radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2024-27-6-68-79radioelectronics-954Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКАMICRO- AND NANOELECTRONICSОсобенности радиопоглощения и экранирования электромагнитного излучения тканями, модифицированными полипирролом и магнетитом, в диапазоне частот от 3.9 до 8 ГГцRadio Absorption and Shielding of Electromagnetic Radiation by Polypyrroleand Magnetite-Based Textiles in the 3.9…8 GHz Frequency Rangehttps://orcid.org/0009-0006-2219-2375ЩербаковА. Е.ScherbakovA. E.

Щербаков Александр Евгеньевич – магистр по специальности электроника и наноэлектроника (2021); аспирант кафедры микро- и наноэлектроники; инженер-конструктор

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alexandr E. Shcherbakov – Master's degree in electronics and nanoelectronics (2021); Postgraduate student of the Department of Micro- and Nanoelectronics; Design engineer

 5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

a.e.shcherbakov@bk.ruОАО "Завод Магнетон"; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияJSC "Zavod Magneton"; Saint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation2024271220242766879Copyright © Щербаков А.Е., 20242024Щербаков А.Е.Scherbakov A.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/954Введение

Введение. В настоящее время композиционные материалы на основе электропроводящих полимеров находят широкое применение в различных областях. К сожалению, собственно электропроводящие полимеры имеют достаточно низкую механическую прочность, поэтому их применяют в виде композиционных материалов в сочетании с другими компонентами, обеспечивающими улучшенные базовые свойства, например механические. Отдельной ветвью развития подобных материалов стоит выделить композиционные материалы на основе текстиля, применяющиеся для экранирования электромагнитных волн. Ввиду низкой удельной плотности и, как следствие, небольшой массы, а также высокой эффективности поглощения данные материалы находят свое применение в сферах защиты человека от электромагнитного излучения.

Цель работы

Цель работы. Количественная оценка и анализ радиопоглощающих свойств двух- и трехкомпонентных текстильных композитов, присущих материалам вследствие наличия у них электропроводящих и магнитных характеристик.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для измерения S-параметров использовался векторный анализатор цепей Keysight N5232A. Измерения проводились отдельно в двух диапазонах частот: 3.9…5.65 и 5.65…8 ГГц. Для выбранных диапазонов частот использовались волноводы с сечением 48 × 24 и 35 × 15 мм соответственно. В качестве экспериментальных образцов выступали композиционные материалы на основе нетканого текстиля, состоящего из вискозы и полиэфирного волокна в соотношении 60 и 40 % по массе соответственно.

Результаты

Результаты. В ходе эксперимента определены параметры S11, характеризующие отражение волны от поверхности образца (Sr) (reflection), и параметры S12, характеризующие проницаемость образца (St ) (transmittance). Получены данные для однослойных и многослойных образцов. Рассчитаны параметры диэлектрической и магнитной проницаемостей полученных материалов.

Заключение

Заключение. Исследуемые материалы показали высокую степень как экранирования, так и поглощения электромагнитного излучения. Для образцов, содержащих магнетит, превалирует экранирующий характер электромагнитного излучения, для образцов на основе полипиррола основной характер взаимодействия поглощающий. Уровень общего поглощения образцов на основе полипиррола толщиной 6 мм составил 90 %. Полученные электрофизические параметры в дальнейшем возможно использовать при проектировании и моделировании радиопоглощающих изделий на основе исследуемого материала.

Introduction

Introduction. Composite materials based on electrically conductive polymers find application in various fields. However, the rather low mechanical strength of electrically conductive polymers require addition of other components to enhance their, e.g., mechanical properties. Another direction consists in the development of textile-based composite materials for shielding electromagnetic waves. Due to the low specific density and, respectively, low weight, as well as high absorption efficiency, such materials find application in the fields of human protection from electromagnetic radiation.

Aim

Aim. Quantitative assessment and analysis of the radio-absorbing properties of two- and three-component textile composites, which emerge due to their electrically conductive and magnetic characteristics.

Materials and methods

Materials and methods. S parameters were measured using a Keysight N5232A vector circuit analyzer. Measurements carried out separately in two frequency ranges: 3.9…5.65 GHz and 5.65…8 GHz. Waveguides of a given cross section were used for the selected frequency ranges (3.9…5.65 GHz – 48 × 24 mm; 5.65…8 GHz – 35 × 15 mm). The experimental samples were composite materials based on non-woven textiles consisting of viscose and polyester fiber in a ratio of 60 and 40 wt %, respectively.

Results

Results. The S11 parameters characterizing wave reflection from the sample surface (Sr) (reflection) and the S12 parameters characterizing the sample permeability (St ) (transmittance) were determined. Data for single- and multilayered samples was obtained. The dielectric and magnetic permeability of the obtained materials was calculated.

Conclusion

Conclusion. The studied materials showed a high degree of both shielding and absorption of electromagnetic radiation. Magnetite-based samples demonstrated largely shielding properties against electromagnetic radiation; polypyrrole-based samples were characterized by absorbing properties. The total absorption level of 6-mm thick polypyrrole-based samples was 90 %. The obtained electrophysical parameters can be used when designing and modeling of radio-absorbing products based on the studied materials.

полипирролэлектропроводящие полимерырадиопоглощающие материалымагнетитэлектромагнитные волныpolypyrroleelectrically conductive polymersradio-absorbing materialsmagnetiteelectromagnetic wavesReferencesThe Effect of Conductive Polyaniline on the Anti-Fouling and Electromagnetic Properties of Polydimethylsiloxane Coatings / Y. Guo, Y. Qi, C. Zhang, S. Zhang, Z. Zhang // Polymers. 2023. Vol. 15, iss. 13. P. 2944. doi: 10.3390/polym15132944Guo Y., Qi Y., Zhang C., Zhang S., Zhang Z. The Effect of Conductive Polyaniline on the Anti-Fouling and Electromagnetic Properties of Polydimethylsiloxane Coatings. Polymers. 2023, vol. 15, iss. 13, p. 2944. doi: 10.3390/polym15132944Conductive polymers for stretchable supercapacitors / Y. Wang, Y. Ding, X. Guo, G. Yu // Nano Research. 2019. Vol. 12. P. 1978–1987. doi: 10.1007/s12274-019-2296-9Wang Y., Ding Y., Guo X., Yu G. Conductive Polymers for Stretchable Supercapacitors. Nano Research. 2019, vol. 12, pp. 1978–1987. doi: 10.1007/s12274-019-2296-9Rivers T. J., Hudson T. W., Schmidt C. E. Synthesis of a novel, biodegradable electrically conducting polymer for biomedical applications // Advanced Functional Materials. 2002. Vol. 12, iss. 1. P. 33–37. doi: 10.1002/1616-3028(20020101)12:13.0.CO;2-ERivers T. J., Hudson T. W., Schmidt C. E. Synthesis of a Novel, Biodegradable Electrically Conducting Polymer for Biomedical Applications. Advanced Functional Materials. 2002, vol. 12, iss. 1, pp. 33–37. doi: 10.1002/1616-3028(20020101)12:13.0.CO;2-EOtero T. F., Martinez J. G., Arias-Pardilla J. Biomimetic electrochemistry from conducting polymers. A review: artificial muscles, smart membranes, smart drug delivery and computer/neuron interfaces // Electrochimica Acta. 2012. Vol. 84. P. 112–128. doi: 10.1016/j.electacta.2012.03.097Otero T. F., Martinez J. G., Arias-Pardilla J. Biomimetic Electrochemistry from Conducting Polymers. A Review: Artificial Muscles, Smart Membranes, Smart Drug Delivery and Computer/Neuron Interfaces. Electrochimica Acta. 2012, vol. 84, pp. 112–128. doi: 10.1016/j.electacta.2012.03.097Development and investigation of electromagnetic shielding fabrics with different electrically conductive additives / V. Rubežienė, J. Baltušnikaitė, S. VarnaitėŽuravliova, A. Sankauskaitė, A. Abraitienė, J. Matuzas // J. of Electrostatics. 2015. Vol. 75. P. 90–98. doi: 10.1080/00405000.2017.1347229Rubežienė V., Baltušnikaitė J., Varnaitė-Žuravliova S., Sankauskaitė A., Abraitienė A., Matuzas J. Development and Investigation of Electromagnetic Shielding Fabrics with Different Electrically Conductive Additives. J. of Electrostatics. 2015, vol. 75, pp. 90–98. doi: 10.1080/00405000.2017.1347229Layer by layer deposition of PEDOT, silver, and copper to develop durable, flexible, and EMI shielding and antibacterial textiles / S. Riaz, S. Naz, A. Younus, A. Javid, S. Akram, A. Nosheen, M. Ashraf // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2022. Vol. 650, art. № 129486. doi: 10.1016/j.colsurfa.2022.129486Riaz S., Naz S., Younus A., Javid A., Akram S., Nosheen A., Ashraf M. Layer by Layer Deposition of PEDOT, Silver, and Copper to Develop Durable, Flexible, and EMI Shielding and Antibacterial Textiles. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2022, vol. 650, art. no. 129486. doi: 10.1016/j.colsurfa.2022.129486Yu Z., Zhen T., Jisheng H. 5-Block copolymer for skin-compatible electronics // Semiconducting Polymer Materials for Biosensing Applications. 2024. P. 125–161. doi: 10.1016/B978-0-323-95105-0.00009-7Yu Z., Zhen T., Jisheng H. 5-Block Copolymer for Skin-Compatible Electronics. Semiconducting Polymer Materials for Biosensing Applications. 2024, pp. 125–161. doi: 10.1016/B978-0-323-95105-0.00009-7Electrochemical control of bone microstructure on electroactive surfaces for modulation of stem cells and bone tissue engineering / D. Cao, J. Martinez, R. Anada, E. Hara, H. Kamioka, E. Jager // Science and Technology of Advanced Materials. 2023. Vol. 24, iss. 1. Art. № 2183710. doi: 10.1080/14686996.2023.2183710Cao D., Martinez J., Anada R., Hara E., Kamioka H., Jager E. Electrochemical Control of Bone Microstructure on Electroactive Surfaces for Modulation of Stem Cells and Bone Tissue Engineering. Science and Technology of Advanced Materials. 2023, vol. 24, iss. 1, art. no. 2183710. doi: 10.1080/14686996.2023.2183710Sensing and Tactile Artificial Muscles from Reactive Materials / L. V. Conzuelo, J. Arias-Pardilla, J. Cauich-Rodríguez, M. A. Smit, T. F. Otero // Sensors. 2010. Vol. 10, iss. 4. P. 2638–2674. doi: 10.3390/s100402638Conzuelo L. V., Arias-Pardilla J., CauichRodríguez J., Smit M. A., Otero T. F. Sensing and Tactile Artificial Muscles from Reactive Materials. Sensors. 2010, vol. 10, iss. 4, pp. 2638–2674. doi: 10.3390/s100402638A flexible polypyrrole/silk-fiber ammonia sensor assisted by silica nanosphere template / C. She, G. Li, W. Zhang, G. Xie, Y. Zhang, L. Li, F. Yue, S. Liu, Ch. Jing, Y. Cheng, J. Chu // Sensors and Actuators A: Physical. 2021. Vol. 317. Art. № 112436. doi: 10.1016/j.sna.2020.112436.She C., Li G., Zhang W., Xie G., Zhang Y., Li L., Yue F., Liu S., Jing Ch., Cheng Y., Chu J. A Flexible Polypyrrole/Silk-Fiber Ammonia Sensor Assisted by Silica Nanosphere Template. Sensors and Actuators A: Physical. 2021, vol. 317, art. no. 112436. doi: 10.1016/j.sna.2020.112436.Rybicki T., Stempien Z., Karbownik I. EMI Shielding and Absorption of Electroconductive Textiles with PANI and PPy Conductive Polymers and Numerical Model // Energies. 2021. Vol. 14, iss. 22. Art. № 7746. doi: 10.3390/en14227746Rybicki T., Stempien Z., Karbownik I. EMI Shielding and Absorption of Electroconductive Textiles with PANI and PPy Conductive Polymers and Numerical Model. Energies. 2021, vol. 14, iss. 22, art. no. 7746. doi: 10.3390/en14227746Electromagnetic Radiation Shielding by Composites of Conducting Polymers and Wood / I. Sapurina, N. Kazantseva, J. Prokes, P. Saga, J. Stejskal // J. of Applied Polymer Science. 2005. Vol. 95, iss. 4. P. 807– 814. doi: 10.1002/app.21240Sapurina I., Kazantseva N., Prokes J., Saga P., Stejskal J. Electromagnetic Radiation Shielding by Composites of Conducting Polymers and Wood. J. of Applied Polymer Science. 2005, vol. 95, iss. 4, pp. 807–814. doi: 10.1002/app.21240Recent advances in electromagnetic interference (EMI) shielding textiles: A comprehensive review / S. Akram, M. Ashraf, A. Javid, H. Affan-Abid, S. Ahmad, Y. Nawab, A. Rasheed, Zh. Xue, A. Nosheen // Synthetic Metals. 2023. Vol. 294. Art. № 117305. doi: 10.1016/j.synthmet.2023.117305Akram S., Ashraf M., Javid A., Affan-Abid H., Ahmad S., Nawab Y., Rasheed A., Xue Zh., Nosheen A. Recent Advances in Electromagnetic Interference (EMI) Shielding Textiles: A Comprehensive Review. Synthetic Metals. 2023, vol. 294, art. no. 117305. doi: 10.1016/j.synthmet.2023.117305Sapurina I., Stejskal J. Composites of Multi– Wall Carbon Nanotubes, Polyaniline, and Noble–Metal Nanoparticles for Potential Application in Electrocatalysis // Chemical Papers. 2009. Vol. 63, iss. 5. P. 579– 585. doi: 10.2478/s11696-009-0061-3Sapurina I., Stejskal J. Composites of Multi– Wall Carbon Nanotubes, Polyaniline, and Noble–Metal Nanoparticles for Potential Application in Electrocatalysis. Chemical Papers. 2009, vol. 63, iss. 5, pp. 579– 585. doi: 10.2478/s11696-009-0061-3Polyaniline-coated multi-wall carbon nanotubes containing nickel nanoparticles / E. N. Konyushenko, N. E. Kazantseva, J. Stejskal, M. Trchová, J. Kovarova, I. Sapurina, M. M. Tomishko, O. V. Demicheva, J. Prokeš Konyushenko // J. of Magnetism and Magnetic Materials. 2008. Vol. 320, iss. 3–4. P. 231–240. doi: 10.1016/j.jmmm.2007.05.036Konyushenko E. N., Kazantseva N. E., Stejskal J., Trchová M., Kovarova J., Sapurina I., Tomishko M. M., Demicheva O. V., Prokeš Konyushenko J. Polyanilinecoated Multi-Wall Carbon Nanotubes Containing Nickel Nanoparticles. J. of Magnetism and Magnetic Materials. 2008, vol. 320, iss. 3–4, pp. 231–240. doi: 10.1016/j.jmmm.2007.05.036Vicente A. N., Dip G. M., Junqueira C. The step by step development of NRW method // SBMO/IEEE MTT-S Intern. Microwave and Optoelectronics Conf., Natal, Brazil, 29 Oct. 2011–01 Nov. 2011. IEEE, 2011. P. 738–742. doi: 10.1109/IMOC.2011.6169318Vicente A. N., Dip G. M., Junqueira C. The Step by Step Development of NRW Method. SBMO/IEEE MTT-S Intern. Microwave and Optoelectronics Conf., Natal, Brazil, 29 Oct. 2011–01 Nov. 2011. IEEE, 2011, pp. 738–742. doi: 10.1109/IMOC.2011.6169318Sadeghi S., Mousavi S. M., Pommerenke D. A Method to Determine the Permittivity of Anisotropic Thin Sheet Absorber Materials // Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility – EMC Europe, Krakow, Poland, 04–08 Sept. 2023. IEEE, 2023. P. 1–6. doi: 10.1109/EMCEurope57790.2023.10274270Sadeghi S., Mousavi S. M., Pommerenke D. A Method to Determine the Permittivity of Anisotropic Thin Sheet Absorber Materials. Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility – EMC Europe, Krakow, Poland, 04–08 Sept. 2023. IEEE, 2023, pp. 1–6. doi: 10.1109/EMCEurope57790.2023.10274270Rohde and Schwarz. Measurement of dielectric material properties. Application note. URL: https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/dl_application/00aps_undefined/RAC-0607-0019_1_5E.pdf (дата обращения: 19.11.2024).Rohde and Schwarz. Measurement of dielectric material properties. Application note. Available at: https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/dl_application/00aps_undefined/RAC-0607-0019_1_5E.pdf (accessed: 19.11.2024).Лобекин В. Н., Татаренко А. С., Бичурин М. И. Методики измерения параметров метаструктур на основе сплит-кольцевых резонаторов // Вестн. НовГУ. Сер. Технические науки. 2020. № 5 (121). С. 25–28.Lobekin V. N., Tatarenko A. S., Bichurin M. I. Methods for measuring the parameters of metastructures based on split-ring resonators. Vestnik NovSU. Iss.: Engineering Sciences. 2020, no. 5, pp. 25–28. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.