Составы и низкотемпературная технология пористого стеклокомпозита с радиопоглощающими свойствами

Актуальность исследования. В последнее время радиопоглощающие материалы стали востребованы в разных отраслях и получили широкое применение, начиная с медицины и заканчивая высокочастотными устройствами, что объясняет актуальность данного исследования. Особенно это относится к поглотителям крайне высоких частот (30–300 ГГц), как наиболее интенсивно развивающейся и в тоже время наименее изученной группы материалов.
Перспективными поглотителями электромагнитного излучения (ЭМИ) крайне высоко частотной (КВЧ) области являются пористые композиты с малым коэффициентом отражения электромагнитной волны. Пористая структура с размером пор соизмеримым с длиной волны предопределяет поглощение волн. Присутствие в составе матрицы веществ, преобразующих ЭМИ в другие виды энергии, позволяет повысить эффективность и широкополосность поглотителя. С этой целью в состав композита вводят различные наполнители, включая углеродные нанотрубки и волокна, микросферы, ферромагнитные частицы, графитовые и полупроводниковые добавки. К радиопоглотителям данного диапазона частот предъявляют высокие требования.
Установление научных положений по созданию пористых структур, отвечающих современным требованиям, позволит получать эффективные и пожаробезопасные поглотители с заданными характеристиками, которые имеют большие перспективы. Актуальными являются исследования по созданию пористых радиопоглощающих материалов по энергосберегающему способу.
Для решения вышеперечисленных задач в качестве модели предложен пористый неорганический стеклокомпозит, состоящий из стекловидной матрицы и микроразмерных кристаллических частиц в межпоровой перегородке. Пористая структура и частицы, обладающие определенными электрофизическими свойствами, придают материалу способность поглощать электромагнитное излучение.
4
Диссертационная работа выполнялась при поддержке гранта РФФИ по теме «Исследование физико-химических процессов формирования структуры пористого стеклокомпозита и разработка научных основ создания новых материалов полифункционального назначения» (No 3.2121. РФФИ 2.2019).
Степень разработанности темы. Существенный вклад в изучение радиопоглотителей внесли ученые ВИАМ (г. Москва), специалисты «Центра радиоизмерений» ТГУ (г. Томск), представители концерна «Вега» (г. Москва) и др. Разработке составов и технологий пористых силикатных материалов посвящены труды ученых РХТУ им. Д.И. Менделеева (г. Москва), БГТУ им. В.Г. Шухова (г. Белгород), ученых ЮРГПУ им. М.И. Платова (г. Новочеркасск), а также исследования научных групп ПНИПУ (г. Пермь) и ТПУ (г. Томск). Несмотря на многочисленные исследования по радиопоглотителям, пористые стеклокомпозиты с радиопоглощающими свойствами изучены мало, особенно это относится к диапазону более 100 ГГц.
Объект исследования – пористый стеклокомпозит, полученный на основе жидкостекольной композиции с радиопоглощающими добавками полупроводникового типа.
Предмет исследования – физико-химические процессы формирования пористой структуры стеклокомпозита низкотемпературным способом, обладающего способностью поглощать электромагнитное излучение в диапазоне крайне высоких частот.
Цель работы – разработка научных положений по созданию пористых стеклокомпозитов по низкотемпературной технологии с радиопоглощающими свойствами в диапазоне 120 – 250 ГГц.
Задачи для достижения поставленной цели:
1. Исследование свойств исходных компонентов и физико-химических процессов, протекающих при получении пористого стеклокомпозита.
2. Разработка базового состава для получения стеклокомпозита и определение условий формирования его пористой структуры.
5

6
3. Исследование влияния добавок полупроводникового типа (SiC, GaAs, Fe3O4) на физико-механические и электрофизические свойства композита.
4. Разработка низкотемпературной технологии получения пористого радиопоглощающего стеклокомпозита и исследование его свойств.
Научная новизна работы:
1. Установлено, что формирование равномерной мелкопористой (размер пор до 2 мм) структуры стеклокомпозита при температуре 65 ± 5 ◦С из жидкостекольной композиции, включающей 57 ± 3 мас. % стеклопорошка с удельной поверхностью 350 м2/кг, 35 ± 1 мас. % жидкого натриевого стекла с модулем 2,5 и 1 мас. % гидрофильной алюминиевой пудры, обеспечивается при водотвердом соотношении в системе 0,35, при динамической вязкости композиции 1,5±0,2 Па·с и порообразования за счет реакции взаимодействия дисперсной алюминиевой пудры с гидроксидом натрия.
2. Установлено, что с увеличением дисперсности частиц добавки достигается возможность увеличения их количества в композиции. Для Fe3O4 с размером частиц 160 мкм содержание добавки составляет 10 мас. % от содержания стеклопорошка, для смеси GaAs с SiC (33 мкм) – 20 мас.%, для SiC (6 мкм) – 30 мас. %. При частичной замене стеклопорошка на порошок карбида кремния изменение вязкости жидкостекольной композиции компенсируется дополнительным газообразованием карбида кремния с гидроксидом натрия и увеличением прочности низкотемпературного стеклокомпозита в 1,6 раза за счет армирующей роли игольчатых кристаллов SiC.
3. Установлено, что добавки полупроводникового типа усиливают радиопоглощающие свойства, присущие пористому материалу, за счет дополнительных диэлектрических потерь, связанных с эффектами дипольной поляризации и релаксации. По увеличению коэффициента поглощения электромагнитного излучения добавки располагаются в ряд GaAs–Fe3O4–SiC и обеспечивают значение коэффициента стеклокомпозита в диапазоне частот 120 – 250 ГГц от 74 до 95 % в зависимости от среднего размера пор. Максимально

7
эффективное поглощение для образцов с карбидом кремния обусловлено его концентрацией (30 мас. %) и пористостью композита (86 %).
Теоретическая значимость работы заключается в получении новых данных по составу и процессам формирования пористой структуры стеклокомпозита по низкотемпературной технологии и управления его радиопоглощающими свойствами путем дополнительного введения в состав частиц SiC, смеси SiC и GaAs, Fe3O4 определенной дисперсности и концентрации.
Практическая значимость работы:
1. Предложен состав жидкостекольной композиции для получения низкотемпературного стеклокомпозита и определены условия формирования пористой структуры с заданными характеристиками.
2. Установлены критерии управления процессом порообразования стеклокомпозита с активными добавками полупроводникового типа, способного поглощать электромагнитное излучение в диапазоне крайне высоких частот 120 – 250 ГГц.
3. Предложена низкотемпературная технология получения пористого стеклокомпозита, обладающего улучшенными радиопоглощающими свойствами путем введения активных добавок SiC, смеси SiC и GaAs, Fe3O4 различной дисперсности и электрофизических свойств.
Методология работы построена на гипотезе о возможности регулирования пористой структурой и эффективностью поглощения ЭМИ стеклокомпозита путем введения в состав добавок полупроводникового типа с учетом дисперсности их частиц. Этапы работы представляют собой комплексное исследование компонентов и процессов формирования пористого стеклокомпозита базового состава с последующим переходом к введению радиопоглощающих частиц полупроводникового типа и возможностью управления составом и свойствами материала, а также разработку технологической схемы получения материала.
Методы исследования. Для исследования состава и свойств исходных компонентов, полученного материала, а также процессов, протекающих при синтезе, использован ряд современных физико-химических методов анализа, таких

8
как рентгенофазовый анализ, растровая электронная микроскопия, метод лазерной дифракции, термогравиметрический и дифференциальный термический анализы, а также метод квазиоптической спектроскопии для измерения параметров радиопоглощения. Ряд параметров оценивался по общепринятым методикам, согласно ГОСТ 13078-81, ГОСТ 7076-99 и т.д.
Положения, выносимые на защиту:
1. Положение о создании условий динамической вязкости 1,5±0,2 Па·с жидкостекольной композиции при температуре 65±5 оС за счет водотвердого соотношения 0,35 и силикатного модуля жидкого стекла 2,5 в процессе реакции газообразования с дисперсной алюминиевой пудрой для получения мелкопористой структуры стеклокомпозита.
2. Положение о граничных размерах частиц добавок и их количестве. При уменьшении среднего размера частиц от 160 мкм до 6 мкм количество добавки в составе композита увеличивается с 10 % до 30 % от массы стеклопорошка, при этом происходит увеличение радиопоглощающих свойств композита.
3. Положение о влиянии добавок полупроводникового типа на радиопоглощающие свойства стеклокомпозита. Введение в состав композита добавок обеспечивает коэффициент поглощения излучения в диапазоне частот 120 – 250 ГГц в зависимости от среднего размера пор 74 – 95 %. Максимально эффективное поглощение для образцов с карбидом кремния обусловлено его концентрацией (30 мас. %) и пористостью композита (86 %).
Личный вклад автора – участие в постановке цели, задач исследования, формулирования научной гипотезы диссертационной работы, проведении экспериментов по получению пористого стеклокомпозита с добавками SiC, GaAs, Fe3O4, определению свойств материалов, подготовке публикаций по теме. По полученным результатам автором предложена новая для данных материалов низкотемпературная технология получения и составы стеклокомпозитов с радиопоглощающими свойствами в диапазоне КВЧ. Измерения радиопоглощающих характеристик композита проведены при личном участии автора в «Центре радиоизмерений» ТГУ (г. Томск).

9
Степень достоверности результатов работы подтверждается тем, что все исследования проведены в аттестованных лабораториях на сертифицированном оборудовании; с использованием современных стандартных методик, приборов и технических средств; количеством полученных образцов и проведенных измерений.
Апробация работы: Основные результаты исследования были доложены и обсуждены на следующих конференциях: «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2018); «Актуальные вопросы химической технологии и защиты окружающей среды» (г. Чебоксары, 2018); «Международная конференция-конкурс молодых физиков» (г. Москва, 2018); «Физико-химия и технология неорганических материалов» (г. Москва, 2018); «Научная конференция ГНИИ “Нацразвитие» (г . Санкт-Петербург , 2018, 2020); «Международный симпозиум имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 120-летию со дня рождения академика К.И. Сатпаева, 120-летию со дня рождения профессора К.В. Радугина» (г. Томск, 2019); «Химия и химическая технология в XXI веке: ХХ Международная научно-практическая конференция имени профессора Л.П. Кулева студентов и молодых ученых», (г. Томск, 2019, 2020); «14th International Forum on Strategic Technology IFOST» (г. Томск, 2019); «IV Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием» (г. Улан-Удэ, 2019); «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине. Российский и международный опыт подготовки кадров: X Международная научно-практическая конференция» (г. Томск, 2020); Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2020» (г. Москва, 2020).
Публикации: Результаты работы представлены в 18 работах, из них 5 публикаций из списка, рекомендованного ВАК, в том числе 3 публикаций, индексированных в базах Scopus и WoS.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 159

10
наименований. Работа изложена на 144 листах машинописного текста, содержит 26 таблиц и 76 рисунков.