Development of materials with a multilayer structure of the gradient type based on liquid compositions for the shielding of electromagnetic fields

Размещено на http://www.allbest.ru/

Development of materials with a multilayer structure of the gradient type based on liquid compositions for the shielding of electromagnetic fields

Nataliia Burdeina¹, PhD, Associate Professor

Yana Biruk¹, Assistant

Kyrylo Nikolaiev², PhD, Associate Professor

'Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, Ukraine ²National Aviation University, Kyiv, Ukraine

Abstract

Keywords: electromagnetic field; shielding; liquid compositions.

Н.Б. Бурдейна ¹, Я.І. Бірук ¹, К.Д. Ніколаєв ²

¹ Київський національний університет будівництва і архітектури, м. Київ, Україна ²Національний авіаційний університет, м. Київ, Україна

РОЗРОБЛЕННЯ МАТЕРІАЛІВ БАГАТОШАРОВОЇ СТРУКТУРИ ГРАДІЄНТНОГО ТИПУ НА ОСНОВІ РІДКИХ КОМПОЗИЦІЙ ДЛЯ ЕКРАНУВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПОЛІВ

На сьогодні для екранування і поглинання електромагнітних полів широкого частотного діапазону пропонують і широко застосовують композитні матеріали або суцільні металеві конструкції.

У статті розглянуто дослідження і розроблення багатошарових захисних рідинних матеріалів для екранування електричних, магнітних та електромагнітних полів широкого частотного діапазону. Виготовлено серію рідких екрануючих сумішей на основі стандартних сертифікованих фарб та дрібнодисперсного магнетиту. Випробування захисних властивостей даних сумішей відбувалося послідовним нанесенням на поверхню 2-3 шарів сумішей, кожна з яких мала певну концентрацію екрануючої субстанції. Наведено коефіцієнти екранування та відбиття для даних багатошарових структур. Показано, що перевага розроблених багатошарових захисних рідинних матеріалів полягає в отриманні градієнта електрофізичних та магнітних властивостей захисної конструкції з можливістю розрахункового прогнозування діелектричних та магнітних проникностей з урахуванням морфології екрануючих частинок. Запропоновано спосіб отримання захисних матеріалів градієнтного типу, які зменшують вплив електромагнітних полів, що є можливим для обробки поверхонь великих площ і складних конфігурацій. захисний екранування фарба

Ключові слова: електромагнітне поле; екранування; рідкі композиції.

Вступ

Питання екранування працюючих та населення, комп'ютерної техніки, електронних приладів та пристроїв від електромагнітних полів, незважаючи на велику кількість теоретичних ідей та практичних розробок, залишається актуальним. Ці об'єкти є вразливими до дії зовнішніх електромагнітних полів. Окрім природного магнітного поля, на працюючих і населення, комп'ютерну техніку, електронні прилади та пристрої діють електромагнітні поля, що генеруються системами забезпечення і функціонування засобів бездротового зв'язку, лініями електропередачі, відкритими розподільними пристроями, до складу яких входять комутаційні апарати, пристрої захисту й автоматики, вимірювальні прилади, а також радіотехнічні об'єкти, телевізійні та радіолокаційні станції, термічні цехи, телевізори, дисплеї, мікрохвильові (надвисокочастотні) печі, холодильники, кабіни автомашин, станції радіолокації і радіопеленгації, персональні комп'ютери, радарні установки тощо. У побуті джерелами електромагнітного поля і випромінювання є телевізори, дисплеї, мікрохвильові печі та інші пристрої, а також синтетичні килими, інші полімерні покриття в умовах зниженої вологості - менше ніж 70%.

Більшість матеріалів, пропонованих для екранування електромагнітних полів, мають значні коефіцієнти відбиття. Суперпозиція великої кількості електромагнітних полів, які поширюються від техногенних джерел та відбитих полів від екрануючих поверхонь призводить до посилення або послаблення природного магнітного поля Землі. Відхилення від нормальних значень природного магнітного поля як у бік посилення, так і у бік послаблення негативно впливає на стан працюючих та населення. Тому актуальним завданням є розроблення таких матеріалів, які екранують і поглинають електромагнітні поля, не відбиваючи їх.

Оскільки в останні роки спостерігається стале підвищення електромагнітного навантаження на людей, довкілля та виробниче середовище, що обумовлюється підвищенням кількості і щільності розташування вищеописаного електричного та електронного обладнання, систем забезпечення і функціонування засобів бездротового зв'язку, збільшенням навантаження на силові електричні мережі тощо, тому виникає потреба в проєктуванні та розробленні захисних матеріалів, які екранують і поглинають електромагнітні поля широкого частотного діапазону.

Для екранування і поглинання електромагнітних полів широкого частотного діапазону пропонують і застосовують суцільні металеві конструкції або композитні матеріали. Дані конструкції і матеріали не в повній мірі відповідають цим вимогам, оскільки тверді кристалічні і аморфні матеріали мають великий коефіцієнт відбиття електромагнітних полів та випромінювання. Для екранування електромагнітних полів широкого частотного діапазону доцільним є розроблення матеріалів, що мають багатошарову структуру градієнтного типу електрофізичних та магнітних властивостей на основі рідких композицій.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Електромагнітне екранування актуальне для захисту людини та електронних пристроїв від небезпечного впливу електромагнітного випромінювання. На даний час проблемі розроблення та дослідження захисних властивостей композиційних матеріалів для екранування електромагнітних полів приділяється багато уваги [1]. У статті [2] досліджено захисні властивості металополімерних електромагнітних екранів. Експериментально показано можливість отримання електромагнітного екрана градієнтного типу в одношаровому матеріалі. У дослідженні [3] наведено розроблені засади проєктування та дослідження захисних властивостей рідинних матеріалів для екранування електричних, магнітних та електромагнітних полів широкого частотного діапазону. В публікації [4] проведено експериментальні дослідження екрануючих та електромагнітних властивостей тонкого електромагнітного екрана, який має композитну структуру і виготовлений способом нанесення магнітної рідини на діелектричну підкладку. У роботі [5] розроблено спосіб виготовлення електромагнітного екрана з градієнтом електрофізичних властивостей, який полягає у поступовому підвищенні концентрації дрібнодисперсних феромагнітних частинок наповнювача у діелектричні матриці від лицевого до тильного боку листового матеріалу. У [6, 7] розроблено методологічні засади оптимізації параметрів екранування електромагнітних полів різного походження у будівлях та спорудах. Запропоновано рідкий матеріал на основі серійних фарб та дрібнодисперсного концентрату залізної руди. Показано, що зниження захисних властивостей на водно-дисперсійному носії відбувається за рахунок окислення наповнювача. У роботі [8] розглянуто основні принципи проєктування та вироблення матеріалів для екранування електромагнітних полів широкочастотного діапазону включно з промисловою частотою та різноманітним діапазоном її гармонік та інтергармонік, які генеруються при виробництві та передачі електроенергії. У дослідженні [9] визначено основні засади розроблення та прогнозування захисних властивостей металополімерних електромагнітних екранів.

Метою дослідження є розроблення матеріалів багатошарової структури градієнтного типу на основі рідких композицій для екранування електромагнітних полів широкочастотного діапазону.

Виклад основного матеріалу

Сучасні облицювальні матеріали повинні відповідати багатьом загальним і спеціальним вимогам. Загальні вимоги до механічних властивостей включають міцність, питому вагу, надійність, надійне кріплення до робочих поверхонь, а також високу вогнестійкість і мінімальне виділення шкідливих речовин. До спеціальних вимог облицювальних матеріалів відносять високі коефіцієнти екранування в широкому діапазоні частот та мінімальні коефіцієнти відбиття електромагнітних хвиль. Забезпечення усіх наведених вимог в одному матеріалі на оптимальному рівні практично не є можливим. Найпростішою задачею є зниження рівнів електромагнітних полів дуже високих, ультрависоких та надзвичайно високих частот. Будівлю або окремі приміщення можна заекранувати металевим або композиційним пласким матеріалом, враховуючи малу довжину електромагнітної хвилі і незначні дифракційні явища на кромках захисних конструкцій. Проте, великий внесок у захист від високочастотних випромінювань припадає на відбиття електромагнітних хвиль, що є небажаним. Уникнення такого ефекту можливе за рахунок застосування градієнтних екрануючих матеріалів, які не відбивають, а поглинають електромагнітні поля.

Відомо, що ефективність екранування збільшується, якщо у товщі композиційного захисного матеріалу є градієнт електрофізичних або магнітних властивостей [8]. Тобто діелектрична і магнітна проникність зростають від зовнішньої поверхні матеріалу до внутрішньої. При цьому, якщо вміст провідної та магнітної субстанції у верхніх шарах мінімальний та значення цих параметрів близькі до одиниці, то хвильовий опір поверхневого шару буде близький до опору середовища розповсюдження електромагнітних хвиль, для повітря він складає 377 Ом. За таких умов коефіцієнт відбиття електромагнітних хвиль близький до нуля. Таке явище зменшує поширення поля у небажаних напрямках, а екранування зони або об'єкта забезпечується за рахунок поглинання електромагнітної енергії шаром захисного матеріалу. У розробці [8] це реалізується обробкою рідкої металополімерної суміші неоднорідним магнітним полем, у результаті якої у нижньому шарі суміші збільшується концентрація феромагнітних екрануючих частинок. Але така технологія потребує багато витрат через необхідність здійснення обробки великої площі матеріалу у процесі полімеризації. При цьому для досягнення суттєвого ефекту товщина матеріалу повинна бути досить великою - 1-3 мм.

Аналогічний ефект можна отримати у інший спосіб. Для цього було виготовлено серію рідких екрануючих сумішей на основі стандартних сертифікованих фарб (матриця) та дрібнодисперсного магнетиту (екрануючий наповнювач). Результати випробувань захисних властивостей таких сумішей наведено у таблиці 1.

У наведеній таблиці коефіцієнтом екранування вважається загальне зниження щільності потоку енергії електромагнітного поля частотою 2,45 ГГц.

Випробування щодо внеску у загальний коефіцієнт екранування відбиття електромагнітних хвиль наведено у таблиці 2.

На наступному етапі на поверхню наносилися послідовно 2-3 шари сумішей. Нижній шар мав концентрацію екрануючої субстанції 60%, верхній - 30-45%.

Таблиця 1. Коефіцієнти екранування електромагнітного поля ультрависокої частоти

Таблиця 2. Коефіцієнти відбиття електромагнітного поля ультрависокої частоти

У результаті дослідження отриманий коефіцієнт відбиття багатошарової структури не перевищував 0,1, а загальний коефіцієнт екранування був більший за сумарний коефіцієнт екранування окремих шарів.

Наприклад, для двошарового покриття на основі водно -дисперсної фарби з концентраціями 45 та 60% коефіцієнт відбиття складав не більше 0,1, а загальний коефіцієнт екранування становив 6,2-6,3.

Для тришарового покриття на основі геополімерної фарби (30, 45, 60%) коефіцієнт відбиття складав 0,15-0,16, а загальний коефіцієнт екранування - 11-12. Значне підвищення ефективності тришарової структури порівняно з сумарною ефективністю шарів можна пояснити додатковим розсіюванням електромагнітних хвиль на границях розділу шарів.

Перевагою таких захисних конструкцій є отримання градієнта електрофізичних та магнітних властивостей з можливістю розрахункового прогнозування діелектричних та магнітних проникностей з урахуванням морфології екрануючих частинок, які закладені у коефіцієнт деполяризації.

Для визначення ефективності матеріалу необхідно попередньо розрахувати магнітні та електрофізичні властивості кінцевого матеріалу. Це доцільно здійснювати за співвідношенням Лоренца для магнітної проникності магнітодіелектриків:

де л - ефективна магнітна проникність магнітодіелектрика, їїм - магнітна проникність наповнювача, Um - об'ємний вміст наповнювача у матеріалі.

Для визначення ефективності діелектричної проникності матеріалів доцільно використовувати співвідношення Максвелла-Гарнета:

Јd, Јm - діелектричні проникності матриці та наповнювача,

Um - об'ємна доля наповнювача у діелектричній матриці.

Для визначення ефективної діелектричної проникності композиції доцільно скористатися формулою Оделевського:

де Sd, Єт - діелектричні проникності матриці та наповнювача,

Um - об'ємний вміст наповнювача,

Uk - критичний об'ємний вміст наповнювача, за якого екрануючі частинки контактують між собою,

F - коефіцієнт деполяризації.

Для проєктування захисних матеріалів необхідні відомості про магнітні та електрофізичні властивості матеріалів за визначених об'ємних концентрацій наповнювача. Наведені співвідношення дозволяють проектувати багатошарові покриття з потрібними захисними властивостями у залежності від конкретної електромагнітної обстановки.

Висновки