Исследование влияния гранулометрических характеристик функциональных наполнителей на свойства композиционных материалов

Исследование влияния гранулометрических характеристик функциональных наполнителей на свойства композиционных материалов

В представленной работе исследовалась возможность создания новых полимерных композиционных материалов с радиопоглощающими и радиоэкранирующими свойствами. Актуальность данного направления обосновывается необходимостью защиты от электромагнитных помех (мобильная связь, электронная техника, линии электропередач, трансформаторы); защиты информации (защита устройств для несанкционированного съема информации, защита помещений и средств связи); создание безэховых камер для проверки электронных совместимостей компонентов, для настройки и испытания специализированной техники.

Ключевые слова: ЭМИ — электромагнитное излучение, КМ — композиционный материал, ПКМ — полимерный композиционный материал, РПМ — радиопоглощающий материал, ПЭМВ (ПЭВ) — поглотитель электромагнитных волн, ЭМВ — электромагнитная волна, ВЧ — высокие частоты, СВЧ — сверхвысокие частоты

К настоящему времени установлена эффективность гетерогенных композиционных поглотителей ЭМВ при использовании многокомпонентных функциональных наполнителей, в том числе на основе комбинации ферритов и карбонильного железа. Но некоторые вопросы, связанные с ролью размеров частиц наполнителей остались не выясненными. Поэтому цель работы — выявить дополнительные возможности повышения функциональных свойств выбранных материалов и реализовать это на практике путем оптимизации гранулометрического состава наполнителей. Научная новизна работы заключается в получение дополнительного (сверхсуммарного) эффекта при создании многокомпонентных (не менее 3-х составляющих) композиционных материалов для повышения их функциональных свойств путем фракционирования наполнителей методом воздушной классификации и возможностью получения заданного размера частиц.

Задачи, поставленные вданной работе:

1. Определить оптимальные методы измельчения и фракционирования функциональных наполнителей с выделением мелкодисперсных фракций и разработать соответствующие методики с учетом специфики исследуемых материалов.
2. Определить влияние состава композиции, в том числе вида наполнителя и его гранулометрических характеристик на электромагнитные свойства радиопоглощающих и экранирующих покрытий.
3. Выявить и обосновать составы полимерных композиционных материалов (ПКМ), обеспечивающих повышение функциональных параметров по сравнению с аналогами.

1. В работе использовались следующие материалы:

Ферриты 1000НН, 2000НМ (Крошка крупные гранулы размером 4-7 мм, эффективные поглощающие свойства) и карбонильное железо Р20 (Порошок с, Размером частиц 5–7 мкм., эффективные поглощающие свойства), аморфно кристаллический сплав амаг-120 (Быстро закалённая лента, толщиной 0, 2 мм., эффективные экранирующие свойства), так как эти материалы являются наиболее популярными, доступными, относительно дешевыми по сравнению с аналогами на сегодняшний день.

В качестве связующего вещества был выбран полиуретановый латекс и эпоксидная смола, т. к. они обладают хорошей адгезией и достаточно технологичны в использовании. В свою очередь латекс обладает высокой экологичностью, т. к. имеет водную основу, а эпоксидная смола обладает высокой прочностью.

2. Оборудование для подготовки наполнителя.

Основным элементом работы являлось подготовка наполнителя. Необходимый материал помещают в ВМКД-10, он дробится путем стирания дробящим конусом о стенки наружной брони, ведущий и ведомый дебалансы компенсируют нагрузку возникшую между конусом и наружной броней, ограничитель амплитуды регулирует необходимый диапазон разделения от 10–100 мкм.

Следующим шагом является разделение получившего после дробления материала с помощью вибрационного сита, отделяется крупная фракция 100–90мкм не прошедшая разделения и отправляется повторно на дробление.

Рис. 2. Вибрационное сито отсеивает крупную фракцию 100–90 мкм

Метод воздушного классифицирования основан на воздушном всасывании, которое происходит после вращающегося ротора, подключенного к пульту управления. Задавая более высокую частоту вращения ротора, мы получаем фракции меньшего размера от 10 до 30 мкм. В свою очередь более крупная фракция не прошедшая этот этап, оседает раньше в сосуде перед ротором. Уменьшая частоту вращения ротора, мы получаем фракцию большего размера. Пока не дойдем до значений, когда весь материал будет отсортирован.

Рис. 3. Воздушный классификатор «Гефест» «Гольф-2». Размер фракций после классификации 10–80 мкм

Последним шагом является смешение наполнителя необходимого размера и нужно концентрации в лопастном диспергаторе.

Рис.4. Лопастной диспергатор для смешения наполнителей

3. Экспериментальная часть.

Ключевым моментом работы является дробление и фракционирование, на рисунке 5 мы наблюдаем результат дробления Ni-Zn феррита 1000НН, вместе с более мелкой фракцией заметны частицы неопределенной формы размером до 80–90 мкм.

Рис. 5. Феррит Ni-Zn 1000НН после дробления до классификации: а) изображение увеличенное в 9 раз, б) изображение увеличенное в 21 раз

На рисунке 6 представлен уже классифицированный ферритовый порошок 1000НН размером частиц 10–30 мкм. Это говорит о том, что метод воздушной классификации достаточно эффективен. После фракционирования материал смешивался со связующим, и формовались образцы для испытаний.

Наблюдение в оптический микроскоп смешанной фракции порядка 10–30мкм:

Рис. 6. Феррит Ni-Zn 1000НН после дробления и классификации: а) изображение увеличенное в 9 раз, б) изображение увеличенное в 21 раз

4. Влияние размера фракций на поглощающие иотражающие свойства.

На рисунке 7 наблюдаем зависимость, которая показывает тенденцию роста поглощения с уменьшением размера частиц. Что доказывает правильность направления и выбранных методик данной работы и важность получения мелкой фракции, что мы и предполагали вначале данной работы.

Рис. 7. Распределение поглощающих свойств феррита 1000НН в зависимости от размера частиц

Ниже, на рисунке 8 представлена зависимость отражения от размера частиц. На графике видна тенденция роста значения отражения с увеличением размера частиц. Что говорит нам о том, что более крупная фракция обладает лучшим значением отражения. Данный материал можно использовать для безэховых камер, а также в системах стелс.

На рисунке 9 показан тот факт, что при определенной схеме комбинации наполнителей различного состава может быть обеспечено существенное повышение поглощающих свойств, в данном случае для феррита определенной фракции 10–30 мкм.

Рис. 9. Результаты измерения рупорным методом

По вышеизложенному можно привести в пример уже имеющиеся конструкции, такие как безэховые камеры. Принцип их работы можно объяснить на примере любого источника излучения электромагнитной волны. Снаружи корпуса метал, обладающий отражающими свойствами, внутри конструкции композиционный материал с высоким уровнем поглощения.

Рис. 10. Безэховая камера

Заключение.

Анализ современного состояния вопроса в области получения поглотителей ЭМВ из КМ указывает, что данной области науки и техники перспективным является направление, связанное с комплексным решения задачи создания полимерных композиционных материалов с необходимыми функциональными (поглощение ЭМИ) свойствами. На основании проведенного анализа современного состояния вопроса в области создания изделий, поглощающих ЭМВ, показано, что одним из наиболее перспективных направлений является использование ПКМ, сочетающих магнитные и диэлектрические свойства (магнитодиэлектриков). Предложены и изготовлены композиции на основе функциональных наполнителей различного типа и связующих, обычно используемых при получении изделий из ПКМ. Выбрана методика реологических испытаний с учетом специфики материалов и потребностей настоящей работы. В ходе проделанной работы видно, что с уменьшением размера зерна материала поглощающие свойства усиливаются, что позволяет использовать материал мелкой фракции в качестве композита (наполнителя). Исходя из совокупности приведенных выше результатов, на наш взгляд следует, что гетерогенные ПЭВ имеют преимущество перед гомогенными в возможности создания новых, эффективных поглотителей.

Литература:

1. Ковнеристый Ю. К. Материалы, поглощающие СВЧ-излучения. — М.: Наука, 1982. — 164 с.
2. Землянухин Ю. П. Электромагнитные характеристики композиционных радиоматериалов, активно взаимодействующих с электромагнитным излучением мм. диапазона. Томск, 2014г., 188 с.
3. Патент РФ 2119216. Поглотитель электромагнитных волн и способ его изготовления.
4. Магнитные материалы и элементы / Преображенский А. А. // Высшая школа, -М., — 1986. 352с.
5. Гефест (Гольф2) — Производственно-коммерческая группа «Гранат».