Электромагнитные характеристики композиционных радиоматериалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением миллиметрового диапазона

Землянухин, Юрий Петрович

Электромагнитные характеристики композиционных радиоматериалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением миллиметрового диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Землянухин, Юрий Петрович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Электромагнитные характеристики композиционных радиоматериалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением миллиметрового диапазона»

Автореферат диссертации на тему "Электромагнитные характеристики композиционных радиоматериалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением миллиметрового диапазона"

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

17 ДПР 20П

005547180

Томск-2014

005547180

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

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

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

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

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. Материалы по защите диссертации размещены на официальном сайте ТУСУРа: http://www.tusur.ru/ru/science/education/diss.html. Автореферат разослан » апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ю.П. Акулиничев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 иммуносу-прессию, 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), наноструюурных гексагональных ферримагнетиков, пеностеклокристаллических материалов (ПСКМ) и металло-органических 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 ГТц 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.

11а 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 20 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 ГТц коэффициент поглощения пеностекло-кристаллического материала на основе природного кремнезема, доломита и соды в 1,9 - 1,94 раза выше, чем коэффициент поглощения пеностеколыюго материала (ПС.М) 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 научно-исследовательским 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 нолистирольной, 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 № 2494507 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 ГТц.

4. Модернизирована установка для проведения измерений методом «свободного пространства» с применением рупорных преобразователей в полосе частот 26- 37 ГТц, 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 ме-таллорганических 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 радио материалов 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 поте-

рями.

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; 2012-1.4-12-0002012-005).

Результаты работы внедрены в образовательный процесс РФФ ТГУ.

Апробация работы. Основные защищаемые положения и результаты диссертационной работы были представлены на: Международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (2010, 2012 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' -

2011)» (Севастополь, 2011 г.); Тринадцатой международной научно-технической 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 (!) с электромагнитными и геометрическими параметрами исследуемого образца. Величины модулей и фаз коэффициентов зависят от толщины слоя магнитодиэлектрика (d) и значений комплексных диэлектрической е = е' — iz" и магнитной ц = ц' — /ц" проницаемо-стей. Здесь е', |Г - действительные, е", ц" - мнимые части проницаемостей, i —

мнимая единица. Для плоской электромагнитной волны, падающей на плоский слой магнигодиэлектрика под прямым углом, выражения для коэффициентов отражения и прохождения могут быть записаны в виде:

R-

р(1-е

Т =

{l-p*}«

-iyd

(1)

1 -pV2'1"' ' ' 1 - p2e~2iyd ' где р = (Z- 1) / (Z+ I) - коэффициент отражения от передней грани магнитоди-электрика, г = ^\ф. - волновое сопротивление, постоянная распростра-

нения электромагнитной волны в слое магнитодиэлектрика, к0 = ю/с — волновое число свободного пространства, со = 2л/- 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 I.

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 экспе-

риментами 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.

26 28 30 32 34 36 38

Частота, ГГц

Рисунок 2 Расчетные и измеренные коэффициенты прохождения, СОГ1-5

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 \Щ и |7|, но которым определяются две величины: или значения ц' и ц" при известных е'и е", 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 (26-37,5 ГГц) приведена на рисунке 3. Комплекс

состоит из генератора качающейся частоты (ГКЧ) 2, волноводного тракта, трех направленных ответвителей 3, 4, 8 с детекторными секциями. Отвствитель 3 с детекторной секцией (ДС) служит для измерения падающей на измерительную ячейку (ИЯ) 5, 6 мощности Р„т. Ответвитель 4 с ДС предназначен для измерения мощности отраженного сигнала Р,щ„ а ответвитель 8 с ДС - для измерения прошедшей через исследуемый объект мощности Рмрох. На индикатор Я2Р-67 (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 ис- , о <л следования форме.

Применение векторного анализатора цепей позволяет перейти на более высокий уровень ка-

9 9

.....Вт

е-1

чества измерений, так как он по- _ , Ga-i-V езз-т—,—I

зволяет измерить не только мо- . ——II—"'^Hr^Hj-f) ' IHl1^5 дули \R\, \1\, но и фазы отражен- Рисунок 3 Блок-схема рупорной установки ного фя и прошедшего Фг, сигна- для исследования электромагнитного отлов, следовательно, он позволяют клика плоских образцов вычислить все составляющие

комплексных значений диэлектрической и магнитной проиицаемостей 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.

з -»

Использование векторного анализатора цепей Е8363В (рабочий диапазон частот 10 МГц — 40 ГГц) 1 упростило устройство микроволнового тракта. Он состоит из гибких кабелей связи; коаксиаль-но-волноводных переходов 2 и установки на основе рупорных преобразователей с линзами.

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

-г

Рисунок 4 Блок-схема измерительной установки на основе векторного анализатора цепей Е8363В

21 -| 0-а -1

В .

<и -4

Я -6 4

Частота, ГГц

Рисунок 5 Результаты оценки достоверности измерений для СОП-5

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

—■— Расчет

° Эксперимент —*— Аппроксимация

(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: пенокристалличе-ский материал; композиты на основе мезопористых материалов; композиты на основе многостенных углеродных нанотрубок и наноструктурных оксидных ферримагнетиков.

Исследуемый иеностеклокристаллический 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 I и 2.

Рисунок 6 Электронно-микроскопическое изображение наноглобул межпоро-вой перегородки пеноматериала

Таблица 1 Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь ПСКМ ШД-1 в полосе частот

27 ГГц 29 ГТц 31 ГГц 33 ГГц 35 ГГц

е', отн.ед. 1,31 1,28 1,32 1.26 1.26

tgSE 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

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 °С) аморфной матрицы, содержащей кристаллическую фазу в виде кварца в количестве от 5 до (максимум) 15 мае. % и размером менее 1 мкм, кристаллическая фаза в процессе вспенивания уменьшается до наноразме-ров. Новизна свойств разработанного материала подтверждена выдачей патента на изобретение.

Таблица 2 Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь ПСКМ ШО-1 в полосе частот

27 ГГц 29 ГГц 31 ГГц 33 ГГц 35 ГГц

в', отн.ед. 1,61 1,58 1,57 1,58 1,55

tgöe 0,2 0,18 0,21 0,20 0,21

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 то-

ка. Электропроводящие полимеры полианилин и полипиррол представляют собой органические высокомолекулярные полупроводники, уровень электронной проводимости которых в допированном состоянии составляет 10°—101 См см4. 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, ингибироваиие 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 Сг-М1Ь-101, Ре-М1Ь-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 тера-герцовый 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, полиметилакре-латы, 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 уменьша-

ется до 0,5 отн. ед., а коэффициент отражения увеличивается до 0,45 отн. ед. на отдельных участках измеряемого диапазона.

1,0л

ч 0,9-^

Р 0,8-

1 07 ~ а о,б-

ь 0.5-

& 0,4-

1 0,3-

I 0.2-•§* 0,1-

Часгота, ГГц

1.0 0.9

м 0.8

° 0.7.

I 0.6 -|

й 0.3

0.2

- О вес.% -0,5 вес.% -1 вес.% -2 вес.% -4 вес % 10 вес.%

30 32 34 36 Частота, ГГц

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 спек-

тры диэлектрической проницаемости композитов на основе МУНТ в полисти-рольной матрице с различной концентрацией активной фазы. Видно, что с ростом концентрации МУНТ увеличиваются значения г' и е".

щ 3,0-

о ->

—■— е' 0 вес.%

е" 0 вес% с' 0,5 вес.% е" 0,5 вес.%

26 28 30 32 34 36 зв 40 Частота, ГГц

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 ВаСоо^п, зРе1б027 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

0,5н-1,5 дК (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 Т— 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 Г1ММА рассыпался.

—»—МУН Т 1%, феррит 0% - МУИГ 1%, феррит 10% —т—'МУНТ 1%, феррит30% ——МУНТ 1%, феррит 60%

-е-•е-

-8

26 28 30 32 34 36 38 40 42

Частота, ГГц

-6-

—•— МУНТ 2,5%, феррит 0%

—*.....МУНТ 2,5%, феррит 10%

—Т~ МУНТ 2,5%, феррит 30% —— МУНТ 2,5%, феррит 60%

N -в - "S.V х

0 ■

1 JHмЛ***«

£ у-

-14

26 28 3d 32 34 36 38 40 42

Частота, ГГц

Рисунок 9 Зависимость коэффициента прохождения от концен трации 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 полисти-рольной матрице / В.И. Сусляев, В.А. Журавлев, B.JI. 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 quasiopticai methods of measuring the electromagnctic response in the millimeter wavelength range / V.A. Zhuravlev, V.l. Suslyaev, Yu.P. Zemlyanukhin // Russian Physics

и МУНТ

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 стеклокристаплического пеноматериала квазиоитическим методом /

B.И. Сусляев, О.В. Казьмина, B.C. Семухин, Ю.П.З емляиухин, К.В. Дорожкин // Ползуновский вестник. - 2012. - № 2/1. - С. 159-162.

5. Сусляев В.И. Исследование электромагнитных характеристик стекло-кристаллического 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,

C.А. Сапченко, К.В. Дорожкин // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2012. - Т.55. - № 9/2. - С. 351-356.

7. Сусляев В.И. Электрофизические характеристики пеностеклокристал-лического 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.l. Electrophysical Characteristics of a Foam Glass Crystal Material / V.l. Suslyaev, O.V. Kazmina, B.S. Semukhin, Yu.P. Zemlyanukliin, M.A. Dushkina // Russian Physics Journal. — January 2014. - Volume 56. - Issue 9. — pp 990-996.

Статьи в сборниках статен 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. Радиоспсктроскоп 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 Научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и тех-

нология», 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 стсклокристаплического 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: 11 У, 2013 [Электронный ресурс], — С.94-99. - Режим доступа: http://tic.tsu.ru/wvvw/uploads/smartsection/107_toml.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 плоскопа-

раллельных пластин в СВЧ диапазоне. Решение о выдаче патента на полезную модель. Заявка № 2013140548/28(061723), (22) Дата подачи заявки 02.09.2013. Дата начала отсчета срока действия патента 02.09.2013.

Цитируемая литература:

1. Улащик B.C. Иммуномодулирующее действие лечебных физических факторов / B.C. Улащик //Медицинские новости.-2006.-№11.-С. 8-13.

2. Коясокару 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 радиационно-защитных материалов / В.Н. Гульбин, В.А. Михеев, Н.С. Колпаков, и др. // Ядерная физика и инншниринг. - 2013. - Т. 4. - № 6. - С. 597-604.

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

5. Сусляев В.И. Микроволновые характеристики мезопористых полимеров Cr-MlL-101, Fe-MIL-101 и композитов на основе полианилина / В.И. Сусляев, В .П. Федин, А.И. Романенко, Д.Н. Дыбцев, ЮЛ. 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, ВН. Верещагин, B.C. Семухин, A.B. Мухортова, H.A. 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 ВЛ., Мосеенкову С.И., Мазову И.Н. за любезно предоставленные образцы.

Тираж 120 экз. Отпечатано в ООО «НИП» г. Томск, ул. Советская, 47, тел.: 53-14-70

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Землянухин, Юрий Петрович, Томск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201459126

Землянухин Юрий Петрович

ДИАПАЗОНА

01.04.03 - Радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат физ.-мат. наук, доцент В.И. Сусляев

Томск-2014

Список обозначений

ГКЧ - генератор качающейся частоты;

ДН - диаграмма направленности антенны;

ДС - детекторная секция;

ИЯ - измерительная ячейка;

КРМ - композиционный радиоматериал;

КСВн - коэффициент стоячей волны по напряжению;

МУНТ - многостенные углеродные нанотрубки;

ОУНТ - одностенные углеродные нанотрубки;

ПММА - полиметилметакрилат;

ПП - полипропилен;

ПС - полистирол;

ПСКМ - пеностеклокристаллический материал; ПСМ - пеностекольный материал; ПЭ - полиэтилен; СВЧ - сверх высокочастотный; СОП - стандартный образец предприятия; ФМЖ - ферромагнитные жидкости; ЦКП - центр коллективного пользования; ЭМВ - электромагнитные волны; ЭМИ - электромагнитное излучение; ЭМС - электромагнитная совместимость; 8*=б' - /е" - комплексная диэлектрическая проницаемость; - /ц" - комплексная магнитная проницаемость.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ РАДИОМАТЕРИАЛОВ, АКТИВНО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С ИЗЛУЧЕНИЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.............................................................................................................................14

1.1 Экранирование электромагнитного излучения................................................14

1.2 Современные материалы, используемые для экранирования........................20

1.3 Современные методы экспериментального исследования спектров диэлектрической и магнитной проницаемости......................................................23

1.4 Постановка задачи перед диссертационной работой......................................29

2 МЕТОД «СВОБОДНОГО ПРОСТРАНСТВА» ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ С БОЛЬШИМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОТЕРЯМИ....................................31

2.1 Обоснование выбора метода измерений...........................................................31

2.2 Рупорные антенны..............................................................................................33

2.3 Элементы измерительного тракта.....................................................................36

2.4 Линзовый волновод.............................................................................................47

2.5 Экспериментальная проверка линзового волновода.......................................55

Выводы.......................................................................................................................57

3 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОТКЛИКА ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ МЕТОДОМ «СВОБОДНОГО ПРОСТРАНСТВА».......................58

3.1 Измерительный комплекс на основе скалярного анализатора цепей............58

3.2 Измерительный комплекс с квазиоптическими линзами...............................60

3.3 Измерительный комплекс с линзовым волноводом........................................61

3.4 Измерительный комплекс на основе векторного анализатора цепей............62

3.5 Достоверность и погрешность измерений........................................................66

Выводы.......................................................................................................................68

4 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ РАДИОМАТЕРИАЛОВ.............................................................................................69

4.1 Выбор материалов исследования......................................................................69

4.2 Электромагнитные характеристики пеностеклокристаллического материала

.....................................................................................................................................73

4.2.1 Технология получения и основные физико-химические свойства.........73

4.2.2 Электромагнитные свойства.......................................................................75

4.3 Исследование электромагнитных характеристик мезопористых полимеров78

4.3.1 Основные физико-химические свойства мезопористых полимеров......78

4.3.2 Электромагнитные свойства.......................................................................79

4.4 Электромагнитные характеристики композитов на основе многостенных

углеродных нанотрубок и наноструктурного оксидного ферримагнетика........81

4.4.1 Синтез многостенных углеродных нанотрубок........................................81

4.4.2 Электромагнитные характеристики композитов на основе МУНТ в полистирольной (ПС) матрице............................................................................83

4.4.3 Электромагнитные характеристики композитов на основе МУНТ в матрице из полиметилметакрилата (ПММА)....................................................88

4.4.4 Электромагнитные характеристики композитов на основе МУНТ в полиэтиленовой (ПЭ) матрице.............................................................................90

4.4.5 Электромагнитные характеристики композитов на основе МУНТ и гексаферритов в полимерной матрице на основе полиметилметакрилата.....93

4.4.6 Сравнение электромагнитных характеристик композитов на основе МУНТ в различных полимерных матрицах.......................................................98

Выводы.......................................................................................................................99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................101

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..................................................103

ПРИЛОЖЕНИЕ А Патент на изобретение...............................................................118

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Решение о выдаче патента на полезную модель.....................119

ПРИЛОЖЕНИЕ В Справка о внедрении в учебный процесс................................120

ВВЕДЕНИЕ

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 снижения уровня электромагнитного излучения, требуемого медицинскими нормами, рациональным размещением оборудования и удалением его от биологических объектов достичь не удается. Задача может быть решена применением материалов, активно взаимодействующих с ЭМИ, которые, отражая или поглощая электромагнитную энергию, обеспечивают безопасную интенсивность. Другой современной проблемой является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС). Электромагнитная обстановка представляет собой совокупность электромагнитных полей в заданной области пространства, которая может влиять на функционирование конкретного радиоэлектронного устройства или биологического объекта. Не менее важной проблемой настоящего времени является разработка средств защиты объекта от утечки информации по техническим каналам. Представляемый рынком обширный ряд радиоматериалов, которые могут применяться для экранирования или поглощения электромагнитной энергии, не полностью обеспечивает потребности в легких, негорючих, влагостойких, долговечных защитных устройствах доступных по цене. Поэтому разработка новых радиоматериалов остается востребованной научной задачей. Целенаправленный синтез исходных материалов и построение конструкций на их основе невозможно осуществить, не прибегая к экспериментальным исследованиям электромагнитных характеристик в широком диапазоне частот.

В связи с этим, исследование электромагнитных характеристик новых материалов, которые эффективно отражают или поглощают ЭМИ, с целью выбора оптимального состава или строения, отработка достоверных методик

измерения и измерительных средств являются актуальными задачами.

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 взаимоисключающие отличия в механизмах 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.

Для исследования предпочтительнее использовать неразрушающий метод, который может быть использован не только на стадии поисковых научных работ, но и в качестве контролирующего средства при массовом промышленном производстве радиоматериалов и конструкций на их основе.

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 и 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 обеспечивается защита от радиационного воздействия, неизбежно проявляющегося 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. Проводимость полимерных мезопористых материалов можно изменять в широких пределах, что позволяет создавать на их основе отражающие

экраны и поглощающие покрытия.

Особенностями материалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением, являются высокие значения тангенса угла магнитных и диэлектрических потерь, что вызывает известные трудности при проведении измерений электромагнитных параметров.

Цель диссертационной работы. Используя метод «свободного пространства», экспериментально исследовать электромагнитный отклик и спектры диэлектрической проницаемости композиционных материалов на основе многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ), наноструктур! гых гексагональных ферримагнетиков, пеностеклокристаллических материалов (ПСКМ) и металлорганических 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 магпитодиэлектрических материалов в диапазоне частот 26-37 ГГц.

углеродных нанотрубок; 4) МУНТ и оксидных ферримагнетиков, в зависимости от толщины образцов, типа и концентрации активной фазы. Оценить достоверность полученных экспериментальных данных.

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.

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 и отражения листовых диэлектриков на 20 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 композиционного материала 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 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 напотрубок в полистирольной, полиэтиленовой матрицах и в матрице из полиметилметакрилата.

радиофизических методов измерения, диагностики и исследований параметров природных и искусственных материалов», аккредитованного на техническую компетентность.

Научная новизна.

2. Впервые исследованы электрофизические характеристики разработанного пеностеклокристаллического материала на основе природного кремнезема, доломита и соды, в результате чего выдан патент на изобретение № 2494507 от 27.09.2013 г.

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.

Научная ценность защищаемых положений и других результа