Колесов В. В., Фіона А. С.

Інститут радіотехніки й електроніки РАН Москва, Росія Тел.: +7 (095) 2021046; e-mail: kvv@mail.cplire.ru Доценко І. П., Юрков Г. Ю.

Інститут загальної та неорганічної хімії ім. Н. С. Курнакова РАН

Москва, Росія

Анотація – Розроблено технологію створення металополімерних нанокомпозитів на основі різних полімерних матриць. Досліджено основні електрофізичні характеристики металополімерних нанокомпозитів поліетилен-залізо з вмістом наночастинок заліза до 20 масових відсотків у різних частотних діапазонах.

I. Вступ

Сучасна стратегія науково-технічного розвитку багато в чому визначається рівнем досягнень у сфері нових матеріалів. Матеріали зі спеціальними фізико-механічними і хімічними властивостями, технологія їх виготовлення і обробки є основою створення нової наукомісткої продукції.

Нанофазние матеріали являють собою речовини з внутрішньою структурою, що має характерні розміри нанометрового масштабу. Структуровані композитні нанофазние матеріали мають специфічні особливості і властивості, відмінні від властивостей речовин, що знаходяться в звичайних об’ємних фазах, наприклад, можуть мати інші механічні та електрофізичні характеристики в різних частотних діапазонах, в тому числі і в мікрохвильовому діапазоні. Основою наномасштабі-ної структури можуть бути як металеві наночастинки, так і молекулярні кластери, що володіють абсолютною ідентичністю.

Використання специфічних особливостей на-нофазних матеріалів дозволить створювати «розумні» адаптаційні матеріали з наперед заданими властивостями, які можуть змінюватися під впливом параметрів зовнішнього середовища. На основі таких матеріалів можна створювати радіоелектронні пристрої нового покоління.

Досить актуальним завданням в даний час є створення високопродуктивної технології виробництва радіопоглинаючих матеріалів нового покоління з розширеними функціональними і споживчими можливостями, в тому числі з підвищеним радіопоглощеніем в широкому діапазоні частот.

Особливе місце займають полімери з магнітними наночастинками. Останні роки в цій галузі інтенсивно йшли розробки методів отримання та стабілізації магнітних частинок нанометрових розмірів. На базі таких матеріалів виявлений ряд унікальних властивостей, таких як гігантське магнітосопро-тівленіе, висока коерцитивна сила та ін Це дозволяє сподіватися на застосування таких матеріалів в системах запису і зберігання інформації з великою щільністю запису, як компактних постійних магнітів в магнітних системах, матеріалів для систем надглибокого охолодження і т.п.

II. Основна частина

Високодисперсні металеві частинки з розмірами від 1-30 нм – це найменш вивчена область об’єктів. Властивості наночастинок сильно відрізняються як від властивостей масивного матеріалу, так і від властивостей індивідуального атома або молекули. До незвичайним властивостям наночасток необхідно віднести також їх магнітні і каталітичні властивості.

Способи отримання можна розділити на два основних напрямки:

1) отримання наночастинок з атомів металів, в результаті нукпеаціі (конденсаційний);

2) отримання наночастинок з компактного металу шляхом диспергування (диспергирующий).

диспергуючий метод полягає в подрібненні мікрочастинок до нанорозмірів, а конденсаційний – пов’язаний з агломерацією атомів металу. Ці способи дозволяють отримувати металлсодержащіе частинки з різноманітними фізико-хімічними властивостями та розмірами [1].

Проблемою при отриманні наночасток є їх висока реакційна здатність. Наночастки чутливі до домішок, агломеруючого один з одним при впливі на систему ззовні. Підвищення стійкості наночастинок досягається застосуванням стабілізаторів, в якості яких використовуються низькомолекулярні органічні сполуки та синтетичні полімери (ПЕ, ПП, ПТФЕ, тощо).

Існують два принципово різних способи стабілізації наночастинок з допомогою матричної ізоляції. Перший спосіб полягає в додаванні розчину полімерного стабілізатора до готової дисперсії часток. При цьому і сам полімер може піддаватися різним перетворенням: деструкції, зшивання, зв’язування з металокомплексів. Другий підхід полягає в приготуванні дисперсії в присутності стабілізатора або в отриманні стабілізатора з його попередників в середовищі готової дисперсії нанорозмірних частинок. Поширеною різновидом цього способу є формування наночастинки безпосередньо в середовищі полімеру. Отримувані матеріали відрізняються максимально рівномірним розподілом часток металів в обсязі полімеру і міцним хімічним взаємодією металу з полімером.

У даній роботі зразки металлополімеров отримували методом термодеструкції органічних солей металів у розчин-розплаві поліетилен-масло

[2]. Вимірювання діелектричної проникності вироблялися в вимірювальної ємнісний осередку. Експериментальна залежність £ (С) (Мал. 1) корелює зі зміною щільності зразків в залежності від концентрації наночастинок заліза.

Вимірювання електропровідності проводилися на постійному струмі в електрометричне осередку при робочих напругах 10, 100 і 1000 В. Характер залежності струму через зразок від часу свідчить про переважно іонному характер провідності аж до концентрацій наночастинок заліза 10 масових відсотків і величин напруженості прикладеного електричного поля 10е В / м.

Значне збільшення питомої електропровідності до 10 ‘11 См / м для зразків з 20% вмістом наночастинок заліза (на три – чотири порядки вище ненаполненного полімеру) можна пояснити активацією додаткових механізмів електропровідності, таких як стрибкова і тунельна (Мал. 2). Така активація відбувається при досягненні деякого порогового рівня концентрацій наночасток в інтервалі 10 … 20 масових відсотків. Величина напруженості електричного поля порядку 105-106 В / м характеризує висоту бар’єру для активуються типів провідності.

С. мас.%

Рис. 1. Залежність діелектричної проникності від змісту наночастинок заліза. £ д-діелектрична проникність ненаполненного полімеру).

Fig. 1. The permittivity dependence upon mass percentage content of iron nanoparticles. ed– permittivity of the unfilled polymer

Дослідження надвисокочастотних властивостей проводились в волноводном тракті на різних частотах. Виміри показали збільшення поглинаючої здатності наноструктурованого матеріалу зі збільшенням щільності наночастинок в полімерній матриці. Зокрема загасання НВЧ-коливань на частоті 30 ГГц дорівнювало 4 і 16 дБ / см при концентрації наночастинок заліза в полімерній матриці відповідно 10 і 20 масових відсотків.

Рис. 2. Залежність питомої електропровідності від вмісту наночастинок заліза. Од-питома електропровідність ненаполненного полімеру.

1 – при 10 В, 2 – при 100 В, 3 – при 1000 В.

Fig. 2. The electric conductivity dependence upon mass percentage content of iron nanoparticles for various applied voltage. Od- electric conductivity of the unfilled polymer. 1 – for 10 V, 2-for 100 V, 3-for 1000 V

Досліджено електрофізичні характеристики металополімерних нанокомпозитів на основі наночастинок заліза, інкорпорованих в матрицю з поліетилену. Показано, що такі матеріали можуть бути використані в пристроях, ефективно екранують електромагнітне випромінювання в широкому частотному діапазоні.

Робота виконувалася в рамках проекту МНТЦ № 1991 і програми Президії РАН «низькорозмірних квантові структури».

I. Список літератури

[1] Губин. С. П., Рос. хім. журн., 2000, XLIV, № 6, С. 23.

[2] Помогайло А. Д., Розенберг А. С., Уфлянд І. Є.. Наночастки металів в полімерах, Москва: Хімія, 2000.

THE NANOCOMPOSITE METAL-POLYMERIC MATERIALS

Kolesov V. V., FionovA. S.

Institute of Radioengineering and Electronics RAS Moscow, Russia Tel.: (095) 2021046; e-mail: kvv@mail.cplire.ru Dotsenko I. P., Yurkov.G. Yu.

Institute of General and Inorganic Chemistry, RAS Moscow, Russia

Abstract – The technology of making of metal-polymeric nanocomposites on the basis of the various polymeric matrixes was developed. The main electrophysical characteristics of metal-polymeric nanocomposites polyethylene-iron with contents of nanoparticles before 20 mass percents in different frequency ranges were investigated.

I.  Introduction

The modern strategy of scientific and engineering evolution in many respects is defined by the achievements level in the field of new materials development. The materials with especial physical and chemical characteristics, technology of fabrication and processing are a basis of high technology.

II.  Main part

In the present study the samples of metal-polymeric nanocomposites were produced by the thermo destruction method of organic salts of metals in solution-melt polyethylene-oil. The permittivity measurements were carried out in measuring capacitive cell. The conductivity measurements were produced on direct currents in electrometric cell at applied voltages 10, 100 and 1000 V. Investigations of UHF characteristics were realized in waveguide on various frequencies. The measurements have shown increasing of absorbing abilities of nanostructured material with increasing of nanoparticles consistence in polymeric matrix. In particular the attenuation of UHF-radiation on frequency 30 GHz was equal to 4 and 16 dB/cm at nanoparticle concentrations in polymeric matrix 10 and 20 mass percents, accordingly.

III.  Conclusion

The electrophysical characteristics of metal-polymeric nanocomposites on the basis of iron nanoparticles incorporated to polyethylene matrix were investigated. It was shown that such materials can be used in devices effectively shielding electromagnetic radiation in broad frequency range.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»