CC BY
12
т
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ИНИЦИАЛИЗАЦИИ СТРУКТУРИРОВАННЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Хлопов Борис Васильевич,
АО "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт им. академика А.И. Берга", Москва, Россия, hlopovu@yandex.ru
Андреев Григорий Иванович,
АО "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт им. академика А.И. Берга", Москва, Россия
Самойлова Валерия Сергеевна,
АО "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт им. академика А.И. Берга", Москва, Россия, Samvalser@yandex.ru
Шашурин Василий Дмитриевич,
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия, shashurin@bmstu.ru
Мешков Сергей Анатольевич,
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия, sb67241@mail.ru
Рассмотрены свойства структурированных композитных материалов и определены их физические характеристики, влияющие на изменение электромагнитных полей, возникающих в кластерах и объединяющиеся в области с высоким значением напряженности электромагнитного поля. Показано, что для получения значений физических характеристик структурированных в опаловой матрице композитных материалов необходимо воздействовать на них электромагнитным излучением с характеристиками, обеспечивающими резонансную восприимчивость. Уточнено, что мультиплицированное электромагнитное поле создается только в момент его облучения СВЧ импульсом электромагнитного поля и образуется объемной, слоистой, частотно независимой структурированной средой матрицы. Определена актуальность и необходимость разработки и создания технологического оборудования для инициализации наноструктурированных композитных материалов в матрице с целью исследования и определения их новых функциональных характеристик. Рассмотрен метод исследования восприимчивости наноструктурированных материалов мультипликаторов на основе опаловых матриц при многократном облучении последовательностью коротких электромагнитных импульсов. Приведен вариант реализации метода и устройства технологического оборудования для исследования восприимчивости наноструктурированных материалов мультипликаторов. Схемотехническое решение формирователя коротких импульсов подтверждено представленным рабочим макетом генератора коротких импульсов. Оно позволяет схеме формирователя импульсов преобразовывать входной меандр в импульсы положительной полярности длительностью порядка 10-20 нс, это обеспечивает необходимое время накачки формирователя коротких импульсов для воздействия на наноструктурированные материалы в матрице. Приведенное конструктивное исполнение излучающей полеобразующей системы выполненное из немагнитного металла позволило установить обкладки полосков, а между ними соосно оси корпуса исследуемый мультипликатор электромагнитных полей и на крышке корпуса, установить измеритель плотности потока энергии и напряженности электромагнитного поля. При облучении нанокомпозита на основе опаловой матрицы с микроволновой проводимостью электромагнитным полем повышается интегральная электромагнитная восприимчивость матрицы, обеспечивается формирование электромагнитных полей структурой композитных материалов образца матрицы.
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10307
Ключевые слова: опаловая матрица, нанокомпозитный материал, импульсное магнитное поле, нанокластеры, генератор коротких импульсов.
Информация об авторах:
Хлопов Борис Васильевич, д.т.н., начальник отдела, АО "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт им. академика А.И. Берга", Москва, Россия
Андреев Григорий Иванович, д.т.н., профессор, академик Академии военных наук, академик РАЕН, генеральный директор, АО "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт им. академика А.И. Берга", Москва, Россия
Самойлова Валерия Сергеевна, инженер научно-технического отдела, АО "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт им. академика А.И. Берга", Москва, Россия
Шашурин Василий Дмитриевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой "Технологии приборостроения", МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия Мешков Сергей Анатольевич, к.т.н., доцент кафедры "Технологии приборостроения", МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Москва, Россия
Для цитирования:
Хлопов Б.В., Андреев Г.И., Самойлова В.С., Шашурин В.Д., Мешков С.А. Технологическое оборудование инициализации структурированных композитных материалов // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Том 13. №9. С. 30-34.
For citation:
Hlopov B.V., Andreev G.I., Samoylova V.S., Shashurin V.D., Meshkov S.A. (2019). Technological equipment for initialization of structured composite materials. T-Comm, vol. 13, no.9, pр. 30-34. (in Russian)
T-Comm ^м 13. #9-2019
Y
Введение
При работе с качественно новыми материалами немало важным является разработка новых методов и устройств их исследования. Для исследования и определения функциональных характеристик наноструктурированных материалов в матрице было создано технологическое оборудование инициализации и контроля восприимчивости композитных материалов.
Структурированные в матрице неоднородные композитные иалы с модуляцией (дисперсией) электрических и диэлектрических параметров, в рабочем диапазоне частот, с высокой реальной компонентой диэлектрической проницаемостью (е') и малыми значениями мнимой компоненты (s"), эффективно изменяют грунпоаую и фазовую скорости облучающего электромагнитного излучения и корректирует направления силовых линий электромагнитного и электрического поля [1, 2]. За счет таких физических характеристик как е, р и, соответственно, реальной и мнимой компонентами показателя преломления, фокусируются электромагнитные поля, созданные в кластерах и объединенные в области с высоким значением напряженности электромагнитного поля.
Для получения высоких значений физических характеристик структурированных в опаловой матрице композитных материалов необходимо воздействовать облучающим электромагнитным излучением с характеристиками, обеспечивающими резонансную восприимчивость. Возникающее резонансное мультиплицированное электромагнитное поле структурированной матрицы имеет амплитудно-частотную характеристику с одной или с несколькими резонансными частотами. Мультиплицированное электромагнитное поле создается только в момент его облучения СВЧ импульсом электромагнитного поля и образуется объемной, слоистой, частотно независимой структурированной средой матрицы [3-5].
Вектор электромагнитного поля мультипликатора действует ограниченно, так как определен структурой, только на период длительности короткого С'ВЧ импульса и его воздействие, синхронно с облучающим электромагнитным нолем. Управляя размерами и формой наноструктурированных фаз материалов, можно придавать им совершенно новые функциональные характеристики, резко отличающиеся от характеристик обычных массивных объектов [7. 8].
Метол исследования восприимчивости наноструктурированных материалов мультнпликат о pu в
Исследования восприимчивости наноструктурированных материалов мультипликаторов на основе опаловых матриц проводили путем многократного облучения последовательностью коротких электромагнитных импульсов.
Структурная блок схема устройства технологического оборудования для реализации метода исследования восприимчивости нано структурированных материалов мультипликаторов представлена на рис. 1.
Система управления и питанием 4-
Устройство подключения
Измеритель плотности потока энергии (ИППЭ)
Устройство согласования
Мультипликатор
M
Излучающая система
Тактовый
генератор
Формирователь импульсов
Формирователь коротких импульсов
Полосовой фильтр
► Усилитель
H
Полосовой фильтр
Рис. I. Блок схема устройства реализации метода исследования
Система управления и питания, устройства обеспечивает формирование сигнала синхронизации и запуска через устройство подключения тактового генератора и формирователя импульсов для генератора коротких импульсов.
Обеспечивает питающим напряжением составные электронные части устройства и излучающую систему. Генератор коротких импульсов, формирует импульсы напряжения сверхкороткой длительности. Он позволяет получать импульсы длительностью не более 20 не. Многократное излучение и усиление электромагнитных импульсов, позволяет пропорционально повысить энергию излучения. Излучающая система - поле образующая система, формирует электромагнитное поле с направлением перпендикулярным плоскости матрицы структурированного материала мультипликатора.
В качестве излучающей системы СВЧ электромагнитного ноля, используется система из двух параллельных полосков. Излучающая система является отдельным самостоятельным источником пространственного векторного воздействия электромагнитного поля на мультипликатор, в рабочем конструкционном пространстве полеобразующей системы со своим частотным спектром и временными характеристиками, создаваемое генератором коротких импульсов, которое образуется между обкладками параллельных полосков.
В этом импульсном СВЧ электромагнитном поле размещается мультипликатор, а импульсное значение вектора напряженности, создаваемое мультипликатором измеряется измерителем плотности потока энергии мощности ИППЭ типа МЗ-90 или измерителем параметров электрического и магнитного полей ВЕ-МЕТР-АТ-002 (-003).
Технологическое оборудование
Для обеспечения работы излучающей системы технологического оборудования был разработан и изготовлен макет генератора коротких импульсов. Импульсы синхронизации с системы управления поступают на вход формирователя импульсов, на схему, которая преобразует входной меандр в импульсы положительной полярности длительностью порядка 10-20 не, это обеспечивает необходимое время накачки формирователя коротких импульсов, из которого выходит короткий по длительности импульс отрицательной полярности. На рисунке 2 представлена схема формирователя коротких импульсов.
У
Схема формирователя коротких импульсов состоит из буферного элемента ВО, накопительного конденсатора С, катушки индуктивности Ь, и полупроводникового диода
На рисунке 2 представлена упрощенная схема формирователя, включающая один буферный элемент микросхемы ОЭ и эпюры напряжений и токов, поясняющие работу схемы. В момент времени 1о на выходе элемента ЭЭ появляется импульс положительной полярности (импульс накачки), который начинает заряжать конденсатор С. Конденсатор заряжается через диод \ТЭ и катушку Ь, накачивая диод прямым током 1+. В момент времени 11 импульс на выходе элемента ОЭ исчезает, конденсатор С начинает разряжаться через ту же цепь, что и при заряде (диод УО, катушка Ь, 00), при этом через диод начинает протекать обратный ток, т.е. диод накачивается обратным током.
Катушка индуктивности при этом накапливает протекающий ток. Разряд конденсатора происходит быстрее заряда из-за разных постоянных времени, определяемых, в данном случае, сопротивлением диода. Таким образом, выполняется условие 1_> 1+. При достижении максимального тока разряда 1_ в момент времени Ц на короткое время происходит обрыв сопротивления диода УО. Энергия, накопленная в индуктивности Ь, переходит в нагрузку и на выходе происходит формирование импульса отрицательной полярности. Импульс поступает на вход полосового фильтра, на выходе формируется радиоимпульс с гауссовой огибающей длительностью и амплитудным значением напряжения 0,8 В.
Для увеличения энергии сигнала на выходе излучающей системы до значения, превышающего полученное, производится многократное излучение импульсов с частотой повторения Рп = ¡00-400 КГц. На фотографии рис. 3 приведен макет генератора коротких импульсов.
Корпус излучающей поле об разую щей системы выполнен из немагнитного металла в форме пустотелого параллелепипеда, внутри которого размещен каркас излучающей системы квадратного поперечного сечения, который выполнен так же из неметаллического немагнитного материала. Кроме того, в центральном поперечном сечении в плоскостях торцов каркаса установлены обкладки параллельных полосков, причем, между ними, соосно оси корпуса, установлен исследуемый мультипликатор электромагнитных полей. На крышке корпуса установлен измеритель плотности потока энергии и напряженности электромагнитного поля.
Воздействия на наноструктурированные композитные материалы СВЧ электромагнитным полем
Проведены исследования образцов нанокомпозитов в переменном электромагнитном поле в диапазоне частот от 100Гц до 3012 МГц на изготовленном технологическом макете с использованием генератора коротких импульсов. Исследована частотная зависимость действительной (е') и мнимой (е") компонент диэлектрической проницаемости, а также электрической проводимости опаловых матриц, заполненных кристаллитами [5]. На рисунке 4 представлены сравнительные характеристики зависимости магнитнаой восприимчивости от изменения частоты следования облучения образцов нанокомпозитных материалов импульсами длительностью порядка 10-20 не генератора коротких импульсов.
Частота, кГц
Рис. 4. Сравнительные характеристики зависимости магнитнаой восприимчивости от изменения частоты облучения при исследовании следующих образцов нанокомпозитных материалов,
содержащих кластеры: 1 - РбН205; 2-№+Ре; 3 - №+Ре+Со; 4 - №+Со; 5 - Ре; 6 - Ре№3; 7 - М1:Ре3+ дополнительные рентгеноаморфные фазы металлов; 8 - N¡0.52110,5Ре304; 9 - Со+Рс1; ] 0 - М+Ре+РЙ; ] 1 - Си
Рис. 3. Макет генератора коротких импульсов
T-Comm ^м 13. #9-2019
Y
Различие в частотной зависимости указанных образцов на рис. 4 объясняется следующим образом. Внутри металлического кластера имеют место токи проводимости, что соответствует, конечно, металлической проводимости, тогда как между кластерами текут токи смещения. Поэтому, если степень заполнения достаточно велика, для того, чтобы образовалась непрерывная сеть Ие- или (Ре+1чП+Со)-кластеров, основную роль будет играть металлическая проводимость с типичным для нее постоянством проводимости в рассматриваемом интервале частот и с уменьшением е"(со). Если сплошной сети металлических кластеров не образуется, важны как токи проводимости внутри кластеров, так и токи смещения между кластерами. Последнее наблюдалось для композитов вида опаловая матрица-^) и опаловая матри-ца-(Ре+М1+Со) с меньшей концентрацией металлов.
Необходимо учитывать, что все исследованные образцы имеют общую черту - наличие пространственной неоднородности по диэлектрическим свойствам составляющих такой композит материалов, преимущественно, в виде бесформенных наночастиц закристаллизованных в нанополо-стях между наносферами рентгеноаморфного 510;, образующими решетчатую упаковку [6, 9]. Многократное облучение наноструктурированных материалов последовательностью коротких электромагнитных импульсов позволило провести сопоставление изменений микроволнового сигнала при прохождении электромагнитной волны импульса через образец магнитной матрицы (рис. 4).
Установлено, что величина изменений и форма полевой зависимости коэффициентов прохождения и отражения для нанокомпозитов с диэлектрическими частицами близки друг к другу. В миллиметровом диапазоне изменения коэффициентов прохождения через пластину нанокомпозита вызваны физическими явлениями - магнитными резонансами. Экспериментально продемонстрировано эффективное взаимодействие электромагнитных воли с 31>-нанокомпозитами.
Полученные результаты проведенного эксперемента создают предпосылки для разработки управляемых магнитными полями высокочастотных устройств, работа которых будет основана на использовании микроволнового магнитного резонанса в магнитных нанокомпозитах на основе опаловых матриц.
Заключение
I. Получение новых структурированных композитных материалов мультипликаторов и исследование их свойств связано с созданием и усовершенствованием элементов электроники и СВЧ техники, так как в них проявляется взаимосвязь электрических и магнитных свойств. Связь между электрической и магнитной составляющими дает возможность управлять их магнитными свойствами изменяя электрическое поле и, наоборот, управлять их электрическими свойствами изменяя магнитное поле. Это привело к разработке технологического оборудования генератора коротких импульсов и использования его в качестве устройства управления.
2. При облучении образцов наноструктурированных композитных материалов мультипликаторов на основе опаловых матриц электромагнитным полем СВЧ короткого импульса длительностью порядка 10-20 не, размещенных в ограниченном пространстве поле об разую щей системы, в локальной области облучающего поля создается эффективная мультипликация с увеличением значения напряженности поля.
3. Предложенное технологическое оборудование позволяет реализовать метод исследования восприимчивости наноструктурированных материалов мультипликаторов и определить значения физических характеристик структурированных в опаловой матрице композитных материалов при воздействии электромагнитным излучением с характеристиками, обеспечивающими резонансную восприимчивость.
4. Разработано технологическое оборудование и технологические процессы для исследования и экспериментальной проверки частотной зависимости действительной (ef) и мнимой (е") компонент диэлектрической проницаемости и компонент магнитной восприимчивости.
Литература
1. Самойлович М.И.. Ринкевич А.Б. Метаматериалы на основе опаловых матриц - перспективные материалы радиоэлектроники сверхвысоких частот // Материалы IV общероссийской научно-технической конференции, г. Омск, 2012. С. 167-18 i.
2. Yuanzhe Piao. Multi-Ferroic Polymer Nanoparticle Composites for Next Generation Metamaterials // AOARD. Final Report. April 25th 2016. P.13.
3. Хлопов Б.В., Чучева Г.В., Самойлович M.И. Исследования восприимчивости к магнитным полям образцов нанокомпазитных материалов на основе опаловых матриц для аппаратуры стирания информации // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2014. Т.8. №10. С. 82-87,
4. Хлопов Б.В., Фесепко М.В., Шпак A.B. Разработка устройств необратимой модификации активных слоев полупроводниковых носителей информации. М.: ООО НИЦ «Инженер«, 2013. 206 с.
5. Хлопов Ь.В., Бондарев Ю.С., Шашурин В.Д., Чучева Г.В. Воздействие на нанокомпозитные материалы электромагнитным полем // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Т. 11. №5. С. 4-8.
6. Хлопов Б.В.. Самойлович М.И. Получение и свойства нано-композитных материалов в дискретной среде // Материалы 26-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», г. Севастополь, 4-10 сен. 2016, Севастополь, 2016. С. 1607-1611.
7. Хлопов Б.В.. Шашурин В.Д., Мешков С.А., Самойлова B.C., Апакин Ю.И. Исследование модификации электромагнитных полей метасредой // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Т. 13. №6. С. 30-35.
8. Хлопов Б.В., Шашурин В.Д., Чучева Г.В., Самойлова B.C., Митягина А.Б. Исследование возможности мультиферроидных метаматериалов на основе опаловых матриц изменять свои параметры под воздействием внешнего электромагнитного поля // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2017. Том 11. №10. С. 38-44.
9. Белянин А.Ф.. Чучева Г.В., Хлопов Б.В. Формирование, строение и физические свойства нанокомпозитов: опаловые матрицы -метатитанаты металлов // Материалы Международной научно-технической конференции INTERMATIC, Москва. 2017. С.132-135.
т
TECHNOLOGICAL EQUIPMENT FOR INITIALIZATION OF STRUCTURED COMPOSITE MATERIALS
Boris V. Hlopov, JSC "CNIRTI named after academician A.I. Berg", Russian Federation, Moscow, Russia, hlopovu@yandex.ru Grigory I. Andreev, JSC "CNIRTI named after academician A.I. Berg", Russian Federation, Moscow, Russia Valeria S. Samoylova, JSC Central Research Radio Engineering Institute of the Academician A.I. Berg, Moscow, Russia,
samvalser@yandex.ru Vasily D. Shashurin, MGTU of N.E. Bauman, Moscow, Russia, shashurin@bmstu.ru Sergey A. Meshkov, MGTU of N.E. Bauman, Moscow, Russia, sb67241@mail.ru
Abstract
The properties of structured composite materials are considered and their physical characteristics affecting the change of electromagnetic fields arising in clusters and uniting in the region with a high value of the electromagnetic field are determined. It is shown that in order to obtain high values of the physical characteristics of the composite materials structured in the opal matrix, it is necessary to influence the meta-material by irradiating electromagnetic radiation with characteristics that provide resonance susceptibility. It is specified that the multiplicated electromagnetic field is created only at the moment of its irradiation by the microwave pulse of the electromagnetic field and is formed by a volumetric, layered, frequency independent structured matrix medium. The urgency and necessity of development and creation of technological equipment for the initialization of structured composite materials for the purpose of research and determination of new functional characteristics of nano-structured materials in the matrix are determined. A method for studying the susceptibility of nano-structured materials of multipliers based on opal matrices under multiple irradiation of nano-struc-tured materials by a sequence of short electromagnetic pulses is considered. An embodiment of the method and device of technological equipment for the study of the susceptibility of nano-structured materials of multipliers is presented. The circuit solution of the short pulse generator is confirmed by the presented working model of the short pulse generator. It allows the pulse shaper circuit to convert the input square wave into positive polarity pulses of about 10-20 ns duration, which provides the necessary pump time for the short pulse shaper to act on nano-structured materials in the matrix. The design of the radiating field-forming system made of nonmagnetic metal made it possible to install the lining strips, and between them the axis of the body of the investigated multiplier of electromagnetic fields and on the cover of the body, to install a meter of the energy flux density and the electromagnetic field strength. The experimental results and the obtained characteristics confirm that the irradiation of a nanocomposite based on an opal matrix with microwave conductivity by a pulsed electromagnetic field increases the integral electromagnetic susceptibility of the matrix, ensures the formation of electromagnetic fields by the structure of the metamaterial of the matrix sample.
Keywords: metamaterials, composite material, pulsed magnetic field, nanoclusters, field-forming system, horn antenna.
References
1. Metamaterials on the basis of opal matrices - promising materials of microwave electronics M.I. Samoylovich Materials of the IV All-Russian Scientific and Technical Conference, Omsk. 2012. Pp. 167-181. (in Russian)
2. Yuanzhe Piao. Multi-Ferroic Polymer Nanoparticle Composites for Next Generation Metamaterials. AOARD. Final Report. April 25th 2016. P. 13.
3. Hlopov B.V., Chucheva G.V., Samoylovich M.I. (2014). Research of a susceptibility to magnetic fields of samples of nanocomposite materials on the basis of opal matrixes for the equipment of deleting of information. T-Comm. Vol. 8. No. 10. Pp. 82-87. (in Russian)
4. Hlopov B.V., Shpak A.V., Fesenko M.V. (2013). Development of devices for irreversible modification of active layers of semiconductor information carriers. Noscow. 206 p. (in Russian)
5. Hlopov B.V., Bondarev Yu.S., Shashurin V.D., Chucheva G.V. (2017). Electromagnetic field impact on nanocomposite materials. T-Comm, vol. 11, no.5, pp. 4-8. (in Russian)
6. Khlopov B.V., Samoylovich M.I. (2016). Production and properties of nanocomposite materials in a discrete medium. Proceedings of the 26th International Crimean Conference "Microwave Technology and Telecommunication Technologies". Sevastopol. Pp. 1607-161 1. (in Russian)
7. Hlopov B.V., Shashurin V.D., Meshkov S.A., Samoylova V.S., Apakin Yu.I. (2019). Study of the modification of the electromagnetic fields of meta medium. T-Comm, vol. 13, no.6, pp. 30-35. (in Russian)
8. Hlopov B.V., Shashurin V.D., Chucheva G.V., Samoylova V.S., Mityagina A.B. (2017). The possibility research of multiferroidny metamaterials on the basis of opal matrixes to change the parameters under the influence of the external electromagnetic field. T-Comm, vol. 11, no.10, pp. 38-44. (in Russian)
9. Hlopov B.V., Chucheva G.V., Belyanin A.F. (2017). Formation, structure and physical properties of nanocomposites: opal matrices -metal metatitanates. "INTERMATIC-2017", pp. 132-135. (in Russian)
T-Comm ^м 13. #9-2019
