Файл: Углеродные наноматериалы, производство, свойства, применение (Мищенко), 2008, c.172.pdf

Рис. 6.18. Блок-схема установки для измерения коэффициента отражения:

1 – стабилизатор сетевого напряжения Б2-2; 2 – генератор СВЧ Г4-109; 3 – ячейка измерительная; 4 – вольтметр электронный цифровой РВ7-22А;

5 – коаксиально-волноводные переходы; 6 – головка детекторная ДГВ 01-02; 7 – кабель коаксиальный СВЧ

Вустановках диапазона СВЧ для измерения коэффициента отражения используются рупорные антенны, поэтому для измерений необходимо применять образцы площадью порядка одного квадратного метра, поскольку образец должен находиться от приемной и передающей антенн на расстоянии, в несколько раз превышающем линейные размеры апертуры антенны. Это требование обусловлено необходимостью располагать образец за пределами так называемой ближней зоны антенны. В данной установке образец располагается именно в ближней зоне антенны, а в качестве приемной и передающей антенн спользуется открытый конец волновода. Устройство измерительной ячейки показано на рис. 6.19.

Вустановке один из волноводов является передающей, а второй – приемной антенной. Корпус измерительной ячейки выполнен из радиопоглощающего материала "Луч", в котором, как видно на рис. 6.19, вырезаны каналы для установки волноводов. Так как диаграмма направленности открытого конца волновода в плоскости Е близка к окружности, то при таком расположении волноводов прямая связь между ними достигает примерно 3 дБ, поэтому между волноводами установлен экран из алюминиевой фольги, покрытой с обеих сторон одним из экспериментальных РПП с содержанием УНМ "Таунит" около 25 %. Благодаря такому экрану прямая связь между волноводами практически отсутствует. Отсутствие прямой связи между волноводами определяли следующим образом: при включенной установке удаляли опорную пластину и располагали ячейку так, чтобы против открытых концов волно-

Рис. 6.19. Измерительная ячейка:

1 – корпус ячейки из РПМ "Луч"; 2 – волноводы сечением 28 × 13 мм; 3 – разделительный экран; 4 – стойки; 5 – образец; 6 – опорная пластина

водов не находилось никаких предметов ближе одного метра. Изменяя высоту экрана 3 (рис. 6.19), добивались минимальных показаний цифрового вольтметра, которые составляли 0,1…0,2 мВ. Такие показания цифрового вольтметра РВ7-22А наблюдаются при закороченных входных зажимах.

В качестве образца использовали прямоугольную пластину (подложку) из листового алюминия вышеуказанных размеров толщиной от 0,1 до 2 мм, на которую с одной стороны наносили исследуемое РПП. Измерения коэффициента отражения РПП производились в следующем порядке. Вначале подбиралось расстояние А (рис. 6.19) между опорной пластиной с уложенной на нее подложкой без нанесенного РПП и нижней плоскостью корпуса ячейки таким образом, чтобы сигнал (показания вольтметра) был максимален. Это расстояние зависит от частоты, на которой производится измерение, и может изменяться в пределах от 20 до 50 мм.

Затем устанавливалось по шкале выходного аттенюатора генератора СВЧ некоторое опорное значение ослабления Nоп таким образом, чтобы показания вольтметра Uоп были удобны для наблюдения. В нашем случае мы выбрали Nоп = 15 дБ, при этом Uоп = 5,6 мВ.

После этого проводили измерения с исследуемым РПП. Уменьшая ослабление выходного аттенюатора генератора СВЧ, восстанавливали прежнюю величину показаний цифрового вольтметра и получали новое значение показаний шкалы аттенюатора Nизм. Разница dN = Nизм – Nоп и определяла значение коэффициента отражения Kотр = dN. Относительную величину Kотр (по мощности) легко вычислить, посчитав десятичный логарифм dN и умножив его на 10.

Предварительно проводились исследования радиотехнических характеристик композиций эпоксидная смола + УНМ "Таунит" (эпоксидная смола холодного отверждения ЭД-10) в волноводе измерительного тракта. Образцы с толщиной от 1,5 до 5 мм и содержанием УНМ 14 и 5 % изготавливались в формах из фторопласта.

Определялись диэлектрические характеристики – tg δ и ε (тангенс угла диэлектрических потерь и относительная диэлектрическая проницаемость). В табл. 6.5 приведены усредненные значения измеряемых величин.

Погрешность измерения ε и tg δ волноводным мостовым методом составила около ± 6 % и ± 20 %, соответственно.

У ферритов, используемых для изготовления РПП для стен безэховых камер (например, покрытие типа "Дон"), tg δ не превышает 0,9…1,0 [18].

Основным объектом исследования РПП была выбрана композиция УНМ с лаком "Луксол". Технологические исследования – создание "монолитной" композиции полимер– УНМ "Таунит" – показали, что до 13…14 % УНМ по весу можно "равномерно" распределить в композите, поэтому с целью определения эффекта присутствия УНМ была выбрана композиция РПП с содержанием 11,2 %. Образцы для исследования изготовлялись путем нанесения приготовленной смеси шпателем с подформовкой пластиной из фторопласта для придания гладкой поверхности и равнотолщинности. Полимеризация полученного покрытия осуществлялась при комнатной температуре в течение 2 суток. Композиционная смесь готовилась в емкости из полиэтилена с механической мешалкой (частота 1200 об / мин). Для исследования было изготовлено 10 образцов, первая половина с толщиной покрытия 0,17 мм (± 0,02), вторая 0,3 мм.

Результаты измерений коэффициента отражения образцов представлены в табл. 6.6.

Проводили сравнение радиотехнических характеристик РПП на основе УНМ "Таунит" с РПП типа "Луч". Этот материал представляет собой механическую смесь органических волокон (пакля) с аморфным графитом (газовая сажа), пропитанную органическим связующим. Удельное электрическое сопро-

тивление материала "Луч" превышает 200 МОм×м. Элементы этого покрытия изготавливают в виде плит толщиной около 50 мм и размерами примерно 500 ´ 1000 мм. С наружной (прилегающей к стенам помещений) стороны эти плиты оклеены алюминиевой фольгой толщиной 0,1…0,2 мм. Относительный коэффициент отражения такого покрытия равен 0,26 или –5,8 дБ. Если сравнить результаты измерения Kотр экспериментальных радиопоглощающих композиций с УНМ "Таунит", то становится очевидным, что эти композиции имеют почти такой же коэффициент отражения, но гораздо технологичнее и проще в применении, нежели применяемые в настоящее время покрытия стен безэховых камер.

Например, если стены, пол и потолок безэховой камеры облицованы металлом, то нанести на них РПП, являющееся композицией с УНМ, можно по любой малярной технологии, т.е. просто покрасить их несколькими слоями этой композиции. На рис. 6.20 показаны образцы различных РПП.

Сравним измеренные значения относительного коэффициента отражения упомянутых РПП. Поглощающая резина представляет собой структуру из конусов высотой 16 мм на общем основании (из той же резины) толщиной 4 мм. РПП "Дон" – это конструкция из стального листа толщиной 3 мм, на который наклеены вплотную друг к другу ферритовые пластины толщиной 8 мм. На пластины, также вплотную друг к другу, наклеены ферритовые структуры, состоящие из девяти (3 ´ 3) полых четырехгранных пирамидок с основанием 35 ´ 35 мм и высотой 35 мм. Результаты измерения относительного коэффициента отражения этих РПП приведены в табл. 6.7.

Рис. 6.20. Образцы используемых РПП:

а– РПП с использованием УНМ "Таунит" (h = 0,5 мм);

б– радиопоглощающая резина (h = 9,6 мм);

в– РПП "Дон", пирамидальная структура из феррита (h = 30,8 мм);

г– РПП "Луч" (h = 52,7 мм)

Как видно из табл. 6.7, коэффициент отражения РПП на основе УНМ "Таунит" близок к Kотр известных РПП. Но если учесть результаты измерений РПП на основе УНМ (табл. 6.7), то видно, что небольшое – на несколько десятых миллиметра – увеличение слоя матрицы с УНМ позволит снизить Kотр РПП на основе УНМ в несколько раз. Следует заметить, что стойкость РПП на основе УНМ к воздействию внешних факторов – температуры, влажности и др. – зависит от аналогичных характеристик матрицы. Поэтому область применения РПП на основе УНМ "Таунит" может быть достаточно широкой.

6.5. НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Перспективы использования УНМ "Таунит" в строительных технологиях определяются совокупностью их свойств, позволяющих рассматривать данный материал как в качестве высокоэффективного фибрилянта, так и вещества, активно воздействующего на динамику структурообразования композитных строительных материалов.

Конечно, в силу все еще высокой стоимости УНМ и малых объемов производства трудно рассчитывать на промышленные объемы его использования уже в ближайшие годы. Однако уже сейчас можно с высокой коммерческой отдачей применять его в стройконструкциях специального назначения (хранение радиационных отходов, облегченные фермы мостов, антиэррозионные покрытия и многое другое).

УНМ "Таунит" позиционируется как наиболее вероятная наноуглеродная структура, применимая для этих целей.

За последние годы в РФ проводятся исследования в этой области применения УНМ. Можно отметить работы по созданию модифицированных строительных материалов с использованием УНМ "Астролен" (НТЦ "Прикладные технологии", г. С.-Петербург") [19], исследования по созданию радиоционностойкого бетона с добавками природных фуллеренов, проводимые под руководством акад. П.Г. Комохова [20, 21], хорошие результаты получены при разработке технологии приготовления наномодифицированного безавтоклавного пенобетона [22].

Авторам указанных разработок удалось получить положительные результаты – повышение прочности, теплопроводности, морозоустойчивости, уменьшение предела перколяции в пеноматериалах и другие полезные эффекты, свидетельствующие, что УНМ, даже при внесении в матрицу в малых количествах (0,01…0,001 %), существенным образом влияют на качественные показатели строительных композитов.

Нами проведены исследования по наномодифицированию различных строительных материалов с помощью УНМ "Таунит". При этом оценивались показатели прочности (на изгиб и сжатие), коэффициенты теплопроводности и водопоглощения, а также структурные измене-ния в материале, визуально наблюдаемые на микрофотографиях. Применялись стандартные методики, устанавливаемые ГОСТ 28013–

98, ГОСТ 12730.1–78, ГОСТ 12730.3–78, ГОСТ 10180–90.

Распределение УНМ в различных смесях обеспечили воздействием УЗ и переменного магнитного поля (АВС). Интервал концентраций УНМ составил (0,1…0,001) % мас. цемента, использующегося в конкретной рецептуре строительного компонента.

Установлено, что образцы модифицированного пенобетона имеют прочность в 1,5 – 2 раза превышающую прочность немодифицированных образцов (рис. 6.21, а). Значение коэффициента теплопроводности уве-