ЭКРАНИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ГЕКСАФЕРРИТОВ В КВЧ ДИАПАЗОНЕ

В последние десятилетия возрастает актуальность применения СВЧ диапазона во многих сферах промышленности и жизнедеятельности: военная промышленность, защите биологических объектов от СВЧ излучения, средствах радиоэлектронной борьбы и защиты. В настоящее время, синтез новых и улучшение существующих радиоматериалов по-прежнему актуальны. Одна из разновидностей таких материалов - композиты на основе различных ферритов [1, с. 24].

Для измерений электромагнитного отклика были изготовлены образцы композитного материала, представляющие собой тонкие шайбы диаметром D=48 мм заданной толщиной h (рис. 1б).

Рисунок 1. Форма для заливки (а), структура образца (б), конечный образец для измерений (в)

В качестве наполнителя использовались порошки бариевого гексаферрита структуры BaFe₁₂O₁₉ с размерами частиц 90-160 мкм. В роли связующего вещества применялась эпоксидная смола ЭД-20 [2]. Изготовление образцов происходит следующим образом. Сначала проводится расчет массовых концентраций, составляющих композита, затем следует взвешивание компонентов на электронных весах. Далее смешивание наполнителя и связующего до получения однородной смеси в специальных формах (рис. 1а), предварительно спроектированных в инженерной программе 3D моделирования и распечатанных на 3D принтере. После застывания, образцы извлекаются из форм и стачиваются до придания нужной толщины и получения плоской поверхности (рис. 1в).  Параметры изготовленных образцов композиционного материала приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметры образцов композитов

Исследование электромагнитного отклика композитов, было проведено на спектрометре терагерцового диапазона СТД-21 [3]. Квазиоптическим методом по схеме измерений «на проход» [4, с. 12] были сняты частотные зависимости спектра модуля коэффициента прохождения T(f) и его фазы φ(f).

Затем, полученные T(f) и φ(f) использовались для расчета действительной и мнимой частей диэлектрической и магнитной проницаемости в компьютерной программе, реализованной в среде Mathcad. Также в среде Mathcad была написана программа для моделирования электромагнитного отклика от образцов магнитодиэлектриков в свободном пространстве, для этого воспользовались плосковолновым приближением. По полученным частотным зависимостям комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей были смоделированы коэффициенты прохождения (T), отражения (R), поглощения (A).

Были измерены модуль и фаза коэффициента прохождения для образцов одинаковой толщины (h=1,15 мм) с различным содержанием BaFe₁₂O₁₉ (15, 30, 45, 60, 75 вес. %) в частотном диапазоне 35÷255 ГГц (рис. 2).

Рисунок 2. Сравнение частотных зависимостей коэффициентов прохождения для композитов с различным содержанием гексаферрита, полученных экспериментально и в результате моделирования

Коэффициент прохождения меняется в пределах 85÷15 %, c ростом содержания гексаферрита в образце, происходит заметное снижение интенсивности падающей волны. Значительное падение прошедшей мощности, связанное с ЕФМР [5, с. 37] наблюдается на частотах порядка 45÷55 ГГц. На более высоких частотах минимумы T(f) вызваны явлением объемного резонанса, связанного с толщиной образцов. Наиболее эффективно взаимодействует с электромагнитным излучением композит с 75 вес. % содержанием BaFe₁₂O₁₉ в диапазоне 45÷85 ГГц, T(f) ~ 50÷15 %.

Из графика (рис. 2) видно, что смоделированная зависимость T(f) качественно совпадает с результатами эксперимента, а при большом содержании BaFe₁₂O₁₉ практически совпадает и количественно.

Далее были рассчитаны частотные зависимости ε^', ε^", µ^', µ^" (рис. 3).

Рисунок 3. частотная зависимость комплексной диэлектрической (а) и магнитной (б) проницаемостей для образцов композитов толщиной h=1,15мм с различным содержанием BaFe₁₂O₁₉

Действительная часть диэлектрической проницаемости линейно убывает с ростом частоты, с ростом содержания гексаферрита ε^' изменяется в пределах от 4 до 7 отн.ед. Мнимая часть диэлектрической проницаемости возрастает с увеличением частоты, с ростом содержания BaFe₁₂O₁₉ ε^" изменяется в пределах от 0,05 до 0,35 отн.ед.

Для магнитной проницаемости наблюдается ЕФМР в районе 50 ГГц, действительная часть (µ^') возрастает с 1,01 до 1,28 отн.ед., мнимая (µ^") возрастает с 0,08 до 0,45 отн.ед. Увеличение концентрации BaFe₁₂O₁₉ приводит к увеличению магнитной проницаемости.

По полученным частотным зависимостям комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей были смоделированы коэффициенты прохождения (рис. 2), отражения (рис. 4а), поглощения (рис. 4б).

Для смоделированной зависимости коэффициента поглощения в районе ЕФМР 45÷55 ГГц наблюдается резкое увеличение поглощения от 25 % до 70 % в зависимости от содержания гексаферрита, что также подтверждает экспериментальные данные. Смоделированная зависимость коэффициента отражения в районе ЕФМР также возрастает.

Рисунок 4. Смоделированные частотные зависимости коэффициентов отражения (а) и поглощения (б) для образцов композитов толщиной h=1,15мм с различным содержанием BaFe₁₂O₁₉

Таким образом, перспективно применение композитов с содержанием гексаферрита BaFe₁₂O₁₉ более 45 % и связующего - эпоксидной смолы, в частотном диапазоне 45÷55 ГГц с целью снижения уровня электромагнитного излучения.

Список литературы:

1. Харинская М. Микроволновые ферритовые материалы. Ну как без них СВЧ-приборам обойтись // Электроника: наука, технология, бизнес. - 2000. - №1. - С. 24-27.
2. Эпоксидная смола: характеристика и сфера применения [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://strport.ru/mebel-i-predmety-interera/epoksidnaya-smola-kharakteristika-i-sfera-primeneniya (дата обращения: 14.05.2018)
3. Спектрометр терагерцового диапазона СТД-21 (ОАО КДП) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://reestrinform.ru/reestr-oborudovania-minpromtorg/perechen-oborudovaniia-i-priborov-dlia-himicheskikh-issledovanii/spektrometr-teragertcovogo-diapazona-std-21-oao-kdp-obj24074.html (дата обращения: 2.11.2018)
4. Астафьев М.А. Разработка квазиоптических селективных элементов для радиометрических систем миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов: дис. ... магистр физ. наук. - М., 2013 - С.12 - 16
5. Серебрянников С.В., Чепарин В.П., Румянцев П.А., Еремцова Л.Л. // Электричество. - 2013. - №5. - С. 37-40.