Структуры для поглощения электромагнитного поляв сантиметровом диапазоне

В работе исследовались электродинамические свойства различных модельных структур, представляющих собой слой полярной жидкости на металлической подложке или полимерный каркас со взаимно перпендикулярными каналами трапециевидной формы и рассчитанных высоты и величины основания, заполненными жидкостью...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Date:	2015
Main Authors:	Пономаренко, А.Т., Шевченко, В.Г.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2015
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87982
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Структуры для поглощения электромагнитного поляв сантиметровом диапазоне / А.Т. Пономаренко, В.Г. Шевченко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2015. — Т. 13, № 1. — С. 117–133. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859803198070456320
author	Пономаренко, А.Т. Шевченко, В.Г.
author_facet	Пономаренко, А.Т. Шевченко, В.Г.
citation_txt	Структуры для поглощения электромагнитного поляв сантиметровом диапазоне / А.Т. Пономаренко, В.Г. Шевченко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2015. — Т. 13, № 1. — С. 117–133. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
description	В работе исследовались электродинамические свойства различных модельных структур, представляющих собой слой полярной жидкости на металлической подложке или полимерный каркас со взаимно перпендикулярными каналами трапециевидной формы и рассчитанных высоты и величины основания, заполненными жидкостью (этиловый спирт, вода, водно-спиртовые смеси, растворы неорганических солей и полисахаридов), c различной формой и площадью поперечного сечения. Для измерений применялись рупорные антенны соответствующих размеров. У роботі досліджувалися електродинамічні властивості різних модельних структур, що представляють собою шар полярної рідини на металевому підложжі або полімерний каркас із взаємно перпендикулярними каналами трапецієподібної форми та розрахованих висоти й величини основи, заповненими рідиною (етиловий спирт, вода, водно-спиртові суміші, розчини неорганічних солей і полісахаридів), з різною формою й площею поперечного перерізу. Для мірянь застосовувалися рупорні антени відповідних розмірів. We investigate electromagnetic properties of different model structures representing the polar liquid layer on a metal substrate or polymeric framework with mutually perpendicular trapezoidal channels of the calculated height and base, filled with liquid (ethyl alcohol, water, water-alcohol mixtures, and solutions of inorganic salts and polysaccharides), with different shape and cross-sectional area. The measurements are performed using horn antennas of appropriate sizes.
first_indexed	2025-12-07T15:14:26Z
format	Article
fulltext	117 PACS numbers: 07.57.Kp, 42.70.Qs, 77.22.Ch, 78.67.Pt, 78.70.Gq, 84.40.-x Структуры для поглощения электромагнитного поля в сантиметровом диапазоне А. Т. Пономаренко, В. Г. Шевченко Институт синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова РАН, ул. Профсоюзная, 70, 117393 Москва, Россия В работе исследовались электродинамические свойства различных мо- дельных структур, представляющих собой слой полярной жидкости на металлической подложке или полимерный каркас со взаимно перпенди- кулярными каналами трапециевидной формы и рассчитанных высоты и величины основания, заполненными жидкостью (этиловый спирт, вода, водно-спиртовые смеси, растворы неорганических солей и полисахари- дов), c различной формой и площадью поперечного сечения. Для измере- ний применялись рупорные антенны соответствующих размеров. У роботі досліджувалися електродинамічні властивості різних модельних структур, що представляють собою шар полярної рідини на металевому підложжі або полімерний каркас із взаємно перпендикулярними канала- ми трапецієподібної форми та розрахованих висоти й величини основи, заповненими рідиною (етиловий спирт, вода, водно-спиртові суміші, роз- чини неорганічних солей і полісахаридів), з різною формою й площею по- перечного перерізу. Для мірянь застосовувалися рупорні антени відпові- дних розмірів. We investigate electromagnetic properties of different model structures rep- resenting the polar liquid layer on a metal substrate or polymeric framework with mutually perpendicular trapezoidal channels of the calculated height and base, filled with liquid (ethyl alcohol, water, water-alcohol mixtures, and solutions of inorganic salts and polysaccharides), with different shape and cross-sectional area. The measurements are performed using horn antennas of appropriate sizes. Ключевые слова: СВЧ-поле, поглощающие структуры, электродинамиче- ские свойства, жидкости, рупорные антенны. (Получено 4 марта 2015 г.) Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2015, т. 13, № 1, сс. 117–133  2015 ІÌÔ (Інститут металофізики ім. Г. В. Êурдюмова ÍАÍ України) Íадруковано в Україні. Ôотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 118 А. Т. ПОÍОÌАРЕÍÊО, В. Г. ШЕВЧЕÍÊО 1. ВВЕДЕНИЕ В настоящее время в научно-технической литературе интенсивно обсуждаются вопросы, связанные с физико-химией заполненных жидкостью пористых сред, а также возможности их применения в науке и технике [1–3]. Значительная часть работ с такими объекта- ми исследований посвящена установлению взаимосвязи между их составом и комплексом физических свойств. Исследование физиче- ских и физико-химических свойств таких систем позволяет полу- чать информацию об их структурных особенностях. Так, например, адсорбция пористыми телами жидкостей и их паров используется для определения удельной пористости и распределения пор по раз- мерам [3]. Диэлектрические характеристики указанных сред зависят от со- держания и свойств удерживаемой ими жидкости. Поэтому элек- трические методы измерения применяются в строительстве для не- разрушающего контроля качества цемента, а также в геологораз- ведке для определения содержания углеводородов в геологических породах. Исследованию диэлектрических свойств заполненных жидко- стью пористых сред посвящено большое количество работ. Однако практически все они ограничиваются областью частот 0–108 Гц. Êроме того, в подавляющем их большинстве исследуются немаг- нитные среды. Это ограничивает возможности практического при- менения таких перспективных материалов, какими являются за- полненные жидкостью пористые магнитные среды. Поэтому одной из целей настоящей работы является изучение диэлектрических и магнитных свойств пористых ферритовых сред, заполненных по- лярными и неполярными жидкостями. В работе также исследуются проблемы, возникающие при разработке широкодиапазонных управляемых СВЧ-поглощающих структур на основе жидких сред, как выбор перспективных жидкостей и расчёт электродинамиче- ских характеристик указанных структур. Рассматриваются по- глощающие структуры, расположенные на металлической поверх- ности. В этом случае их поглощающие свойства можно характери- зовать таким параметром, как коэффициент отражения. 2. ИССЛЕДУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ В настоящей работе исследовались диэлектрические и магнитные свойства каналов различной формы, заполненные жидкостями, а также пористых магнитных сред, как заполненных, так и не запол- ненных жидкостями. В качестве магнитных сред использовались порошки следующих ферритов: СТРУÊТУРЫ ДЛЯ ПОГЛОЩЕÍИЯ ЭЛЕÊТРОÌАГÍИТÍОГО ПОЛЯ 119 1. Ba3Co2Ti0,8Fe23,2O41 (Co2Z, диапазон ЕÔÌР 4–10 ГГц) различной дисперсности; 2. Ba3Co2Fe12O22 (Co2Y, диапазон ЕÔÌР 1–4 ГГц) с размером частиц 0,5–2 мкм; 3. Ni2BaSc0.6Fe14.4O27 (диапазон ЕÔÌР 18–22 ГГц) с размером частиц 100–160 мкм; 4. BaFe12O19 (диапазон ЕÔÌР 38–41 ГГц) с размером частиц 100– 160 мкм. В качестве жидкостей использовались этиловый спирт, вода, водно-спиртовые смеси, гептан. При определении комплексных магнитной и диэлектрической проницаемостей феррит засыпался в тонкостенные трубки из стекла или ПЭ с внутренним диаметром 0,5–1,5 мм. Измерение  * и  * проводилось по резонаторной методи- ке. Равномерность заполнения трубок ферритом и жидкостью кон- тролировалась измерением  * с двух концов трубки. Образцы, для которых разница результатов этих двух измерений превышала 15%, отбраковывались. 3. ВЫБОР ЖИДКОГО КОМПОНЕНТА Ìожно показать, какими электрическими и магнитными свой- ствами должен обладать материал, чтобы эффективно поглощать электромагнитное излучение в широком диапазоне частот. Уравне- ние для входного сопротивления участка цепи с распределёнными параметрами, записывается в виде [4]: 2 1 1 1 2 th( ) th( ) Z Z ikh Z Z Z Z ikh    , а условие, необходимое для малости коэффициента отражения, — в виде: ZZ0. Здесь Z0 — волновое сопротивление свободного про- странства; Z1 — волновое сопротивление материала; Z2 — входное сопротивление металла. В результате математических преобразо- ваний можно получить условия, когда электрические и магнитные свойства материала обеспечат наиболее эффективное поглощение электромагнитных волн. Для немагнитных материалов, когда 1, 0, уравнения принимают вид:     2 2 4 ~ , ~ .d d          Такие частотные зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости характерны, в частности, для ориентационного механизма релаксации полярных молекул в жид- кости, которые описываются уравнением Дебая [5]: 120 А. Т. ПОÍОÌАРЕÍÊО, В. Г. ШЕВЧЕÍÊО * 0 1 / r i             . Действительную и мнимую части этого выражения можно записать в следующем виде:             2 0 02 2 , . 1 1 r r r r                           Асимптотики уравнений Дебая при r удовлетворяют усло- виям эффективного поглощения. Следовательно, характер частот- ных зависимостей действительной и мнимой частей диэлектриче- ской проницаемости полярных жидкостей таков, что они могут ис- пользоваться как поглощающий компонент для широкодиапазон- ных СВЧ-поглощающих покрытий в диапазоне длин волн r. Так как потери в неполярных жидкостях малы, целесообразно рассматривать только полярные жидкости, их смеси с неполярны- ми, а также бинарные смеси полярных жидкостей. Применение по- следних позволяет в широких пределах варьировать такие диэлек- трические свойства поглощающей среды, как r и другие параметры уравнения Дебая. Íедостатками практически всех жидких диэлектриков является то, что асимптотика r не охватывает весь СВЧ-диапазон. Êроме того, свойства большинства реальных жидких диэлектриков описы- ваются не уравнением Дебая, а уравнением Дэвидсона–Êоула [6]:   * 0 1 r i              , или более общим уравнением [4]:    * 0 1 1 r i               , асимптотика r которых, в отличие от уравнения Дебая, не удо- влетворяет условиям эффективного поглощения. Из всего сказанного выше следует, что жидкий компонент струк- туры должен обладать: высоким значением , определяющего его поглощающие свойства; иметь резонансную длину волны r, лежа- щую значительно выше рабочего диапазона длин волн, а также удо- влетворять дисперсионным зависимостям. Доступным, а также обладающим высокими значениями мнимой части диэлектрической проницаемости и теплоёмкости является такой жидкий диэлектрик, как вода. Однако вода имеет низкое значение r. Если при низких температурахr находится в санти- СТРУÊТУРЫ ДЛЯ ПОГЛОЩЕÍИЯ ЭЛЕÊТРОÌАГÍИТÍОГО ПОЛЯ 121 метровом диапазоне длин волн, то по мере нагрева она смещается в область миллиметровых волн. Из-за этого воду в качестве погло- щающего компонента можно использовать только в составе смесей с жидкостями, имеющими более высокие значения r. Такими жид- костями являются, например, спирты и их смеси [7, 8]. В таблице приведены параметры уравнения Дэвидсона–Êоула для ряда водно-спиртовых смесей различного состава. Таким обра- зом, подбором соответствующих пар жидкостей и изменением их концентрации можно в достаточно широких пределах изменять ве- личины  и таких бинарных смесей. Êак следует из таблицы, для смесей воды и этилового спирта коэффициент  в уравнении Дэвид- сона–Êоула равен 1 во всем диапазоне концентраций. Следователь- но, вода и этиловый спирт, смешанные в произвольной пропорции, удовлетворяют уравнениям эффективного поглощения. Таким образом, смеси этилового спирта и воды удовлетворяют всем приведённым выше требованиям к жидкому компоненту СВЧ- поглощающих структур, и в настоящей работе исследуются элек- трофизические свойства структур на их основе. 4. МЕТОД РАСЧЁТА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТРУКТУР С ЖИДКИМИ КОМПОНЕНТАМИ В основе предлагаемого нами метода расчёта электродинамических характеристик рассматриваемых структур лежит следующий факт: неоднородная среда, характерный размер неоднородностей которой много меньше длины волны, может быть представлена как бес- структурная среда, характеризуемая эффективной комплексной диэлектрической проницаемостью. Это свойство неоднородных сред широко используется в теории композиционных материалов при расчёте их механических и электрических характеристик. В настоящей работе мы применяем эту аппроксимацию к структурам с малым относительно длины волны структурным элементом. Это позволяет нам использовать для расчёта электродинамических свойств данных структур арсенал формул, выработанный теорией ТАБЛИЦА. Параметры уравнения Дэвидсона–Êоула для водно- спиртовых смесей различного состава) (r/2c). Êонцентрация воды (мольн.) , пс 1 0  0,1 100,7 1 27,99 4,20 0,3 87,10 1 29,76 4,34 0,5 63,10 1 37,18 4,57 0,7 42,66 1 50,48 5,51 0,9 20,89 1 71,65 5,26 122 А. Т. ПОÍОÌАРЕÍÊО, В. Г. ШЕВЧЕÍÊО композиционных материалов. Таким образом, метод, используе- мый нами для расчёта электродинамических параметров структур с жидкими компонентами, может быть назван методом композитной аппроксимации. Êак будет показано ниже, он позволяет получить выражения для эффективной диэлектрической проницаемости в аналитическом виде, что удобно для анализа результатов и исполь- зования в дальнейших расчётах, например, коэффициентов отра- жения электромагнитных волн от рассматриваемых структур, находящихся на подложке. Структуры, рассматриваемые в настоящей работе, изображены на рис. 1. Они состоят из слоя полимерного диэлектрика, в котором прорезана система каналов. Изображённые на рис. 1 структуры различаются формой сечения каналов. Были рассмотрены: щелевая структура, являющаяся простейшей структурой данного типа и бо- лее сложные структуры с каналами треугольного и трапецеидаль- ного сечения. При расчёте эффективной диэлектрической проницаемости рас- сматриваемые структуры были представлены системой n плоскопа- раллельных слоёв с соответствующим содержанием жидкости и по- лимера. Êаждый из этих слоёв был в свою очередь аппроксимиро- ван слоистым композитом (см. рис. 2). Эффективная диэлектриче- ская проницаемость i-го слоя рассчитывалась по правилу смеси, описывающей свойства плоскослоистых композитов со слоями, па- раллельными направлению движения волны [9]: а б в Рис. 1. Типы исследуемых структур: а) щелевая структура; б) структура с каналами треугольного сечения; в) структура с каналами трапецеидально- го сечения. Рис. 2. Схема, иллюстрирующая последовательные аппроксимации тра- пецеидальной структуры, используемые при выводе аналитических фор- мул для её эффективной диэлектрической проницаемости. СТРУÊТУРЫ ДЛЯ ПОГЛОЩЕÍИЯ ЭЛЕÊТРОÌАГÍИТÍОГО ПОЛЯ 123 1, 1 2, 2i i n        ; здесь 1,i,  и 2,i, 2— объёмные доли и диэлектрические проница- емости жидкости и полимера. Эффективная диэлектрическая проницаемость рассматриваемой структуры в целом рассчитывалась по формуле для плоскослои- стых композитов со слоями, перпендикулярными направлению движения волны [9]: 1 i i i      , где i, i — объёмные доли и диэлектрические проницаемости слоёв. В пределе  и после замены суммирования интегрированием, были получены следующие формулы для эффективной комплекс- ной диэлектрической проницаемости указанных выше типов структур. Для щелевой структуры      1 2 b a b a a b       , где 1 — диэлектрическая проницаемость жидкого компонента; 2 — диэлектрическая проницаемость твёрдого компонента. Для слоя с взаимно перпендикулярными каналами треугольного сечения     1 1 2 1 2 1 1 2 1 arth 1 1                           , где 2/T, 1 — диэлектрическая проницаемость жидкого компо- нента; 2 — диэлектрическая проницаемость твёрдого компонента. Для слоя с взаимно перпендикулярными каналами трапеце- идального сечения     1 1 2 1 arth 1 1                    , где (Sd)/T, (Sd)/R, R/T, 12; 1 — диэлектриче- ская проницаемость жидкого компонента;2 — диэлектрическая проницаемость твёрдого компонента (толщину полимерного слоя 124 А. Т. ПОÍОÌАРЕÍÊО, В. Г. ШЕВЧЕÍÊО над каналами считали пренебрежимо малой). 5. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУР С ЖИДКИМИ КОМПОНЕНТАМИ Экспериментальное исследование электрофизических свойств структур с жидкими компонентами проводилось с использованием структуры с системой взаимно перпендикулярных каналов трапеце- идального сечения. Êаналы прорезали в пластине пенополиуретана с низкими значениями действительной и мнимой частей диэлектриче- ской проницаемости (1,4,  0,05). Геометрические параметры системы каналов были следующими: 0,10, 0,11, 0,9. Êаналы заполнялись смесью этилового спирта и воды. Содержа- ние спирта в смеси варьировалось от 0 до 100% об. Были проведены измерения коэффициента отражения электро- магнитных волн от указанной структуры, размещённой на метал- лической пластине. Измерения проводились с использованием ру- а б в Рис. 3. Êоэффициенты отражения для структуры с взаимно перпендику- лярными каналами трапецеидального сечения, заполненной смесью воды с этанолом: а) 0% этанола; б) 66% этанола; в) 100% этанола. Сплошные кривые — результаты теоретических расчётов; экспериментальные дан- ные изображены треугольниками. СТРУÊТУРЫ ДЛЯ ПОГЛОЩЕÍИЯ ЭЛЕÊТРОÌАГÍИТÍОГО ПОЛЯ 125 порной антенны в диапазоне 2–13 ГГц. Результаты измерений представлены на рис. 3. С использованием модели предлагаемой в настоящей работе были проведены расчёты коэффициента отражения от структуры, опи- санной в предыдущем пункте. Структура рассматривалась как двухслойная, где первый со стороны падающей волны слой пред- ставляет собой слой полимера толщиной H  h. Второй слой — слой с каналами трапецеидального сечения с h. Расчёт коэффициента отражения проводился с использованием формулы Ôренеля [10] для коэффициентов прохождения и отраже- ния на границе двух сред. Результаты расчётов для различных со- держаний этилового спирта в водно-спиртовой смеси приведены на рис. 3. Êак следует из рисунка, изменяя состав жидкого компонен- та можно менять электродинамические свойства рассматриваемых структур с жидким компонентом в широких пределах. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных проведено на рис. 3. Êак видно из рисунка предложенный в насто- ящей работе метод расчёта эффективной диэлектрической прони- цаемости позволяет с хорошей точностью рассчитывать электроди- намические свойства структур, даже при относительно большом размере структурных неоднородностей, вплоть до T/0,4. Проведено теоретическое исследование зависимости электроди- намических свойств указанных структур от формы сечения кана- лов при их одинаковой объёмной доле. Для щелевой структуры и структур с трапецеидальным и треугольным сечением каналов, за- полненных водно-спиртовыми смесями различных составов, рас- считаны коэффициенты отражения. Результаты расчётов показы- вают, что зависимость коэффициента отражения от формы сечения каналов наблюдается даже для относительно тонких структур (h/0,5), в которых этот эффект не связан с влиянием формы се- чения на плавность входа волны. Таким образом, при расчётах эф- фективных диэлектрических проницаемостей указанных структур методом композитной аппроксимации недостаточно учитывать только объёмную долю жидкости в структуре. 6. МАГНИТНАЯ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОРИСТЫХ ФЕРРИТОВЫХ СРЕД КАК ЗАПОЛНЕННЫХ, ТАК И НЕ ЗАПОЛНЕННЫХ ЖИДКОСТЬЮ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МОДЕЛИ И МЕТОДОВ РАСЧЁТА 6.1. Исследование диэлектрической проницаемости пористых фер- ритовых сред, не заполненных жидкостью Проведены исследования комплексной диэлектрической проница- емости пористых ферритовых сред, её зависимости от частоты элек- 126 А. Т. ПОÍОÌАРЕÍÊО, В. Г. ШЕВЧЕÍÊО тромагнитной волны, пористости ферритовой среды, дисперсности и типа феррита. Íа рисунке 4 приведены зависимости  и  от пористости, изме- ренные для четырёх фракций феррита Co2Z, различающихся раз- мерами частиц. Êак следует из рисунка, результаты измерений как , так и  для всех фракций с хорошей точностью ложатся на одну кривую. Таким образом, зависимости диэлектрических свойств по- ристой ферритовой среды от размера частиц феррита не наблюдает- ся. Для выбора методов расчёта комплексной диэлектрической про- ницаемости была изучена применимость к исследуемым системам различных моделей композитной аппроксимации. Рассматрива- лись формулы: Ìаксвелла–Гарнетта [9, 11] * * * * * * 1 2 1 2 1 * * * * 1 2 1 2 2 2 ( ) 2 ( ) c c                  , (1) модели эффективной среды [12] * * * * 2 1 * * * * 2 1 (1 ) 2 2 c c               , (2) Брауна [13]   2 * * * 2 1 (1 )c c      , (3) Лихтенекера [14]     * * * 1 2 exp (1 ) ln lnc c      , (4) где с — пористость. Íа рисунке 5 приведены результаты сопоставления расчётов, проведённых по формулам (1)–(4), с экспериментальными значени- ями диэлектрической проницаемости пористых ферритовых сред на основе ферритов Со2Z и Co2Y. Êак следует из рисунка, зависи- а б Рис. 4. Зависимости  (a) и  (б) от пористости на частоте 4,8 ГГц, изме- ренные для четырёх фракций феррита Ba3Co2Ti0.8Fe23.2O41 (Co2Z). Размеры частиц для каждой из фракций обозначены на рисунке. СТРУÊТУРЫ ДЛЯ ПОГЛОЩЕÍИЯ ЭЛЕÊТРОÌАГÍИТÍОГО ПОЛЯ 127 мость от пористости комплексной диэлектрической проницаемости пористой среды на основе указанных ферритов лучше всего описы- вается формулой Брауна (3). Аппроксимация по формуле Ìаксвел- ла–Гарнетта (1) также даёт хорошие результаты. Аналогичные ре- зультаты получены и для других исследуемых ферритов. В формуле (3) зависимость от типа феррита выражается через ди- электрическую проницаемость беспористого феррита 2 , которая может быть получена из экспериментальных данных, приведённых на рис.6 и аналогичных данных, полученных для других ферритов, путём аппроксимации к нулевой пористости. 6.2. Исследование диэлектрических свойств пористых ферритовых сред, заполненных различными жидкостями а) Зависимость диэлектрических свойств от пористости фер- ритовой среды и дисперсности феррита Проведено исследование частотных зависимостей и зависимостей от пористости диэлектрических свойств пористых ферритовых сред, заполненных этиловым спиртом. Исследованы зависимости от пористости ,  среды феррит- спирт для четырёх фракций порошка феррита Co2Z на различных частотах. Íа рисунке 6 приведены данные для частоты 4,8 ГГц. Êак показал Винер [14, 15], диэлектрические свойства дисперсной системы любой структуры лежат между предельными значениями:     1 1 1 2 2 1 1 2 2 / /c c c c           . (5) а б Рис. 5. Сопоставление экспериментальных и теоретических (кривая 1 — формула (1), кривая 2 — формула (2), кривая 3 — формула (3), кривая 4 — формула (4), кривая 5 — линейная аппроксимация) значений  (a) и  (б) для пористых ферритовых сред на основе феррита Ba3Co2Ti0,8Fe23,2O41 (Со2Z). Частота 4,8 ГГц. 128 А. Т. ПОÍОÌАРЕÍÊО, В. Г. ШЕВЧЕÍÊО Êак следует из рис. 4, и действительная и мнимая части комплекс- ной диэлектрической проницаемости рассматриваемых систем вы- ше верхней границы Винера. Превышение над верхней границей Винера зависит от частоты, пористости и дисперсности феррита и составляет величину порядка нескольких десятков процентов. Для фракций 63–100 и 100–160 мкм значения  иногда превышают значение  для спирта. Таким образом, диэлектрические свойства рассматриваемых систем не могут быть описаны в рамках компо- зитной аппроксимации. Возможно, это явление связано с тем, что на поверхности частиц феррита образуется слой жидкости, диэлек- трические свойства которого, в силу взаимодействия жидкости и феррита, отличаются от диэлектрических свойств самой жидкости. Подобного рода явления на частотах менее 1 ÌГц наблюдал ряд ав- торов [16, 17], исследовавших диэлектрические свойства стеклян- ных и кварцевых пористых сред, заполненных водой. Вторым объ- яснением указанного эффекта может быть возможная вытянутость пор внутри ферритовых частиц. Êак известно [17], в случае вытяну- тых включений диэлектрические свойства гетерогенных систем выше, чем в случае включений с близкими размерами по всем осям. В пользу соображений о влиянии поверхности раздела фаз на ди- электрические свойства указанных систем свидетельствует отчёт- ливо выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от размера частиц феррита, и, как следствие, от площади суммарной поверхности феррита. С увеличением размера частиц (с уменьше- нием суммарной поверхности) диэлектрическая проницаемость смеси уменьшается. Íеобходимо, однако, отметить, что изменение диэлектрической проницаемости системы непропорционально уве- личению суммарной площади поверхности частиц феррита. а б Рис. 6. Зависимости  (a) и  (б) от пористости заполненной этанолом фер- ритовой среды на основе феррита Ba3Co2Ti0,8Fe23,2O41 (Co2Z) на частоте 4,8 ГГц, измеренные для четырёх фракций. Размеры частиц для каждой из фракций обозначены на рисунке. СТРУÊТУРЫ ДЛЯ ПОГЛОЩЕÍИЯ ЭЛЕÊТРОÌАГÍИТÍОГО ПОЛЯ 129 Эффект превышения  над верхней границей Винера и зависи- мость диэлектрических свойств от дисперсности феррита умень- шаются с увеличением частоты электромагнитного поля. Значения ' на частоте 20,6 ГГц находятся ниже верхней границы Винера и зависимость от размера частиц феррита не наблюдается. Для  пре- вышение над границей Винера и зависимость от размера частиц имеет место, однако оба эти эффекта не столь ярко выражены, как при более низких частотах. Íа рисунке 7 приведены спектры  и  заполненных спиртом ферритовых сред с одинаковым размером частиц и различной пори- стостью, а также частотные зависимости  и  феррита и спирта. Êак следует из рисунка,  и  заполненной спиртом пористой фер- ритовой среды имеют более резкие частотные зависимости, чем у компонентов. Это связано с тем, что превышение диэлектрической проницаемости над верхней границей Винера уменьшается с ростом частоты. Частотные зависимости  для пористостей выше 50% близки к частотным зависимостям  для спирта. б) Зависимость диэлектрических свойств от типа жидкости Исследование зависимости диэлектрических свойств заполненных жидкостью пористых ферритовых сред проводилось как с исполь- зованием полярных (этиловый спирт, вода, водно-спиртовые сме- си), так и неполярных (гептан) жидкостей. Проведено исследование частотных зависимостей и зависимостей от пористости диэлектрических свойств пористых ферритовых сред на основе феррита Ba3Co2Ti0,8Fe23,2O41 (Co2Z), заполненных водой. Íа рисунке 8 показаны зависимости диэлектрических свойств указанных сред от пористости. Êак следует из рисунка, значения а б Рис. 7. Сопоставление спектров  (a) и  (б) заполненных этиловым спир- том пористых сред на основе феррита Ba3Co2Ti0,8Fe23,2O41 (Co2Z) с одинако- выми размерами частиц феррита (фракция 100–160 мкм) и различной по- ристостью. Пористость исследуемых сред обозначена на рисунке. 130 А. Т. ПОÍОÌАРЕÍÊО, В. Г. ШЕВЧЕÍÊО как действительной, так и мнимой частей комплексной диэлектри- ческой проницаемости пористых ферритовых сред в отличие от случая, когда они заполнены спиртом, лежат ниже верхней грани- цы Винера. Íа рисунке 8 приведены также теоретические кривые, полученные расчётом по формулам (1)–(4). В расчётах использова- лись значения диэлектрических свойств феррита, приведённые выше, а также значения диэлектрических свойств воды, рассчи- танные по формуле Дебая с параметрами 1,75 см; 080,4; 4,2. Êак и для ненаполненных жидкостью пористых феррито- вых сред с экспериментальными кривыми наилучшим образом сов- падают кривые, полученные по формуле Брауна (3), которая успешно использовалась для расчёта диэлектрических свойств в СВЧ-области увлажнённых горных пород в работе [13]. Расчёты, проведённые по EMT (2), также дают хорошие результаты. Íеобхо- димо отметить, что эту модель успешно использовал ряд авторов [16, 17] для описания диэлектрических свойств пористых стеклян- ных сред, заполненных жидкостью, однако, при более низких ча- стотах в диапазоне 10–106 Гц. Проведённые исследования диэлектрических свойств наполнен- ных водой приведённых выше пористых сред не привели к обнару- жению их зависимости от размера частиц феррита. Зависимости диэлектрических свойств от пористости для случая заполнения смесями вода–этиловый спирт, как и в случае заполне- ния спиртом, расположены выше верхней границы Винера. По- скольку в случае заполнения водой такого эффекта не наблюдается, он, по-видимому, связан с наличием этилового спирта в составе за- полняющей среды. Проведено сопоставление эффектов превыше- а б Рис. 8. Сопоставление экспериментальных и теоретических (кривая 1 — формула (1), кривая 2 — формула (2), кривая 3 — формула (3), кривая 4 — формула (4), кривая 5 — верхняя граница Винера значений  (a) и  (б) для заполненных водой пористых сред на основе феррита Ba3Co2Ti0.8Fe23.2O41 (Со2Z). Частота 4,8 ГГц. СТРУÊТУРЫ ДЛЯ ПОГЛОЩЕÍИЯ ЭЛЕÊТРОÌАГÍИТÍОГО ПОЛЯ 131 ния диэлектрических свойств ферритовых сред над верхней грани- цей Винера в случае заполнения спиртом и водно-спиртовой сме- сью. В случае заполнения спиртом эффект выражен гораздо силь- нее, чем в случае заполнения водно-спиртовой смесью. Зависимости от пористости диэлектрических свойств пористых сред на основе феррита Ba3Co2Ti0,8Fe23,2O41 (Co2Z) наполненных геп- таном приведены на рис. 9. Íа этом рисунке также приведены рас- чётные кривые, полученные по формулам (1)–(4). Êак и в случае наполнения водой, наилучшее совпадение с экспериментом даёт расчёт по формуле Брауна (3). Расчёты, проведённые по EMT, дают удовлетворительное согласие теории и эксперимента. 7. ВЫВОДЫ Исследованы диэлектрические свойства пористых сред на основе различных типов ферритов, не заполненных жидкостями. Показа- но, что их диэлектрические свойства зависят от типа феррита, по- ристости и лучше всего описываются в рамках композитной ап- проксимации формулой Брауна. Расчёты по формуле Ìаксвелла– Гарнетта также даёт хорошие результаты и сходимость с экспери- ментом. Íе обнаружено зависимости диэлектрических свойств по- ристых ферритовых сред от размера частиц феррита. Диэлектрические свойства пористых ферритовых сред, запол- ненных водой и гептаном, описываются в рамках композитной ап- проксимации формулой Брауна. Расчёты, проводимые по методу эффективной среды, также дают удовлетворительные результаты. При исследовании диэлектрических свойств пористых феррито- а б Рис. 9. Сопоставление экспериментальных и теоретических (кривая 1 — формула (1), кривая 2 — формула (2), кривая 3 — формула (3), кривая 4 — формула (4), кривая 5 — верхняя граница Винера значений  (a) и  (б) для заполненных гептаном пористых сред на основе феррита Ba3Co2Ti0.8Fe23.2O41 (Со2Z). Частота 4,8 ГГц. 132 А. Т. ПОÍОÌАРЕÍÊО, В. Г. ШЕВЧЕÍÊО вых сред, заполненных этиловым спиртом и смесями вода– этиловый спирт, обнаружен эффект превышения действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости над верхней границей Винера, что делает невозможным описание ди- электрических свойств таких систем в рамках композитной ап- проксимации. Величина указанного превышения зависит от типа феррита и жидкости, пористости, размера частиц феррита и часто- ты электромагнитной волны. Высказано предположение, что рас- сматриваемый эффект связан с тем, что на поверхности частиц фер- рита образуется слой жидкости, диэлектрические свойства которо- го, в силу взаимодействия жидкости и феррита, отличаются от ди- электрических свойств самой жидкости. Ещё одним объяснением указанного эффекта может быть возможная вытянутость пор внут- ри ферритовых частиц. В пользу соображений о влиянии поверхно- сти раздела фаз на диэлектрические свойства указанных систем свидетельствует отчётливо выраженная зависимость диэлектриче- ской проницаемости от размера частиц феррита, и, как следствие, от площади суммарной поверхности феррита. В рассматриваемом диапазоне пористостей (40–60% об.) зависи- мость действительной и мнимой частей магнитной проницаемости от пористости линейна. Íе обнаружено зависимости магнитных свойств от наличия и типа жидкости, заполняющей пористую сре- ду. Варианты дальнейшего развития этих исследований изложены в превосходной книге [19]. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. B. Nettelblad and G. A. Niklasson, J. Phys., 8: 2781 (1996). 2. R. Hilfer, Adv. Chem. Phys., 92, No. 2: 299 (1996). 3. П. Я. Рогов, С. В. Íекрутман, Г. В. Лысов, Техника сверхвысокочастотного нагрева пищевых продуктов (Ìосква: Легкая промышленность: 1981). 4. Адсорбция и пористость (Ред. Ì. Ì. Дубинин, В. В. Серпинский) (Ìосква: Íаука: 1976). 5. Л. Ì. Бреховских, Волны в слоистых средах (Ìосква: Издательство АÍ СССР: 1957). 6. P. Debye, Polar Molecules (New York: Chem. Catalogue Co., Inc.: 1929). 7. D. W. Davidson and R. H. Cole, J. Chem. Phys., 19, No. 12: 1484 (1951). 8. C. Brot, C. R. Acad. Sci., 240, No. 20: 1989 (1955). 9. W. M. Heston, A. D. Franklin, E. J. Hennelly, and C. P. Smyth, J. Amer. Chem. Soc., 72, No. 8: 3443 (1950). 10. J. C. Maxwell, A Treatise in Electricity and Magnetism, 1: 440 (1954). 11. Л. Д. Ландау, Е. Ì. Лифшиц, Теоретическая физика. Т. 8. Электродинами- ка сплошных сред (Ìосква: Íаука: 1982). 12. R. Landauer, AIP Conference Proceedings (Eds. J. C. Garland and D. B. Tanner) (New York: AIP: 1978), No. 40, p. 2. 13. D. S. McLachlan, M. Blaszkiewicz, and R. E. Newnham, J. Am. Ceram. Soc., 73, СТРУÊТУРЫ ДЛЯ ПОГЛОЩЕÍИЯ ЭЛЕÊТРОÌАГÍИТÍОГО ПОЛЯ 133 No. 8: 2187 (1990). 14. W. E. Kenyon, J. Appl. Phys., 55, No. 8: 3153 (1984). 15. O. Wiener, Physik. Z, B.5: S.332 (1904). 16. O. Wiener, Abd. d. Liepz. Akad., B.32: S.53 (1912). 17. Т. Л. Челидзе, В. Í. Шилов, Электроповерхностные явления в дисперсных системах (Ìосква: Íаука: 1972). 18. Т. Л. Челидзе, А. И. Деревянко, О. Д. Êуриленко, Электрическая спектроскопия гетерогенных систем (Êиев: Íаукова думка: 1977). 19. Chemistry under Extreme and Non-Classical Conditions? (Eds. R. van Eldic and C. D. Hubbard) (New York–Weinheim: Wiley: 1997). REFERENCES 1. B. Nettelblad and G. A. Niklasson, J. Phys., 8: 2781 (1996). 2. R. Hilfer, Adv. Chem. Phys., 92, No. 2: 299 (1996). 3. P. Ja. Rogov, S. V. Nekrutman, and G. V. Lysov, Tekhnika Sverkhvysokochastotnogo Nagreva Pishchevykh Produktov (Moscow: Legkaya Promyshlennost’: 1981). 4. Adsorbtsiya i Poristost’ (Eds. M. M. Dubinin and V. V. Serpinskiy) (Moscow: Nauka: 1976). 5. L. M. Brekhovskikh, Volny v Sloistykh Sredakh (Moscow: Izdatel’stvo AN SSSR: 1957). 6. P. Debye, Polar Molecules (New York: Chem. Catalogue Co., Inc.: 1929). 7. D. W. Davidson and R. H. Cole, J. Chem. Phys., 19, No. 12: 1484 (1951). 8. C. Brot, C. R. Acad. Sci., 240, No. 20: 1989 (1955). 9. W. M. Heston, A. D. Franklin, E. J. Hennelly, and C. P. Smyth, J. Amer. Chem. Soc., 72, No. 8: 3443 (1950). 10. J. C. Maxwell, A Treatise in Electricity and Magnetism, 1: 440 (1954). 11. L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Teoreticheskaya Fizika. Vol. 8. Elektrodinamika Sploshnykh Sred (Moscow: Nauka: 1982). 12. R. Landauer, AIP Conference Proceedings (Eds. J. C. Garland and D. B. Tanner) (New York: AIP: 1978), No. 40, p. 2. 13. D. S. McLachlan, M. Blaszkiewicz, and R. E. Newnham, J. Am. Ceram. Soc., 73, No. 8: 2187 (1990). 14. W. E. Kenyon, J. Appl. Phys., 55, No. 8: 3153 (1984). 15. O. Wiener, Physik. Z, B.5: S.332 (1904). 16. O. Wiener, Abd. d. Liepz. Akad., B.32: S.53 (1912). 17. T. L. Chelidze, V. N. Shilov, Elektropoverkhnostnyye Yavleniya v Dispersnykh Sistemakh (Moscow: Nauka: 1972). 18. T. L. Chelidze, A. I. Derevyanko, and O. D. Kurilenko, Elektricheskaya Spektroskopiya Geterogennykh Sistem (Kiev: Naukova Dumka: 1977). 19. Chemistry under Extreme and Non-Classical Conditions? (Eds. R. van Eldic and C. D. Hubbard) (New York–Weinheim: Wiley: 1997).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-87982
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1816-5230
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T15:14:26Z
publishDate	2015
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
record_format	dspace
spelling	Пономаренко, А.Т. Шевченко, В.Г. 2015-11-05T19:01:23Z 2015-11-05T19:01:23Z 2015 Структуры для поглощения электромагнитного поляв сантиметровом диапазоне / А.Т. Пономаренко, В.Г. Шевченко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2015. — Т. 13, № 1. — С. 117–133. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 07.57.Kp, 42.70.Qs, 77.22.Ch, 78.67.Pt, 78.70.Gq, 84.40.-x https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87982 В работе исследовались электродинамические свойства различных модельных структур, представляющих собой слой полярной жидкости на металлической подложке или полимерный каркас со взаимно перпендикулярными каналами трапециевидной формы и рассчитанных высоты и величины основания, заполненными жидкостью (этиловый спирт, вода, водно-спиртовые смеси, растворы неорганических солей и полисахаридов), c различной формой и площадью поперечного сечения. Для измерений применялись рупорные антенны соответствующих размеров. У роботі досліджувалися електродинамічні властивості різних модельних структур, що представляють собою шар полярної рідини на металевому підложжі або полімерний каркас із взаємно перпендикулярними каналами трапецієподібної форми та розрахованих висоти й величини основи, заповненими рідиною (етиловий спирт, вода, водно-спиртові суміші, розчини неорганічних солей і полісахаридів), з різною формою й площею поперечного перерізу. Для мірянь застосовувалися рупорні антени відповідних розмірів. We investigate electromagnetic properties of different model structures representing the polar liquid layer on a metal substrate or polymeric framework with mutually perpendicular trapezoidal channels of the calculated height and base, filled with liquid (ethyl alcohol, water, water-alcohol mixtures, and solutions of inorganic salts and polysaccharides), with different shape and cross-sectional area. The measurements are performed using horn antennas of appropriate sizes. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Структуры для поглощения электромагнитного поляв сантиметровом диапазоне The Dispersion Sensitivity of Scattering Pattern to Defects Depending on Thickness of Crystalline Products of Nanotechnologies. I. Theoretical Model Article published earlier
spellingShingle	Структуры для поглощения электромагнитного поляв сантиметровом диапазоне Пономаренко, А.Т. Шевченко, В.Г.
title	Структуры для поглощения электромагнитного поляв сантиметровом диапазоне
title_alt	The Dispersion Sensitivity of Scattering Pattern to Defects Depending on Thickness of Crystalline Products of Nanotechnologies. I. Theoretical Model
title_full	Структуры для поглощения электромагнитного поляв сантиметровом диапазоне
title_fullStr	Структуры для поглощения электромагнитного поляв сантиметровом диапазоне
title_full_unstemmed	Структуры для поглощения электромагнитного поляв сантиметровом диапазоне
title_short	Структуры для поглощения электромагнитного поляв сантиметровом диапазоне
title_sort	структуры для поглощения электромагнитного поляв сантиметровом диапазоне
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87982
work_keys_str_mv	AT ponomarenkoat strukturydlâpogloŝeniâélektromagnitnogopolâvsantimetrovomdiapazone AT ševčenkovg strukturydlâpogloŝeniâélektromagnitnogopolâvsantimetrovomdiapazone AT ponomarenkoat thedispersionsensitivityofscatteringpatterntodefectsdependingonthicknessofcrystallineproductsofnanotechnologiesitheoreticalmodel AT ševčenkovg thedispersionsensitivityofscatteringpatterntodefectsdependingonthicknessofcrystallineproductsofnanotechnologiesitheoreticalmodel

Структуры для поглощения электромагнитного поляв сантиметровом диапазоне

Institution

Similar Items