Особенности радиопоглощения и экранирования электромагнитного излучения тканями, модифицированными полипирролом и магнетитом, в диапазоне частот от 3.9 до 8 ГГц

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

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

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.

1. The 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/polym15132944

2. Conductive polymers for stretchable supercapacitors / Y. Wang, Y. Ding, X. Guo, G. Yu // Nano Research. 2019. Vol. 12. P. 1978–1987. doi: 10.1007/s12274-019-2296-9

3. Rivers 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-E

4. Otero 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.2012.03.097

5. Development 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: 10.1080/00405000.2017.1347229

6. Layer 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.2022.129486

7. Yu 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/B978-0-323-95105-0.00009-7

8. Electrochemical 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: 10.1080/14686996.2023.2183710

9. Sensing 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/s100402638

10. A 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.

11. 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/en14227746

12. Electromagnetic 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.21240

13. Recent 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.2023.117305

14. Sapurina 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/s11696-009-0061-3

15. Polyaniline-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.2007.05.036

16. Vicente 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.2011.6169318

17. Sadeghi 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/EMCEurope57790.2023.10274270

18. Rohde 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).

19. 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.