Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 9, стр. 1304-1306
Свойства электропроводящих магнитных композитов в диапазоне ультракоротких радиоволн
Д. А. Каликинцева 1, *, В. Ю. Бузько 2, С. А. Вызулин 1, А. И. Горячко 2, Л. И. Сарин 3, О. А. Коланцев 3, Е. Л. Мирошниченко 1
1 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования
“Краснодарское высшее военное училище имени генерала армии С.М. Штеменко” Министерства обороны
Российской Федерации
Краснодар, Россия
2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
“Кубанский государственный университет”
Краснодар, Россия
3 Общество с ограниченной ответственностью “Болид”
Новосибирск, Россия
* E-mail: delson17@ymail.com
Поступила в редакцию 19.03.2020
После доработки 10.04.2020
Принята к публикации 27.05.2020
Аннотация
Исследованы радиоэкранирующие и радиопоглощающие свойства трехфазных композитов ЭКОМ-П/графит/парафин в УКВ-диапазоне. Определено влияние концентрации компонентов радиопоглощающего наполнителя композита на его диэлектрические проницаемость и потери, электрическую проводимость.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие электронной техники требует совершенствования средств экранирования технических устройств от высокочастотного и сверхвысокочастотного электромагнитного излучения (ЭМИ). В настоящее время широко используются разнообразные виды радиоэкранирующих и радиопоглощающих материалов (РПМ). Высокая электропроводность радиоэкранирующих материалов приводит к высокому коэффициенту отражения ЭМИ от поверхности экрана на их основе и соответственно к высокому коэффициенту электромагнитного экранирования [1]. Для большинства радиотехнических изделий характерно наличие коммутационных или вентиляционных отверстий. Использование электропроводящего материала для изготовления радиоэкранирующего корпуса приводит к возникновению резонанса стоячей электромагнитной волны внутри корпуса и утечке ЭМИ через такие отверстия [2–7]. Указанные процессы могут существенно уменьшить эффективность мер по радиоэкранированию.
Использование РПМ на основе магнито-диэлектрических композитов без комбинирования с электропроводящими радиоотражающими экранами может быть недостаточно эффективным для практических целей радиоэкранирования [7]. Большинство образцов РПМ, как правило, высокоэффективны для снижения отражения ЭМИ от металлической поверхности. Коэффициент экранирования ЭМИ в УВЧ- и ближнем СВЧ-диапазоне для радиопоглощающих покрытий (РПП) обычно не достигает высоких значений (менее 10 дБ) [8]. Для эффективного радиоэкранирования технических средств при наличие технологических отверстий в корпусе требуется использование РПП, совмещающего в себе радиоэкранирующие и радиопоглощающие свойства. Указанное покрытие должно иметь небольшой коэффициент отражения (что снизит утечки ЭМИ через отверстия) и высокий коэффициент поглощения ЭМИ. Такими свойствами могут обладать РПП, созданные на основе композитов, в состав которых входят не только магнитные, но и электропроводящие материалы [9].
Целью работы является исследование влияния концентрации графита, как электропроводящего наполнителя, на диэлектрические, электропроводящие, радиопоглощающие и радиоэкранирующие характеристики композитного материала на основе промышленно-производимого магнитного порошка ЭКОМ-П.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Созданный композитный материал изготавливался из магнитного электропроводящего наполнителя, равномерно распределенного в немагнитной матрице. В качестве матрицы использован парафин, выбор которого обусловлен: 1) низкой температурой плавления; 2) удобством изготовления образцов; 3) близостью электромагнитных параметров парафина к аналогичным параметрам инженерных пластиков типа полиалкенов (полиэтилен, полипропилен и т.п.). В качестве наполнителя использован промышленно выпускаемый магнитный материал ЭКОМ-П (производитель – ООО Болид (РФ)) и хлопьевидный порошок графита (производитель – компания Acros Organics (Бельгия)).
Порошок ЭКОМ-П перемешивался с графитом, концентрация (С) которого по массе менялась и составляла 0–30% с шагом 5% от общей массы наполнителя. Общая концентрация магнито-диэлектрического наполнителя по массе в композитах контролировалась и составляла 80%. Парафин нагревался до T = 90°C и тщательно перешивался c наполнителем до получения однородного состава.
Из оригинального композитного материала изготавливались образцы в форме шайб. Шайбы имели внутренний и внешний диаметры 3.05 и 7.0 мм и толщину – 1 мм.
Радиоэкранирующие и радиопоглощающие свойства образцов исследовались с помощью векторного анализатора цепей “Deepace KC901V”. Измерения производились в частотном диапазоне 0.015–7 ГГц в согласовано-нагруженной коаксиальной линии. Измерялись S-параметры образцов в линии передачи со вставкой в виде шайбы из композитного материала.
Используя экспериментально измеренные значения S-параметров рассчитывались коэффициенты отражения (R), пропускания (T), поглощения (A) и эффективного поглощения (Aeff):
Электрическая проводимость композитов по постоянному току (σ) измерялась двухзондовым методом измерителем сопротивлений “UT-601”.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Концентрационные зависимости коэффициентов R, T, A и Aeff для исследуемых образцов на частоте 1 ГГц представлены на рис. 1.
Установлено, что увеличение концентрации графита в композите приводит к: 1) уменьшению коэффициента пропускания T; 2) увеличению коэффициента отражения R ЭМИ; 3) немонотонному изменению коэффициента поглощения A; 4) увеличению эффективного поглощения Aeff. Немонотонный характер зависимости A(C) обусловлен увеличением R с ростом C. Наблюдаемый характер зависимости Aeff(C) указывает на увеличение радиопоглощающих свойств исследуемого композита с ростом C.
По алгоритму Николсона–Росса–Вейра [6], используя экспериментально измеренные параметры матрицы рассеяния (модуль и фазу коэффициентов S11 и S21), рассчитывались ε = ε' + iε" и тангенс угла диэлектрических потерь tg δε = ε"/ε', где ε' и ε" – реальная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости ε.
Рассчитанные зависимости модуля комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от концентрации графита C представлены на рис. 2а. Измеренные значения электрической проводимости композита представлены на рис. 2б.
Увеличение C приводит к увеличению диэлектрических проницаемости и потерь, а также электрической проводимости, что в свою очередь, в соответствии с [10, 11], влияет на величину коэффициентов отражения и эффективного поглощения. Концентрационная зависимость электропроводности композита на основе магнитного материала и графита имеет две точки перегиба, при C = 5 и 20%. Аналогичный характер концентрационной зависимости имеет композит на основе молотого углеродного волокна [11] и водный раствор углеродных нанотрубок [12].
При достижении электрической проводимости композитов на постоянном токе величины более 1 ⋅ 10–5 См/м тангенс угла диэлектрических потерь превышает единицу, а эффективность электромагнитного экранирования композитным образцом толщиной 1 мм на частоте 1 ГГц превышает 4 дБ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено, что увеличение концентрации графита в трехфазном композите ЭКОМ-П/графит/парафин приводит к увеличению модуля комплексной диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь. Увеличение указанных характеристик, в свою очередь способствует увеличению радиоэкранирующих и радиопоглощающих свойств композитных покрытий.
Список литературы
Duan Y., Guan H. Microwave absorbing materials. Singapore: Pan Stanford Publ., 2017.
Olyslager F., Laermans E., Zutter D. et al. // IEEE Trans. Electromagn. Compat. 1999. V. 41. № 3. P. 202.
Bahadorzadeh M., Moghaddasi M.N., Attari A.R. // PIER Lett. 2008. V. 1. P. 45.
Araneo R., Lovat G. // IEEE Trans. Electromagn. Compat. 2009. V. 51. № 2. P. 274.
Khan Z.A., Bunting C.F., Deshpande M.D. // IEEE Trans. Electromagn. Compat. 2005. V. 47. № 1. P. 112.
Chen L.F., Ong C.K., Neo C.P. et al. Microwave electronics measurement and materials characterization. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2004.
Celozzi S., Araneo R., Lovat G. Electromagnetic shielding. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons Inc., 2008.
Yu L.J., Ahmad S. H., Appadu S. // WJE. 2014. № 11(4). P. 317.
Tong C. Advanced materials and design for electromagnetic interference shielding. Boca Raton: CRC Press, 2009.
Bhingardive V., Suwas S., Bose S. // RSC Adv. 2015. № 5. Art. № 79463.
Kalikintseva D.A., Vyzulin S.A., Miroshnichenko E.L. et al. // Proc. XXVI IMFM (Moscow, 2018). P. 536.
Вызулин Е.С., Вызулина В.И. // Мат. XII Всеросс. науч.-практ. конф. “Матем. мет и инф.-тех. средств”. (Краснодар, 2016). С. 58.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Известия РАН. Серия физическая