio в диапазоне частот от 7 до 13 ГГц. Они доказали, что расхождения между экспериментальными и промоделированными результатами не превышает 20 %, и метод возмущений адекватен и удобен для оценки диэлектрической проницаемости тонких образцов.
Целью выпускной квалификационной работы является оценка погрешности в измеренных значениях комплексной диэлектрической проницаемости композиционных материалов за счет учета реальных размеров образцов и их смещения из пучности электрического поля.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
а) провести литературный обзор;
б) получить расчётные выражения для метода малых возмущений, учитывающие геометрические размеры и смещение образца из пучности электрического поля;
в) провести численное моделирование по полученным расчетным выражениям;
г) изготовить экспериментальные образцы;
д) освоить методику и провести измерения комплексной диэлектрической проницаемости с использованием прямоугольного резонатора;
е) определить влияние размера образца на результаты измерений диэлектрической проницаемости.
В результате проделанной работы были получены следующие основные результаты:
а) проведен литературный обзор;
б) получены расчётные выражения для метода малых возмущений, учитывающие геометрические размеры и смещение образца из пучности электрического поля;
в) проведено численное моделирование по полученным расчетным выражениям;
г) изготовлены экспериментальные образцы;
д) освоена методика и проведены измерения комплексной диэлектрической проницаемости с использованием прямоугольного резонатора;
е) определено влияние размера образца на результаты измерений диэлектрической проницаемости;
ж) работа представлена на конференциях: «Современные проблемы
радиоэлектроники» (г. Красноярск), «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск), МНСК-2017 (г. Новосибирск), «Функциональные материалы: разработка, исследование, применение» (г. Томск) и СНИИ-2017 (г. Томск).
Расчётные формулы для измерения электромагнитных характеристик материалов, представленные в выпускной квалификационной работе бакалавра, будут использованы при разработке учебно-методического пособия по специальному лабораторному практикуму для студентов.
В будущем планируется написать программу решения обратной задачи на языке Pascal, а также провести моделирование электродинамической системы в программе COMSOL.
Результаты работ апробированы на конференциях:
XIX Всероссийская научно-техническая конференция "Современные проблемы радиоэлектроники", г. Красноярск, 2016.
X Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, 2016.
Международная научная студенческая конференция МНСК, г. Новосибирск, 2017.
IV Всероссийский конкурс научных докладов студентов «Функциональные материалы: разработка, исследование, применение», г. Томск, 2017.
XIV Всероссийская конференция Студенческих научно-исследовательских инкубаторов, г. Томск, 2017.
Исследование проводилось в центре коллективного пользования Томского государственного университета «Центр радиоизмерений, ТГУ».
Работа выполнена в рамках Программы повышения конкурентоспособности Национального исследовательского Томского государственного университета.
Благодарим Сусляева Валентина Ивановича за помощь при постановке целей и задач работы, Журавлёва Виктора Алексеевича и Коровина Евгения Юрьевича за помощь при экспериментальных исследованиях и обсуждении результатов.
