Наведено результати дослідження структури і радіофізичних властивостей в діапазоні частот 8 12 ГГц композиційних матеріалів, приготованих з природного ільменіту, і алюмооксидного кераміки з різним вмістом домішок. Рентгеноструктурний аналіз показав, що в обох випадках переважає структурний тип корунду. Виявлений ефект сильного впливу домішок на радіофізичний характеристики дозволяє синтезувати як радіопрозорих, так і радіопоглинаючі матеріали з однаковою кристалічною структурою.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Голдин Борис Олексійович, Рябков Ю. І., Секушін Н. А., Назарова Л. Ю.


Research results of the crystal structures and radiophysical properties at frequency range 8 12 GHz of compositional materials prepared from natural ilmenite and oxide aluminum ceramics with different admixtures are given. X-ray crystal analysis showed that structural type of corundum is predominated in both cases. Strong influence of admixtures on radiophysical properties is discovered that allows to synthesize radiolucent as well as radioabsorptional materials with identical crystal structure.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2010
    Журнал: Известия Комі наукового центру УРО РАН
    Наукова стаття на тему 'Проблеми Радіопрозорий і радіопоглощенія керамічних і композиційних матеріалів зі структурою корунду (порівняльний аналіз) '

    Текст наукової роботи на тему «Проблеми Радіопрозорий і радіопоглощенія керамічних і композиційних матеріалів зі структурою корунду (порівняльний аналіз)»

    ?Известия Комі наукового центру УрВ РАН Випуск 3. Сиктивкар 2010.

    ТЕХНІЧНІ НАУКИ

    УДК 553.874

    ПРОБЛЕМИ Радіопрозорий І РАДІОПОГЛОЩЕНІЯ КЕРАМИЧЕСКИХ І КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ СО СТРУКТУРОЮ Корунд (Порівняльний аналіз)

    Б.А. Голдін, Ю.І. Рябков, Н.А. СЕКУШІН, Л.Ю. НАЗАРОВА

    Інститут хімії Комі НЦ УрВ РАН, г.Сиктивкар Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Наведено результати дослідження структури і радіофізичних властивостей в діапазоні частот 8 - 12 ГГц композиційних матеріалів, приготованих з природного ільменіту, і алюмооксидного кераміки з різним вмістом домішок. Рентгеноструктурний аналіз показав, що в обох випадках переважає структурний тип корунду. Виявлений ефект сильного впливу домішок на радіофізичний характеристики дозволяє синтезувати як радіопрозорих, так і радіопоглинаючі матеріали з однаковою кристалічною структурою.

    Ключові слова: радіопрозорість, радіопоглощеніе, корунд, ільменіт

    B.A. GOLDIN, Yu.I. RYABKOV, N.A. SEKUSHIN, L.Yu. NAZAROVA. PROBLEMS OF RADIOLUCENT AND RADIO ABSORPTION OF CERAMIC AND COMPOSITIONAL MATERIALS WITH CORUNDUM STRUCTURE (COMPARATIVE ANALYSIS)

    Research results of the crystal structures and radiophysical properties at frequency range 8 - 12 GHz of compositional materials prepared from natural il-menite and oxide aluminum ceramics with different admixtures are given. X-ray crystal analysis showed that structural type of corundum is predominated in both cases. Strong influence of admixtures on radiophysical properties is discovered that allows to synthesize radiolucent as well as radioabsorptional materials with identical crystal structure.

    Key words: radiolucent, radio absorption, corundum, ilmenite

    В даний час існує потреба в недорогих радиопоглощающих і радіопрозорих матеріалах, які можуть бути використані для виготовлення захисних стінок, екранів і корпусів різних радіотехнічних пристроїв: радіотелефонів, мікрохвильових печей, радіолокаційних станцій та ін. Це в свою чергу призвело до виникнення нового напрямку в матеріалознавстві, пов'язаного з розробкою функціональних матеріалів для надвисокочастотної (НВЧ) техніки. Нижче наведені результати дослідження радіофізичних властивостей двох матеріалів: корунду і ільменіту, що відносяться до однакового структурному типу (решітка ромбоедрична R3), але зовсім по-різному взаємодіють з СВЧ випромінюванням.

    Електромагнітна хвиля при падінні на керамічну або композиційну пластину частково відбивається, що характеризують коефіцієнтом відображення (Котре). Проходить через зразок СВЧ випромінювання може поглинатися матеріалом по двом механізмам. Присутні в матеріалі вільні носії заряду переводять енергію елек-

    нітними випромінювання (ЕМВ) в тепло, що можна описати незалежних від частоти коефіцієнтом дифузного поглинання (Кпогл). Другий тип поглинання пов'язаний з квантовими переходами між магнітними рівнями домішкових ядер. У діелектричних матеріалів дифузне поглинання практично дорівнює нулю (Кпогл = 0). Такі матеріали вважаються Радіопрозорий [1]. Радіопогло-щающую матеріали, навпаки, мають високий коефіцієнт поглинання (Кпогл «1). Ці матеріали пропускають лише кілька відсотків від падаючої потужності ЕМІ. Однак вони можуть мати досить високий Котре. Тому за ефективність радіопоглощенія слід приймати частку втраченої енергії при одному акті відображення. Якщо Котре = 0,6, а коефіцієнт пропускання Кпр = 0, то втрата становить 40%, що є досить високим показником для радіочастотного поглинача. У радиопоглощающих матеріалах необхідно мінімізувати електронну складову провідності, оскільки електрони здатні екранувати об'ємну частину зразка. Чим менше електронна провідність, тим на більшу глиби-

    ну здатна проникати електромагнітна хвиля. У них також повинні бути присутніми магнітні моменти, здатні взаємодіяти з ЕМІ. Тому в радиопоглощающих матеріалах повинні існувати гексаферрітовие фази. Квантові переходи між магнітними рівнями значно ускладнюють картину взаємодії ЕМВ з речовиною. В цьому випадку всі коефіцієнти (К-ф, Кпогл і Кпр) стають залежними від частоти. При цьому через явища «накачування» енергії можливе порушення балансу в потоках енергії: Котре + Кпогл + Кпр

    Відзначено, що присутність ізоморфних домішок як в радіопрозорих, так і в радіопогло-щающую матеріалах значно впливає на процес пропускання, поглинання і відображення електромагнітних хвиль.

    На рис. 1 показана в спрощеному вигляді елементарний осередок радіопрозорого матеріалу (корунду А1203) і радиопоглощающую матеріалу (ільменіту (Т ^ е) 203). Виділені у вигляді фрагментів октаедрів атомні групи А1203 і (Т ^ е) 203 [2]. У кристалічній структурі корунду є дві різні позиції атомів алюмінію. Радіопост-глощающій матеріал виникає при гетеровалент-ном заміщення: А13 + ^ 4 + (№5 +) і А13 + ^ Ме2 + ^ е, Мп, Мд), в результаті чого формується магнітна підгратках, здатна активно взаємодіяти з ЕМІ.

    Мал. 1. Елементарна комірка корунду (трігональ-ва ромбоедрична сингония, просторова група R3c [2]): 1 - атом кисню; 2 - атом А1 в корунді або Fe в ільменіт; 3 - атом А1 (Сг, Fe) в корунді або Т в ільменіт.

    Кристалічна структура типового гекса-фериту, що є гарним поглиначем Емі [3], побудована з шпінельної блоків, розділених блоками гексагональної структури. Гексагональні блоки завдяки присутності в них магнітно активних ядер Fe, № вносять основний вклад

    в поглинання ЕМВ. Грати гексаферріти також можна уявити як ромбоедричних деформовану грати типу №С1.

    Встановлено, що на коефіцієнти пропускання, поглинання і відображення електромагнітних хвиль в радіопрозорих і радиопоглощающих матеріалах впливають домішкові фази ромбічної структури - псевдобрукіт Fe2TiO5, колумбіт FeNb2O6, силіманіт А12БЮ5 [3].

    Були досліджені зразки, отримані по керамічної технології з шихти наступного складу: А1203-91,8%, SЮ2-4,4%, Ш2-2,5%, Сг203-0,2%, Fe2O3-1,1%. Рентгенофазовий аналіз (Shimadzu XRD-6000) матеріалу показав, що при певних умовах випалу утворюється твердий розчин (А1, Сг, Fe) 2O3 зі структурою корунду, при цьому значний обсяг займає аморфна фаза. У невеликих кількостях спостерігаються домішкові фази - силлиманит А1 ^ Ю5 і псевдобрукіт Fe2TiO5. Інакше кажучи, утворюється твердий розчин (А1, Сг, Fe) 2O3 з перекрученою гексагональної структурою, що містить ромбическую надструктура псевдобрукіта Fe2TiO5 і силлиманита А1 ^ Ю5.

    Дослідження проходження електромагнітного випромінювання в діапазоні частот 8-26 ГГц показало, що коефіцієнт пропускання в середньому становить близько 60%. Разом з тим, були виявлені вузькі вікна пропускання, через які проходить до 90% енергії. На рис. 2 приведені спектри відбиття і пропускання корундовою кераміки в діапазоні частот 8-12 ГГц.

    Поява тонкої структури, що включає інтенсивні смуги пропускання, можна пояснити нелінійними ефектами взаємодії електромагнітної хвилі зі спинами магнітно-активних ядер. Слід зазначити, що досліджена корундова кераміка має високі характеристики. Міцність на вигин складає більше 250 МПа. Випробування на ударну динамічну міцність показали, що цей матеріал можна використовувати для виготовлення систем індивідуального бронезахисту (СІБ).

    Для отримання радиопоглощающих матеріалів використовувалося кілька видів природного залізо-титанової сировини. Представницький хімічний склад вихідної сировини: FeO - 35.26%; Fe2O3 -13.36%; ТЮ2 - 44.62%; МпО - 5.36%; SiO2 -1.75%; А1203 - 0.99%. Були вивчені зразки, отримані з використанням епоксіполімерной зв'язки. Методом РФА встановлено, що в зразку в якості головного компонента присутня ільменіт - фаза зі структурою корунду. На рис. 3 наведені спектри відбиття і пропускання зразків ільменіту в діапазоні частот 8 - 12 ГГц. З отриманих даних випливає, що ільменіт має високу радіопогло-щающую здатністю. При кожному акті відображення втрачається 30 - 40% енергії електромагнітної хвилі. Отримані результати підтверджують відоме з теоретичної фізики положення про те, що процеси поглинання і розсіювання ЕМВ мають загальну природу. Цей зв'язок для лінійних систем відображена в відомих співвідношеннях Крамерса -Кроніга [4]. Ймовірно, взаємозалежність між поглинанням і розсіюванням в разі нелінійних процесів також має місце.

    До

    0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 - 0 -

    0,8- До

    10

    Частота, ГГц

    11,472 11783

    \

    0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 - 0 -

    10

    Частота, ГГц

    Мал. 2. Спектри відбиття і пропускання корундовою кераміки.

    0,5

    Котре

    1

    Кпр

    \ 2

    ні властивості системи залежать від того, наскільки ефективно магнітна підгратках здатна передати енергію всієї кристалічній структурі (спін-фононна взаємодія). У разі корунду магнітна підгратках слабо взаємодіє зі структурою, що призводить до накопичення енергії (накачуванні), з подальшим її викидом. В цьому випадку будуть спостерігатися процеси розсіювання, для яких характерна наявність резонансів (рис.2). У ільменіт, який є гексафер-ритом, навпаки, магнітна підгратках сильно взаємодіє зі структурою. В результаті цього енергія ядерних спінів передається фононам, що призводить до ефективного поглинання ЕМВ. В цьому випадку резонанси не виявляються, оскільки накопичення енергії не відбувається.

    Таким чином, радіочастотні властивості керамічних і композиційних матеріалів на основі корунду і ільменіту характеризуються одночасним проявом як розсіювання, так і поглинання. Поява тонкої структури спектрів відбиття характерно для твердих розчинів зі складним хімічним складом. Тому для отримання радіопрозорих матеріалів необхідно мінімізувати кількість домішок. При синтезі радиопоглощающих матеріалів, навпаки, необхідно вводити магнітоактивного домішки, що формують діелектричну феррітоподобную структуру. Синтезовані з природного ільменіту матеріали можуть бути використані в якості поглиначів ЕМІ, а на основі корундовою кераміки, що містить активні домішки, можна виробляти СВЧ фільтри, пропускають ЕМІ в вузькому діапазоні частот.

    література

    1. Гуртовнік ІГ., Соколов В.І., Трофимов М.М., Шалгунов С.Г. Радіопрозрачні вироби з склопластиків. М .: Світ, 2002. 368 с.

    2. Ормонт Б.Ф. Структури неорганічних речовин. М., Л .: Гос.ізд-під техніко-теоретичної літератури, 1950. 986 с.

    3. Довідник по електротехнічним матеріалам. У 3-х тт. / Под ред. Ю.В.Коріцкого і ін. Т.3. Изд.2-е. Л .: Енергія, 1976. 896 с.

    4. Левич В.Г. Курс теоретичної фізики. Т.1. М .: Наука, 1969. 912 с.

    1 0

    Частота, ГГц

    12

    отр

    8

    1

    8

    Мал. 3. Частотні залежності коефіцієнтів відбиття Котре (1) і пропускання Кпр (2) ільменіту.

    Кореляцію між розсіюванням і поглинанням для досліджених матеріалів можна пояснити наступним чином. У діелектричних матеріалах ЕМІ взаємодіє головним чином з магнітними ядрами, які в упорядкованих матеріалах формують магнітну подрешет-ку. В результаті взаємодії магнітна підгратках набуває підвищену температуру (так звана, спінова температура). радіочастот-


    Ключові слова: радіопрозорість / радіопоглощеніе / корунд / ільменіт / radiolucent / radio absorption / corundum / ilmenite

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити