Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 9, стр. 1322-1325

ВВЕДЕНИЕ

На основе композитных радиопоглощающих материалов (КРМ) возможно создание электромагнитных экранов, которые могут заменить массивные металлические экранирующие конструкции [1]. Применение КРМ для экранирования технических средств позволяет снизить утечки электромагнитного излучения через технологические отверстия в конструкциях корпуса устройства. На способность поглощать энергию радиоволн влияет состав наполнителя. Радиопоглощающие материалы на основе магнетиков проявляют радиопоглощающие свойства в СВЧ диапазоне [2]. Однако добавление в состав КРМ электропроводящего компонента позволяет обеспечить как радиопоглощающие, так и радиоэкранирующие свойства материала [3]. Цель работы – изучить влияние концентрации электропроводящего наполнителя на РПХ композита на основе углеродного волокна.

ОБРАЗЦЫ

Исследованы образцы материалов, состоящие из углеродного волокна (УВ), равномерно распределенного в полимерной матрице. УВ имело вид порошка. Оно было получено из промышленно выпускаемого материала путем перемалывания в керамической ступке. Для повышения дисперсности полученный порошок просеивался через сито из нержавеющей стали с размером ячеек 50 мкм. Характерный вид микрофотографии порошка, полученной с помощью микроскопа “JEOL JSM – 7500F”, представлен на рис. 1а. По микрофотографии определены средние значения длины и диаметра УВ, которые составляли около 20 и 4 мкм, соответственно. Аспектное соотношение – отношение средних длин углеродных волокон к их средним диаметрам – для использованного УВ имело величину порядка 5.

Рис. 1.

Микрофотография микродисперсного УВ.

В качестве матрицы в композитах использован парафин, который нагревался до T = 90°C и перешивался с УВ до получения однородного состава. Низкое аспектное соотношение способствует равномерному распределению частиц УВ в композите.

Концентрация УВ (С) по массе в композитах контролировалась и менялась от 5 до 70% с шагом 5%. Изготавливались образцы двух типов – в виде цилиндров (диаметр ∅ = 5 мм и высота 10 мм) и в виде шайб (внутренний ∅ = 7 мм, внешний ∅ = = 16 мм, толщина – 10 мм). Образцы первого типа использовались при исследовании свойств синтезированных материалов по постоянному току, а второго – по переменному току (в СВЧ диапазоне).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для опытной оценки радиопоглощающих свойств исследованы свойства композитных материалов по постоянному и переменному току. В первом случае измерялась удельная электропроводность. Во втором – параметры рассеяния электромагнитной волны (ЭМВ) в линии передачи с образцом. Проводимость композитов по постоянному току (σ) измерялась двухзондовым методом измерителем сопротивлений “UT-601” (схема 1 ). Параметры рассеяния ЭМВ в линии передачи с композитным материалом исследовались с помощью векторного анализатора цепей “Deepace KC901V” на частотах 0.03–7 ГГц. Измерения производились для двух режимов:

1) определение комплексного коэффициента отражения (S₁₁) в короткозамкнутой линии (схема 2 ). Установлено, что спектр отраженного сигнала представляет собой кривую с явно выраженным минимумом. В точке экстремума определяются значение частоты согласования (f_m), и значение коэффициента отражения (K_отр). Величина параметра K_отр характеризует радиопоглощающие свойства вставки. Действительно, для использованной схемы эксперимента K_отр определяется в основном энергией отраженных волн (энергия падающей ЭМВ поддерживалась постоянной). Затухание ЭМВ в образце приводит к уменьшению энергии волны, отраженной от границы вставка–металл короткозамыкателя. Минимум K_отр соответствует максимальному поглощению энергии;

2) измерение S-параметров в согласовано-нагруженной линии (схема 3 ). По алгоритму Николсона–Росса–Вейра [4], используя экспериментально измеренные параметры матрицы рассеяния (модуля и фазы S₁₁ и S₂₁), рассчитывали ε = ε' + iε", где ε' и ε" – реальная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости ε. При расчете учитывалось, что для композитов на основе углеродного волокна μ = 1 [5].

Радиопоглощающие свойства изотропных материалов можно характеризовать величиной удельного поглощения. Измерить непосредственно удельный коэффициент затухания не представляется возможным, т.к. на практике мы, как правило, имеем дело с радиопоглощающими покрытиями (образцами конечных размеров). В этом случае коэффициент поглощения зависит (см. например [6]), как от электрических параметров (ε и μ), так и от размеров образца. В силу этого обстоятельства для каждой из схем эксперимента радиопоглощающие свойства композита будем характеризовать своим параметром. Способность КРМ поглощать энергию ЭМВ для схемы 1 будем характеризовать величиной σ; для схемы 2 – параметром K_отр; для схемы 3 – тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ = ε"/ε'.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Зависимость σ(C) представлена на рис. 2а. На графике наблюдается две точки перегиба: при C ≈ ≈ 40 и 55%. Увеличение концентрации УВ в композите от 5 до 40% приводит к увеличению электрической проводимости композита по постоянному току в 10 раз, от 40 до 55% – в 10⁴ раз, а от 55 до 70% – в 30 раз. Качественное подобие наблюдаемых зависимостей σ(C) и концентрационной зависимости электропроводности для смеси углеродных нанотрубок в воде [7] указывает на сходство механизма проводимости в двухфазных системах с электропроводящими наполнителями. Можно предположить, что в композите УВ/парафин при C ≈ 40–55% происходит переход от системы распределенных частиц к системе связанных частиц. Под системой распределенных частиц понимается двухфазная система, в которой частицы наполнителя не соприкасаются между собой, а в системе связанных частиц – соприкасаются. Ранее авторами была обнаружена подобная концентрационная зависимость электропроводимости композита на основе магнитного материала ЭКОМ-П и графита [3].

Рис. 2.

Концентрационные зависимости логарифма удельной электрической проводимости lgσ (а), коэффициента отражения в короткозамкнутой линии K_отр и частоты согласования f_m (б).

На рис. 2б представлены зависимости K_отр от концентрации УВ на частоте согласования. Зависимость не монотонная: сначала наблюдается рост величины |K_отр|, а затем уменьшение. Полученные результаты согласуются с результатами работ [8–11]. Максимальное значение |K_отр| ≈ 17 дБ наблюдалось для композитов с C ≈ 50%. Для композитов с 40 < C <55% величина |K_отр| ≥ 10 дБ. Диапазон C, при которых величина |K_отр| максимальна совпадает с диапазоном, в котором наблюдается скачок σ (переход от системы распределенных частиц к системе связанных частиц). Наблюдаемая корреляция может служить обоснованием упрощенной оценки радиопоглощающих свойств композитных материалов по электропроводности. Уменьшение |K_отр| при C > 50% обусловлено увеличением K_отр от границы воздух – образец. В силу этого обстоятельства |K_отр| может характеризовать радиопоглощающие свойства только при не очень высоких C проводящего наполнителя.

На рис. 2в представлены концентрационные зависимости частоты согласования f_m. Видно, что увеличение концентрации УВ в композите приводит к снижению частоты согласования от 3.55 при C = 5% до 0.88 ГГц при C = 70%.

Зависимости модуля комплексного числа ε и tgδ от концентрации УВ в композите на частотах 1, 2 и 3 ГГц представлены на рис. 3. Рост концентрации УВ приводит к увеличению не только ε, но и tg δ. При C = 40–55% величина ε ∈ [12, 18 ] , а tg δ ∈ [0.15, 0.3]. Увеличение C с 5 до 70% приводит к увеличению ε с 2.6 до 49.5 и увеличению tg δ с 0.005 до 1.5. Известно [6], что частота согласования для линии передачи с диэлектрической вставкой определяется выражением: ${{f}_{m}} = {{{{c}^{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{c}^{2}}} {\left( {4d\sqrt {\varepsilon \mu } } \right)}}} \right. \kern-0em} {\left( {4d\sqrt {\varepsilon \mu } } \right)}}.$ С учетом этого соотношения, зависимость частота согласования может быть объяснена увеличением диэлектрической проницаемости композита с ростом концентрации УВ.

Рис. 3.

Концентрационные зависимости диэлектрической проницаемости на частотах 1 (1), 2 (2) и 3 (3) ГГц, и тангенса угла диэлектрических потерь на частотах 1 (4), 2 (5) и 3 (6) ГГц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследованы радиопоглощающие характеристики (РПХ) композитов из микродисперного углеродного волокна с аспектным соотношением около 5. Результаты, полученные разными способами, согласуются между собой – увеличение концентрации УВ приводит к увеличению электрической проводимости, диэлектрической проницаемости, диэлектрических потерь и снижению частоты согласования. Установлено, что максимальные радиопоглощающие свойства образцов композитных материалов на основе УВ/парафин на частотах 1–3 ГГц проявляются при С = 40–55%. В указанном диапазоне частот образцы характеризуются максимальными значениями |K_отр|, а также наблюдается быстрое увеличение электропроводимости композитов. Образцы на основе электропроводящего наполнителя с максимальными радиопоглощающими свойствами могут быть определены с использованием концентрационных зависимостей электропроводности композитов.