RU2747932C2 - Радиопоглощающий композитный материал на основе многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных ферритовыми наночастицами - Google Patents
Радиопоглощающий композитный материал на основе многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных ферритовыми наночастицами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2747932C2 RU2747932C2 RU2019111446A RU2019111446A RU2747932C2 RU 2747932 C2 RU2747932 C2 RU 2747932C2 RU 2019111446 A RU2019111446 A RU 2019111446A RU 2019111446 A RU2019111446 A RU 2019111446A RU 2747932 C2 RU2747932 C2 RU 2747932C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radio
- carbon nanotubes
- absorbing
- multilayer carbon
- epoxy resin
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
- H01Q17/004—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems using non-directional dissipative particles, e.g. ferrite powders
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области радиопоглощающих материалов и покрытий и может быть использовано, например, для защиты оборудования, чувствительного к высокочастотному электромагнитному излучению (ЭМИ), в качестве поглощающего материала в СВЧ-приборах, например в согласованных нагрузках и т.п. Композитный радиопоглощающий материал согласно изобретению содержит эпоксидную смолу и армирующий наполнитель в виде многослойных углеродных нанотрубок, при следующем содержании компонентов, мас.%: эпоксидная смола 99-99,8; армирующий компонент 0,2, при этом многослойные углеродные нанотрубки предварительно функционализированы карбоксильными группировками с выращенными путем гидротермального синтеза ферритовыми наночастицами. Изобретение обеспечивает увеличение радиопоглощающих свойств материала при сохранении малого веса и высокой прочности. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области радиопоглощающих материалов и покрытий и может быть использовано для защиты оборудования чувствительного к высокочастотному электромагнитному излучению (ЭМИ), в качестве поглощающего материала в СВЧ устройствах, например, в согласованных нагрузках и т.п.
В настоящее время известно большое количество композитных полимерных радиопоглощающих материалов на основе различных форм углеродных частиц (углеродной сажи, фуллеренов, углеродных нанотрубок) а также ферритовых порошков или наночастиц.
Например, известен радиопоглощающий материал (патент RU 2417491 H01Q 17/00 опубл. 27.04.2011), состоящий из основы – полимера и компонентов – полых микросфер и углерода технического, при следующем содержании компонентов мас. %: полимер 60-77, полые микросферы 3-10, углерод технический 20-30. Данный материал обладает хорошими показателями радиопоглощения и низким коэффициентом отражения в диапазоне 60-65 ГГц. Однако, недостатком данного материала является большая толщина, при которой достигается эффективное радиопоглощение, что ведет к увеличению габаритов и массы изделия. В некоторых областях применения радиопоглощающих материалов эти параметры ограничивают область применения данного материала. Например, при создании различных СВЧ устройств это приводит к увеличению массо-габаритных показателей устройств, а в ряде случаев и к ухудшению электрических характеристик устройств.
Известны (патент RU 2 606 350 Опубликовано: 10.01.2017) материалы, которые выполнены на основе полимерного композиционного радиоматериала, содержащее наполнитель и эпоксидную смолу в качестве полимерного связующего, отличающееся тем, что в качестве наполнителя использованы многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ) в следующей концентрации, мас. %:
многостенные углеродные нанотрубки | 2-8 |
Эпоксидная смола | До 100 |
Данный класс материалов отличается повышенным коэффициентом поглощения радиоизлучения на единицу веса. Однако, для достижения высоких прочностных характеристик необходимо равномерное распределение армирующего компонента в полимере, поскольку локальные неоднородности способствуют образованию локальных микродефектов в конечном композите, что существенно снижает прочность и ухудшает поглощающую способность.
Материал выбранный в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является радиопоглощающий материал, (патент RU 2 570 003,кл.H01Q 17/00 C 09D 5/32, опубл. 10.12.2015), содержащий полимерное связующее и наполнитель, причем, в качестве наполнителя он содержит углеродные нанотрубки, предварительно обработанные в смеси серной и азотной кислот, при следующем содержании компонентов, мас.%:
полимерное связующее | 95-99,9 |
углеродные нанотрубки | 0,1-5 |
Использование карбоксилированных многослойных углеродных нанотрубок. улучшает смачиваемость МУНТ, что ведет к более равномерному распределению нанотрубок в конечном композите. Это происходит за счет лучшего взаимодействия с растворителем и снижения агломерации. Кроме того, дополнительно, между эпоксидной матрицей и карбоксильными группировками происходит формирование ковалентных связей, за счет чего увеличивается прочность конечного материала.
Недостатком этого материала является недостаточные радиопоглощающие свойства конечного композита.
Технический результат предлагаемого изобретения – увеличение радиопоглощающих свойств материала при сохранении малого веса и высокой прочности.
Другой технический результат предлагаемого изобретения – расширение диапазона рабочих частот материала
Технический результат достигается за счет того, что композитный радиопоглощающий материал, содержит эпоксидную смолу и армирующий наполнитель в виде многослойных углеродных нанотрубок, причем многослойные углеродные нанотрубки, предварительно функционализированы карбоксильными группировками, с выращенными путем гидротермального синтеза ферритовыми наночастицами (железа), при следующем содержании компонентов, мас %:
Эпоксидная смола | 95-99,8 |
Армирующий компонент | 1-0.2% |
Другой технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом композитном радиопоглощающем материале концентрация ферритовых наночастиц (железа), выращенных на многослойных углеродных нанотрубках, неодинакова (увеличивается от внешней поверхности к основанию).
В предложенном композитном радиопоглощающем материале имеются существенные отличия от рассмотренных выше материалов
Так в отличии от материала, выбранного в качестве прототипа, в предлагаемом материале на карбоксильных МУНТ дополнительно происходит выращивание ферритовых наночастиц (железа), увеличивающих радиопоглощающие свойства конечного композита, при этом остальные параметры (малый вес, небольшая толщина и высокая прочность) остаются неизменны, так как армирующий компонент в полимере распределен равномерно (отсутствуют локальные неоднородности, способствующие образованию локальных микродефектов в конечном композите). Также, в отличие от иных радиопоглощающих материалов, имеющиех в качестве радиопоглощающего компонента ферритовые частицы (патенты RU 2 423 761 C1), МУНТ с выращенными на поверхности наночастицами металлов, приводят к уменьшению локальных «сгустков» наночастиц металлов (равномерному или плавному изменению концентрации распределению частиц в полимере) и как следствие - к уменьшению коэффициента отражения радиоизлучения (Teber, A.; et. al Manganese and Zinc Spinel Ferrites Blended with Multi-Walled Carbon Nanotubes as Microwave Absorbing Materials. Aerospace 2017, 4, 2).
Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемой к нему таблицы.
На фиг. 1 показана таблица 1 значений коэффициента затухания на различных частотах для материала прототипа (патент RU 2 570 003,кл.H01Q 17/00 C 09D 5/32, опубл. 10.12.2015), материала, предлагаемого технического решения, и сравнения значений коэффициентов затухания этих материалов.
Принцип работы радиопоглощающих материалов.
В радиопоглощающих материалах поглощение энергии происходит «за счет дисперсии, дифракции, интерференции и полного внутреннего отражения радиоволн, вызывающего дополнительное ослабление энергии ЭМИ вследствие рэлеевского рассеяния, сложения волн в противофазе и др.»
Введение ферритовых наночастиц (железа) в многослойные углеродные нанотрубки приводит к увеличению радиопоглощающих свойств конечного композита, так как ферритовые наночастицы (железа) вызывают дополнительное рассеяние проникающих в толщу материала электромагнитных волн (Радиоэлектронная борьба Палий А.И. М. Воениздат МО СССР. 1981 стр. 120) за счет рассеяния электромагнитных волн ферритовыми наночастицами и поглощения энергии углеродными нанотрубками и эпоксидной смолой.
Изменение концентрации в материале ферритовых наночастиц (железа), выращенных на многослойных углеродных нанотрубках (увеличение от внешней поверхности к основанию) расширяет диапазон рабочих частот(диапазонность) материала (Радиоэлектронная борьба Палий А.И. М. Воениздат МО СССР. 1981 стр. 118).
Поясним некоторые особенности получения предложенного радиопоглощающего материала.
В предложенном радиопоглощающем материале используются карбоксилированные многослойные углеродные нанотрубки. Использование карбоксилированных многослойных углеродных нанотрубок. улучшает смачиваемость МУНТ, что ведет к более равномерному распределению нанотрубок в конечном композите, так как, углеродные нанотрубки за счет наличия карбоксильных групп и описанного способа введения в полимер образуют друг с другом меньше контактов по сравнению с необработанными нанотрубками, Это происходит за счет лучшего взаимодействия с растворителем и снижения агломерации, что увеличивает механическую прочность при малом весе.
Для создания экспериментальных образцов композитного материала использовали многослойные углеродные нанотрубки марки «ТАУНИТ-М» (ООО «НаноТехЦентр», Россия). Карбоксилирование нанотрубок проводили в смеси концентрированных азотной и серной кислот при температуре 95-98 °С в течение 30 минут при постоянном перемешивании реакционной смеси. После чего трубки отфильтровывались и промывались до слабокислой реакции. Синтез наночастиц железа на поверхности функционализированных УНТ проводили методом гидротермального синтеза. Для этого в реактор для гидротермального синтеза помещали реакционную смесь, состоящую из FeCl3⋅6H2O, этиленгликоля, полиэтиленгликоля, ацетата натрия и модифицированных УНТ (образование наночастиц вызвано реакцией восстановления между этиленгликолем и FeCl3 при больших температурах). Смесь запекали в течение 60 минут при температуре 200°C. После проведения реакции, модифицированные УНТ отфильтровывались на фильтре шотта, промывались этанолом, после чего высушивались.
После получения карбоксилированных УНТ и синтезе наночастиц железа на них было произведено изготовление тестового образца композитного материала. Полученные в ходе гидротермального синтеза УНТ диспергировались в ацетоне в ультразвуковой ванне в течение 90 минут. После чего к смеси добавлялась эпоксидная смола ЭД20 и тщательно перемешивалась до однородного состава. Из полученной смеси выпаривался ацетон при комнатной температуре в течение пяти суток. После к смеси добавлялся отвердитель ЭТАЛ-45м, и тщательно перемешивался, а полученная смесь заливалась в форму и оставлялась до полного отвердевания. В результате, после затвердевания был получен композитный материал, представляющий собой мономолекулярную гетерогенную структуру, состоящую из модифицированных наночастицами железа углеродных нанотрубок, ковалентно связанных с эпоксидной матрицей и выполняющих армирующую и радиопоглощающую роль. Конечные пропорции компонентов в композитном материале мас. %: эпоксидная смола 99-99,8% и армирующий компонент 1-0.2%.
Контрольный образец (прототип) был получен аналогичным методом, но с карбоксилированными УНТ без наночастиц железа.
Поместив смесь эпоксидной смолы, карбоксилированных углеродных нанотрубок с ферритовыми наночастицами и отвердителя в магнитное поле, получим изменение концентрации ферритовых наночастиц (железа). В связи с тем, что ферритовых наночастиц (железа) на углеродных нанотрубках разное количество, распределение нанотрубок в конечном композите изменяется незначительно и, следовательно, остальные параметры (вес, прочность) остаются высокими. В этом случае получается материал с плавным изменением концентрации наночастиц.
Для получения многослойного радиопоглощающего материала необходимо наносить послойно смесь эпоксидной смолы, карбоксилированных углеродных нанотрубок и отвердителя. Концентрация ферритовых наночастиц в слоях должна быть разной и постепенно возрастать.
Применение в радиопоглощающем материале с разной концентрацией поглотителя расширяет диапазон рабочих частот (диапазонность) материала (Радиоэлектронная борьба Палий А.И. М. Воениздат МО СССР. 1981 стр. 118)
У полученных образцов материалов были измерены их поглощающие свойства. Были измерены величина затухания СВЧ сигнала в линиях с материалом, содержащим эпоксидную смолу и армирующий наполнитель, представляющий собой многослойные углеродные нанотрубки, предварительно функционализированные карбоксильными группировками, с выращенными путем гидротермального синтеза наночастицами железа, и величина затухания СВЧ сигнала в линиях с материалом без наночастиц железа (прототип). Измерение проводилось на векторном анализаторе цепей типа Agilent Technologies E5071C. Результаты измерений сведены в таблицу №1. По результатам измерения можно наблюдать, что величина затухания СВЧ сигнала в линии, заполненной экспериментальным образцом, содержащим железные наночастицы, выше, чем в контрольном, не содержащем железных частиц. Также замечено, что превышение величины затухания СВЧ сигнала в линии с экспериментальным образцом над величиной затухания СВЧ сигнала в линии с контрольным образцом увеличиваются с увеличением частоты. Это прямым образом свидетельствует об увеличении эффективности радиопоглощающей способности материала при наличии железных наночастиц, особенно с повышением частоты.
Таким образом, можно сделать вывод, что материал, представленный в данной заявке, имеет преимущество перед радиопоглощающими композитами на основе углеродных нанотрубок - обладает лучшими показателями радиопоглощения при сохранении высокой механической прочности и малого веса.
Использование данного изобретения позволяет создать радиопоглощающий композитный материал, имеющий высокие показатели радиопоглощения, обладающий большой механической прочностью и малым весом.
Claims (2)
- Композитный радиопоглощающий материал, содержащий эпоксидную смолу и армирующий наполнитель в виде многослойных углеродных нанотрубок, отличающийся тем, что представляет собой многослойные углеродные нанотрубки, предварительно функционализированые карбоксильными группировками, с выращенными путем гидротермального синтеза ферритовыми наночастицами железа, при следующем содержании компонентов, мас.%:
-
Эпоксидная смола 99-99,8 Армирующий компонент 1-0,2
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019111446A RU2747932C2 (ru) | 2019-04-16 | 2019-04-16 | Радиопоглощающий композитный материал на основе многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных ферритовыми наночастицами |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019111446A RU2747932C2 (ru) | 2019-04-16 | 2019-04-16 | Радиопоглощающий композитный материал на основе многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных ферритовыми наночастицами |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2019111446A RU2019111446A (ru) | 2020-10-16 |
RU2019111446A3 RU2019111446A3 (ru) | 2021-04-14 |
RU2747932C2 true RU2747932C2 (ru) | 2021-05-17 |
Family
ID=72954705
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019111446A RU2747932C2 (ru) | 2019-04-16 | 2019-04-16 | Радиопоглощающий композитный материал на основе многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных ферритовыми наночастицами |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2747932C2 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102504495A (zh) * | 2011-11-04 | 2012-06-20 | 北京理工大学 | 一种环氧树脂复合吸波材料及其制备方法 |
RU2482149C1 (ru) * | 2011-11-10 | 2013-05-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (ОАО "НПО "Сатурн") | Радиопоглощающий материал |
RU2570003C1 (ru) * | 2014-08-26 | 2015-12-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Радиопоглощающий материал |
KR20150142836A (ko) * | 2014-06-12 | 2015-12-23 | 한국과학기술원 | 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법 및 이를 포함하는 전자기파 흡수 구조체 |
CN109553905A (zh) * | 2018-11-24 | 2019-04-02 | 浙江中科恒泰新材料科技有限公司 | 一种增强的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫复合材料的制备方法 |
-
2019
- 2019-04-16 RU RU2019111446A patent/RU2747932C2/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102504495A (zh) * | 2011-11-04 | 2012-06-20 | 北京理工大学 | 一种环氧树脂复合吸波材料及其制备方法 |
RU2482149C1 (ru) * | 2011-11-10 | 2013-05-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (ОАО "НПО "Сатурн") | Радиопоглощающий материал |
KR20150142836A (ko) * | 2014-06-12 | 2015-12-23 | 한국과학기술원 | 레진 함량에 따른 다양한 전자기 특성을 갖는 복합재료 제조 방법 및 이를 포함하는 전자기파 흡수 구조체 |
RU2570003C1 (ru) * | 2014-08-26 | 2015-12-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Радиопоглощающий материал |
CN109553905A (zh) * | 2018-11-24 | 2019-04-02 | 浙江中科恒泰新材料科技有限公司 | 一种增强的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫复合材料的制备方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2019111446A3 (ru) | 2021-04-14 |
RU2019111446A (ru) | 2020-10-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Jafarian et al. | Enhanced microwave absorption characteristics of nanocomposite based on hollow carbonyl iron microspheres and polyaniline decorated with MWCNTs | |
Vinayasree et al. | A microwave absorber based on strontium ferrite–carbon black–nitrile rubber for S and X-band applications | |
Wang et al. | Microwave absorption properties of carbon nanotubes-epoxy composites in a frequency range of 2-20 GHz | |
Nwigboji et al. | Microwave absorption properties of multi-walled carbon nanotube (outer diameter 20–30 nm)–epoxy composites from 1 to 26.5 GHz | |
Lee et al. | Preparation and characteristics of conducting polymer-coated MWCNTs as electromagnetic interference shielding materials | |
Baskey et al. | Investigation on the dielectric properties of exfoliated graphite-silicon carbide nanocomposites and their absorbing capability for the microwave radiation | |
Saini et al. | Ni/graphitic carbon core–shell nanostructure-based light weight elastomeric composites for Ku-band microwave absorption applications | |
Belaabed et al. | X-band microwave absorbing properties of epoxy resin composites containing magnetized PANI-coated magnetite | |
Tammareddy et al. | Complex permittivity, permeability and microwave absorbing properties of PANI coated MWCNTs/Manganese Zinc ferrite nanocomposite | |
Mehdizadeh et al. | Effect of carbon black content on the microwave absorbing properties of CB/epoxy composites | |
Przybył et al. | Microwave absorption properties of carbonyl iron-based paint coatings for military applications | |
Reddy et al. | EMI shielding performance of electroless coated iron nanoparticles on graphite in low-density polyethylene composite for X-band applications | |
Mishra et al. | Combined effect of exfoliated graphite/ferrite filled epoxy composites on microwave absorbing and mechanical properties | |
Rohini et al. | Epoxy composites containing cobalt (II)-porphine anchored multiwalled carbon nanotubes as thin electromagnetic interference shields, adhesives and coatings | |
RU2747932C2 (ru) | Радиопоглощающий композитный материал на основе многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных ферритовыми наночастицами | |
Lebedev et al. | Design and research polymer composites for absorption of electromagnetic radiation | |
Kuleshov et al. | Study of electromagnetic characteristics of polymer materials based on single-walled and multi-walled carbon nanotubes | |
Sharma et al. | Electromagnetic shielding efficiency of carbon fibre fabric-sandwiched epoxy–MWCNT nanocomposites | |
Chakradhary et al. | Microwave absorption properties of strontium ferrite and carbon black based nanocomposites for stealth applications | |
Chakradhary et al. | Design of ultrathin radar absorbing structure using CNF-Barium ferrite based nanocomposites for stealth applications | |
KR20030019527A (ko) | 탄소 나노복합재를 이용한 전자파 차폐재 및 이의 제조방법 | |
Gogoi et al. | Biopolymer Composites for Electromagnetic Interference Shielding | |
Jamwal et al. | Development of low-frequency CI/BFO composite microwave absorbing material | |
Kuleshov et al. | Microwave electromagnetic characteristics of polymeric composite materials containing carbonyl iron and MWCNT/Ferrites | |
CN109803522B (zh) | 一种双层吸波材料及其制备方法 |