Проблемы радиопрозрачности и радиопоглощения керамических и композиционных материалов со структурой корунда (сравнительный анализ)

В настоящее время существует потребность в недорогих радиопоглощающих и радиопрозрачных материалах, которые могут быть использованы для изготовления защитных стенок, экранов и корпусов различных радиотехнических устройств: радиотелефонов, микроволновых печей, радиолокационных станций и др. Это в свою очередь привело к возникновению нового направления в материаловедении, связанного с разработкой функциональных материалов для сверхвысокочастотной (СВЧ) техники. Ниже приведены результаты исследования радиофизических свойств двух материалов: корунда и ильменита, относящихся к одинаковому структурному типу (решетка ромбоэдрическая R3), но совершенно по-разному взаимодействующих с СВЧ излучением.

Электромагнитная волна при падении на керамическую или композиционную пластину частично отражается, что характеризуют коэффициентом отражения (Котр). Проходящее через образец СВЧ излучение может поглощаться материалом по двум механизмам. Присутствующие в материале свободные носители заряда переводят энергию элек- тромагнитного излучения (ЭМИ) в тепло, что можно описать независящим от частоты коэффициентом диффузного поглощения (Кпогл). Второй тип поглощения связан с квантовыми переходами между магнитными уровнями примесных ядер. У диэлектрических материалов диффузное поглощение практически равно нулю (Кпогл = 0). Такие материалы считаются радиопрозрачными [1]. Радиопоглощающие материалы, напротив, имеют высокий коэффициент поглощения (Кпогл ≈ 1). Эти материалы пропускают лишь несколько процентов от падающей мощности ЭМИ. Однако они могут иметь довольно высокий Котр. Поэтому за эффективность радиопоглощения следует принимать долю потерянной энергии при одном акте отражения. Если Котр = 0,6, а коэффициент пропускания Кпр = 0, то потеря составляет 40%, что является достаточно высоким показателем для радиочастотного поглотителя. В радиопоглощающих материалах необходимо минимизировать электронную составляющую проводимости, поскольку электроны способны экранировать объемную часть образца. Чем меньше электронная проводимость, тем на большую глуби- ну способна проникать электромагнитная волна. В них также должны присутствовать магнитные моменты, способные взаимодействовать с ЭМИ. Поэтому в радиопоглощающих материалах должны существовать гексаферритовые фазы. Квантовые переходы между магнитными уровнями значительно усложняют картину взаимодействия ЭМИ с веществом. В этом случае все коэффициенты (Котр, Кпогл и Кпр) становятся зависящими от частоты. При этом из-за явления «накачки» энергии возможно нарушение баланса в потоках энергии: Котр+ Кпогл + Кпр ≠1.

Отмечено, что присутствие изоморфных примесей как в радиопрозрачных, так и в радиопоглощающих материалах оказывает значительное влияние на процесс пропускания, поглощения и отражения электромагнитных волн.

На рис. 1 показана в упрощенном виде элементарная ячейка радиопрозрачного материала (корунда Al 2 O 3 ) и радиопоглощающего материала (ильменита (Ti,Fe) 2 O 3 ). Выделены в виде фрагментов октаэдров атомные группы Al 2 O 3 и (Ti,Fe) 2 O 3 [2]. В кристаллической структуре корунда имеются две различные позиции атомов алюминия. Радиопоглощающий материал возникает при гетеровалент-ном замещении: Al³⁺→Ti⁴⁺(Nb⁵⁺) и Al³⁺→Me²⁺(Fe, Mn, Mg), в результате чего формируется магнитная подрешетка, способная активно взаимодействовать с ЭМИ.

Рис. 1. Элементарная ячейка корунда (тригональная ромбоэдрическая сингония, пространственная группа R3c [2]): 1 – атом кислорода; 2 – атом Al в корунде или Fe в ильмените; 3 – атом Al ( Cr , Fe ) в корунде или Ti в ильмените.

Кристаллическая структура типичного гексаферрита, являющегося хорошим поглотителем ЭМИ [3], построена из шпинельных блоков, разделенных блоками гексагональной структуры. Гексагональные блоки благодаря присутствию в них магнитно активных ядер Fe, Nb вносят основной вклад в поглощение ЭМИ. Решетку гексаферрита также можно представить как ромбоэдрически деформированную решетку типа NaCl.

Установлено, что на коэффициенты пропускания, поглощения и отражения электромагнитных волн в радиопрозрачных и радиопоглощающих материалах влияют примесные фазы ромбической структуры – псевдобрукит Fe 2 TiO 5 , колумбит FeNb 2 O 6 , силлиманит Al 2 SiO 5 [3].

Были исследованы образцы, полученные по керамической технологии из шихты следующего состава: Al 2 O 3 –91,8%, SiO 2 –4,4%, TiO 2 –2,5%, Cr 2 O 3 – 0,2%, Fe 2 O 3 –1,1%. Рентгенофазовый анализ (Shimadzu XRD-6000) материала показал, что при определенных условиях обжига образуется твердый раствор ( Al, Cr, Fe) 2 O 3 со структурой корунда, при этом значительный объем занимает аморфная фаза. В небольших количествах наблюдаются примесные фазы – силлиманит Al 2 SiO 5 и псевдобрукит Fe 2 TiO 5 . Иначе говоря, образуется твердый раствор ( Al, Cr, Fe) 2 O 3 с искаженной гексагональной структурой, содержащей ромбическую надструктуру псевдобрукита Fe 2 TiO 5 и силлиманита Al 2 SiO 5 .

Исследование прохождения электромагнитного излучения в диапазоне частот 8–26 ГГц показало, что коэффициент пропускания в среднем составляет около 60 %. Вместе с тем, были обнаружены узкие окна пропускания, через которые проходит до 90 % энергии. На рис. 2 приведены спектры отражения и пропускания корундовой керамики в диапазоне частот 8–12 ГГц.

Появление тонкой структуры, включающей интенсивные полосы пропускания, можно объяснить нелинейными эффектами взаимодействия электромагнитной волны со спинами магнитноактивных ядер. Следует отметить, что исследованная корундовая керамика имеет высокие прочностные характеристики. Прочность на изгиб составляет более 250 МПа. Испытания на ударную динамическую прочность показали, что этот материал можно использовать для изготовления систем индивидуальной бронезащиты (СИБ).

Для получения радиопоглощающих материалов использовалось несколько видов природного железо-титанового сырья. Представительный химический состав исходного сырья: FeO – 35.26%; Fe 2 O 3 –13.36%; TiO 2 – 44.62%; MnO – 5.36%; SiO 2 – 1.75%; Al 2 O 3 – 0.99%. Были изучены образцы, полученные с использованием эпоксиполимерной связки. Методом РФА установлено, что в образце в качестве главного компонента присутствует ильменит – фаза со структурой корунда. На рис. 3 приведены спектры отражения и пропускания образцов ильменита в диапазоне частот 8 – 12 ГГц. Из полученных данных следует, что ильменит обладает высокой радиопоглощающей способностью. При каждом акте отражения теряется 30 – 40 % энергии электромагнитной волны. Полученные результаты подтверждают известное из теоретической физики положение о том, что процессы поглощения и рассеивания ЭМИ имеют общую природу. Эта связь для линейных систем отражена в известных соотношениях Крамерса – Кронига [4]. Вероятно, взаимозависимость между поглощением и рассеянием в случае нелинейных процессов также имеет место.

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

Ча стота, ГГц

Рис. 2. Спектры отражения и пропускания корундовой керамики.

Рис. 3. Частотные зависимости коэффициентов отражения K отр (1) и пропускания K пр (2) ильменита.

ные свойства системы зависят от того, насколько эффективно магнитная подрешетка способна передать энергию всей кристаллической структуре (спин-фононное взаимодействие). В случае корунда магнитная подрешетка слабо взаимодействует со структурой, что приводит к накоплению энергии (накачке), с последующим ее выбросом. В этом случае будут наблюдаться процессы рассеяния, для которых характерно наличие резонансов (рис.2). В ильмените, который является гексаферритом, напротив, магнитная подрешетка сильно взаимодействует со структурой. В результате этого энергия ядерных спинов передается фононам, что приводит к эффективному поглощению ЭМИ. В этом случае резонансы не проявляются, поскольку накопления энергии не происходит.

Таким образом, радиочастотные свойства керамических и композиционных материалов на основе корунда и ильменита характеризуются одновременным проявлением как рассеяния, так и поглощения. Появление тонкой структуры спектров отражения характерно для твердых растворов со сложным химическим составом. Поэтому для получения радиопрозрачных материалов необходимо минимизировать количество примесей. При синтезе радиопоглощающих материалов, напротив, необходимо вводить магнитоактивные примеси, формирующие диэлектрическую ферритоподобную структуру. Синтезированные из природного ильменита материалы могут быть использованы в качестве поглотителей ЭМИ, а на основе корундовой керамики, содержащей активные примеси, можно производить СВЧ фильтры, пропускающие ЭМИ в узком диапазоне частот.