Изучение процессов взаимодействия электромагнитного излучения с композиционными материалами на основе многослойных наноуглеродных кластеров: экспериментальные исследования и теория линейного отклика Магистерская диссертация магистранта кафедры Лазерной физики и спектроскопии Поддубской Олеси Германовны Научный руководитель Зав. лаб., д.ф.-м. н., НИИ ядерных проблем БГУ Максименко Сергей Афанасьевич

Актуальность Задача разработки нового поколения углеродных материалов, эффективно поглощающих электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн, является одной из приоритетных проблем современной физики и химии наноматериалов. Такие материалы будут использоваться для ослабления рассеяния электромагнитного сигнала мишенью в целях затруднения его регистрации посредством радарной техники, для защиты человеческих глаз и оптических датчиков от интенсивного лазерного излучения, для электромагнитной экранировки электронных устройств и их пользователей от паразитного и вредного для здоровья электромагнитного излучения и т.д. 2

Объект и предмет исследования Объект исследования – углерод луковичные структуры (УЛС) и полимерные композиты на их основе. Предмет исследования – взаимодействия электромагнитного излучения с УЛС и полимерными композитами на их основе. 3

Поставленные цели и задачи Целью работы - исследование влияния степени диспергирования и концентрации УЛС на электромагнитные свойства полимерных композитов. В рамках работы были решены следующие задачи: И зучение УЛС (строение, способы получения, свойства) И зучение УЛС (строение, способы получения, свойства) Экспериментальное исследование частотного и температурного поведения комплексной диэлектрической проницаемости композитных материалов (УЛС/ полиуретан, УЛС/ПММА) в зависимости от степени диспергирования и концентрации УЛСУЛС/ полиуретан, УЛС/ПММА Построена теоретической модель, которая описывала бы наблюдаемые экспериментальные зависимости диэлектрической проницаемости образцов.теоретической модель Сравнение экспериментальных данных и теоретических предсказаний (температурная и частотная зависимости )температурнаячастотная 4

Научная гипотеза Теоретические расчеты основываются на модели композита как многокомпонентного материала с заданным распределением по размерам включений. При этом принимается во внимание только дипольное взаимодействие элементов композита (модель Максвелл-Гарнетта). Разработанные модели и полученные экспериментальные результаты позволют предложить способы формирования электромагнитного отклика композитов (путем варьирования размеров, формы и плотности наноуглеродных включений и свойств матрицы), необходимые для создания новых покрытий, поглощающих электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн. 5

Углерод луковичные структуры а)изображение полученные с помощью ТЕМ, б) молекулярная модель структуры С ТЕМ изображения оболочек УЛС с дефектами (a- точечные дефекты,b-линейные дефекты, c- объемные дефекты ). Электронно-микроскопическое изображение высокого разрешения продуктов отжига НА 6

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости полимеров на основе УЛС Температурная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости УЛС/ полиуретан композитов: 1-чистый полиуретан,2 – 1,9% УЛС, 3– 3,8% УЛС, 4– 7,5% УЛС. 7

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости полимеров на основе УЛС Температурная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости УЛС/ PММА :1- чистый ПММА, 2– 0,5% УЛС, 3– 1% УЛС, 4– 2% УЛС Концентр ация УЛС, % Т β (К)Т α (К)Т/плав.(К) Чистая ПММА УЛС типа Dgas

Частотная зависимость диэлектрической проницаемости полимеров на основе УЛС Частотная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости для УЛС/ПММА (0.5 % УЛС) при температуре350 К: 1 – чистый ПММА, 2– 0,5% УЛС. 9

Расчет диэлектрической проницаемости полимеров на основе УЛС Поляризация фуллеренов (монополь дипольная модель) Что бы избежать трудностей связанных с расхождение данных тензоров, предполагаем [2], что избыточный заряд q i описывается Гауссовым распределением: Для больших фуллеренов 10

Расчет диэлектрической проницаемости полимеров на основе УЛС где t – коэффициент пропускания (t=1-k, к – коэффициент экранирования). С учетом экранирования внутренних слоев для поляризуемости УЛС получаем Теория Максвелла – Гарнетта Частотную зависимость поляризуемость фуллеренов можно ввести чисто формально, как это было сделано [4] используя выражения: Частотную зависимость поляризуемость фуллеренов можно ввести чисто формально, как это было сделано используя выражения: с -коэффициент пропорциональности 11

Расчет диэлектрической проницаемости полимеров на основе УЛС Зависимость диэлектрической проницаемости УЛС/ПММА и УЛС/полиуретан тонкой пленки, с различной концентрацией УЛС: экспериментальные и теоретические данные. 12

Расчет диэлектрической проницаемости полимеров на основе УЛС Зависимость диэлектрической проницаемости УЛС/ПММА (0,5 % УЛС) композита от частоты. 13

Основные результаты и новизна исследования Был выполнен диэлектрический анализ полимерных композитов на основе УЛС (УЛС/ ПММА, УЛС/ полиуретан) в частотном диапазоне от 20 до 1 МГц и в температурном диапазоне 240 и 520 К. Теоретическим моделированием и экспериментальными результатами было доказана, что даже малые концентрации УЛС в полимерном композите могут существенно изменить свойства исходного полимера (диэлектрическую проницаемость, температуру стеклования, плавления и т.д.). Экспериментальные данные согласуются с результатами расчетов, основанных на измененной теории Максвелла – Гарнетта, применяющий во внимание распределение по размерам агломератов УЛС. 14

Положение выносимые на защиту Разработка основ технологии введения УЛС в полимеры и создание на их основе модифицированных полимерных покрытий. Теоретическая модель электромагнитного отклика многокомпонентных композиционных материалов с дисперсией размеров включений Концепция направленного формирования электромагнитного отклика композитов путем варьирования размеров, формы и плотности наноуглеродных включений и свойств матрицы Прототипы новых покрытий, поглощающих ЭМИ в широком диапазоне длин волн 15

Спасибо за внимание 16