161 "Хімічні технології та інженерія"

Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/48416

Переглянути

Результати пошуку

Зараз показуємо 1 - 5 з 5

Композиційні радіопоглинаючі матеріали на основі ферримагнітних з’єднань
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Кривобок, Андрій Вікторович
Дисертаційна робота спрямована на розвиток наукових основ та ідей створення нових ферритових матеріалів та технологічних параметрів виготовлення функціональних радіопоглинаючих матеріалів на їх основі. Об’єкт дослідження – процеси синтезу нікель-цинкового ферриту з високою діелектричною проникністю та розробка складів і технологічний процес виготовлення композиційних радіопоглинаючих матеріалів на його основі. Предмет дослідження – фізико-хімічні закономірності формування фазового складу і структури Ni-Zn ферритів та композиційних матеріалів на їх основі. Мета роботи: розробка складів нікель-цинкового ферриту з високою діелектричною проникністю та композиційних радіопоглинаючих матеріалів на його основі з ефективним поглинанням в діапазоні 10-100 МГц. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, зазначено зв’язок роботи з науковими темами, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет та методи дослідження, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію про практичне використання, особистий внесок здобувача, апробацію результатів дослідження та їх висвітлення у публікаціях. Приводяться відомості щодо структури та обсягу дисертаційної роботи. В першому розділі розглянуто основні джерела електромагнітного випромінювання, зокрема, негативного побутового електромагнітного випромінювання їх потужність та частотний діапазон. Досліджено класифікацію радіопоглинаючих матеріалів та встановлено характеристики існуючих радіопоглинаючих матеріалів та проаналізовані їх спеціальні властивості у взаємозв’язку зі структурою та фазовим складом. Приведено переваги та недоліки сучасного стану виробництва радіопоглинаючих матеріалів в Україні та за кордоном. Встановлено, що феррити характеризуються унікальними магнітними та діелектричними характеристики що здатні забезпечити високий рівень радіопоглинання. Це відбувається за рахунок за малих діелектричних втрат між природним ферромагнітним резонансом і резонансом доменних границь, що спостерігається при 500 МГц. З цього слідує, що головним завданням технології є забезпечення зниження частоти резонансу доменних границь у ферритах в діапазон частот, менший за 100 МГц. Проведено порівняльний аналіз властивостей ферритів з точки зору їх використання для виготовлення композиційних радіопоглинаючих матеріалів. Проаналізовано різні технології синтезу ферритів та їх вплив на електродинамічні характеристики. Встановлено, що найбільш складним і багатоступеневим є процес спільного осадження солей або гідроксидів з подальшим розкладанням їх до оксидів. Більш простим є процес термічного розкладання солей відповідних металів до оксидів. Найпростішим способом є приготування шихти шляхом змішування і розмелювання готових порошкоподібних оксидів. До переваг методу приготування шихти з суміші порошкоподібних оксидів належать: можливість дотримання точно заданого складу, відсутність відходів, відсутність шкідливих виділень, що забруднюють атмосферу, простота технологічної схеми виробництва. Обрано сполуки з ряду твердих розчинів ферритів нікелю та цинку (NiFe2O4 та ZnFe2O4) та приведено ряд факторів, що впливають на радіопоглинаючі властивості ферритів. Встановлено, що сучасні дослідження у напрямі підвищення якості радіопоглинаючих ферритів проводяться за двома напрямками, це підвищення питомого опору ферритів та збільшення вкладу бар’єрної ємності у ферритах. Визначено напрями та сформульовано завдання досліджень, спрямованих на створення технології виготовлення нікель-цинкового ферриту з високою діелектричною проникністю (понад 1800 при 10-100 МГц), придатної для виготовлення композиційних радіопоглинаючих матеріалів різного призначення. В другому розділі наведені відомості щодо сировинних матеріалів, методів виготовлення лабораторних зразків, а також надана характеристика методів та обладнанню для теоретичних і експериментальних досліджень, проведених в дисертаційній роботі. Теоретичні дослідження проводили з використанням сучасних методів аналізу згідно положень фізичної хімії і термодинаміки оксидних композицій. Розробку складів композиційних матеріалів на основі ферритів здійснювали із використанням повнофакторного експерименту. Діелектричні властивості отриманих матеріалів визначали згідно галузевих норм із залученням приладів: тераомметру E6-13A та RLC-вимірювача імітансу Е7-8. Вимірювання електродинамічних характеристик (відношення потужності, що пройшла, до падаючої потужності та відношення відбитої потужності до падаючою) проводилися на двопозиційній установці квазіоптичного типу. Вимірювання коефіцієнтів проводилося на частотах від 10 до 100 МГц (з кроком 10 МГц). Процеси формування ферритів досліджували з використанням рентгено-фазового аналізу (ДРОН-3, SHIMADZU XRD-6000) та растрової електронної мікроскопії (РЕМ) на скануючому електронному мікроскопі (JSM-6390LV). В третьому розділі теоретично обґрунтовано та проведено тріангуляцію системи NiO – ZnO – Fe2O3, побудовано її топографічний граф. Розраховані відсутні геометро-топологічні характеристики елементарних трикутників, склади та температури евтектик та обґрунтовано області для синтезу ферритів. В четвертому розділі розроблено склади Ni-Zn ферритів, що дозволяють розширити частотний діапазон ефективного поглинання електромагнітного випромінювання, за рахунок зміни базового складу (Ni0,3Zn0,7Fe2O4) введенням легуючих та модифікуючих добавок. Розробки дозволили збільшити до 1260 величину діелектричної проникності та на 20-25 % магнітну проникність досліджуваного ферриту, що дозволило розширити діапазон поглинання електромагнітного випромінювання у бік низьких частот 10-50 МГц. Отримані результати, що дозволяють розробити ферритові матеріали з поєднанням високих значень магнітної та діелектричної проникності, що забезпечує зміщення частотного інтервалу поглинання випромінювання в низькі частоти. Зростання діелектричної проникності ферритів, що спостерігається при збільшенні їх магнітної проникності можна пояснити формуванням крупнозернистої структури зі зростанням температури спікання В п’ятому розділі проведені дослідження зі створення композиційних радіопоглинаючих матеріалів на основі розробленого нікель-цинкового ферриту. Створено композиційну кераміку на основі славсоніту. Створено композиційну кераміку для личкування стін в приміщеннях. Розроблено полімерну композицію PCF30 для виготовлення гнучких та облегшених елементів засобів маскування. Розроблені композиційні радіопоглинаючі матеріали відповідають комплексу характеристик необхідних для застосування за основним функціональним призначенням. В шостому розділі приведені дослідження електродинамічних характеристик розроблених композиційних радіопоглинаючих матеріалів та рекомендовано їх використання в частотному діапазоні 10-100 МГц і, зокрема, в діапазоні 10-20 МГц. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. За результатами дослідження отримано такі наукові результати: - вперше проведено тріангуляцію системі NiO – ZnO – Fe2O3 за допомогою отриманого рівняння теплоємності для NiFe2O4 та ZnFe2O4, визначено співіснуючі фази та евтектики між ферритами та в трикутнику між ферритами та оксидом заліза (ІІІ), що дало можливість встановити область перспективних складів нікель-цинкових ферритів та обрати базовий склад Ni0,3Zn0,7Fe2O4; - вперше встановлено оптимальну частоту обертання планетарного млина (400 об./хв, 85-90 % потужності) для подрібнення вихідних ферритоутворюючих оксидів і ферритового порошку та кількість поверхнево-активної речовини для утворення подвійного електричного шару, що підвищило густину та збільшило магнітну й діелектричну проникності нікель-цинкових ферритів. - вперше, експериментально підтверджено, що незначне збільшення вмісту оксиду заліза (0,2-0,4 мас. %) у складі нікель-цинкового ферриту Ni0,3Zn0,7Fe2O4 понад стехіометрію виконує роль модифікатора та приводить до збільшення діелектричної проникності в 3 рази. Що також пов’язано з формуванням бар’єрного механізму ємності Окадзакі на основі структури з напівпровідникових зерен, оточених діелектричними прошарками, що відбувається на етапі синтезу; - вперше встановлено вміст легуючих добавок – оксидів кальцію та титану, що на 50-70 % підвищують діелектричну проникність досліджених ферритів. Цей механізм забезпечується формуванням зернограничного шару, що характеризується високою діелектричною проникністю та високим електроопором (механізм ємності Окадзакі); - вперше за результатами комплексних розрахункових і експериментальних досліджень розроблено технології виробництва композиційні радіопоглинаючі матеріали на основі створеного нікель-цинкового ферриту. Практичне значення отриманих результатів. Запропоновано базовий склад, легуючі добавки та режими спікання для отримання нікель-цинкового ферриту з високою діелектричною проникністю, що забезпечують збільшення поглинання випромінювання в інтервалі частот від 10 МГц до 100 МГц. Показано, що малі добавки оксиду заліза (понад стехіометрію) у складі нікель-цинкового ферриту підвищує їх питомий електроопір до 105 – 106 Ом·м, забезпечуючи високий рівень поглинання випромінювання у досліджуваному частотному інтервалі. Створено композиційні керамічні матеріали на основі славсонітової матриці, що характеризуються підвищеною міцністю та термостійкістю. Встановлено зниження дії електромагнітного випромінювання у діапазоні частот 10-100 МГц в середньому на 8,5 дБ порівняно. Створено композиційні керамічні матеріали на основі керамічних мас для виготовлення личкувальної плитки зі збереженням естетичних характеристик, що забезпечує зниження напруженості електромагнітного поля у діапазоні частот 10-100 МГц в середньому на 7,0 дБ, що є достатнім для нівелювання побутового небажаного електромагнітного випромінювання і забезпечує ефективний захист біологічних і технічних об’єктів. Встановлено можливість використання розробленого нікель-цинкового ферриту в якості радіопоглинаючого наповнювача полімерних композиціях, що мають високу актуальність з точки зору розробки маскувальних матеріалів (середній рівень зниження потужності електромагнітного випромінювання складає 9,0 дБ). Результати досліджень впроваджені в навчальний процес кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». The dissertation work is aimed at the development of scientific foundations and ideas for the creation of new ferrite materials and technological parameters for the production of functional radio-absorbing materials based on them. The object of the research is the synthesis processes of nickel-zinc ferrite with high dielectric constant and the development of compositions and the technological process of manufacturing composite radio-absorbing materials based on it. The subject of the study is the physical and chemical regularities of the formation of the phase composition and structure of Ni-Zn ferrites and composite materials based on them. The purpose of the work: development of compositions of nickel-zinc ferrite with high dielectric constant and composite radio-absorbing materials based on it with effective absorption in the range of 10-100 MHz. In the introduction, substantiates the relevance of the topic of the dissertation, indicates the connection of the work with scientific topics, formulates the purpose and tasks of the research, defines the object, subject and methods of the research, shows the scientific novelty and practical significance of the results obtained, provides information about practical use, personal contribution the acquirer, approbation of research results and their coverage in publications. Information on the structure and scope of the dissertation work is given. In the e first chapter examines the main sources of electromagnetic radiation, in particular, negative household electromagnetic radiation, their power and frequency range. The classification of radio-absorbing materials was studied and the characteristics of existing radio-absorbing materials were established and their special properties were analyzed in relation to the structure and phase composition. Advantages and disadvantages of the current state of production of radio-absorbing materials in Ukraine and abroad are given. It has been established that ferrites are characterized by unique magnetic and dielectric characteristics capable of providing a high level of radio absorption. This happens due to small dielectric losses between the natural ferromagnetic resonance and the resonance of the domain boundaries, which is observed at 500 MHz. It follows that the main task of the technology is to reduce the resonance frequency of domain boundaries in ferrites to a frequency range lower than 100 MHz. A comparative analysis of the properties of ferrites from the point of view of their use for the manufacture of composite radio-absorbing materials was carried out. Different ferrite synthesis technologies and their influence on electrodynamic characteristics are analyzed. It was established that the most complex and multi-stage process is the co-precipitation of salts or hydroxides with their further decomposition into oxides. The process of thermal decomposition of salts of the corresponding metals to oxides is simpler. The easiest way is to prepare the charge by mixing and grinding ready-made powdered oxides. The advantages of the method of preparing a charge from a mixture of powdery oxides include: the ability to comply with a precisely specified composition, the absence of waste, the absence of harmful secretions that pollute the atmosphere, and the simplicity of the production process. Compounds are selected from a number of solid solutions of nickel and zinc ferrites (NiFe2O4 and ZnFe2O4) and a number of factors affecting the radio-absorbing properties of ferrites are given. It has been established that modern research in the direction of improving the quality of radio-absorbing ferrites is carried out in two directions, i.e. increasing the specific resistance of ferrites and increasing the contribution of the barrier capacity in ferrites. The directions and tasks of research aimed at creating a technology for manufacturing nickel-zinc ferrite with high dielectric constant (over 1800 at 10-100 MHz), suitable for the manufacture of composite radio-absorbing materials for various purposes, have been determined. In the second chapter provides information on raw materials, methods of manufacturing laboratory samples, and describes the methods and equipment for theoretical and experimental studies conducted in this thesis. Theoretical studies were carried out using modern methods of analysis in accordance with the provisions of physical chemistry and thermodynamics of oxide compositions. The development of compositions of composite materials based on ferrites was carried out using a full-factor experiment. The dielectric properties of the obtained materials were determined in accordance with industry standards using the following devices: a teraohmmeter E6-13A and an RLC imitance meter E7-8. Measurements of the electrodynamic characteristics (ratio of transmitted power to incident power and ratio of reflected power to incident power) were performed on a two-position quasi-optical setup. The coefficients were measured at frequencies from 10 to 100 MHz (with a step of 10 MHz). The processes of ferrite formation were studied using X-ray phase analysis (DRON-3, SHIMADZU XRD-6000) and scanning electron microscopy (SEM) on a scanning electron microscope (JSM-6390LV). In the third section, the triangulation of the NiO – ZnO – Fe2O3 system was theoretically substantiated and carried out, and its topographic graph was constructed. The missing geometric and topological characteristics of elementary triangles, compositions and temperatures of eutectics were calculated, and the areas for the synthesis of ferrites were substantiated. In the fourth chapter, the compositions of Ni-Zn ferrites are developed, which allow to expand the frequency range of effective absorption of electromagnetic radiation, due to the change of the basic composition (Ni0.3Zn0.7Fe2O4) by the introduction of alloying and modifying additives. The developments made it possible to increase the value of the dielectric constant to 1260 and the magnetic permeability of the studied ferrite to 20-25%, which made it possible to expand the range of absorption of electromagnetic radiation towards low frequencies of 10-50 MHz. The obtained results make it possible to develop ferrite materials with a combination of high values of magnetic and dielectric permeability, which ensures a shift in the frequency range of radiation absorption to low frequencies. The increase in the dielectric constant of ferrites, which is observed with an increase in their magnetic permeability, can be explained by the formation of a coarse-grained structure with an increase in the sintering temperature In the fifth chapter, research was conducted on the creation of composite radio-absorbing materials based on the developed nickel-zinc ferrite. Composite ceramics based on slavsonite have been created. Composite ceramics have been created for interior wall cladding. A polymer composition PCF30 has been developed for the production of flexible and lightweight elements of camouflage means. The developed composite radio-absorbing materials correspond to the set of characteristics necessary for use in the main functional purpose. In the sixth chapter, a study of the electrodynamic characteristics of the developed composite radio-absorbing materials is given on the basis and their use in the frequency range of 10-100 MHz and, in particular, in the range of 10-20 MHz is recommended. In the conclusions, the main results of the scientific work regarding the solution of the set scientific problems of the research are given. According to the results of the study, the following scientific results were obtained: - for the first time, the triangulation of the NiO – ZnO – Fe2O3 system was carried out using the obtained heat capacity equation for NiFe2O4 and ZnFe2O4, the coexisting phases and eutectics between ferrite and in the triangle between ferrite and iron (III) oxide were determined, which made it possible to establish the area of promising compositions of nickel-zinc ferrite and to select the basic composition of Ni0.3Zn0.7Fe2O4; - for the first time, the optimal rotation frequency of the planetary mill (400 rpm, 85-90 % of power) for grinding the initial ferrite-forming oxides and ferrite powder and the amount of surfactant for the formation of a double electric layer were determined, which increased the density and increased the magnetic and dielectric constant of nickel-zinc ferrites; - for the first time, it has been experimentally confirmed that a slight increase in the content of iron oxide (0.2-0.4 wt%) in the composition of nickel-zinc ferrite Ni0.3Zn0.7Fe2O4 above the stoichiometry acts as a modifier and leads to a 3-fold increase in dielectric constant. This is also due to the formation of the barrier mechanism of the Okazaki capacitance based on the structure of semiconductor grains surrounded by dielectric layers, which occurs at the synthesis stage; - for the first time, the content of alloying additives - calcium and titanium oxides - was determined, which increase the dielectric constant of the studied ferrites by 50-70 %. This mechanism is ensured by the formation of a grain boundary layer characterized by high dielectric constant and high electrical resistance (Okazaki capacitance mechanism); - for the first time, based on the results of comprehensive computational and experimental studies, technologies for the production of composite radio-absorbing materials based on the created nickel-zinc ferrite were developed. The practical significance of the obtained results is as follows: the basic composition, alloying additives, and sintering modes for obtaining nickel-zinc ferrite with high dielectric constant, which provide an increase in radiation absorption in the frequency range from 10 MHz to 100 MHz, are proposed. It is shown that small additions of iron oxide (above stoichiometry) in the composition of nickel-zinc ferrite increase their specific electrical resistance to 105-106 Ohm·m, ensuring a high level of radiation absorption in the studied frequency range. Composite ceramic materials based on slavsonite matrix, characterized by increased strength and heat resistance, have been created. A decrease in the effect of electromagnetic radiation in the frequency range of 10-100 MHz was established by an average of 8.5 dB compared. Composite ceramic materials have been created based on ceramic masses for the production of facing tiles while maintaining aesthetic characteristics, which provides a reduction in the intensity of the electromagnetic field in the frequency range of 10-100 MHz by an average of 7.0 dB, which is sufficient for leveling household unwanted electromagnetic radiation and provides effective protection of biological and technical objects. The possibility of using the developed nickel-zinc ferrite as a radio-absorbing filler in polymer compositions, which are highly relevant from the point of view of the development of masking materials, has been established (the average level of electromagnetic radiation power reduction is 9.0 dB). The results of the research have been implemented in the educational process of the Department of Ceramics, Refractories, Glass and Enamels Technology of the National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute».
Радіопоглинаючі композиційні керамічні матеріали на основі карбіду кремнію
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024) Майстат, Микита Сергійович
Дисертаційна робота спрямована на розвиток наукових основ і уявлень щодо отримання радіопоглинаючих керамічних матеріалів на основі карбіду кремнію та дослідження їх електродинамічних та експлуатаційних властивостей. Об'єкт дослідження – процес формування радіопоглинаючого композиційного керамічного матеріалу на основі карбіду кремнію. Предмет дослідження – фізико-хімічні закономірності впливу складу і структури на радіопоглинаючий композиційний керамічний матеріал на основі карбіду кремнію. Дисертацію присвячено вирішенню науково-практичної задачі – розробці складів та технологічних параметрів отримання радіопоглинаючого композиційного керамічного матеріалу на основі карбіду кремнію із заданими електрофізичними характеристиками та фізико-механічними властивостями. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, зазначено зв’язок роботи з науковими темами, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет та методи дослідження, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію про практичне використання, особистий внесок здобувача, апробацію результатів дослідження та їх висвітлення у публікаціях. Приводяться відомості щодо структури та обсягу дисертаційної роботи. У першому розділі виявлені основні характеристики існуючих радіопоглинаючих матеріалів та проаналізовані їх спеціальні властивості у взаємозв’язку зі структурою та фазовим складом. Відображено переваги та недоліки сучасного стану виробництва керамічних радіопоглинаючих матеріалів. Визначено напрями та сформульовано завдання досліджень, спрямованих на створення технології радіопоглинаючої кераміки кераміки. У другому розділі наведені відомості щодо сировинних матеріалів, методів виготовлення зразків, а також надана характеристика методів та обладнання для теоретичних і експериментальних досліджень, здійснених в дисертаційній роботі. Теоретичні дослідження проводили з використанням сучасних методів аналізу згідно положень фізичної хімії і термодинаміки силікатів. Діелектричні властивості отриманих матеріалів визначали згідно методик діючих стандартів із залученням приладів: тераомметру ТОмМ-01 та RLC вимірювача імітансу Е7-8. Вимірювання електрофізичних характеристик проводили хвилевидним методом у надвисокочастотному діапазоні радіохвиль (26–37,5 ГГц) на стандартній установці, модернізованій генераторним блоком Р2-65 та індикатором Я2Р-67. Процеси формування радіопоглинаючої кераміки досліджували із залученням рентгенофазового аналізу (ДРОН-3) та растрової електронної мікроскопії на скануючому електронному мікроскопі (JSM-6390LV) в Інституту монокристалів НАН України (м. Харків), Дослідження спектрів коефіцієнтів передачі та відбиття, дійсної та уявної діелектричної проникності, а також тангенсу кута діелектричних втрат в діапазоні від 10 ГГц до 67 ГГц вимірювалися за допомогою векторного аналізатора кіл Keysight Technologies (Agilent) PNA N5227A\N5227 на кафедрі квантової фізики КНУ ім. Т.Г. Шевченка (м. Київ). У третьому розділі обґрунтовано вибір карбіду кремнію в якості електропровідної добавки для радіопоглинаючої кераміки, яка здатна захищати від дії електромагнітного випромінювання всередині приміщень, які піддаються, а також для екологічних цілей зменшення інтенсивності електромагнітного поля. Проаналізована структура, фізико-механічні властивості карбіду кремнію, а також його використання в кераміці, зокрема для створення поглиначів електромагнітної випромінювання, підсумовано основи поглинання ЕМВ, а потім наведено вплив мікро/наноструктури та морфології на ефективність поглинання ЕМВ та пов’язані з ними механізми, та описано метод напівсухого пресування. Визначена формула якою можна визначити найкращу товщину поглинання та найефективніший діапазон частот, що є ефективним методом для керівництва структурою матеріалів, які поглинають ЕМВ. У четвертому розділі проведено розробку складів та технології виробництва радіопоглинаючої кераміки, виявлено характер залежності питомого об’ємного опору, фізико-механічних та експлуатаційних властивостей досліджуваних матеріалів, а також концентрації карбіду кремнію у керамічній масі. Визначено, що найкращим за електрофізичними характеристиками був зразок з 30 % SiC, який мав наступні властивості: водопоглинання – 5,6 %, відкрита поруватість – 12,2 %, уявна густина – 2,16 г/см3. Для II шару були характерні такі данні: водопоглинання – 6,0 %, відкрита поруватість – 11,8 %, уявна густина – 1,96 г/см3. Для плитки з 30 % SiC було проведено рентгенофазовий аналіз, що показав наявність SiC, що є важливою умовою отримання радіопоглинаючої кераміки. Коефіцієнт передачі хвилі для кераміки з 30 % SiC знаходиться в межах 10 – 13 дБ. Коефіцієнт відбиття хвилі становив близько 0,7 дБ. Це вказує на перспективу застосування цього складу з SiC як матеріал для радіопоглинаючої кераміки. У п’ятому розділі було розроблено технологічну схему виробництва, та виготовлена двошарова керамічна плитка з полив’яним покриттям та карбідом кремнію в I шарі і були вивчені основні електрофізичні характеристики розробленої кераміки такі як водопоглинання, уявна густина, межа міцності при згині, питомий об'ємний опір, а також дійсну та уявну діелектричну проникності, тангенсу кута діелектричних втрат в діапазоні від 10 ГГц до 67. Отримана керамічна плитка мала наступні характеристики: водопоглинання – 9,8 %; уявна густина – 1,9 г/см3; межа міцності при згині – 24,6 МПа, питомий об'ємний опір – 4,30·105 Ом∙м, коефіцієнт передачі – -10…-4 дБ (при частоті 10 ГГц – 67 ГГц), коефіцієнт відбиття – -10…-4 дБ (при частоті 10 ГГц – 67 ГГц), реальна діелектрична проникність – 7…9 (при частоті 10 ГГц – 67 ГГц), уявна діелектрична проникність – 0,5…2 (при частоті 10 ГГц – 67 ГГц), тангенс кута діелектричних втрат – 0,185 …0,21 (при частоті 10 ГГц – 67 ГГц). Експериментально підтверджено доцільність виготовлення виробів та деталей яка здатна захищати від дії електромагнітного випромінювання всередині приміщень, які піддаються, а також для екологічних цілей зменшення інтенсивності електромагнітного поля. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. Наукова новизна результатів роботи. У результаті виконання дисертаційної роботи отримані наступні наукові результати: - теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена можливість створення композиційних двошарових керамічних радіопоглинаючих матеріа- лів із заданими електродинамічними та експлуатаційними властивостями з ви- користанням карбіду кремнію в якості електропровідної добавки; - вперше експериментально підтверджено можливість використання розробленої двошарової композиційної керамічної плитки з полив’яним покриттям та кар-бідом кремнію в першому шарі як основи для захисту систем радіоелектроніки від електромагнітного випромінювання різних об’єктів із стабільними показни-ками реальної діелектричної проникності (7 – 9) та уявної діелектричної про-никності (0,5 – 2) в діапазоні частот 10 ГГц до 67 ГГц; - вперше за результатами комплексних теоретичних і практичних досліджень роз-роблено технологію виробництва двошарової композиційної радіопоглинаючої керамічної плитки з полив’яним покриттям та карбідом кремнію в першому шарі як основи для зменшення впливу електромагнітного випромінювання яка отримана за допомогою технології напівсухого пресування та одностадійним випалом. Практичне значення отриманих результатів полягає у створенні двошарової радіопоглинаючих композиційної керамічної плитки яка може бути придатною для електромагнітного захисту всередині приміщень, які піддаються впливу радіохвильового випромінювання, а також для екологічних цілей для зменшення інтенсивності електромагнітного поля. Отримана двошарова радіопоглинаюча композиційна керамічна плитка мала наступні характеристики: водопоглинання – 9,8 %; уявна густина – 1,9 г/см3; межа міцності при згині – 24,6 МПа, питомий об'ємний опір – 4,30·105 Ом∙м, коефіцієнт передачі – -10…-4 дБ (при частоті 10 ГГц – 67 ГГц), коефіцієнт відбиття – -10…-4 дБ (при частоті 10 ГГц – 67 ГГц), реальна діелектрична проникність – 7…9 (при частоті 10 ГГц – 67 ГГц), уявна діелектрична проникність – 0,5…2 (при частоті 10 ГГц – 67 ГГц), тангенс кута діелектричних втрат – 0,185 …0,21 (при частоті 10 ГГц – 67 ГГц). Теоретичні та практичні результати, отримані при виконанні науково- дослідної роботи впроваджено в навчальний процес кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». The dissertation work is aimed at developing scientific foundations and concepts for the production of radio-absorbing ceramic materials based on silicon carbide and studying their electrodynamic and operational properties. Object of Research – The process of forming radio-absorbing composite ceramic material based on silicon carbide. Subject of Research – Physico-chemical patterns of the influence of composition and structure on the radio-absorbing composite ceramic material based on silicon carbide. The dissertation is dedicated to solving the scientific and practical task of developing compositions and technological parameters for producing a radioabsorbing composite ceramic material based on silicon carbide with specified electrophysical characteristics and physico-mechanical properties. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, outlines the connection of the work with scientific themes, formulates the aim and objectives of the research, defines the object, subject, and methods of the research, shows the scientific novelty and practical significance of the obtained results, provides information on practical use, personal contribution of the author, approbation of the research results, and their publication. It also includes information about the structure and volume of the dissertation. The first chapter identifies the main characteristics of existing radio-absorbing materials and analyzes their special properties in relation to structure and phase composition. The advantages and disadvantages of the current state of production of ceramic radio-absorbing materials are presented. Directions and research tasks aimed at creating radio-absorbing ceramics technology are identified. The second chapter provides information about raw materials, sample fabrication methods, and the characterization of methods and equipment used for theoretical and experimental research conducted in the dissertation. Theoretical studies were conducted using modern analytical methods according to the principles of physical chemistry and thermodynamics of silicates. The dielectric properties of the obtained materials were determined according to the methods of current standards using instruments such as a teraohmmeter TOMM-01 and an RLC impedance meter E7-8. Electrophysical characteristics were measured using the waveguide method in the microwave range (26–37.5 GHz) on a standard setup, upgraded with a generator block R2-65 and an indicator YA2P-67. The processes of forming radio-absorbing ceramics were studied using X-ray phase analysis (DRON-3) and scanning electron microscopy on a scanning electron microscope (JSM-6390LV) at the Institute for Single Crystals of NAS of Ukraine (Kharkiv). The transmission and reflection spectra, real and imaginary dielectric permittivity, and dielectric loss tangent in the range from 10 GHz to 67 GHz were measured using a vector network analyzer Keysight Technologies (Agilent) PNA N5227A/N5227 at the Department of Quantum Physics of Taras Shevchenko National University of Kyiv (Kyiv). The third chapter justifies the choice of silicon carbide as a conductive additive for radio-absorbing ceramics, which can protect against electromagnetic radiation inside rooms and reduce the intensity of the electromagnetic field for environmental purposes. The structure, physical and mechanical properties of silicon carbide, its use in ceramics, and particularly for creating electromagnetic radiation absorbers are discussed. A summary of the basics of EM radiation absorption is provided, and the impact of micro/nanostructure and morphology on EM radiation absorption efficiency and associated mechanisms are described. The semi-dry pressing method is also described. A formula for determining the optimal thickness of absorption and the most effective frequency range was found, serving as an effective guide for designing EMabsorbing materials. The fourth chapter develops compositions and production technology for radioabsorbing ceramics, identifying the dependence of specific volume resistance, physical-mechanical, and operational properties of the materials on the concentration of silicon carbide in the ceramic mass. It was determined that the best sample contained 30% SiC, with properties such as water absorption of 5.6%, open porosity of 12.2%, and apparent density of 2.16 g/cm³. The second layer had characteristics like water absorption of 6.0%, open porosity of 11.8%, and apparent density of 1.96 g/cm³. X-ray phase analysis of the tile with 30% SiC showed the presence of SiC, which is crucial for obtaining radio-absorbing ceramics. The wave transmission coefficient for ceramics with 30% SiC is within 10–13 dB, and the reflection coefficient is about 0.7 dB, indicating the potential use of this SiC composition as a radio-absorbing ceramic material. The fifth chapter develops the technological production scheme and fabricates a two-layer ceramic tile with a glaze coating and silicon carbide in the first layer. The main electrophysical characteristics of the developed ceramics, such as water absorption, apparent density, flexural strength, specific volume resistance, real and imaginary dielectric permittivity, and dielectric loss tangent in the range from 10 GHz to 67 GHz, were studied. The obtained ceramic tile had the following characteristics: water absorption of 9.8%, apparent density of 1.9 g/cm³, flexural strength of 24.6 MPa, specific volume resistance of 4.30×10⁵ Ω·m, transmission coefficient of -10 to -4 dB (at 10 GHz to 67 GHz), reflection coefficient of -10 to -4 dB (at 10 GHz to 67 GHz), real dielectric permittivity of 7 to 9 (at 10 GHz to 67 GHz), and imaginary dielectric permittivity of 0.5 to 2 (at 10 GHz to 67 GHz). It was experimentally confirmed that it is feasible to produce products and components capable of protecting against electromagnetic radiation inside rooms and reducing the intensity of the electromagnetic field for environmental purposes. The conclusions present the main results of the research addressing the scientific objectives. As a result of the dissertation work, the following scientific results were obtained: - theoretically substantiated and experimentally confirmed the possibility of creating composite two-layer ceramic radio-absorbing materials with specified electrodynamic and operational properties using silicon carbide as a conductive additive; - for the first time, the possibility of using the developed two-layer composite ceramic tile with a glaze coating and silicon carbide in the first layer as a basis for protecting radio electronics systems from electromagnetic radiation of various objects with stable indicators of real dielectric permittivity (7-9) and imaginary dielectric permittivity (0.5-2) in the frequency range of 10 GHz to 67 GHz was experimentally confirmed; - for the first time, based on the results of comprehensive theoretical and practical research, a technology for producing two-layer composite radio-absorbing ceramic tiles with a glaze coating and silicon carbide in the first layer as a basis for reducing the impact of electromagnetic radiation was developed using semi-dry pressing technology and single-stage firing. The practical significance of the obtained results lies in the creation of a twolayer radio-absorbing composite ceramic tile suitable for electromagnetic protection inside rooms subjected to radio wave exposure, as well as for ecological purposes to reduce the intensity of the electromagnetic field. The obtained two-layer radioabsorbing composite ceramic tile had the following characteristics: water absorption – 9.8%; apparent density – 1.9 g/cm³; flexural strength – 24.6 MPa; specific volume resistance – 4.30×10⁵ Ω·m; transmission coefficient – -10…-4 dB (at frequencies 10 GHz – 67 GHz); reflection coefficient – -10…-4 dB (at frequencies 10 GHz – 67 GHz); real dielectric permittivity – 7…9 (at frequencies 10 GHz – 67 GHz); imaginary dielectric permittivity 0.5…2 (at frequencies 10 GHz – 67 GHz), tangent of the dielectric loss angle – 0.185 …0.21 (at frequencies 10 GHz – 67 GHz). Theoretical and practical results obtained in the course of the research work were implemented in the educational process of the Department of Ceramics, Refractories, Glass, and Enamels at the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute."
Удосконалення технології переробки нафти з урахуванням її електрофізичних властивостей
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Набіль, Абдель Сатер
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 – Хімічні технології та інженерія (16 – Хімічна інженерія та біоінженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Міністерство освіти і науки України, Харків, 2023. Дисертаційна робота спрямовано на розробку системи оперативного контролю роботи установок первинної переробки нафти. Об’єкт дослідження – вдосконалення процесу первинної переробки нафти. Предмет дослідження – вплив хімічного та фракційного складу нафти та отриманих з неї продуктів на їх електрофізичні властивості. В дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача, яка пов’язана з удосконаленням процесу первинної переробки нафти за рахунок впровадження системи глобального моніторингу і корекції технологічного процесу за показником відносної діелектричної проникності сировини і отриманих з неї продуктів. Під час визначення стану питання щодо напрямків удосконалення роботи установок первинної переробки нафтової сировини застосовувався аналітичний підхід. Теоретичні дослідження базувалися на фундаментальних законах фізики, органічної хімії та математики. Експериментальні дослідження проводились в лабораторних умовах з використанням приладів кафедри технології переробки нафти, газу та твердого палива Національного технічного університету «Харківського політехнічного інституту» за стандартними (ДСТУ, ASTM та ISO) та авторськими методиками визначення показників якості сировини та отриманих з неї продуктів. Визначення групового хімічного складу нафти та продуктів її переробки, здійснювалося методом газової хроматографії мас-спектроскопії (ГХ/МС), а вимірювання відносної діелектричної проникності – резонансним методом. Обробку результатів, отриманих при проведенні експериментальних досліджень здійснювали методами математичної статистики, реалізованими в програмному пакеті STATISTICA 10. В вступі представлено обґрунтування актуальності обраної теми дисертаційної роботи; наведено зв’язок роботи з існуючими науковими програмами та темами; сформульована мета та відповідні до неї завдання дослідження; представлено характеристику методів дослідження, сформульовано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів; визначено особистий внесок здобувача; представлена апробація результатів дисертаційної роботи; характеристика публікацій за темою дисертаційної роботи; структура і обсяг дисертаційної роботи. В першому розділі дисертаційної роботи здійснено критичний аналіз існуючої в світовій технічній літературі інформації щодо сировини, режимів та продуктів, які утворюються під час первинної переробки нафтової сировини. Визначено напрямки вдосконалення роботи цих установок та методи визначення якості нафтової сировини та продуктів її переробки. Обґрунтовано перспективність розробки та впровадження систем оперативного контролю технологічного процесу первинної переробки нафтової сировини, за її якістю та якістю продуктів її переробки, що визначається за допомогою показника відносної діелектричної проникності ε. Проведений критичний аналіз дозволив визначити та обґрунтувати актуальність, сформулювати мету та відповідно до цієї мети основні завдання дисертаційного дослідження. В другому розділі наведено характеристика обраної для дослідження нафтової сировини (нафтової та газоконденсатної); фракцій, отриманих з цієї сировини; створених на їх базі модельних середовищ; хімічні реагенти та матеріали. Представлено програму наукових досліджень, характеристику лабораторного обладнання та методів, які використовувалось під час проведення цих досліджень та обробки отриманих експериментальних даних. У третьому розділі обґрунтовано вплив на величину параметру ε нафти, газового конденсату та продуктів їх переробки – дистилятних і залишкових фракцій (мазуту), групового хімічного складу. Запропоновано оцінювати ступінь підготовленості нафти/газового конденсату за показником підготовленості нафти (ППН), який визначається як ППН = f(ε). На базі проведених теоретичних досліджень розроблено алгоритми, що дозволяють вдосконалити процес первинної переробки нафтової сировини через впровадження системи оперативного контролю технологічного процесу за значенням відносної діелектричної проникності сировини та продуктів її переробки. Запропоновано використовувати середнє значення показника відносної діелектричної проникності ε нафтової сировини для створення її нової альтернативної до існуючих, класифікації. Висунуто гіпотезу про використання в якості класифікаційного признаку типу нафтової сировини та напрямку її технологічної переробки, використовувати критерій прогнозування (КП), який включає в себе визначення параметру ε та додатково кінематичної в’язкості і коксівності за Конрадсоном. В четвертому розділі було встановлено, що показник ε суттєво залежить від групового хімічного складу (типу) нафтової сировини та змінюється в діапазоні значень від 2,05 до 2,94. При цьому, для сировини ароматичного типу (А) її середнє значення дорівнює 2,90; для сировини нафтенового (N) – 2,62; для сировини парафінового (P) типу – 2,28. Встановлено, що зі збільшенням вмісту води з розчиненими в ній хлористими солями, відбувається збільшення (так, для нафти, при вмісті 1% води з 100 мг/дм3 NaCl – це збільшення складає 0,2; при вмісті 1 % води з 300 мг/дм3 NaCl – це збільшення складає 0,3; при вмісті 1% води з 900 мг/дм3 NaCl – це збільшення складає 0,43) величини показника ε нафтової сировини. Експериментально підтверджено, що в залежності від значень КП нафту можна класифікувати наступним чином: при КП < 1,50, сировина відноситься до 0 типу; при 1,50 ≤ КП < 5,50, сировина відноситься до 1, 2 типу; при 1,50 ≤ КП < 11,00, сировина відноситься до 3 типу; при КП > 11,00, сировина відноситься до 4 типу. Експериментально доведено, що оперативний контроль глибини вилучення (Х, %) дистилятних фракцій при ректифікації нафтової сировини можливо здійснювати за значенням показника ε та таких фізико-хімічних показників якості як ρ20 і ν20. Для цього, було отримано моделі, адекватність яких підтверджують досить високі значення (0,9847-0,9969) коефіцієнту достовірності апроксимації R2. Похибка оцінювання величини (Х, %) в суміжних фракціях знаходиться на рівні 0,5959-1,3292 %. Оцінено вплив наявності в прямогонній бензиновій фракції таких високооктанових компонентів як бензин каталітичного крекінгу і риформінгу та присадок (спиртів та ефірів), на збільшення величини показника εΣ отриманої суміші. В п’ятому розділі, в залежності від значень КП, розроблено раціональні схеми технологічної переробки нафтової сировини, які відноситися до паливного, оливного або комбінованого напрямку (варіанту) переробки нафтової сировини. Запропоновано схему взаємозв’язку між технологічними параметрами виробництва (температурою сировини (t,°C), кількістю промивної води (Wп.в., кг/кг), кількістю деемульгатора (хд., кг/кг), тривалістю процесу підготовки (τ, год); температурою в колоні (t,°C), тиском в колоні (Р, МПа), кількістю флегми (Wфл., кг/кг), швидкістю парів (u, м/с); кількістю компонентів (Хк., %) і присадок (Хп., %) в суміші) товарного палива та показником ε, що охоплює всі основні ділянки (підготовки сировини, переробки сировини та компаундування) установки первинної переробки нафтової сировини. Розроблено конструкцію двохсекційного датчику при застосуванні якого, стабільний результат вимірювання показника ε нафтової сировини в потоці досягається схемою монтування датчику (на відвідному патрубку з запірною арматурою та муфтовими з’єднаннями), яка здатна запобігати утворенню турбулентного (Re >2300) режиму руху нафтової сировини крізь датчик. На підставі проведених досліджень, задля здійснення оперативного контролю технологічного процесу на всіх ділянках установки первинної переробки нафти, здобувачем запропоновано використання системи глобального моніторингу та корекції (СГМК).
Радіопрозорі керамічні матеріали на основі системи RO – Al₂O₃ – SiO₂
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Волощук, Валентина Василівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 «хімічні технології та інженерія» (16 – хімічна та біоінженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, Харків, 2023. Дисертаційна робота спрямована на розвиток наукових основ і уявлень щодо отримання радіопрозорих керамічних матеріалів на основі системи RO – Al₂O₃ – SiO₂ (RО – SrО, BaО) та дослідження їх електродинамічних та експлуатаційних властивостей. Об’єкт дослідження – процеси спікання та фазоутворення керамічних матеріалів з комплексом діелектричних властивостей, здатних забезпечити максимальне пропускання електромагнітних хвиль радіочастотного діапазону. Предмет дослідження – фізико-хімічні закономірності формування, властивості, фазовий склад і структура радіопрозорих керамічних матеріалів на основі композицій системи RO-Al₂O₃-SiO₂; (RО = SrО, BaО) та технологічні параметри виготовлення захисних конструкцій радіотехнічних систем авіаційних об’єктів. Дисертацію присвячено вирішенню науково-практичної задачі – створенню технології виготовлення носових обтічників та елементів захисних конструкцій антенних систем авіаційних об’єктів з використанням розроблених радіопрозорих керамічних матеріалів, які володіють комплексом заданих функціональних та високих експлуатаційних властивостей. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, зазначено зв’язок роботи з науковими темами, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет і методи досліджень, показано наукову новизну та наведено інформацію про практичне значення та використання отриманих результатів, вказано особистий внесок здобувача, апробацію результатів дослідження та їх висвітлення у публікаціях. Наведено відомості про структуру та обсяг дисертаційної роботи здобувача. В першому розділі наведені основні характеристики існуючих радіопрозорих матеріалів і проаналізовані їх властивості у взаємозв’язку із структурою та фазовим складом. Проаналізовано переваги та недоліки існуючих радіопрозорих матеріалів і технології виробництва антенних обтічників з них. Проведено порівняльний аналіз характеристик кристалічних фаз керамічних матеріалів, здатних забезпечити надійність роботи антенних обтічників авіаційних об’єктів. Детально розглянуто сполуки, здатні забезпечити низькі показники діелектричних властивостей, високу жаростійкість, термічну та хімічну стійкість. З розглянутих сполук, як найбільш перспективні, обрано кристалічні фази славсоніту та цельзіану та розглянуто діаграми стану оксидних систем, які містять зазначені фази. Виділено питання, які є не вирішеними на даний момент, а саме питання щодо умов низькотемпературного синтезу цельзіанової та славсонітової керамік та удосконалення технології виготовлення виробів складної конфігурації з покращеним комплексом експлуатаційних та функціональних характеристик. Визначено напрями та сформульовано завдання досліджень, спрямованих на створення технології радіопрозорої кераміки, отриманої за зниженої температури випалу, для виготовлення захисних елементів радіотехнічних систем авіаційних об’єктів, що входять до складу озброєння літаків, та керованих ракет для зенітно-ракетних комплексів. В другому розділі наведені відомості щодо сировинних матеріалів, методів виготовлення зразків, а також надана характеристика методик та обладнання для теоретичних і експериментальних досліджень, які реалізовані в дисертаційній роботі. Теоретичні дослідження проводили з використанням сучасних методів аналізу згідно положень фізичної хімії і термодинаміки силікатів. Визначення параметрів газодинаміки та напружено-деформованого стану проводили за допомогою ліцензійного програмного забезпечення ANSYS (пакет ANSYS CFX та пакет ANSYS Mechanical). Діелектричні властивості отриманих матеріалів визначали згідно методик діючих стандартів із залученням приладів: тераомметру E6-13A та RLC-вимірювача імітансу Е7-8. Вимірювання електрофізичних характеристик проводили хвилевидним методом у надвисокочастотному діапазоні радіохвиль (26–37,5 ГГц) на стандартній установці, модернізованій генераторним блоком Р2-65 та індикатором Я2Р-67. Визначення вогнетривкості керамічних матеріалів здійснювали стандартним методом за ДСТУ ISO 528:2018. Хімічну стійкість кераміки визначали зерновим методом відносно агресивних реагентів (5 %-го розчину НCl, 20 %-вих розчинів H₂SO₄, NaOH та Na₂CO₃). Процеси формування радіопрозорої кераміки досліджували із залученням рентгено-фазового аналізу (ДРОН-3, SHIMADZU XRD-6000) та растрової електронної мікроскопії на скануючому електронному мікроскопі (PHENOM Pro). В третьому розділі обґрунтовано вибір оксидних композицій для отримання цельзіанової та славсонітової кераміки на основі систем SrО-Al₂O₃- SiO₂, BaО-Al₂O₃-SiO₂. Досліджено вплив добавок MgO, Cr₂O₃, ZrSiO₄, TiO₂, CaCO₃, B₂O₃, MoO₃ та евтектичної композиції Li₂O : SnO₂ на процеси структуро- та фазоутворення цельзіанової кераміки за умови зниженої температури синтезу. Доведено ефективність дії евтектичної добавки Li₂O : SnO₂ на утворення та синтез фази цельзіану в дослідженому температурному інтервалі. В четвертому розділі визначено оптимальні технологічні параметри синтезу цельзіану та славсоніту (температура випалу, тривалість витримки за максимальної температури випалу). Встановлено раціональну тривалість помелу продуктів синтезу за результатами досліджень зміни дисперсності продуктів синтезу при подрібненні. Визначено, що найкращих показників фізико-механічних властивостей розроблені керамічні матеріали набувають в умовах ізотермічної витримки впродовж 4 год за температури випалу 1350 °С. Встановлено структурно-фазові особливості отриманої кераміки методами рентгенофазового аналізу та скануючої електронної мікроскопії: отримані керамічні матеріали є високооднорідними монофазними щільноспеченими. Кристалічна фаза представлена дисперсними сполуками цельзіану або славсоніту, що забезпечують комплекс заданих функціональних та експлуатаційних властивостей. Представлено розроблені технології виготовлення носових обтічників для захисту антенного обладнання авіаційних об’єктів, отриманих радіопрозорих керамічних матеріалів на основі цельзіану та славсоніту із заданими функціональними та високими експлуатаційними властивостями. В п’ятому розділі з використанням термодинамічного аналізу обґрунтовано вірогідність взаємодії розробленої кераміки з кислотними (Н₂SO₄, HСl, HNO₃) та лужними (NaОН, Na₂CO₃) реагентами та експериментально підтверджено, що радіопрозорі керамічні матеріали на основі цельзіану та славсоніту мають підвищену хімічну стійкість до стандартних розчинів луг (NaОН, Na₂CO₃) та хлороводневої кислоти. Враховуючи значення енергії Гіббса, показано, що більш негативний вплив на керамічні матеріали вказаного складу має нітратна кислота. Проведено розрахунки параметрів газодинаміки та напружено-деформованого стану керамічних антенних обтічників, на основі розроблених складів цельзіанової та славсонітової кераміки та показано, що обтічник виготовлений з кераміки зазначених складів імовірно зберігатиме фізико-механічні властивості, а отже і цілісність в усіх розглянутих температурних режимах. Експериментально встановлено температуру плавлення розроблених керамік цельзіанового та славсонітового складу. Експериментально підтверджено доцільність виготовлення виробів та деталей конструкцій для захисту радіоелектронного обладнання у ракетній, авіаційній та космічній галузях за розробленими технологічними параметрами з використанням отриманих радіопрозорих керамічних матеріалів із стабільно низькими у міліметровому діапазоні частот 26 – 37,5 ГГц показниками діелектричних (ε = 4,5‒5,3; tgδ = 0,008‒0,015) та електродинамічних (kпер = -5,5… -2,0 дБ; kвідб = - 1,8 … - 6,1 дБ) характеристик, що задовольняє вимоги щодо їх функціональності. В шостому розділі наведено результати апробації та впровадження отриманих результатів дисертаційних досліджень. Результати дисертаційної роботи було впроваджено в ДП «КБ «Південне» ім. М.К. Янгеля» (м. Дніпро), у Костянтинівському ДНВП «Кварсит» Державного концерну «Укроборонпром» (м. Костянтинівка, Донецька обл.) та використовуються у навчальному процесі кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут».
Радіопрозорі керамічні матеріали на основі системи BaO – SrO – Al₂O₃ – SiO₂
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Чефранов, Євген Вікторович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 "Хімічні технології та інженерія". – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2020. Об’єкт дослідження – процеси формування фаз, здатних забезпечити задані електродинамічні характеристики керамічних матеріалів, що характеризуються максимальним пропусканням електромагнітних хвиль радіочастотного діапазону. Предмет дослідження – фізико-хімічні закономірності формування фазового складу і структури керамічних радіопрозорих матеріалів на основі системи BaO – SrO – Al₂O₃ – SiO₂. Дисертацію присвячено вирішенню науково-практичної задачі – розробка складів та технологічних параметрів отримання радіопрозорої кераміки на основі системи BaO – SrO – Al₂O₃ – SiO₂ із заданими електрофізичними характеристиками та фізико-механічними властивостями. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, зазначено зв’язок роботи з науковими темами, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет та методи дослідження, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію про практичне використання, особистий внесок здобувача, апробацію результатів дослідження та їх висвітлення у публікаціях. Приводяться відомості щодо структури та обсягу дисертаційної роботи. В першому розділі виявлені основні характеристики існуючих радіопрозорих матеріалів та проаналізовані їх спеціальні властивості у взаємозв’язку зі структурою та фазовим складом. Відображено переваги та недоліки сучасного стану виробництва керамічних радіопрозорих матеріалів. Проведено порівняльний аналіз властивостей сполук радіопрозорих керамічних матеріалів з точки зору їх використання для виготовлення обтічників літальних апаратів. Детально розглянуті найбільш перспективні сполуки, що забезпечують низькі показники діелектричної проникності і тангенсу кута діелектричних втрат, а також порівняно високу термічну стійкість. З розглянутих сполук були обрані цельзіан та славсоніт. Наведені діаграми стану систем в яких присутні фази цельзіану та славсоніту. Виділені проблеми, які в даний момент ще не вирішені, а саме питання щодо умов низькотемпературного синтезу цельзіан-славсонітової кераміки та технологічних особливостей виготовлення виробів складної конфігурації. Визначено напрями та сформульовано завдання досліджень, спрямованих на створення технології радіопрозорої кераміки отриманої при пониженій температури випалу, придатної для виготовлення захисних елементів радіотехнічних систем літальних апаратів та авіаційних керованих ракет, що входять до складу озброєння літаків та зенітно-ракетних комплексів. В другому розділі наведені відомості щодо сировинних матеріалів, методів виготовлення зразків, а також надана характеристика методів та обладнання для теоретичних і експериментальних досліджень, здійснених в роботі. Теоретичні дослідження проводили з використанням сучасних методів аналізу згідно положень фізичної хімії і термодинаміки силікатів. Для автоматизації термодинамічних розрахунків мною розроблена програма Thermodynamics. Розробку складів радіопрозорої кераміки здійснювали із залученням повнофакторного експерименту. Текучість і загусність шлікерів визначали з використанням віскозиметра Енглера. Діелектричні властивості отриманих матеріалів визначали згідно ГОСТ 24409-80 із залученням приладів: тераомметру E6-13A та RLC-вимірювача імітансу Е7-8. Вимірювання електрофізичних характеристик проводили хвилевидним методом в надвисокочастотному діапазоні радіохвиль (26–37,5 ГГц) на стандартній установці, модернізованій генераторним блоком Р2-65 та індикатором Я2Р-67. Процеси формування радіопрозорої кераміки досліджували із залученням рентгено-фазового аналізу (ДРОН-3, SHIMADZU XRD-6000) та растрової електронної мікроскопії (РЕМ) на скануючому електронному мікроскопі (JSM6390LV). Визначення вогнетривкості здійснювали інструментальним методом у відповідності до ГОСТ 4069-69. В третьому розділі теоретично обґрунтовано за допомогою термодинамічних методів розрахунку вірогідності утворення цельзіану з урахуванням поліморфних перетворень. Встановлені рівняння залежності енергії Гіббса від температури, за якими розраховані значення ∆𝐺𝑇 0 в інтервалі температур від 573 до 1773 К. Проведена тріангуляція системи BaO – SrO – Al₂O₃, що входить до BaO – SrO – Al₂O₃ – SiO₂, та побудований її топографічний граф. Розраховані відсутні геометро-топологічні характеристики елементарних трикутників, склади та температури евтектик. Уточнена субсолідусна будова системи BaO – SrO – Al₂O₃ – SiO₂, з урахуванням отриманих даних надана повна геометро-топологічна характеристика фаз системи та обґрунтовані області для синтезу радіопрозорої кераміки. В четвертому розділі в багатокомпонентної системі BaO – SrO – Al₂O₃ – SiO₂ визначені склади кераміки, які з урахуванням стехіометричних складів заданих фаз (цельзіан та славсоніт) відповідають співвідношенню 1:3; 1:1 та 3:1. Методом рентгенофазового аналізу встановлено, що фазовий склад дослідних зразків відповідає складу твердого розчину (BaₓSrᵧAl₂Si₂O₈). Досліджено вплив добавок SnO₂, Li₂O і двокомпонентної SL (SnO₂:Li₂O) добавки на інтенсифікацію процесів структуро- та фазоутворення цельзіанславсонітової кераміки при зниженій температурі синтезу. Доведено ефективність дії евтектичної добавки Li₂O : SnO₂ на утворення та синтез цельзіан-славсонітового складу в дослідженому температурному інтервалі. В п’ятому розділі досліджено параметри цельзіан-славсонітового шлікера в залежності від вологості шлікера без добавки та з додаванням розріджуючої добавки Dolapix PС 67 у різних концентраціях. Досліджено структурно-фазові особливості отриманої кераміки методами РФА і скануючої електронної мікроскопії. Інструментальним методом визначено вогнетривкість цельзіан-славсонітової кераміки. Наведено графічні інтерпретації, що відображають реальну картину зміни дисперсності продукту подрібнення в часі та досліджено вплив фракційного складу мас на процес структуроутворення. Оптимізовано технологічні параметри (температура випалу, час помелу синтезованого матеріалу, кількість розріджуючої добавки) отриманої радіопрозорої кераміки. Встановлено, що в дослідженій області найкращих фізико-механічних властивостей матеріал набуває при найвищих їх значеннях. Розроблена технологія виготовлення керамічних радіопрозорих носових обтічників для захисних елементів літальних конструкцій, виготовлених з матеріалів із заданими радіофізичними та експлуатаційними властивостями на основі барій-стронцієвого анортиту. В шостому розділі вивчені основні електрофізичні характеристики розробленого обтічника: діелектрична проникність, тангенс кута діелектричних втрат, коефіцієнти передачі та відбиття в частотному діапазоні 25,8 – 37,5 ГГц. Значення електрофізичних характеристик розробленої кераміки практично не змінюється в усьому діапазоні вимірюваних частот. Експериментально доведено, що коефіцієнт передачі та відбиття дослідженого обтічника в мікрохвильовому діапазоні задовольняє вимогам, які висуваються до радіопрозорих матеріалів. Наведено результати впровадження дисертаційного дослідження у ДП "КБ "Південне" ім. М. К. Янгеля" (м. Дніпро), у Костянтинівському державному науково-виробничому підприємстві "Кварсит" ДК "Укроборонпром" (м. Костянтинівка), у навчальному процесі кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".