Смирнов Денис Олегович. Композиционные радиопоглощающие материалы на основе ферримагнитных соединений

Краткое описание

Смирнов Денис Олегович. Композиционные радиопоглощающие материалы на основе ферримагнитных соединений : диссертация ... кандидата технических наук : 05.09.02 / Смирнов Денис Олегович; [Место защиты: Моск. энергет. ин-т].- Москва, 2009.- 176 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/2303

Содержание к диссертации

Введение
Глава 1. Радиопоглощающие материалы и их свойства 11
1.1 Обзор существующих радиопоглощающих материалов 11
1.2 Кристаллическая структура и свойства шпинелей 15
1.3 Магнитные спектры ферритов со стурктурой шпинели 19
1.4 Кристаллическая структура и свойства гексагональных ферритов 23
1.5 Магнитные спектры гексагональных ферритов 28
1.6 Естественный ферромагнитный резонанс гексагональных ферритов 29
1.7 Влияние технологических факторов на свойства ферритов 34
Глава 2. Методика эксперимента 39
2.1 Технология получения ферритов и композиционных материалов на их основе 39
2.2 Измерения свойств синтезированных ферритов 41
Глава 3.Экспериментальное исследование влияния состава и технологических факторов на частотные характеристики и поглощение композиционных магнитных материалов на основе гексагональных ферритов49
3.1 Влияние технологических факторов при получении гексагональных ферритов на электродинамические характеристики композиционных радиопоглощающих материалов на их основе 49
3.1.1 Получение ферритовых порошков для композиционных материалов из спрессованных и спеченных таблеток 50
3.1.2 Получение ферритовых порошков из гранул гексагонального феррита, спеченного при различных температурах 54
3.2 Влияние углеродных нанотрубок на поглощение электромагнитного излучения композиционного магнитного материала 59
3.3 Адгезионная прочность КГРМ с добавками УНТ 64
3.4 Изучение и оптимизация технологии нанесения покрытий на внешние и внутренние поверхности элементов развязки каналов интегральных схем и модулей с приемо-передающих трактами СВЧ диапазона 67
3.5 Исследование свойств бариевых гексаферритов 75
3.5.1 Влияние замещений на электрические свойства гексаферритов 75
3.5.2 Влияние замещений на магнитные спектры гексаферритов 77
3.5.3 Влияние замещений на намагниченность и температуру Кюри гексаферритов 79
3.5.4 Влияние замещений на поглощение и отражение электромагнитного излучения от композиционных радиопоглощающих материалов на основе легированных гексаферритов 88
3.5.5 Расчет диэлектрической проницаемости є' композиционных материалов на основе гексагональных ферритов на частотах СВЧ диапазона 93
Глава 4.Экспериментальное исследование влияния состава и технологических факторов на частотные характеристики и поглощение композиционных магнитных материалов на основе феррошпинелей99
4.1 Исследование влияния дисперсности порошков наполнителя на электродинамические свойства композиционных материалов на их основе...99
4.1.1 Измерение электродинамических характеристик композитов на основе феррита 3000НМ с различной дисперсностью 99
4.1.2 Измерение электродинамических характеристик композитов на основе Li-феррита с различной величиной гранул 105
4.2 Исследование порошковых гетерогенных наполнителей из обожженных гранул Li-, Li-Zn и Li-Co ферритов 107
4.2.1 Зависимость частотных характеристик композиционного материала на основе Li - феррита от температуры окончательного обжига 107
4.2.2 Изменение частотных характеристик Li-феррита в зависимости от содержания Zn 121
4.2.3 Изменение частотных характеристик Li-феррита в зависимости от содержания Со 135
Заключение 148
Список используемой литературы 151
Приложение 160

Кристаллическая структура и свойства гексагональных ферритов
Влияние углеродных нанотрубок на поглощение электромагнитного излучения композиционного магнитного материала
Изучение и оптимизация технологии нанесения покрытий на внешние и внутренние поверхности элементов развязки каналов интегральных схем и модулей с приемо-передающих трактами СВЧ диапазона
Исследование порошковых гетерогенных наполнителей из обожженных гранул Li-, Li-Zn и Li-Co ферритов

Введение к работе

Актуальность работы.Научно-технический прогресс, обусловленный эффективным использованием достижений электроники, радиотехники, вычислительной техники, во многом оказался возможным благодаря уровню и темпам исследований в области создания материалов для этих отраслей техники. Так, например, разработка новых материалов для решения проблемы уменьшения помех и электромагнитной совместимости устройств становится весьма актуальной в связи с развитием и увеличением мощности устройств СВЧ-радиоэлектроники, приводящим к тому, что возникающее при их работе электромагнитное излучение на частотах высших типов гармоник создает значительные помехи радиоэлектронной аппаратуре, и спутниковой связи.
Важную роль в этих областях приобретают материалы, эффективно поглощающие сверхвысокочастотные (СВЧ) электромагнитные излучения [1-3]. Радиопоглощающие материалы (РПМ) СВЧ-диапазона являются также незаменимыми в радиолокации и специальной технике [4-6].
За рубежом интенсивно ведутся работы по созданию военной техники с противорадиолокационными покрытиями, в частности, в США по программе «Стеле»[7, 8]. Существенное снижение взаимных помех в передающих и приемных трактах устройств, работающих в диапазоне 8 ...36 ГГц, возможно за счет применения радиопоглощающих магнитных материалов (РПМ) нового поколения, обеспечивающих расширение функциональных и тактико-технических возможностей электронных средств спецтехники.
Экспериментальные результаты и теоретические оценки показывают, что дальнейшее совершенствование и развитие помехозащищенности радиоаппаратуры в целом, а также повышение стабильности характеристик радиопоглощающих покрытий может быть достигнуто путем использования композиционных магнитных материалов на основе специальных наполнителей - диспергированных поликристаллических ферритов различного химического состава.
!
Актуальным является получение материалов, позволяющих создавал?!, на их основе эффективные радиопоглощающие покрытия и фильтрз-пощие устройства с малыми потерями в полосе пропускания и большим уровнем подавления в полосе заграждения. Отличительной особенностью разрабатываемых материалов является стабильность параметров и возмож^ность серийного выпуска на предприятиях химической промышленности России: _
Развитие СВЧ-устройств различного назначения определяют
актуальность поиска путей управления частотной дисперсией комплексной магнитной проницаемости с помощью полимерных композитов, наполненных полидисперсными магнитными порошками. С этой целью активно проводятся теоретические и экспериментальные исследования полимерных композиционных материалов для аппаратуры СВЧ диапазона, устанавл ив даются закономерности изменения свойств радиопоглощающих композитов (РІГХК) в магнитных и электрических полях, что позволяет разработать теоретические положения и рекомендации в области создания и применения композиционных материалов для систем СВЧ-техники, обеспечения электромагнитной совместимости и помехозащищенности радиоэлектронной аппаратуры.
Работа проводилась в соответствии с тематикой, предусмотренной научно- технической программой Минобразования России «Научные исследования высшей школы в области новых материалов», в рамках грантов Минобразования РФ, по государственному контракту Минобразования І^ф jvjb 02.513.12.0020 по лоту 31 шифр «2008-10-1.3-07.26», «2008-10-23-32»,По государственному контракту Минобразования РФ № 02.513.11.3280 но лоту «2007-3-1.3-24-04», по темам «Исследование электрофизических процессов в радиопоглощающих диэлектриках нового типа» номер 06-08-ОО497-а «Высокоанизотропные магнитные материалы для устройств СВЧ энергетики» номер 07-08-00237-а, а также «Исследование и синтез композиционных ферримагнитных радиопоглощающих структур» номер 09-08-ОО 690а
Российского фонда фундаментальных исследований.
Цель и задачи работы.Целью работы является разработка новых композиционных магнитных материалов на основе ферритов для радиопоглощающих покрытий.
В соответствии с этим основными задачами работы являются:
разработка композиционных радиопоглощающих материалов на основе гексагональных ферритов и углеродных нанотрубок;
синтез легированных гексагональных ферритов со структурой типа Z;
комплексные экспериментальные и теоретические исследования электрофизических, электродинамических и физико-химических свойств композиционных радиопоглощающих материалов, основой которых являются наполнители в виде гексагональных ферритов и феррошпинелей;
установление зависимостей магнитных и электрических свойств легированных ферритов от состава, концентрации замещающих ионов, добавок, а также дисперсности ферритового наполнителя.
Научная новизна:
1. впервые установлено влияние добавок углеродных нанотрубок на поглощение электромагнитного излучения в композиционных материалах на основе гексагональных ферритов, показано, что добавление УНТ приводит к, повышению поглощения в 30 раз;
2. практически изучено явление радиопоглощения композиционных материалов на основе синтезированных гексаферритов структуры Mg2Z, Zn2Z и Co2Z, легированных ионами Ti4++Co2+, Ti4++Zn2+и In3+в диапазоне частот от 8 до 26 ГГц;
3. впервые получены экспериментально данные по электродинамическим свойствам новых композиционных материалов на основе бариевых гексагональных ферритов со структурой Mg2Z, а также бариевых гексагональных ферритов М-типа с добавками углеродных нанотрубок;
4. определены магнитные спектры и частоты поглощения Mn-Zn, Li, Li-Zn и Li-Co феррошпинелей в зависимости от состава и технологических факторов;
5. впервые синтезированы и изучены гексаферриты со структурой Mg2Z, легированные ионами 1п3+.
Практическая ценность полученных результатов:
5. предложено и опробовано применение углеродных нанотрубок в качестве добавок в композиционные радиопоглощающие материалы, показано, что добавление углеродных нанотрубок приводит к увеличению поглощения в 30 раз.
6. изучены закономерности изменения электродинамических и магнитных свойств радиопоглощающих композитов на основе гексагональных ферритов со структурой М, Mg2Z и Li, Li-Zn и Li-Co шпинелей, позволяющие использовать значения электродинамическихимагнитных характеристик для формирования эффективных радиопоглощающих покрытий.
7. получены данные о влиянии размеров частиц наполнителей гексагональных ферритов М типа на резонансное поглощение электромагнитного излучения, позволяющие учитывать эти параметры на стадии разработки композиционных радиопоглощающих материалов.
8. разработаны и предложены новые составы гетерогенных наполнителей для создания поглотителей СВЧ-излучения в диапазоне частот от 8 до 26 ГГц.
9. изучены адгезионные свойства композиций полимер-феррит-углеродные нанотрубки к металлическим подложкам, позволяющие учитывать эти параметры на стадии разработки и проектирования экранирующих конструкций.
10. разработана методика нанесения композиционных радиопоглощающих покрытий со связующим из латекса, наполненных ферритами.
На защиту выносятся следующие положения:
11. результаты исследования ЕФМР в наполненных полимерных композициях на основе гексагональных ферритов и углеродных нанотрубок;
12. результаты исследования влияния технологических факторов на электродинамические свойства диспергированных ферримагнитных материалов для радиопоглощающих покрытий;
3. экспериментальные данные по электрическим и магнитным свойствам гексагональных ферритов Z и М типа, легированных ионами различных металлов;
4. результаты исследования поглощения в композиционных радиопоглощающих магнитных материалах на основе гексагональных ферритов Z и М типа, а также на основе Li, Li-Zn и Li-Co феррошпинелей;
5. результаты измерения частотной зависимости магнитной проницаемости для композиционных материалов на основе Li, Li-Zn и Li-Co шпинелей с различной дисперсностью частиц наполнителя.
Композиционные магнитные материалыиспользованы при
выполнении работ:
1. по государственному контракту с федеральным агентством по науке и инновациям по теме «Исследование и разработка новых специальных материалов для электротехнических и электроэнергетических устройств», в рамках федеральной целевой научно-технической программы;
2. госбюджетных научно-исследовательских работ по теме «Исследование физико-химических и физико-механических свойств новых композиционных магнитных материалов».
3. в НИР, выполняемой по государственному оборонному заказу на 2007г., утвержденному постановлением Правительства Российской Федерации от 28 декабря 2006 года №812-37 с шифром "Двор-1 (МЭИ)".
4. выполняемых по программам Российского фонда фундаментальных исследований научной школой кафедры ФЭМАЭК МЭИ
Результаты выполненных исследований используются в учебном процессе МЭИ (ТУ) при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».
Апробация работы.Материалы диссертации докладывались на XIV Международной конференции по спиновой электронике и гировектроной электродинамике (Москва, декабрь 2005), на XI Международной конференции по электромеханике, электротехнологии и электротехническим материалам и
компонентам (Крым, Алушта, сентябрь 2006), на XIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов " Радиоэлектроника, электротехника и энергетика " (Москва, февраль 2007), Международной конференции «Функциональные материалы» (Крым, 2007), на XIV Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов " Радиоэлектроника, электротехника и энергетика " (Москва, февраль 2008), на XII Международной конференции по электромеханике, электротехнологии и электротехническим материалам и компонентам (Крым, Алушта, сентябрь 2008), на XIV Международной конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, ноябрь 2008), на XV Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов " Радиоэлектроника, электротехника и энергетика " (Москва, февраль 2009).

Кристаллическая структура и свойства гексагональных ферритов

Ферриты с гексагональной структурой нашли широкое применение в различных областях науки и техники (рис. 1.8). К ферритам с гексагональной структурой относятся соединения с общей формулой [(Ва + Ме)к+ Ok] т/2 (Fe203)n, где к = 2, т в зависимости от состава изменяется от 1 до 10, п — от 6 до 14, a Me представляет собой катионы двухвалентных металлов Мп, Fe, Ni, Со, Zn и Mg. В настоящее время из известных гексагональных ферритов можно выделить следующие наиболее важные типы: М — BaFei2Oi9 или BaO6Fe203; W — BaMe2FeI6027 или Ba02Me08Fe203, Y — Ba2Me2Fe12022 или 2Ba02Me06Fe203, Z — Ba3Me2Fe2404i, или 3Ba02MeO l2Fe203 X Ba2Me2Fe28046 или 2BaO2MeO14Fe203; V — Ba4OMe2Fe36O60 или 4Ba02MeO18Fe203, нашедшие широкое применение в качестве постоянных магнитов и активных элементов в некоторых резонансных устройствах СВЧ-диапазона. В таблице 1.2 представлены структура и свойства гексагональных ферритов, имеющих наибольшее практическое применение в качестве радиопоглощающих покрытий. В любой из представленных гексагональных структур можно выд