Румянцев, Павел Александрович. Пленочные радиопоглощающие материалы, содержащие микро- и наночастицы наполнителя

Краткое описание

Румянцев, Павел Александрович. Пленочные радиопоглощающие материалы, содержащие микро- и наночастицы наполнителя : диссертация ... кандидата технических наук : 05.09.02 / Румянцев Павел Александрович; [Место защиты: Всерос. науч.-исслед., проект.-конструкт. и технол. ин-т каб. пром-сти].- Москва, 2013.- 130 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-5/1127

Содержание к диссертации

Введение
ГЛАВА 1.Радиопоглощающие покрытия10
1.1 Обзор радиопоглощающих покрытий 10
1.2 Материалы, применяемые в радиопоглощающих покрытиях 13
1.3 Ферриты и их свойства
1.3.1 Кристаллическая структура и свойства шпинели 16
1.3.2 Структура и свойства гексагональных ферритов 17
1.3.3 Магнитные спектры ферритов 21
1.3.4 Наноразмерные ферриты 24
ГЛАВА 2. Методика эксперимента 27
2.1 Технология получения ферритов и композиционных материалов на их основе 27
2.2 Измерения свойств синтезированных ферритов 27
ГЛАВА 3Исследование свойств гексагональных ферритов структуры типам33
3.1 Влияние механической обработки гексагональных ферритов на свойства композиционных материалов на их основе 33
3.2 Влияние углеродных нанотрубок на свойства радиопоглощающих композиционных материалов 67
Глава 4Свойства ферритов со структурой шпинели74
Глава 5 Синтез гексагональных ферритов 84
Глава 6Пленочные радиопоглощающие покрытия101
6.1 Радиопоглощающее покрытие с наполнителем в виде феррита BaSco Fen 80,9 102
6.2 Радиопоглощающее покрытие с наполнителем в виде феррита BaFe Oig нанесенное на металлическую подложку 105
6.3 Пленочные покрытия с наполнителями, повышающими диэлектрические потери 108
6.4. Широкополосное многослойное радиопоглощающее покрытие на основе гексагональных ферритов 112
6.5 Формирование покрытия под действием постоянного магнитного поля 115
Заключение 118
Список используемой литературы

Кристаллическая структура и свойства шпинели
Измерения свойств синтезированных ферритов
Влияние углеродных нанотрубок на свойства радиопоглощающих композиционных материалов
Радиопоглощающее покрытие с наполнителем в виде феррита BaFe Oig нанесенное на металлическую подложку

Введение к работе

Актуальность работы.Развитие СВЧ-устройств радиоэлектроники и энергетики, мощных энергетических установок приводит к тому, что возникающее при их работе электромагнитное излучение на частотах высших типов гармоник создает значительные помехи радиоэлектронной аппаратуре, работающей в СВЧ области, и спутниковой связи. В связи с этим, проблема уменьшения помех и электромагнитной совместимости устройств становится актуальной. В работе предлагается использовать для этих целей новые композиционные магнитодиэлектрики на основе высокоанизотропных ферритов, в которых существует эффективное поле кристаллографической анизотропии. В таких материалах внутреннее поле анизотропии зависит от химического состава и вызывает явление естественного ферромагнитного резонанса (ЕФМР) в области СВЧ. Использование композиционных сред в СВЧ устройствах позволяет управлять электродинамическими параметрами в широком диапазоне частот. Отсутствие внешнего магнитного поля и использование композиционных сред позволяет создавать новые электротехнические материалы, обладающие способностью поглощения электромагнитного излучения и обеспечивающие существенное уменьшение помех паразитных электромагнитных колебаний в устройствах электротехники и электроэнергетике.
В работе исследована возможность управления частотной дисперсией комплексной магнитной проницаемости в полимерных композитах, наполненных полидисперсными магнитными порошками. Установлены закономерности изменения свойств радиопоглощающих композитов (РПК) в магнитных и электрических полях.
Рассмотрена возможность создания гетерогенных диспергированных наполнителей, состоящих из магнитных и электропроводящих компонентов, с целью получения ряда материалов, которые могут эффективно использоваться в частотном диапазоне 2-40 ГГц с поглощением ЭМИ не менее 12 дБ в температурном интервале -600+1000С в специальной, бытовой, медицинской технике и устройствах СВЧ- электроэнергетики.
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 государственным контрактам Минобразования РФ № «01.200.95.3121», «01.200.96.2471», «01.201.15.0806», «01.201.15.0812», «01.201.15.8670», «01.201.15.8677»
Цель и задачи работы.Целью работы является разработка новых радиопоглощающих покрытий (РПП) на основе композиционных магнитных материалов.
В соответствии с этим основными задачами работы являются:
исследование влияния дисперсности ферритов на характеристики композиционных материалов на их основе;
установление зависимостей магнитных и электрических свойств легированных ферритов от дисперсности ферритового наполнителя;
экспериментальное изучение электродинамических и электрофизических характеристик композиционных материалов на основе высокодисперсных ферритов;
влияние углеродных нанотрубок на свойства композитов на основе высокодисперсных ферритов с различным размером частиц порошка;
исследование свойств композиционных материалов на основе ферритов-шпинелей с целью их дальнейшего использования в РПП;
создание технологии синтеза гексагональных ферритов со структурой Y по керамической технологии для их использования в РПП;
исследование электродинамических и электрофизических характеристик структуры типа Y;
получение РПП на основе магнитодиэлектрических композиционных материалах различной конструкции.
исследование влияния магнитного поля на формирование и свойства РПП на основе магнитных эластомеров.
Научная новизна:
систематические исследования и анализ композиционных радиопоглощающих материалов (РПМ), наполненных высокодисперсными, высокочастотными гексаферритами дали возможность выявить новые закономерности, получить количественные оценки между различными свойствами композитов для диапазона частот 36-54ГГц;
впервые синтезированы РПМ с углеродными нанотрубоками для диапазона частот 36-54ГГц. Установлены отличия влияния углеродных нанотрубок на величину поглощения электромагнитного излучения материала в зависимости от дисперсности наполнителя;
изучено влияние углеродных нанотрубок на электродинамические параметры РПМ, содержащих феррошпинели;
впервые рассмотрено влияние постоянного магнитного поля на процесс формирования РПП; установлена зависимость величины поглощения электромагнитного излучения сформированного покрытия;
получены макеты РПП; изучены их электродинамические и электрофизические характеристики, позволяющие определить применение покрытий для решения конкретных технологических задач.
Практическая ценность полученных результатов:
1. Получены данные о влиянии размеров частиц наполнителей гексагональных ферритов и ферритов-шпинелей на электродинамические и электрофизические параметры магнитодиэлектриков с целью дальнейшего выбора их практического применения при изготовлении покрытий;
2. Получена зависимость влияния углеродных нанотрубок на свойства композитов при различных размерах частиц наполнителя феррита;
3. Получены результаты синтеза гексаферрита структуры типа Y при различных температурах и исследованы электродинамические характеристики композиционного материала на его основе;
4. Разработаны и изготовлены РПП для применения в диапазоне частот 36-54ГГц в;
5. Разработана методика формирования РПП игловидной формы под действием постоянного магнитного поля и исследованы его частотные характеристики поглощения.
Апробация работы.Материалы диссертации докладывались наXVII международной конференции «Магнетизм, дальнее и ближнее спин-спиновое взаимодействие». Москва-Фирсановка, ноябрь 2009г.; на XV Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Москва, февраль 2009г.; на XIII Международной конференции по «Электромеханике, электротехнологии и электротехническим материалам и компонентам»,ICEEE-2010, Крым, Алушта, сентябрь 2010г.; на XVIII Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». Москва-Фирсановка, 2010г, на Международной конференции «Функциональные материалы»ICFM`2011, октябрь 2011г., Крым, п.г.т. Партенит; на XIX Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». Москва-Фирсановка, ноябрь 2011г;на XIV Международной конференции по «Электромеханике, электротехнологии и электротехническим материалам и компонентам», ICEEE-2012, Крым, Алушта, сентябрь 2012г.
Основные результаты исследований опубликованы в следующих научно- исследовательских работах:
1. по государственному контракту №01.200.95.0524 от 01.01.2009 по теме «Создание методов синтеза и исследование высокодобротных и высокоанизотропных сегнетоэлектрических и магнитных материалов для СВЧ-устройств»;
2. по государственному контракту №01.200.95.0511 от 01.01.2009 по теме «Создание методов синтеза и исследование свойств новых радиопоглощающих электрорадиоматериалов, содержащих микро- и наночастицы»
3. по государственному контракту №01.200.95.3121 от 01.01.2009 по теме «Разработка и исследование новых композиционных радиопоглощающих материалов, содержащих нано и микрочастицы оксидных соединений».
4. по государственному контракту №01.200.96.2171 от 30.09.2009 по теме «Синтез и исследование композиционной многофункциональной керамики для высокодобротных СВЧ радиопоглощающих материалов, покрытий и резонаторов» в рамках федеральной целевой научно-технической программы 02.740.11.0404.
5. по государственному контракту №01.201.15.0806 от 01.01.2011по теме «Исследование композитов на основе микро- и наночастиц легированных гексаферритов для СВЧ-устройств».
6. по государственному контракту №01.201.15.0812 от 01.01.2011по теме «Создание и исследование многослойных пленочных структур, содержащих ультрадисперсные частицы ферримагнитных сред».
7. по государственному контракту №01.201.15.8670 от 01.01.2011по теме «Композиционные сверхвысокочастотные материалы на основе микро и наночастиц ферримагнитных и сегнетоэлектрических сред».
Результаты выполненных исследований используются в учебном процессе ФБГОУ ВПО «НИУ «МЭИ» при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».
Личный вклад автора.Лично автором разработана методика измерения магнитных и диэлектрических спектров пленочных материалов в диапазоне частот 10МГц 3ГГц на базе Agilent RF Impedance/Material Analyzer E4991A. Выявлены технологические параметры процессов механосинтеза порошковых высокочастотных гексаферритов, влияющие на параметры наполнителя. Получены частотные зависимости поглощения электромагнитного излучения РПМ. Проведены исследования магнитных и диэлектрических спектров РПМ. Проведен анализ влияния температуры синтеза на фазовый состав и характеристики гексаферрита со структурой типа-Y. Получены макеты РПП на основе высокодисперсных гексаферритов для снижения влияния паразитного электромагнитного излучения; исследованы параметры поглощения и отражения РПП.
На защиту выносятся следующие положения:
1. результаты исследования влияния дисперсности высокочастотных гексаферритов структуры типа М на ФМР и характер кривых поглощения;
2. результаты исследования электродинамических характеристик композиционных материалов с наполнителем в виде высокодисперсного порошка феррита-шпинели;
3. результаты исследования влияния углеродных нанотрубок на на характеристики композитов с различной дисперсностью наполнителя;
4. результаты по синтезу структуры типа Y;
5. результаты исследования электрофизических характеристик РПП, представляющих многослойные пленочные структуры;
6. кривые поглощения электромагнитного излучения для покрытия сформированного при действии постоянного магнитного поля.
Структура и объем работы.Настоящая диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и включает 130 страниц машинописного текста, 110 рисунков, 6 таблиц. Список литературы включает 97 наименований.

Кристаллическая структура и свойства шпинели

Повышенный интерес к наноразмерным ферритам вызван возможностью изменения их магнитных свойств при уменьшении размеров частиц до субмикронных и наноразмеров. Одной из главных причин изменения физических и химических свойств гексагональных ферритов при уменьшении размера частиц является рост относительной доли «поверхностных» атомов в частице, находящихся в иных условиях, чем атомы объемной фазы.
Свойства наночастиц ферритов определяется многими факторами, основными из которых являются тип кристаллической решетки и ее дефектность, размер и форма частиц, морфология, взаимодействие частиц с матрицей и соседними частицами[91]. Изменяя размеры, форму, состав и строение наночастиц можно в определенных пределах управлять магнитными характеристиками материалов на их основе. В силу реального распределения частиц по размерам, а в некоторых случаях и по составу контролировать свойства наночастиц удается не всегда, поэтому свойства могут различаться.
Одним из актуальных методов получения наночастиц ферритов, имеющих сложный состав, является метод механического диспергирования в мельницах различной конструкции. Данный метод имеет ряд особенностей влияющих на свойства измельчаемого материала, а именно: существует предел механического измельчения твердых тел, в процессе измельчения возможно нарушение фазового состава измельчаемого материала, высокие энергетические нагрузки на измельчаемый материал могут привести к интенсивному взаимодействию образующихся наночастиц со средой диспергирования.
Влияние дисперсности частиц на свойства феррита рассмотрено в ряде работ. В работе [92] рассмотрено влияние дисперсности на ферромагнитный резонанс и анизотропию гексагонального феррита структуры типа М легированного ионами Со "и Ті" . Уменьшение размера частиц проводилось механической обработкой в высокоэнергетической мельнице. Увеличение времени механического диспергирования приводит к уменьшению интенсивности пика ферромагнитного резонанса (ФМР) от исходной высокоанизотропной фазы, что может сопровождаться возникновением и увеличением интенсивности дополнительного резонанса вызванного возникновением при механической обработке шпинельной и аморфной фазы, а так же частиц перешедших в суперпарамагнитное состояние.
Авторы говорят, что механическая обработка слабо влияет на величину поля анизотропии мелкодисперсных порошковых материалов с плоскостью легкого намагничивания (ПЛН), тогда как поле анизотропии порошков гексаферрита ВаМ с осью легкого намагничивания (ОЛН) уменьшается вдвое. Это уменьшение авторы объясняют влиянием упругих напряжений и вкладом от анизотропии дефектного поверхностного слоя, которая имеет в гексаферритах плоскостной характер и уменьшает, согласно [93], эффективную константу анизотропии наночастиц с ОЛН. С увеличением времени обработки величина напряжений существенно возрастает, что, по мнению авторов должно отразиться на величине магнитоупругого вклада в эффективные поля анизотропии порошковых материалов.
В работе [94] рассмотрено влияние механической обработки в высокоэнергетической планетарной мельнице на спектры магнитной проницаемости гексаферрита структуры типа W (Coo.9Zn1.1W). Показано, что обработка в течении 60с приводит к сдвигу частоты ЕФМР в область более высоких