Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка современных композиционных материалов c управляемыми электромагнитными характеристиками и технологии их создания

Сведения об участнике
ФИО
Качусова Анастасия Олеговна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Композитные материалы
Тема
Разработка современных композиционных материалов c управляемыми электромагнитными характеристиками и технологии их создания
Резюме
Проект является одним из направлений деятельности студенческого объединения «Новые функциональные радиоматериалы для электроники». Предмет исследования - многофункциональные композиционные материалы на основе углеродных наноструктур. Современная радиофизика и радиоэлектроника испытывает повышенную потребность в композиционных материалах (КМ), активно взаимодействующих с микроволновым излучением. КМ должны позволить решить возникшие проблемы современности, такие как: защита биологических объектов от вредных последствий воздействия электромагнитного излучения (ЭМИ), обеспечения электромагнитной совместимости узлов радиоаппаратуры.
Ключевые слова
композиционные материалы, многостенные углеродные нанотрубки, ультразвуковая обработка, диэлектрическая проницаемость
Цели и задачи
В ходе проекта планируется с помощью методики воздействия, с разными мощностями и временем воздействия ультразвука на полимерный композиционный материал, добиться получения материалов с управляемыми электрическим характеристиками. Новые материалы будут представлять собой единую фазу в которой активной частью будут являться многослойные нанотрубки разного диаметра, а связующий материал удовлетворять таким требованиям как хорошая адгезия, гибкость, твердость, относительная легкость и прочность. Полученную смесь с активной фазой и небольшим весом будет возможно наносить на металлы, древесину, пластмассу и другие поверхности. Исследования комплексных значений диэлектрической проницаемостей должны показать улучшения характеристик композитов по сравнению с материалами, на которых не применялось данная методика. Исследования планируется провести в большом спектре частот от 100 Гц до 0,3 ТГц.
Введение

Углеродные нанотрубки вследствие их хорошей электропроводности и теплопроводности, механической, химической и термической стабильности рассматриваются как один из наиболее перспективных объектов наноэлектроники. Несмотря на это, на данный момент наиболее реализовано направление их использования для получения композитов с улучшенными механическими и/или электрофизическими свойствами. Необходимость создания современных материалов можно объяснить расширением частотного диапазона за счет появления новых систем связи, повышением быстродействия систем обработки информации, ужесточением требований стойкости к электромагнитному воздействию на приборы КВ и УКВ диапазона.

Методы и материалы

 В качестве наполнителя в композитах использовались многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), изготовленные в Институте катализа СО РАН, полученные каталитическим газофазным осаждением этилена в присутствии FeCo/Al2O3 катализатора. Средний диаметр МУНТ-2 составляет 9,4 нм. Содержание МУНТ более 97,5% от общей массы. Также были использованы нанотрубки МУНТ-3, средний диаметр которых составляет 18,4 нм. При выборе связующего необходимо учитывать его адгезионные свойства, текучесть, скорость полимеризации. Вследствие этого был использован уретано-алкидный лак, удовлетворяющий всем вышеперечисленным показателям.

Изготовление композитов. В навеску лака добавляли необходимое количество наполнителя и полученную смесь тщательно перемешивали в течение 5 минут. После этого ее помещали в стеклянный стакан и обрабатывали с помощью ультразвукового технологического аппарата УЗТА–0.1/28–0 «Алена». Ультразвуковая обработка составляла 1 – 5 минут. После этого смесь разливали в плоские формы размером 70.0 × 20.0 × 2 мм и оставляли для полимеризации в течение 48 часов при комнатной температуре.

Для измерения мостовым методом и методом свободного пространства использовались полученные заготовки, предварительно обработанные до плоскопараллельного состояния. Для измерения резонаторным методом из полученных заготовок вырезали длинные тонкие стержни размером 70.0 × 2.0 × 2.0 мм.

Описание и обсуждение результатов

Микроволновые свойства композита описываются частотной зависимостью комплексной диэлектрической проницаемости (ε*=ε΄–jε΄΄), где действительная часть (ε΄) характеризует диэлектрическую поляризацию, а мнимая (ε΄΄) – потери в композите.

Научная новизна проекта заключается в том, что на данный момент были определены области концентрации нанотрубок, для которых действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости (ДП) ведут себя монотонно, а также тот факт, что с увеличением концентрации наполнителя в композите увеличивается диэлектрическая проницаемость. Обнаружили, что при использовании ультразвуковой обработки изменяется значение ДП, и что для достижения требуемой величины ДП вместо увеличения концентрации нанотрубок в композите можно подвергнуть образец ультразвуковой обработке.

Практическая ценность состоит в том, что в последствие удастся  получить композитный материал с оптимальной концентрацией нанотрубок с высоким показателем диэлектрической проницаемости; определить оптимальное время ультразвуковой обработки, при котором как действительная, так и мнимая части диэлектрической  проницаемости в несколько раз превысят диэлектрическую проницаемость исходного образца, не подвергнутого обработке.

На сегодняшний момент имеется оборудование для исследования электромагнитных характеристик. На этом оборудование уже были проведены исследования ряда материалов. Пробные исследования показало, что материалы стали значительно лучше по сравнению с ранее полученными результатами, как научным коллективом проекта, так и другими коллективами занимающимися смежными исследованиями. 

Используемые источники
1. Елецкий А.В. Транспортные свойства углеродных нанотрубок/ А.В. Елецкий // Успехи Физических наук. – 2009. – Т. 179. – С. 225–242.
2. Журавлев В.А. Радиопоглощающие свойства содержащих карбонильное железо композитов на СВЧ и КВЧ / В.А. Журавлев, В.И. Сусляев, Е.Ю. Коровин, О.А. Доценко // Электронный научный журнал «Исследовано в России». – 2010. – № 35. – С. 404–411.
3. Кулешов Г.Е. Диэлектрическая проницаемость и электропроводность композиционных материалов на основе углеродных наноструктур / Г.Е. Кулешов, В.И. Сусляев // Радиотехника и связь, Доклады ТУСУРа. – 2014. – № 1. – С. 84–87.
4. Доценко О.А. Микроволновые характеристики композиционных радиоматериалов на основе полимера и углеродных структур / О.А. Доценко, В.И. Сусляев, В.Л. Кузнецов, И.Н. Мазов, О.А. Кочеткова // Доклады ТУСУРа. – 2011. – № 2. – С. 36–40.
Information about the project
Surname Name
Kachusova Anastasia
Project title
Development of advanced composite materials with controlled electromagnetic characteristics and technologies of their creation
Summary of the project
The project is one of the activities of student association "New functional radio pieces for electronics". Subject of research - multifunctional composite materials based on carbon nanostructures. Modern radiophysics and electronics are experiencing increased demand in composite materials (KM), actively interacting with microwave radiation. KM should allow to solve the problems of modernity, such as: protection of biological entities from the harmful effects of exposure to electromagnetic radiation (EMR), electromagnetic compatibility of radio equipment nodes.
Keywords
composite materials, multi-walled carbon nanotubes, ultrasonic treatment, permittivity