close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

СОГЛАСОВАНО;doc

код для вставкиСкачать
Материалы Международной научно-технической конференции,
1 – 5 декабря 2014 г.
МОСКВА
INTERMATIC – 2 0 1 4, часть 3
МИРЭА
НЕТКАНЫЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ
© 2014 г.
В.А. БАННЫЙ, В.А. ИГНАТЕНКО
УО «Гомельский государственный медицинский университет», Беларусь
e-mail: [email protected]
Одним из негативных последствий технического прогресса, обусловившего бурное развитие радиоэлектронной техники, является постоянное повышение уровня
электромагнитного загрязнения окружающей среды. Обострились проблемы электромагнитной безопасности и электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем. Радиопоглощающие материалы (РПМ) и электромагнитные экраны (ЭМЭ) на их
основе являются эффективным средством решения указанных проблем, а также призваны обеспечить требования электромагнитной экологии. Существующая номенклатура композитных РПМ включает множество материалов, изготавливаемых по оригинальным технологиям.В совокупности средств радиозащиты свою нишу занимают РПМ
на основе наполненных термопластов. Они привлекают технологичностью и малой
удельной массой.
Цель работы состояла в обосновании физических, материаловедческих и технологических принципов создания композитных РПМ; разработке нетканых и комбинированных РПМ на основе композиций термопластов с дисперсными функциональными
наполнителями (ФН), обеспечивающими высокий уровень электромагнитных потерь
при взаимодействии с электромагнитным излучением (ЭМИ) СВЧ диапазона; изучении
радиофизических характеристик и структуры полимерных композитных РПМ в зависимости от технологических особенностей их переработки в ЭМЭ.
Объектами исследования являлись нетканые волокнистые и комбинированные
РПМ на основе наполненных термопластов. Стандартными методами переработки
термопластов, а также применяя оригинальные технологии, формировали волокнистые
нетканые композитные материалы. В качестве связующего использованы термопласты
– полиэтилен (ПЭ, ГОСТ 16337-77, ГОСТ 16803-070). В качестве ФН использовали
магнитные и электропроводящие вещества: дисперсные магнитно-мягкий марганеццинковый феррит (ММФ, ТУ 6-09-5111-84, марка 2500 НМС), карбонильное железо
(КЖ, ТУ 6-09-300-78), технический углерод, углеродные волокна, углеродные ткани
(Бусофит Т-1, Тр 3/2, ТМ-4), металлическую фольгу.
С использованием измерителя коэффициента стоячей волны и ослабления Р261, в диапазоне частот (ν) 8 – 12 ГГц, исследованы радиофизические характеристики
образцов.
В работе предложены технологии изготовления волокнистых термопластичных
РПМ следующих типов:
− конструкционных элементов на основе наполненных термопластов;
− нетканых волокнистых полотен и комбинированных материалов на их основе
типа «сэндвич».
В [1-2] разработан оригинальный способ изготовления волокнистых РПМ на основе функционально-наполненных термопластов по технологии пневмораспыления
композитного расплава (meltblowing) [3]. Он позволяет формировать полотна и формоустойчивые радиопоглощающие элементы. Способ состоит в экструзии гранулирован-
83
ной смеси полимера и радиопоглощающего наполнителя с последующей вытяжкой волокон газовым потоком и их осаждением на формообразующей подложке в виде нетканой волокнистой массы.
В качестве ФН связующего при производстве волокнистого РПМ использовали
порошок ММФ с размером частиц менее 50 мкм. Измельчение феррита проводили на
дисковой мельнице с последующим отсевом необходимой фракции. Размер частиц ФН
был ограничен технологическими возможностями процесса meltblowing.
По описанному способу были изготовлены волокнистые РПМ с постоянным содержанием, а также с градиентом концентрации ФН по толщине полотна [4]. Градиентное распределение частиц наполнителя в РПМ обеспечивает хорошее согласование
его волнового сопротивления с воздушным пространством. РПМ этого типа характеризуются повышенной эффективностью радиопоглощения в широком СВЧ диапазоне при
различных углах падения электромагнитной волны. Meltblowing позволяет вводить в
полимерную матрицу в процессе производства волокнистых ЭМЭ армирующие элементы − углеродные или металлические нити, углеродные ткани и металлические сетки различной структуры и электропроводности. Эти операции не требуют дополнительных приемов по скреплению волокон с армирующими элементами.
По данным электронно-микроскопических исследований (сканирующий электронный микроскоп Leo 982, США) нетканые melt-blown РПМ представляют собой совокупность наполненных полимерных волокон, когезионно связанных в местах контакта.
Частицы наполнителя (ММФ,Ni, КЖ) закапсулированы внутри волокон (Рис. 1).
2µm
1 mm
а)
б)
Рис. 1. Электронно-микроскопические изображения: а−melt-blown
РПМ состава ПЭ + ММФ (38 % масс); б− поверхность волокон.
Исследуемые волокнистые РПМ на основе наполненного ПЭ являются гетерогенными системами. Они состоят из трех фаз: волокнистой полимерной матрицы, наполняющей ее фазы частиц ММФ, и совокупности воздушных пустот – сквозных извилистых пор. Очевидно, радиофизические характеристики волокнистых композитных
РПМ определяются как природой и концентрацией ФН, так и параметрами волокнистопористой структуры материала. Высокая степень наполнения волокон (38 % масс),
большой размер частиц (до 50 мкм) ММФ и связанные с этим сложности формирования качественной волокнистой структуры по технологии meltblowing не позволили проанализировать взаимосвязь радиофизических характеристик ЭМЭ с параметрами его
волокнисто-пористой структуры.Частицы ферритов, обладающие развитой поверхностью и избыточной поверхностной энергией, склонны связываться в агрегаты. Агрегаты
частиц, которые образуются в процессе транспортировки и хранения порошков ферритов, имеют высокую прочность. Они не всегда разрушаются при совместной экструзионной переработке с расплавами полимеров как на стадии гранулирования, так и последующего формирования melt-blown РПМ. Все перечисленное затрудняло процесс
изготовления наполненных волокнистых РПМ. Удовлетворительного качества волокнистых композитных РПМ добивались регулированием технологических режимов экс-
84
трузионной переработки гранулята и варьированием температурных и газодинамических режимов распыления расплава полимера. Объемная плотность волокнистого
РПМ на основе ПЭ, наполненного ММФ, составила 0,24−0,30 г/см3, диаметр волокон −
от 23 до 349 мкм, средний диаметр волокон − 163 мкм, диаметр сечения пор − от 80 до
1400 мкм. Структура волокнистого РПМ из-за особенностей технологии melt blowing
анизотропна.
Melt-blown РПМ имеют развитую пористую структуру, что увеличивает площадь
активной поверхности рассеяния, а также способствует прохождению электромагнитной волны в глубь экрана. Некоторое поглощение энергии ЭМИ происходит по механизму магнитных потерь из-за наличия частиц ферритового наполнителя, закапсулированных в связующем, имеющем технологически обусловленную фибриллярную
структуру. Параметры рассеяния ЭМИ повышаются благодаря большой площади
межфазных границ и возможности придавать экранам разнообразную форму, например, в виде усеченных пирамид, расположенных на плоском листовом основании.
Изготовлены комбинированные РПМ, типа «сэндвич» состоящие из чередующихся слоев волокнистого термопласта и углеродных тканей различной структуры и
электропроводности,обеспечивающих градиент магнитных, диэлектрических и джоулевых потерь, противоположный направлению распространения электромагнитной волны[5-6]. Толщина полимерных волокнистых слоев выбиралась кратной четверти средней длины волны из диапазона воздействующего ЭМИ. Слои адгезионно склеены или
прошиты в многослойный композитный лист толщиной, не превышающей 14 мм. На
Рис. 2 приведены частотные зависимости радиофизических параметров таких РПМ,
свидетельствующие о высокой их эффективности.
R, %
S, дБ
28,25
70
65
28,00
1
2
27,75
27,50
60
55
8
9
10
11
ν, ГГц
50
Рис. 2. Ослабление энергии (1) и коэффициент отражения (2) в зависимости от
частоты электромагнитной волны, нормально падающей на образец волокнистого РПМ типа «сэндвич».
Также с использованием технологии meltblowingв состав полимерной матрицы волокнистых РПМв процессе их производства были введены углеродные и металлические
нити, металлические сетки.Достоинством технологии meltblowing изготовления волокнистых композитных РПМ является возможность сочетать многие технологические операции в едином цикле производства, а также изменять в широких пределах микро- и
макроструктуру РПМ путем варьирования технологических параметров процесса.
Волокнистые РПМ находят применение как основа или отдельные элементы
защитной верхней одежды, поглощающей энергию ЭМИ СВЧ диапазона. С использованием технологии meltblowing создан [7] материал для верхней одежды, защищающий
человека от биологического воздействия ЭМИ (в частности, СВЧ диапазона), который
является ЭМЭ поглощающего типа и снижает уровень паразитных отражений ЭМИ от
наружной поверхности одежды за счет максимального поглощения энергии излучения.
Разработанный материал имеет структуру нетканого волокнистого melt-blown полотна,
85
которое состоит из полимерных термопластичных волокон, наполненных ММФ в количестве 38−40 % масс. Волокна адгезионно связаны в точках касания, образуя формоустойчивый листовой плоский или объемной конфигурации материал с толщиной полотна 9−11 мм. Одним из вариантов данного материала является melt-blown полотно с
градиентным содержанием ММФ в волокнах, которое возрастает по толщине нетканого
полотна от 10 до 50 % масс в направлении распространения ЭМИ.
Основная идея создания melt-blown волокнистых РПМ состояла в регулировании структуры материала, поглощающего энергию ЭМИ СВЧ диапазона, на двух уровнях. Первый уровень − волокнистая структура нетканого полотна; второй – степень наполнения волокон наполнителем с высокой магнитной проницаемостью.
Обсуждены физические, материаловедческие и технологические принципы создания композитных РПМ. Разработаны нетканые и комбинированные РПМ на основе
композиций термопластов с дисперсными функциональными наполнителями, обеспечивающими высокий уровень электромагнитных потерь при взаимодействии с СВЧизлучением. Новые композитные нетканые РПМ формировали из функциональнонаполненных термопластов путем их переработки в изделия (полотна, формоустойчивые радиопоглощающие элементы) методом пневмораспыления композитного расплава. Рецептурные, структурные и размерные параметры волокнистых РПМ оптимизированы по критерию ослабления энергии ЭМИ в выбранной области СВЧ. Радиофизические и структурные характеристики композитных нетканых РПМ, сформированных по
технологии meltblowing, оценены с применением комплекса физических и физикохимических методов исследования. Такие РПМ, предназначенные для изготовления
радиозащитной одежды, камуфляжных покрытий, элементов некоторых строительных
конструкций, обладают низкой удельной массой, гибкостью, эластичностью, способностью принимать сложную форму. ЭМЭ на основе полимерных композитных РПМ рекомендовано применять в радиоэлектронной и военной промышленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bannyi V.A., Makarevich A.V., Pinchuk L.S., Ahn B.G.Radioabsorbing non-woven composite polymer materials // Electrostatic and electromagnetic fields – new materials and
technologies (EL-TEX’2002): Abstr. of 5th Int. Symp. – Lodz, Poland, 2002, 1 р.
2. Bannyi V.A., Makarevich A.V., Pinchuk L.S. Radioabsorbing composite materials based
on thermoplastics: production technology and structural optimization principles // Proc. of
33rd European Microwave Conference (EuMC2003). – Munich, Germany, 2003, p. 11231126.
3. Гольдаде В.А., Макаревич А.В., Пинчук Л.С. и др. Полимерные волокнистые meltblown материалы / Гомель: ИММС НАНБ, 2000. − 260 с.
4. Банный В.А.Взаимодействие радиоволн СВЧ диапазона с полимерными гетерогенными системами и разработка электромагнитных экранов на основе полиэтилена:
Дис. ... канд. техн. наук: 01.04.07 / ИММС им. В.А. Белого НАН Беларуси, Гомель,
2005, 132 с.
5. Банный В.А., Пинчук Л.С., Гольдаде В.А. Физико-химические и технологические
особенности формирования полимерных композитных радиопоглощающих материалов // Материаловедение. – 2007, № 6,c. 17-24.
6. Банный В.А.Электромагнитные экраны как средство решения проблемы электромагнитной безопасности и предупреждения чрезвычайных ситуаций // Чрезвычайныеситуации: образование и наука. – 2014,№1,c. 26-33.
7. Патент 7364 BY, МКП 7 A41D31/00, G21F3/02. Радиопоглощающий материал для
верхней одежды / Банный В.А, Пинчук Л.С., Макаревич А.В. –№ а20011080; Заявл.
19.12.2001; Опубл. 30.06.2003 // Афiцыйны бюлетэнь / Нац. цэнтр iнтэлект.
уласнасцi. –2005. –№3.
86
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа