Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретический расчёт электродинамических характеристик композитных материалов
1.1. Теоретический расчёт эффективной диэлектрической проницаемости композитных материалов с равномерным распределением мелкодисперсного наполнителя 27
1.1.1. Приближение невозмущённого поля 29
1.1.2. Формулы Лорентц-Лоренца, Гарнетта 31
1.1.3. Теория эффективной среды 32
1.2. Теоретический расчёт электродинамических характеристик композитных материалов на основе электромагнитных кристаллов 34
1.2.1. Дисперсионное уравнение. 37
1.2.2. Коэффициент отражения 39
1.3. Выводы 42
Глава 2. Методы измерений электродинамических характеристик композитных материалов на сверхвысоких частотах 43
2.1. Автоматизированный измеритель Р2-61 43
2.2. Измерение коэффициентов отражения и пропускания электромагнитного излучения слабопоглощающими материалами в волноводе 54
2.3. Волноводныи метод измерения диэлектрической проницаемости слабопоглощающих материалов 56
2.4. Резонаторный метод измерения диэлектрической проницаемости слабопоглощающих материалов 58
2.5. Угловой спектрометр 64
2.6. Выводы
Глава 3. Исследование электродинамических характеристик однородных-композитных материалов 67
3.1. Исследование эффективной диэлектрической проницаемости матрицы CaS04-2H20 с примесью природного графита 67
3.2. Исследование электродинамических характеристик электромагнитных кристаллов 72
3.3. Выводы 91
Глава 4. Исследование электродинамических характеристик слоистых композитных материалов
4.1. Исследование композитных материалов из гетерогенных слоев 92
4.2. Исследование трёхслойных композитных материалов 96
4.3. Исследование двухслойных композитных материалов с электромагнитным кристаллом 99
4.4. Выводы 102
Заключение 103
Список публикаций автора 105
Список литературы 111
- Приближение невозмущённого поля
- Теоретический расчёт электродинамических характеристик композитных материалов на основе электромагнитных кристаллов
- Волноводныи метод измерения диэлектрической проницаемости слабопоглощающих материалов
- Исследование электродинамических характеристик электромагнитных кристаллов
Введение к работе
Актуальность темы исследования определяется недостаточной разработанностью проблемы создания и исследования электродинамических характеристик композитных материалов с регулярными включениями.
Одной из актуальных проблем физики конденсированного состояния и радиофизики является задача исследования и создания радиопоглощающих материалов с малым коэффициентом отражения. Данная проблема привлекает большое внимание и имеет важное прикладное значение связанное, прежде всего, с военными нуждами, в частности, с технологиями снижения радиолокационной заметности. Однако в последнее время необходимость в таких материалах ощущается и в гражданской сфере. Это связано с тем, что окружающее нас пространство насыщенно различными электронными устройствами, излучающими в широком частотном диапазоне. При этом происходит интенсивное расширение излучаемых частот в диапазоне СВЧ. Воздействие электромагнитного излучения неблагоприятно сказывается как на высокочувствительной аппаратуре, например медицинской, так и на биологических объектах, к тому же нельзя исключать и несанкционированный доступ к информационной составляющей электромагнитного излучения [1,2]. Поэтому разработка физических основ технологии получения радиопоглощающих и слабоотражающих покрытий, а также систем защиты от электромагнитного излучения имеет важное значение. [3-7]. Решать такого рода задачи можно по-разному, например, с помощью различных металлических экранов, сеток, специальных тонкоплёночных покрытий (дифракционных экранов), ферритовых и полупроводниковых материалов, а также материалов с диэлектрическими и магнитными потерями [8-12].
В диссертации исследуются радиопоглощающие материалы, состоящие из диэлектрической матрицы CaS04-2H20, в которую добавлен мелкодисперсный проводящий наполнитель из природного графита. Отражение и поглощение электромагнитного излучения такими материалами определяется, прежде всего, наполнителем и его геометрией. Меняя содержание наполнителя в диэлектрической матрице можно варьировать эффективную комплексную диэлектрическую проницаемость, что позволяет регулировать коэффициентами отражения и поглощения материала в достаточно широком диапазоне. Также перспективными являются многослойные поглотители на основе гипсовой диэлектрической матрицы с мелкодисперсным наполнителем в виде чешуйчатого графита, меняя электродинамические характеристики отдельных слоев, можно получить материал с заданными электродинамическими характеристиками.
Не менее эффективными оказываются анизотропные композитные материалы, состоящие из диэлектрической матрицы, в которой сформирован тонкий слой частично ориентированных чешуек графита [13]. Данный композитный материал имеет сильно выраженную анизотропию диэлектрической проницаемости, вызванную сильной анизотропией проводимости самих чешуек графита. В зависимости от поляризации падающей электромагнитной волны композитный анизотропный материал будет иметь различные отражающие и поглощающие свойства. Однако необходимо отметить, что такие слоистые структуры достаточно сложны в изготовлении. В качестве более простого анизотропного
материала, электродинамические характеристики которого варьируются в широком диапазоне, можно использовать композитный материал, состоящий из диэлектрической матрицы, в которой сформирован электромагнитный кристалл [14,15]. Электромагнитный кристалл — это нелинейные искусственно созданные среды из регулярно расположенных структур с резко изменяющейся диэлектрической проницаемостью (электропроводностью) и периодом, сравнимым с длиной падающей электромагнитной волны [14]. Уникальным свойством данной структуры является наличие частотных запрещённых зон (полос непропускания электромагнитного излучения).
Цель диссертационной работы - теоретическое и экспериментальное исследование эффективной диэлектрической проницаемости, коэффициентов отражения и пропускания электромагнитных волн композитных материалов с регулярными и мелкодисперсными включениями.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
Изучить и проанализировать основные методы и подходы в теории электродинамики композитных материалов.
Создать композитные материалы с мелкодисперсным наполнителем и регулярно расположенными структурами.
Исследовать электродинамические характеристики указанных материалов.
Методы исследования
Для достижения поставленных целей в работе использовался комплекс методов: резонаторный и волноводный методы измерения эффективной диэлектрической проницаемости, регрессионный анализ.
Научная новизна
Экспериментально обнаружен эффект анизотропии эффективной диэлектрической проницаемости в слоистом композитном материале с частично ориентированным, в плоскости слоев, мелкодисперсным наполнителем из природного графита.
Экспериментально подтверждено существование широких частотных зон непрозрачности регулярной структуры - электромагнитного кристалла.
Установлено, что композитный материал, состоящий из диэлектрической матрицы и периодически расположенных в ней проводящих цилиндров (электромагнитный кристалл) с постоянной решётки а < 7 мм, в диапазоне 8-12 ГГц имеет коэффициент отражения близкий к единице.
Разработан оригинальный радиопоглощающий материал, на основе многослойных композитных структур с добавками мелкодисперсного наполнителя и периодических проводящих цилиндров, с малым коэффициентом отражения электромагнитной волны в СВЧ диапазоне.
Положения, выносимые на защиту:
1. Создан радиопоглощающий материал, состоящий из диэлектрической матрицы и мелкодисперсного природного графита, обладающий малым коэффициентом отражения в широком частотном диапазоне.
Предложен слоистый композитный материал, с частично ориентированным в плоскости слоев мелкодисперсным графитом, имеющий сильно выраженную анизотропию диэлектрической проницаемости. Это позволяет получить радиопоглощающий материал с большим коэффициентом поглощения при небольшой концентрации анизотропной примеси.
Экспериментальное подтверждение существования широких частотных зон непрозрачности электромагнитного кристалла.
Разработана структура, состоящая из слоя диэлектрической матрицы включающей мелкодисперсные частицы графита и слоя электромагнитного кристалла позволяющая реализовать высокоэффективный радиопоглощающий материал.
Практическая ценность работы заключается в том, что изученные композитные материалы с регулярными структурами могут быть использованы для создания радиопоглощающих и экранирующих материалов и покрытий. Результаты работы могут применяться при разработке различных фильтров, поляризаторов, устройств частотной селекции, линий задержки, разветвителей.
Апробация работы
Основные результаты были апробированы на следующих научных конференциях и симпозиумах: 1. Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» НМММ 28 июня - 4 июля 2009. г.Москва. 2. 3rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics «Metamaterials - 2009» 30 Aug - 4 Sept 2009. London. 3. Международная конференция. Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах. 7-10 сентября 2009 г., Махачкала. 4. International Conference "Functional Materials" ICFM'2009, October 5 - 10, 2009. Simferopol. 5. X Всероссийская молодёжная школа семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества. 9-15 ноября 2009 г. Екатеринбург. 6. XXXIII Международная зимняя школа физиков-теоретиков "КОУРОВКА". «Зелёный мыс», Ново-уральск, Свердловская область. 22 - 27 Февраля 2010 г. 7. «ВНКСФ-16» Шестнадцатая Всероссийская конференция студентов - физиков и молодых учёных, г. Волгоград, 22 - 29 апреля 2010. 8. «Волновые явления в неоднородных средах» "Волны-2010". 24-29 Мая 2010. г.Москва. 9. Физика и технические приложения волновых процессов. IX Международной научно - техническая конференция. 13-17 Сентября 2010 г. г.Челябинск. 10. International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics. 13th-18th September 2010 in Karlsruhe, Germany. 11. XI Всероссийская молодёжная школа семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества. 15-21 ноября 2010 г. Екатеринбург. 12. Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах. Сборник трудов международной конференции 21-23 ноября 2010 г., Махачкала. 13. Всероссийская конференция «Приборное и научно- методическое обеспечение исследований и разработок в области микро - и наноэлектроники». Уфа 2010. 14. International Conference "Days on Diffraction - 2011", St. Petersburg, Russia, May 30 - June 3, 2011. 15. «ВНКСФ-17» Семнадцатая Всероссийская конференция студентов - физиков и молодых учёных. 25 марта - 1 апреля 2011 года, г. Екатеринбург. 16. Всероссийская школа-
семинар «Физика и применение микроволн» Волны-2011. 17. «Moscow International Symposium on Magnetism» August 21-25, 2011, Moscow. 18. International Conference "Functional Materials - 2011" October 3 - 8, 2011. Crimea, Ukraine.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 30 научных работ: 15 статей, из которых 6 в рецензируемых научных журналах, из списка рекомендованных ВАК. Полный список публикаций представлен в конце автореферата.
Личный вклад автора состоит в постановке задачи исследований, выборе объектов и методов их исследований, проведении экспериментов, обработке полученных результатов, интерпретации экспериментальных данных.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 124 страницы. Библиография включает 138 наименований.
Приближение невозмущённого поля
Использование многослойного покрытия из различных материалов позволяет расширить диапазон и оптимизировать покрытие по толщине [37,74,75]. В" последние десятилетия особый интерес уделяется к слоисто-периодическим структурам:, на основе тонких пленок металлов, полупроводников и диэлектриков. Данные слоистые периодические среды могут рассматриваться как новый тип искусственных материалов со своими новыми физическими; свойствами. Также: оказывается, что свойствами таких сред можно эффективно управлять с помощью внешних физических воздействий (температура, упругие напряжения, магнитные и электрические поля). Реакция слоистых периодических структур на электромагнитные излучения зависит от электрических и магнитных параметров и толщины слоев. Также, неослабевающий интерес к слоисто-периодическим структурам связан с тем, что в оптическом диапазоне частот и при соответствующих размерах слоев эти структуры представляют собой одномерные фотонные кристаллы, которые характеризуются зонным спектром электромагнитных волн. Запрещенная зона в спектре электромагнитных волн периодической структуры определяется различием величин диэлектрической, магнитной проницаемостей и толщиной слоя. Зонный спектр электромагнитных волн уже исследован для некоторых слоисто-периодических структур, например, спектр электромагнитных волн структуры полупроводник-диэлектрик исследован в работе [76]. Спектр и особенности распространения электромагнитных волн в слоистых магнитных фотонных кристаллах рассмотрен в работе [77]. Методам расчета слоисто-периодических структур, их спектров коэффициентов отражения, прохождения и поглощения электромагнитных волн посвящено большое количество публикаций [78-85].
Еще одним типом слоистых композитных материалов являются поглотители градиентного типа, в которых используется принцип постепенного изменения от сопротивления Z и проводимости сг = 0 свободного пространства на поверхности падения поглотителя до более низкого сопротивления и более высокой проводимости на его задней (тыльной) стороне [24,86]. Это постепенное изменение может быть достигнуто либо изменением свойств материала, либо изменением его геометрической формы, что реализуется в пенных пирамидах с углеродным наполнением. Такие поглотители могут обладать большой широкополосностью при малой величине коэффициента отражения и небольшой толщине поглотителя, однако являются наиболее сложными с точки зрения практического воплощения. Методики расчета градиентных структур приведены в работах [21,87,88]. Обзоры электродинамических методов анализа неоднородных сред можно найти в работах [71,89].
Широкополосные поглотители можно создавать на основе многослойных покрытий из различных материалов. При создании подобных поглотителей учитываются два основных условия: согласование с внешним пространством, т.е. пренебрежимо малое отражение от внешней поверхности, и полное поглощение энергии волны, прошедшей внутрь покрытия. Наиболее широкополосными являются поглотители с комбинированным принципом действия: Сложная» задача получения заданного коэффициента отражения в требуемых частотных диапазонах при определенных ограничениях на параметры материалов рассматривается в работах [11,74,86]. В решение подобных задач входит подбор специальных сред и распределение их электродинамических характеристик по фазовому пространству материала. В работе [12] предложена-методика проектирования многослойных поглотителей, которая позволяет выполнить расчет оптимальных широкополосных поглотителей с учетом частотной дисперсии диэлектрической, и магнитной проницаемостей материалов слоев: При этом необходимо и оптимизировать их по толщине [75,86,90,91]. Во многих материалах в качестве эффективного поглотителя в диэлектрическую матрицу вводят мелкодисперсный порошок металлов или других проводящих материалов. В многослойных поглотителях электропроводность слоев1 увеличивается от поверхности вглубь поглотителя [86,91]. В работе [23] отмечается что в металлодиэлектрической керамике минимальный коэффициент отражения наблюдается при концентрации металла примерно 60%. Однако исследования эпоксидной смолы с добавками металлов [92] показали, что минимальный коэффициент отражения фиксируется и при объемной концентрации металлических включений 15-20%). Композитные покрытия на основе металлодиэлектрических волокон [72] имеют коэффициент отражения не более —17 дБ в полосе 10-32 ГГц. В работе [93] теоретически показано принципиальное ограничение для ширины рабочего диапазона многослойных поглотителей.
Широкий рабочий диапазон частот имеют поглотители на основе композитов с электропроводящими волокнами. На основе композитных электропроводящих волокон в смеси с ферритами разработаны однослойные радиопоглощающие покрытия [72,94]. Разрабатываются также покрытия, в которых вместо проводящих волокон применены проводящие полимеры. Проводящие полимеры используются в основном в многослойных покрытиях поглощающего типа [95]. Так полимерный поглотитель из полипирол-полихлоропрена имеет R не выше -10 дБ в диапазоне 5-18 ГГц.
Перспективными являются материалы с магнитодиэлектрическими потерями [96]. Многослойные поглотители с -использованием ферритов или ферромагнитных материалов имеют очень широкую полосу поглощения при достаточно малом коэффициенте отражения. Например, трехслойный поглотитель [97] обеспечивает R -10dB в диапазоне частот 5...40 ГГц при толщине 2 мм. Данный материал выполнен на основе волокон, наполненных карбонильным железом. Широкополосность обеспечивается плавным изменением комплексной диэлектрической проницаемости и комплексной магнитной проницаемости по толщине поглотителя.
Теоретический расчёт электродинамических характеристик композитных материалов на основе электромагнитных кристаллов
Экспериментальные измерения электродинамических характеристик композитных материалов СВЧ - диапазона-проводятся косвенными методами: волноводным, резонаторным и радиоволновыми [132,133]. В качестве измерительного прибора широко использовался панорамный измеритель КСВН и ослабления Р2-61 (рис. 2.1): Он предназначен для измерений мощности прошедшей либо отражённой от образца электромагнитной волны заданной частоты. Автоматическое изменение частоты генерируемого СВЧ излучения позволяет получить амплилитудно-частотную, характеристику (АЧХ) исследуемого материала в частотном диапазоне 8-12ГГц.
Схема электрическая структурная панорамного измерителя Р2-61. 1 - переход коаксиально-волноводный, 2 - детектор направленный «ПАДАЮЩАЯ», 3 - детектор направленный «ОТРАЖЕЕНАЯ», 4 - отрезок волновода с образцом и согласованная нагрузка. ВУ — внешнее устройство. ПК — персональный компьютер. Работа измерителя Р2-61 основана на принципе рефлектометрараздельного выделения сигналов, пропорциональных мощности падающей от генератора и отраженной от измеряемого объекта (при измерении КСВН) или прошедшей через измеряемый объект (при измерении ослабления) волн. Работа рефлектометра основана на свойстве направленного выделения СВЧ сигнала распространяющегося в одном направлении, при этом детектор не реагирует на противоположно направленное электромагнитное излучение. Сигналы, пропорциональные падающей и отражённой мощностям, снимаются с детекторных головок, встроенных во вторичных трактах направленных детекторов 2,3 (рис. 2.1) [134]. Напряжение, снимаемое с детекторных головок, соответствующее квадрату напряженности электрической составляющей электромагнитного поля, выводится на осциллографический блок индикатора в соответствие с частотой генератора качающейся частоты. Генерирование -высокочастотного сигнала происходит в генераторе качающейся, частоты (ГКЧ) выполненном на диодах Ганна. Он обеспечивает следующие режимы перестройки частоты: ручная перестройка частоты; ручное качание частоты; автоматическое качание частоты с длительностью периодов 0.08, 1, 10с; разовое качание частоты с длительностью периода 40с и ручным запуском.
В стандартном исполнении индикатор позволяет наблюдать на экране электронно-лучевой трубки частотные характеристики КСВН и ослабления исследуемых материалов и производить отсчеты измеряемых величин по шкалам отсчётного устройства. При этом управление параметрами генерируемого СВЧ сигнала, а также снятие отсчётов производится вручную. Это вызывает ряд очевидных неудобств:
В некоторых случаях невысокая точность, вызванная ручной установкой частотных меток. В связи с вышеперечисленными недостатками в электрическую схему измерителя Р2-61 были - внесены существенные доработки, позволяющие полностью автоматизировать процесс проведения измерении. Что в свою очередь существенно ускоряет время проведения эксперимента, повышает точность измерений и позволяет обрабатывать большие объемы экспериментальных данных.
Модернизация прибора заключалась в сопряжении с Р2-61 микропроцессорного блока, который осуществляет автоматическое изменение частоты ГКЧ, и снятие отсчётов мощности прошедшей либо отражённой электромагнитной волны при заданной частоте генерации СВЧ сигнала. Также данный блок обеспечивает передачу экспериментальных данных в ПК по средствам USB интерфейса, с одновременной записью в базу данных и отображением результатов измерения АЧХ на мониторе компьютера.
Напряжение соответствующее детектируемой мощности прошедшего либо отраженного сигнала считывается с выхода блока индикатора КСВН и ослабления Я2Р-67. Выходной сигнал - аналоговый, принимает значения в диапазоне от 0 до 1,2В, что соответствует диапазону значений КСВН и ослабления от - 40 до +2дБ. Детектируемое напряжение откалибровано по отсчётной шкале индикатора. Погрешность.не более ±0.05дБ [135]. С помощью аналого-цифрового преобразователя напряжение, снятое с блока индикатора, преобразуется в двоичный цифровой код, обрабатывается микропроцессорной системой и передаётся по средствам USB интерфейса в ПК. Для измерения напряжения применяется 10-разрядный АЦП, встроенный в микроконтроллер, погрешность измерения напряжения, при источнике опорного напряжения в 2,5 В, не более 5 мВ. Допустимая частота дискретизации АЦП при точности 10 разрядов находится в пределах 50-200кГц, конкретное значение частоты составляет 62.5КГц и определяет минимальное время качания частоты ГКЧ.
Частота генерируемого сигнала устанавливается в ГКЧ при помощи платы управления блоком СВЧ [136]. Плата предусматривает несколько различных режимов управления генерацией СВЧ сигнала: автоматическое качание частоты в заданном диапазоне с различным временем перестройки, перестройка частоты от внешнего источника питания, режим однократного запуска, ручное управление частотой генерации. Режим ручного управления включается переключателем «РУЧ», а частота генерируемого СВЧ сигнала меняется переменным резистором R16 в плате управления блоком СВЧ [136] (рис. 2.2).
Делитель напряжения R16 обеспечивает изменение управляющего напряжения в диапазоне -12,6 — ОВ, что соответствует изменению частоты генерации СВЧ сигнала в диапазоне от Fmjn до Fmax. Где Fmjn, Fmax являются границами диапазона качания частоты и задаются отдельными ручками регулировки (крайние значения 7,9 ГГц - 12,5 ГГц). Для автоматизации процесса перестройки частоты генерации резистор R16 был заменён цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) и операционным усилителем, совместно образующими генератор управляющего напряжения и обеспечивающими плавное изменение управляющего напряжения в диапазоне от -12В до ОВ (рис. 2.3). Блок генерации СВЧ Fmin Fmay Внешнее устройство
МП Узел формирования упровляющего напряжения-12ВY I опт эразвязка Iі / — ЦАП 4— иупр=-12,6...0В ] X ± Рис. 2.3. Функциональная схема автоматизированного управления генерацией СВЧ сигнала в ГКЧ. ОУ - операционный усилитель. ЦАП -цифроаналоговый преобразователь. МП - управляющий микропроцессор.
Для генерации управляющего напряжения применялся 10-разрядный ЦАП (МАХ504), управляемый по синхронному последовательному интерфейсу передачи данных (SPI). Данный интерфейс предназначен для связи ЦАП с внешним управляющим микроконтроллером. Работа ПАП основана на «инвертированной» R-2R цепи и операционном усилителе с полевыми транзисторами и однополярном питании. Термин «инвертированная» в данном случае означает, что опорное напряжение с вывода REFIN используется внутри микросхемы как виртуальная земля ПАП. Диапазон выходного напряжения для МАХ504 при питании 5В составляет от 0 до 4В, время установки выходного
Волноводныи метод измерения диэлектрической проницаемости слабопоглощающих материалов
В композитных материалах, из гипса с добавкой графита, исследовалась зависимость, эффективной диэлектрической, проницаемости от концентрации порошка графита. Образцы представляли собой диэлектрическую матрицу СаБО НгОс добавками мелкодисперсного природного графита в различной концентрации. Распределение частиц графита в объеме исследуемых образцов предполагалось равномерным, а ориентация чешуек графита случайной. Такие образцы можно считать однородными- и изотропными при измерениях в сантиметровом диапазоне длин» волн. Концентрация графита в. образцах варьировалась от 0 до 10% (массовых). При более- высоких концентрациях измерения не проводились, так как образцы теряли свою механическую прочность, а также проявлялись эффекты- перколяции.
Измерения эффективных, значений комплексной» диэлектрической проницаемости проводились волноводным и резонаторным методами/ Для измерений эффективной диэлектрической проницаемости резонаторным методом изготавливались цилиндрические образцы диаметром 2 мм и длинной 40 мм. Для определения однородности измерения резонансных кривых проводились на различных участках цилиндрического образца. Измерения эффективной диэлектрической проницаемости волноводным методом проводились на образцах размерами 23x10x80 мм3.
Результаты измерений резонаторным методом концентрационной зависимости эффективной диэлектрической проницаемости представлены на рис. 3.1 и 3.2. Действительная часть эффективной диэлектрической проницаемости є 3фф. возрастала от 4,3 до 7,7 (рис.3.1.) при увеличении процентного содержания графита от 0 до 10% (масс.) и стремилась к насыщению. Максимальное значение є 3фф будет при объемной концентрации графита -30%, это соответствует проявлению перколяции.
Зависимость є зфф от концентрации графита при случайной ориентации частиц графита. Сплошная кривая —линия соединяющая экспериментальные точки.
Концентрационная зависимость мнимой частьи эффективной диэлектрической проницаемости є"зфф имеет аналогичный характер зависимости (рис.3.2.), є эфф увеличивалась от 0,026 до 0,091. 0,08 0,10
Погрешности измерений, связаны, в первую очередь, с неоднородностью электрического поля в образце и, в меньшей степени, с неравномерностью распределения наполнителя в образцах и ошибками в размерах образцов, возникающих при их изготовлении. Неоднородность электрического поля вызвано поглощением электромагнитного излучения в цилиндрическом образце, вследствие чего по мере продвижения к центру цилиндра электрическое поле уменьшается.
Результаты измерений волноводным методом концентрационной зависимости эффективной диэлектрической проницаемости представлены на рис. 3.3. Данные измерений в целом согласуются с результатами, полученными при измерениях эффективной диэлектрической проницаемости резонаторным
Систематические: расхождения в значениях эффективной диэлектрической проницаемости измеренных волноводным и резонаторным методами обусловлены несколькими причинами. Максимальная систематическая ошибка, очевидно, должна наблюдаться в измерениях резонаторным методом. Во-первых, диаметр образцов не настолько мал, как предполагалось при получении формул для вычислений [2.11]. Во-вторых, электрическое поле уменьшается к центру образца, что также приводит к появлению систематической ошибки. Еще одним источником ошибок;может быть гигроскопичность образцов. Несмотря на то, что все образцы проходили одинаково длительный процесс сушки при изготовлении, возможные различия в их влажности могут внести вклад в систематическую ошибку измерений. Также возможны погрешности при распределении наполнителя по объему диэлектрической матрицы.
Характерный загиб концентрационных кривых объясняется эффектом образования проводящих кластеров, проявляющемся при увеличении концентрации проводящего наполнителя. При этом происходит замедление роста эффективной диэлектрической проницаемости с ростом концентрации. При дальнейшем увеличении концентрации наполнителя кажущееся значение эффективной диэлектрической проницаемости будет уменьшаться, так как электромагнитное поле не будет проникать вглубь образцов. Можно сказать, что качественно эффективная диэлектрическая проницаемость проявляет типичный характер концентрационной зависимости [13].
Зависимость є зфф от концентрации графита. Экспериментальные точки 1 и теоретически рассчитанные кривые: 2- случай малых концентраций: 3- формула Гарнетта. 4 - уравнение Бруггемана. На графике точками 1 отмечены экспериментальные значения эффективной диэлектрической проницаемости, измеренные волноводным методом. Теоретически рассчитанная (по формуле 2.12) прямая 2, является концентрационной зависимостью эффективной диэлектрической проницаемости для случая малых концентраций, применимого к сильно разбавленным системам; где можно пренебречь взаимодействием соседних включений. Кривая 3 рассчитана по формуле Гарнетта (1.22), учитывающей взаимное влияние соседних включений. Кривая 4 рассчитана из уравнения Бруггемана.
Наилучшее соответствие с экспериментальными данными даёт кривая 3. Но необходимо отметить, что при концентрации графитового наполнителя больше 6 %, начинает проявляться эффект образования проводящих кластеров, приводящий к замедлению роста эффективной диэлектрической проницаемости и, загибу концентрационной кривой (рис.3.3). -Поэтому, наиболее верный характер концентрационной зависимости эффективно1 диэлектрической проницаемости (при отсутствии эффектов-образования проводящих кластеров) дает кривая 4.
Электромагнитный кристалл - это образцы с регулярным расположением проводящих цилиндроВ В диэлектрической матрице CaS04-2H20 (рис 3.5).
Необходимо отметить, что здесь рассматривается двумерная периодическая структура, строго говоря, не являющаяся электромагнитным кристаллом. Однако, при распространении электромагнитных волн вдоль направлений перпендикулярных осям проводящих цилиндров, такую структуру можно считать электромагнитным кристаллом [122].
Исследование электродинамических характеристик электромагнитных кристаллов
Для измерений волноводным методом были изготовлены прямоугольные образцы (23x10x80мм), но с расстоянием между ориентированными слоями 0,5 - 0,6 мм. Проводились две серии измерений. В одной серии измерений, в образцах, слои частично ориентированного наполнителя располагались параллельно вектору Е падающей электромагнитной волны, а в другой серии перпендикулярно. Во всех слоистых образцах концентрация графита была фиксированной и равнялась, как уже отмечалось, 5% даже в ориентированных слоях. Возможно, при формировании ориентированного слоя и происходило локальное увеличении концентрации графита, но это увеличение несущественно и незаметно.
Результаты измерений компонент эффективной диэлектрической проницаемости полученных резонаторным методом для слоистых образцов, с постоянной концентрацией графита 5%, отмечены на рис.4.2. и 4.3. точками 1,2. Для сравнения на рисунках также представлен график зависимости эффективной диэлектрической проницаемости от концентрации порошка графита при его равномерном распределении по объему образца (кривая 3).
Зависимость є 3фф от концентрации графита при случайной ориентации частиц графита кривая 3. Экспериментальные точки: 1- при ориентации слоев параллельно оси цилиндра, 2- при ориентации слоев перпендикулярно оси цилиндра.
Зависимость эфф от концентрации графита при случайной ориентации частиц графит кривая 3. Экспериментальные точки: 1- при ориентации слоев параллельно оси цилиндр, 2- при ориентации слоев перпендикулярно оси цилиндра. Эффективные значения диэлектрической проницаемости слоистых образцов очень сильно зависят от взаимной ориентации слоя с частично ориентированными частицами графита и вектора Е падающей электромагнитной волны. Если вектор Е был перпендикулярен плоскости слоя, то слоистая структура образца не проявлялась, и при измерениях образец вел себя как материал со случайным распределением частиц графита (рис.4.2 и рис.4.3. точки 2). Если вектор Е был параллелен плоскости слоя, то происходило увеличение эффективной диэлектрической проницаемости, например, е эфф от 7 до 10,2 и є;/3фф от 0,06 до 0,11 в образцах с 5% содержанием графита. Это увеличение є3фф и s эфф отмечено на графиках рис.4.2. и рис.4.3. точками 1.
Рис.4.4. Зависимость є3фф от концентрации графита при случайной ориентации частиц графит кривая 3. Экспериментальные точки: 1- при ориентации слоев параллельно оси цилиндр, 2- при ориентации слоев перпендикулярно оси цилиндра. При перпендикулярной ориентации вектора Е падающей волны относительно слоя с частично ориентированными частицами графита эффект слоистого образца не проявляется (рис.4.4. точка 2), тогда как при параллельной ориентации вектора Е плоскости слоя, проявляется эффект увеличения эффективной диэлектрической проницаемости (рис.4.4. точка 1).
Исследованный материал имел анизотропию проводимости, связанную с ориентированными чешуйками графита. Поэтому исследованные слоистые образцы имели анизотропию диэлектрической проницаемости.
Многослойные образцы с мелкодисперсным наполнителем - это слоистые композитные материалы градиентного типа состоящие из картона, диэлектрической матрицы (CaS04-2H20) и природного графита. Для исследования коэффициента отражения композитных материалов градиентного типа, были изготовлены образцы слоистых поглотителей трех видов (рис. 4.5.): 1. Двухслойный образец, состоящий из слоя картона и слоя CaS04-2H20. 2. Трехслойный образец аналогичен первому образцу + добавлен слой CaS04-2H20 с 5% примесью графита (в массовом соотношении) равномерно распределённой по объему образца. 3. Четырехслойный образец аналогичен второму образцу + добавлен тонкий слой частично ориентированных чешуек графита.
Многослойные образцы. Сечение образцов 23x10x13 мм под размер стандартного волновода. Картон использовался для формирования наружного согласующего со свободным пространством слоя с sef =1,5. Материалы остальных слоев подбирались исходя из значений их эффективных диэлектрических проницаемостей, для наилучшего согласования слоев и наименьшего коэффициента отражения. Слой CaS04-2H20 имеет Eef =2.8. Слой CaS04 2H20 с 5% добавкой равномерно распределенного природного чешуйчатого графита имеет Бес =3. Для достижения высокой проводимости в конечном слое, был сформирован тонкий слой частично ориентированных чешуек графита, что в целом сильно увеличивает коэффициент поглощения многослойного образца с мелкодисперсным поглотителем.
Измерения коэффициента отражения (R) и прохождения (Т) проводились двумя методами: в волноводе, и в открытом пространстве с применением рупорных антенн.
Результаты измерений коэффициента отражения от модели полубесконечной среды в волноводе приведены на рис.4.6.
Частотная зависимость коэффициента отражения (R). 1 -двухслойный образец. 2 — трёхслойный образец. 3 — четырёхслойный образец. Максимальный коэффициент отражения наблюдался на двухслойном образце картон, CaSO4-2H20 (кривая 1, рис.4.6). Добавление третьего слоя CaSO H O с примесью графита снизило R (кривая 2). Минимальный коэффициент отражения имел образец, в котором был сформирован тонкий слой с ориентированными чешуйками графита (кривая 3). Аналогичные зависимости наблюдаются при измерении в волноводе коэффициента прохождения электромагнитного излучения через многослойные образцы (рис.4.6).
Частотная зависимость коэффициента прохождения (Т). 1 двухслойный образец. 2 - трёхслойный образец. 3 - четырёхслойный образец.
Максимальную прозрачность в диапазоне СВЧ имеет двухслойный образец: картон, CaSO HjO (рис.4.7, кривая 1). Немного меньше пропускает трёхслойный образец (кривая 2). Добавление тонкого слоя частично ориентированных чешуек графита позволило добиться минимального пропускания СВЧ излучения (кривая 3).
Для измерения коэффициентов отражения и пропускания, в открытом пространстве, были изготовлены образцы размерами 150x150 mm, толщиной 13 mm. Исследования проводились с использованием приёмопередающей антенны рупорного типа. Результаты измерений коэффициентов отражения и проя электромагнитного излучения качественно согласуются с данными, полученными при измерениях на образцах в волноводе. Минимальный коэффициент отражения и пропускания электромагнитного излучения имеет образец с тонким слоем частично ориентированных чешуек графита. Возможные численные отличия объясняются существенными различиями в методиках проведения измерений, в частности различиями в распространении электромагнитной волны в волноводе и свободном пространстве. Результаты измерений показывают возможность практического создания радиопоглощающих покрытий с заданными функциональными свойствами материалов.
