Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОЧАСТИЦ В МАТЕРИАЛАХ ДЛЯ ЭКРАНОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Авторы:
Город:
Санкт-Петербург
ВУЗ:
Дата:
29 января 2017г.

Разработка систем экранирования и поглощения широкополосного электромагнитного излучения (ЭМИ) является довольно сложной задачей, как с теоретической, так и с практической точки зрения. При разработке конструкций экранов или поглотителей ЭМИ используются различные материалы, обладающие высокой способностью отражать или поглощать ЭМИ в определенном диапазоне частот. Следует отметить, что в природе не существует ни идеально отражающих, ни идеально поглощающих электромагнитную энергию материалов, поэтому подавление ЭМИ чаще всего обеспечивается за счет обоих процессов. Длительное время в практике электромагнитного экранирования применялись традиционные материалы на основе металлов, например, ферриты, ферромагнитные материалы и др. Главным недостатком традиционных металлических экранов является их достаточно высокий коэффициент отражения, что существенно ограничивает их применение для изделий, к которым предъявляются требования по «радионевидимости».

В настоящее время углеродные наноструктуры (УНС) рассматриваются как перспективные наполнители для разработки нового поколения композиционных материалов (КМ) в системах защиты от ЭМИ. К УНС можно отнести следующие компоненты: однослойные и многослойные углеродные нанотрубки (ОУНТ и МУНТ), фуллерены, графены, углеродные нановолокна, наносажи и др. Высокая удельная поверхность наночастиц приводит к существенному отличию их физических и механических свойств от свойств материалов со структурными элементами, имеющими микронные и субмикронные размеры. УНС позволяют разрабатывать на их основе высокопрочные и легкие защитные материалы. Причем, за счет варьирования концентрацией УНС можно получать как отражающие, так и поглощающие нанокомпозитные материалы.

Одним из перспективных направлений в создании эффективных радиопоглощающих материалов на основе УНС является включение их в полимерную термо- или реактопластичную диэлектрическую матрицу. Важное требование, предъявляемое к экранирующим ЭМИ материалам – это наличие у них электропроводности. Для дискретно-армированных материалов электропроводность определяется порогом перколяции, т.е. такой концентрацией и распределением активных токопроводящих добавок, которые после их введения в диэлектрический материал образуют в нем устойчивые токопроводящие каналы. Наполнение полимеров УНС резко повышает их электропроводность, например, порог перколяции достигается при концентрации МУНТ около 1% об. Тогда как при использовании технического углерода он достигается при 20% об.

На общие, поглощающие  и   отражающие   показатели, частотный спектр   электромагнитного экранирования влияют: тип УНС, их размеры и концентрация, толщины экранирующих слоев, комбинации с другими типами экранирующих материалов и др. Введение УНС в полимерные матрицы приводит главным образом к увеличению поглощающей способности,  сохраняя отражательную часть  постоянной на минимальном уровне. Так в работе [7] была проведена оценка влияния массовой доли МУНТ в эпоксидном наноматериале. Было отмечено (рис. 1), что: с увеличением массовой доли МУНТ до 20,4% общая эффективность экранирования ЭМИ, а также поглощающая составляющая по отношению к отражательной растут; с увеличением частоты излучения с 8 до 12 ГГц поглощающая составляющая экранирования ЭМИ снижаются; с увеличением толщины слоистого пакета общая эффективность экранирования ЭМИ растет, в большей степени для частот 8 ГГц, в меньшей – для 12 ГГц.

В другой работе [4] было обнаружено, что отражающая составляющая общей эффективности электромагнитного экранирования для эпоксидных композитов экстремально зависит от количества вводимых в него ОУНТ и частоты излучения. Максимальное значение снижения отражательной составляющей было 28 дБ при массовой доле ОУНТ 1 % при частоте излучения 15,6 ГГц. Для других кон- центраций ОУНТ в эпоксикомпозите также отмечались максимумы снижения отражательной составляющей ЭМИ меньшие по величине при других частотах излучения. Причем с ростом концентраций ОУНТ эти максимумы смещаются в области меньших частот в диапазоне 3-18 ГГц (рис. 2).

Аналогичная эффективность экранирования отмечается и при введении в полимерную матрицу графенов. Полученная эффективность экранирования в диапазоне частот 8-12 ГГц достигала величины 21 дБ при концентрации графенов 15% масс. (8,8% об.) (рис. 3) [5].


Помимо концентрации УНС на экранирование ЭМИ влияет размер наночастиц, в частности, нанотрубок. В работах [2, 8] была проведена оценка влияния концентрации и длины ОУНТ на эффективность экранирования ЭМИ тонкостенных полимерных КМ в мега- и гигагерцовых диапазонах частот. В качестве активной добавки применялись углеродные порошки: графита (G), технического углерода (CB) и ОУНТ (CNT) различного соотношения диаметр/длина, с концентрацией 15% по массе в конечном композите. «Короткие» (short) ОУНТ имели диаметр 50-100 нм и длину 5-10 мкм, «длинные» (long) – диаметр 20-40 нм и длину 5-15 мкм. Размер частиц технического углерода составлял 20-40 нм, а графита – 4-6 мкм. В качестве полимерной матрицы использовалась смесь терпиола с этилцеллюлозой [8] и эпоксидная смола [2]. Проведенные исследования показали, что применение ОУНТ, и прежде всего «длинных», приводит к существенному (в 5-10 раз) повышению экранирующей эффективности полимеров с дисперсным углеродсодержащим наполнителем (рис. 4 и 5).



Поверхностная функционализация УНС, вводимых в полимерную матрицу, положительно сказывается на повышении степени экранирования ЭМИ. В работе [6] была проведена оценка применения функционализированных однослойных УНТ (f-ОУНТ) по отношению к не функционализированным в качестве активной добавки в RET-терполимер (Elvaloy 4170). При этом отмечается, что введение f-ОУНТ в RET при изменении концентрации от 0,45% до 2,25% по объему примерно в два раза эффективнее, чем при введении ОУНТ в диапазоне частот 8-12,4 ГГц. Кроме того, с увеличением объемной доли f-ОУНТ до 4,5% эффективность экранирования ЭМВ растет, достигая значений 30 дБ. При этом с увеличением концентрации f-ОУНТ с 0,5 до 4,5 об.% поглощающая составляющая также растет, а отражающая остается без изменения (рис. 6).

В работе [3] был обнаружен синергетический эффект совместного введения УНТ и графенов в термопластичную полипропиленовую основу. Соотношение вводимых УНТ и графенов было равным и составляло 10% по массе. УНТ усиливают поглощающий эффект экрана, а графены – отражающий, за счет наличия больших отражающих поверхностей. Синергетический эффект повышения эффективности экранирования ЭМИ обуславливается образованием дополнительных электрических связей между графенами и УНТ (рис. 7).




Аналогичный синергетический эффект отмечается и при совместном введении в эпоксидную матрицу порошков МУНТ и феррита CoFe2O4 (по 16,7% масс.) [1]. Такая композиция обеспечивала достаточно высокие поглощающие способности в пределах -18 дБ, в то время как при таких же массовых долях введения только МУНТ или CoFe2O4 обеспечивались максимальные абсорбционные характеристики - 5 и -8 дБ соответственно в диапазонах частот 2-18 ГГц.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что применение УНС в экранировании ЭМИ имеет большие перспективы, особенно при использовании в авиационной и ракетной технике. При этом эффективность экранирования зависит от типа УНС, их размеров и концентрации, толщин экранирующих слоев. Кроме того, создание композиций с другими типами порошковых функциональных добавок позволяет повысить эффективность экранирования и расширить частотные  диапазоны их эффективной защиты от ЭМИ.

 

Список литературы

 

1.   Che R.C. Fabrication and microwave absorption of carbon nanotubes/CoFe2O4 spinel nanocomposite / R.C. Che, C.Y. Zhi, C.Y. Liang, X.G. Zhou // Applied Physics Letters, 2006. – Vol. 88. – Iss.3. – 033105.

2.   Huang Y. The influence of single-walled carbon nanotube structure on the electromagnetic interference shielding efficiency of its epoxy composites / Y. Huang, N. Li, Y. Ma et al. // Carbon, 2007. – Vol.45. – p.1614–1621.

3.     Kim M.-S. Synergistic Effects of Carbon Nanotubes and Exfoliated Graphite Nanoplatelets for Electromagnetic Interference Shielding and Soundproofing / M.-S. Kim, J. Yan, K.-H. Joo et al. // Journal of Applied Polymer Science, 2013. – Vol.130. – Iss.6. – p. 3947-3951.

4. Liang J.-J. High microwave absorption performances for single-walled carbon nanotube–epoxy composites with ultra-low loadings / J.-J. Liang, Y. Huang, F. Zhang et al. // Chinese Physics B, 2014. - Vol.23. - No.8. - 088802 (6 pp).

5.   Liang J. Electromagnetic interference shielding of graphene/epoxy composites /J. Liang, Y. Wang, Y. Huang et al. // Carbon, 2009. – Vol.47. – p. 922-925.

6.    Park S.-H. Enhanced electromagnetic interference shielding through the use of functionalized carbon nanotube-reactive polymer composites / S.-H. Park, P. Theilmann, P. Asbeck, P.R. Bandaru // IEEE Transactions on Nanotechnology, 2009. – Vol.9. – Iss.4. – р. 464-469.

7.   Singh B.P. Enhanced microwave shielding and mechanical properties of high loading MWCNT–epoxy composites / B.P. Singh, Prasanta, V. Choudhary et al. // Journal of Nanoparticle Research, 2013. – Vol.15. – 1554 (12рр).

8.   Wang L.-L. Electromagnetic interference shielding effectiveness of carbon-based materials prepared by screen printing / L.-L. Wang, B.-K. Tay, K.-Y. See et al. // Сarbon, 2009. - Vol. 47. – p. 1905-1910.