Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 9, стр. 1304-1306

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 (A_eff):

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 A_eff для исследуемых образцов на частоте 1 ГГц представлены на рис. 1.

Рис. 1.

Зависимости коэффициентов отражения R, пропускания T, поглощения A и эффективного поглощения A_eff от концентрации графита C в наполнителе на частоте 1 ГГц для образца толщиной 1 мм.

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 A_eff. Немонотонный характер зависимости A(C) обусловлен увеличением R с ростом C. Наблюдаемый характер зависимости A_eff(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 δ_ε = 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.

Рис. 2.

Зависимость модуля комплексного значения диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь (а) на частоте 1 ГГц и проводимости композитов по постоянному току (б) от концентрации графита в наполнителе.

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.