Исследование радиопоглощающих характеристик полимерных композитов с ферритовыми наполнителями

Поиск эффективных радиопоглощающих материалов для решения проблем электромагнитной совместимости, электромагнитного загрязнения, а также технологий скрытности и малозаметности — актуальная задача. В работе представлены результаты исследования электрофизических и радиопоглощающих характеристик феррит-полимерных композитов в зависимости от структуры и магнитных свойств ферритового наполнителя, а также диэлектрических свойств полимерной матрицы. Исследовали радиопоглощающие характеристики композитов Ф-42/Mn-Zn-феррит, Ф-42/Ni-Zn-феррит, Ф-42/железо-иттриевый гранат, Ф-42/BaFe₁₂O₁₉, Ф2М/LiMnZn-шпинель, ПС525/Mn-Zn-феррит, ПВС/Mn-Zn феррит, ПВС/Ni-Zn феррит. Экспериментальные данные по коэффициенту отражения, определенному на металлической пластине в диапазоне частот 0,1 – 7 ГГц, показали, что ферриты-шпинели и содержащие их композиты — эффективные радиопоглощающие материалы. Из анализа спектров комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей установлено, что композиты с ферритами-шпинелями и железоиттриевым гранатом характеризуются дисперсией магнитной проницаемости, возникающей вследствие процессов резонанса движения доменных границ и естественного ферромагнитного резонанса. Кроме того, было выявлено, что электрические свойства ферритов могут влиять на высокочастотные спектры диэлектрической и магнитной проницаемостей. Радиопоглощающие характеристики композитов связаны с высокими значениями тангенсов углов диэлектрических и магнитных потерь, согласованием импедансов. Отмечено, что использование электроактивных полимеров в качестве матриц позволяет увеличить диэлектрические потери в высокочастотном диапазоне и получить максимальное ослабление электромагнитного излучения в пределах 25 – 40 дБ с шириной на уровне 10 дБ до 2,5 ГГц в диапазоне 2 – 7 ГГц. Полученные результаты могут быть использованы при дальнейшем изучении функциональных свойств радиопоглощающих материалов в высокочастотном диапазоне.

1. Михайлин Ю. А. Специальные полимерные композиционные материалы. — СПб.: Научные основы технологии, 2009. — 660 с.

2. Kumar D., Moharana A., Kumar A. Current trends in spinel based modified polymer composite materials for electromagnetic shielding / Mater. Today Chem. 2020. Vol. 17. P. 100346. DOI: 10.1016/j.mtchem.2020.100346

3. Tammareddy H., Ramji K., Siva Naga Sree P., Santhosi B. Complex permittivity, permeability and microwave absorbing properties of PANI coated MWCNTsManganese Zinc ferrite nanocomposite / Mater. Today: Proc. 2019. Vol. 18. P. 420 – 425. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.06.320

4. Abbasa S., Dixit A., Chatterjee R., Goel T. Complex permittivity, complex permeability and microwave absorption properties of ferrite-polymer composites / J. Magn. Magn. Mater. 2007. Vol. 309. P. 20 – 24. DOI: 10.1016/j.jmmm.2006.06.006

5. Bayrakdar H. Electromagnetic propagation and absorbing property of ferrite-polymer nanocomposite structure / Prog. Electromagn. Res. M. 2012. Vol. 25. P. 269 – 281. DOI: 10.2528/PIERM12072303

6. Charles A. D., Rider A. N., Brown S. A., Wang C. H. Multifunctional magneto-polymer matrix composites for electromagnetic interference suppression, sensors and actuators / Prog. Mater. Sci. 2021. Vol. 115. P. 100705. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2020.100705

7. Green M., Chen X. Recent progress of nanomaterials for microwave absorption / J. Materiomics. 2019. Vol. 5. P. 503 – 541. DOI: 10.1016/j.jmat.2019.07.003

8. Lagarkov A. N., Rozanov K. N. High-frequency behavior of magnetic composites / J. Magn. Magn. Mater. 2009. Vol. 321. P. 2082 – 2092. DOI: 10.1016/j.jmmm.2008.08.099

9. Moucka R., Lopatin A., Kazantseva N., Vilcakova J., Saha P. Enhancement of magnetic losses in hybrid polymer composites with MnZn-ferrite and conductive fillers / J. Mater. Sci. 2007. Vol. 42. P. 9480 – 9490. DOI: 10.1007/s10853-007-2081-0

10. Gama A. M., Rezende M. C., Dantas C. C. Dependence of microwave absorption properties on ferrite volume fraction in MnZn ferrite/rubber radar absorbing materials / J. Magn. Magn. Mater. 2011. Vol. 323. P. 2782 – 2785. DOI: 10.1016/j.jmmm.2011.05.052

11. Шакирзянов Р. И., Костишин В. Г., Морченко А. Т. и др. Синтез и изучение свойств пленок радиопоглощающих композитов, состоящих из включений Mn0,5792Zn0,2597Fe2,1612O4 и полимерной матрицы –[(CH2–CH2)m–(CF2–CF2)n]k– / Журн. неорг. химии. 2020. Т. 65. № 6. С. 758 – 763. DOI: 10.31857/S0044457X20060197

12. Meshram M., Agrawal N., Sinha B., Misra P. Characterization of M-type barium hexagonal ferrite-based wide band microwave absorber / J. Magn. Magn. Mater. 2004. Vol. 271. P. 207 – 214. DOI: 10.1016/j.jmmm.2003.09.045

13. Zhang X., Sun W. Three-layer microwave absorber using cement-based composites / Mag. Concr. Res. 2011. Vol. 63. N 3. P. 157 – 162. DOI: 10.1680/macr.9.00196

14. Ali N., Atassi Y., Salloum A., Charba A., Malki A., Jafarian M. Comparative study of microwave absorption characteristics of (Polyaniline/NiZn ferrite) nanocomposites with different ferrite percentages / Mater. Chem. Phys. 2018. Vol. 211. P. 79 – 87. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2018.02.017

15. Liu P., Yao Z., Zhou J. Fabrication and microwave absorption of reduced graphene oxide/Ni0.4Zn0.4Co0.2Fe2O4 nanocomposites / Ceram. Int. 2016. Vol. 42. P. 9241 – 9249. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.03.026

16. Tong S., Tung M., Ko W.-S. et al. Effect of Ni fillers on microwave absorption and effective permeability of NiCuZn ferrite/Ni/polymer functional composites / J. Alloys Compd. 2013. Vol. 550. P. 39 – 45. DOI: 10.1016/j.jallcom.2012.09.096

17. Nagasree P., Ramji K., Haritha T., Santoshi B. Polymer based MWCNT/Nickel Zinc Ferrite nanocomposites for RAS application with simulation / Mater. Today: Proc. 2019. Vol. 18. P. 406 – 412. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.06.318

18. Исаев И. М., Костишин В. Г., Шакирзянов Р. И., Каюмова А. Р., Салогуб Д. В. Электромагнитные свойства полимерных композитов Li0,33Fe2,29Zn0,21Mn0,17O4/П(ВДФ- ТФЭ) в области частот 100 – 7000 МГц / ФТП. 2022. Т. 56. № 1. С. 114 – 119. DOI: 10.21883/FTP.2022.01.51821.9728

19. Костишин В. Г., Исаев И. М., Шакирзянов Р. И., Салогуб Д. В., Каюмова А. Р., Олицкий В. К. Радиопоглощающие свойства феррит-полимерных композитов поливиниловый спирт / Ni-Zn феррит / ЖТФ. 2022. Т. 92. № 1. С. 131 – 137. DOI: 10.21883/JTF.2022.01.51862.217-21

20. Исаев И. М., Костишин В. Г., Шакирязнов Р. И., Каюмова А. Р., Олицкий В. К., Салогуб Д. В. Радиопоглощающие и радиоэкранирующие характеристики феррит-полимерных композитов Mn-Zn феррит/П (ТФЭ-ВДФ) / ЖТФ. 2022. Т. 92. № 3. C. 462 – 471. DOI: 10.21883/JTF.2022.03.52142.242-21

21. Исаев И. М., Костишин В. Г., Коровушкин В. В. и др. Кристаллохимия и магнитные свойства поликристаллических ферритов-шпинелей Li0,33Fe2,29Zn0,21Mn0,17O4 / ЖНХ. 2021. Т. 66. № 12. С. 1792 – 1800. DOI: 10.31857/S0044457X21120059

22. Pullar R. C. Hexagonal ferrites: A review of the synthesis, properties and applications of hexaferrite ceramics / Prog. in Mater. Sci. 2012. Vol. 57. P. 1191 – 1334. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2012.04.001

23. Narang S., Pubby K. Nickel Spinel Ferrites: a review / J. Magn. Magn. Mater. 2021. Vol. 519. P. 167163. DOI: 10.1016/j.jmmm.2020.167163

24. Vakhitov M. G., Klygach D. S., Vinnik D. A., Zhivulin V. E., Knyazev N. S. Microwave properties of aluminum-substituted barium hexaferrite BaFe12–xAlxO19 ceramics in the frequency range of 32 – 50 GHz / J. Alloys Compd. 2020. Vol. 816. P. 152682. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.152682

25. Летюк Л. М., Балбашов А. М., Крутогин Д. Г. и др. Технология производства материалов магнитоэлектроники. — М.: Металлургия, 1994. — 416 с.

26. Боков В. А. Физика магнетиков: учеб. пособие для вузов. — СПб.: Невский диалект, БХВ-Петербург, 2002. — 272 с.

27. Кочервинский В. В. Свойства и применение фторсодержащих полимерных пленок с пьезо- и пироактивностью / Успехи химии. 1994. Т. 63. № 4. С. 383 – 388. DOI: 10.1070/RC1994v063n04ABEH000090

28. Aslam M., Kalyar M., Raza Z. Polyvinyl Alcohol: A Review of Research Status and Use of Polyvinyl Alcohol Based Nanocomposites / Polym. Eng. Sci. 2018. Vol. 58. P. 2119 – 2132. DOI: 10.1002/pen.24855

29. Bur A. J. Dielectric properties of polymers at microwave frequencies: a review / Polymer. 1985. Vol. 26. P. 963 – 977.

30. Wu Y., Han M., Tang Z., Deng L. Eddy current effect on the microwave permeability of Fe-based nanocrystalline flakes with different sizes / J. Appl. Phys. 2014. Vol. 115. P. 163902. DOI: 10.1063/1.4872237

31. Tsuoka T. Frequency dispersion of complex permeability in Mn-Zn and Ni-Zn spinel ferrites and their composite materials / J. Appl. Phys. 2003. Vol. 93. N 5. P. 2789 – 2796. DOI: 10.1063/1.1542651