Радіопоглинаючі композиційні керамічні матеріали на основі карбіду кремнію

Abstract

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."