Сухие смеси для защиты от микроволн

В строительстве возникает все больше задач по обеспечению радиозащитных функций ограждающих строительных конструкций. Эти задачи возникают как при необходимости изолировать оборудование или организмы от внешних источников мощного радиоизлучения, так и при изоляции внутренних источников радиоволн. Это и экранирование от радиопомех, и создание переговорных комнат, альтернативных измерительных площадок, защиты от базовых станций сотовой связи.

Физической основой радиопоглощения и радиоэкранирования является столкновение радиоволны с электромагнитным материалом с последующим частичным поглощением и частичным отражением электромагнитной структурой  [22].  Плотные электромагнитные материалы в большей мере отражают радиоволны, не давая проникать волнам по причине плотности структуры. При внедрении в структуру дисперсных диэлектрических частиц с развитой пористостью обеспечивается возможность проникания и многократного переотражения волн, приводящей к потере энергии и затуханию (Рис. 1).

• a)                              b)

Рис. 1. Сферолитно-решеточная модель радиозащитной композитной структуры. a) – радиоотражающая структура, b) – радиопоглощающая структура

• Figure 1. Spherulitic-lattice model of radiowave defence structure. a) – radiowave reflecting structure, b) – radiowave absorbing structure

Выполнено множество разработок по получению материалов, радиозащитных листов, пластин и изделий. Самыми распространенными способами получения радиозащитных материалов являются:

• 1)    Синтез Fe-, C- содержащих соединений (ферриты и карбиды) с электромагнитными свойствами [1], [2], [3, [4], [5];

• 2)    Создание композитных материалов с введением в качестве наполнителя или волокон Fe-, C- содержащих компонентов и соединений с электромагнитными свойствами в основном на диэлектрическом полимерном связующем [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13].

• 3)    Создание 2- и многослойных материалов, сочетающих в слоях разные электромагнитные, диэлектрические содинения и элементы, формирующие в зонах контакта отражающие и поглощающие переходы [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21].

• 2.1    Materials

Вместе с тем, результатов по получению радиозащитных смесей для «мокрых» штукатурных работ практически нет. Применение смесей несет с собой ряд преимуществ, главным из которых, помимо легкости в исполнении покрытия, является достижение максимальной непрерывности и замкнутости радиозащитного контура.

Перспективным представляется сочетание обладающих выраженными электромагнитными свойствами частиц графита и диэлектрических частиц вспученного перлита, отличающихся очень высокой внутренней пористостью.

Целью данной статьи является создание высокоэффективных радиозащитных смесей на основе частиц графита и диэлектрических частиц вспученного перлита для многослойных покрытий с высокими показателями радиопоглощения и радиоотражения в слоях.

Объектом исследования было многослойное радиопоглощее штукатурное покрытие на основе частиц графита и диэлектрических частиц вспученного перлита.

Предметом исследования были коэффициент радиопрохождения и коэффициент радиоотражения многослойное поглощающего штукатурного покрытия.

2 Materials and Methods

В качестве материалов для получения радиозащитных смесей применяли:

• -    дисперсный графит фракции 0…1 мм с содержанием углерода C более 95%;

• -    вспученный перлит фракции 0…1 мм с содержанием SiO 2 более 92%, насыпная плотность 45…50 кг/м³;

• -    портландцемент B42,5 производства группы ЮУГПК;

• -    редиспергируемый полимерный порошок.

Для оценки радиозащитных свойств были получены два варианта смесей:

• 1)    графитовый с процентным содержанием по массе: графит – 85%, портландцемент – 14%; добавки – 1%;

• 2)    графито-перлитовый с процентным содержанием по массе: графит – 80%, перлит – 3%; портландцемент – 16%; добавки – 1%.

В первом составе преобладают частицы графита с электромагнитными свойствами, во втором обеспечено равное по объемной концентрации содержание электромагнитных частиц графита и диэлектрических пористых частиц перлита.

На рис. 2 а,б приведена морфология образца смеси №1: графит – 85%, портландцемент – 14%; добавки – 1%. Здесь наблюдаются частицы графита с чешуйчатой структурой различной дисперсности (от 10 до 1000 микрон) и частицы цемента (от 10 до 40 микрон).

а)

Рис. 2. Морфология образца смеси №1. a) увеличение 50 раз, b) увеличение 500 раз. Figure 2. Morphology of the sample mixture No.1. a) 50 times magnification, b) 500 times magnification.

b)

а)                                                          b)

Рис. 3. Морфология образца смеси №2. a) увеличение 50 раз, b) увеличение 500 раз. Figure 3. Morphology of the sample mixture No.2. a) 50 times magnification, b) 500 times magnification.

На рис. 3 а,б приведена морфология образца смеси №2: графит – 80%, перлит – 3%; портландцемент – 16%; добавки – 1%. Здесь поле обзора заполнено поризованными частицами перлита с сотовой поровой структурой, а также продуктами их механического разрушения. Прослеживается способность перлита к распределению между частицами графита и разделению их друг от друга за счет распора лепестковыми обломочными образованиями.

Составы обеспечивали классы по прочности при сжатии В2,5 и В2 соответственно, обеспечивающие достаточную прочность штукатурного покрытия под финишную отделку. Перед нанесением смеси перемешиваются с водой при расходе воды 2 л/кг сухой смеси. Нанесение проводилось штукатурным методом путем наброса и заглаживания теркой. Далее проводилась выдержка в воздушно-сухих условиях до достижения равновесной влажности покрытия в течение 7 сут. Из полученных смесей были изготовлены образцы покрытий с размерами 1000х1000 мм (Табл. 1, рис. 4), полученные путем нанесения смесей на, вырезанные из гипсокартонного листа ГКЛ толщиной 12 мм, подложки.

Таблица 1. Образцы покрытий

Table 1. Covering samples

Номер образца	Тип материала	Толщина материала, мм
1	Поглощающий	10
2	Отражающий	10
3	Комбинированный (отражающий [5 мм] + поглощающий [15мм])	20

2.2 Methods

Измерения образцов проводились в безэховой камере Rainford EMС3 (Рис. 4) Центра электромагнитных измерений Института радиоэлектроники и информационных технологий-РТФ ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», Екатеринбург, Российская Федерация (Ural Federal University, Yekaterinburg, Russian Federation).

Рис. 4. Измерение коээфициента передачи электромагнитных волн

Figure 4. Measurement of the coefficient of transmission of electromagnetic waves

Схема измерений коэффициента передачи электромагнитных волн показана на рисунке 5.

Рис. 5. Схема измерений коэффициента передачи электромагнитных волн

1 – испытываемый образец, 2 – векторный анализатор параметров цепей,

3 – соединительный кабель, 4 – измерительная антенна, 5 – поворотное устройство,

6 – область пространства, существенная для распространения радиоволн

Figure 5. Scheme for measuring the transmission coefficient of electromagnetic waves

1 – test sample, 2 – vector network analyzer, 3 – connection cable, 4 – measuring antenna, 5 – rotary device, 6 – region of space essential for radio wave propagation

Измерения проводились следующим образом. Исследуемые образцы материалов были закреплены на штативе на высоте 1 метра в центре открытой площадки на одинаковом расстоянии от передающей и приемной антенны. Растояние от исследуемых образцов до приемной и передающей антенны определяется формулой для дальней зоны [16], [17], [18].

/' 2'                                                     (1)

• Л - длина падающей волны;

• D - максимальный габаритный размер антнны.

• 3.1    Результаты электродинамических измерений образцов покрытий

Центр образца совпадал с фазовыми центрами приемной и передающей антенны.

С помощью комплексного измерителя коэффициентов передачи был измерен уровень коэффициента коэффициента отражения S11 передачи S21 в децибелах.

3 Results and Discussion

На рис. 6 приведены графики зависимостей коэффициента прохождения S21 и коэффициента отражения S11 для образца поглощающего покрытия (образец 1).

Рис. 6. Коэффициент отражения S11 и прохождения S21 образца в диапазоне частот от 2 ГГц до 8 ГГц для поглощаюшего слоя

Figure 6. Reflectance S11 and transmission S21 of the sample in the frequency range from 2 GHz to 8 GHz for the absorbing layer

Из измеренных значений S – параметров для поглощающего материала видно, что коэффициент отражения S11 в заданном диапазоне частот меньше – 5 дБ, что соответсвует тому, что отражается меньше половины амплитуды электромагнитной волны. Остальная часть волны проходит в материал. Коэффициент прохождения S21 показывает значение амплитуды электромагнитной волны после прохождения через материал. Значение коэффициента прохождения в диапазоне частот от 2 до 8 ГГц меньше – 22.5 дБ, т.е. прошло 7.5% от уровня падающей волны.

На рис. 7 приведены графики зависимостей коэффициента прохождения S21 и коэффициента отражения S11 для образца отражающего покрытия (образец 2).

Частота, ГГц

Рис. 7. Коэффициент отражения S11 и прохождения S21 в диапазоне частот от 2 ГГц до 8 ГГц для отражающего слоя

Figure 7. Reflectance S11 and transmission S21 in the frequency range 2 GHz to 8 GHz for the reflective layer

Из измеренных значений S – параметров для отражающего материала видно, что коэффициент отражения S11 в заданном диапазоне частот меньше – 4 дБ, что соответствует тому, что отражается 60% электромагнитной волны. Остальная часть волны проходит в материал. Коэффициент прохождения S21 показывает значение амплитуды электромагнитной волны после прохождения через материал. Значение коэффициента прохождения в диапазоне частот от 2 до 8 ГГц меньше – 31 дБ, т.е. прошло 3% от уровня падающей волны. Уменьшение коэффициента прохождения для отражающего слоя обусловлено тем, коэффициент отражения был больше, чем для поглощающего слоя.

• 3.2    Результаты электродинамических измерений образцов комбинированного

двухслойного покрытия

Результаты испытаний показали высокие радиоотражающие свойства покрытия из смеси с преобладающим содержанием электромагнитных частиц и высокие радиопоглощающие свойства покрытия из смеси с включением диэлектрических частиц, что подтвердило предложенный метод повышения радиопоглощающих свойств композитов.

В связи с этим возникло предположение о возможности повышения радиозащитных свойств при создании двухслойных покрытий, в которых первый основной слой будет исполнять отражающую функцию, а второй слой со стороны источника обеспечивать поглощение как при первичном падении радиоволны, так и при переотражении от основного слоя. Двухслойная модель представлена на рис. 8.

Отражающий слой

Поглощающий слой

Поглощение

Рис. 8. Двухслойная модель радиозащитной композитной структуры.

• Figure 8. 2-layer model of radiowave defence composite structure.

На рис. 9-10 приведены графики зависимостей коэффициента прохождения S21 и коэффициента отражения S11 для образца комбинированного покрытия (образец 3).

При измерении образца комбинированного покрытия №3 был сориентирован поглощающим слоем к передающей антенне.

Из полученных результатов измерений видно, что значение коэффициента отражения в диапазоне частот 2 – 8 ГГц в среднем равно – 18 дБ. Это говорит о том, что практически вся энергия электромагнитной волны прошла в материал, а отразилось очень малое значение на уровне 1 - 2%.

Частота, ГГц

Рис. 9. Коэффициент отражения S11 образца комбинированного покрытия в диапазоне частот от 2 ГГц до 8 ГГц

Figure 9. Reflectance S11 of a composite coating sample in the frequency range 2 GHz to 8 GHz

Рис. 10. Коэффициент передачи S21 образца комбинированного покрытия в диапазоне частот от 2 ГГц до 8 ГГц

Figure 10. Transmission coefficient S21 of a composite coating sample in the frequency range 2

GHz to 8 GHz

При прохождении через материал, значение амплитуды электромагнитной волны уменьшилось до -7.5 дБ. В диапазоне частот 6 – 8 ГГц до -15 дБ, что соответствует уровню 10 – 15% от падающей волны. Остальная энергия поглотилась и рассеилась в материале.

Таким образом создание двухслойных покрытий позволяет значительно повысить их радиозащитные свойства.

4 Conclusions

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.

• 1.    Результаты оценки радиозащитных свойств подтвердили высокую эффективность применения сухих смесей, содержащих заполнители с электромагнитными свойствами. Смеси, изготовленные на заполнителе с электромагнитными

• 2.    Эффективным показал себя способ формирования двуслойных покрытий, в которых базовый слой – экранирующий, а покровный – поглощающий. Это позволяет добиться синергического эффекта, при котором покрытие обладает и высокими экранирующими и поглощающими свойствами.

• 3.    На  основе проведенных разработок создана  и внедрена  в производство

свойствами, отличаются высокой экранирующей способностью. Смеси, сочетающие заполнители с электромагнитными свойствами и пористые диэлектрические заполнители, отличаются высокой радипоглощающей способностью.

радиозащитная штукатурная смесь Ceramix-T ИКУР, которая успешно применялась при создании альтернативных измерительных площадок, в том числе на

Федеральном государственном унитарном предприятии «Производственное Объединение «МАЯК», Челябинская область, Российская Федерация (Federal State Unitary Enterprise "Mayak Production Association", Chelyabinsk Region, Russian Federation) и других.

5 Acknowledgements

Работа выполнена в рамках государственного задания FENU-2020-0019 Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.