Разработка и исследование новых композиционных материалов "полимер/наноуглерод/феррит" для развития 5G-технологий

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-72-10071

НазваниеРазработка и исследование новых композиционных материалов "полимер/наноуглерод/феррит" для развития 5G-технологий

Руководитель Труханов Алексей Валентинович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-207 - Магнитные явления

Ключевые слова композиционные материалы, ферриты, наноструктурированные производные углерода, поглощение ЭМИ, 5G-технологии

Код ГРНТИ47.09.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью данного проекта является разработка физических основ создания новых многокомпонентных композитных материалов (КМ) типа "полимер/наноуглерод/феррит" с использованием в качестве наполнителей полимерной матрицы наночастиц углеродных производных различной морфологии и магнитодиэлектриков (замещенные гескафериты бария в М-типа Ba(Fe1-xDIx)12O19 где DI^3+, ^2+ и ^4+; x<0,1) для эффективного управления электромагнитными характеристиками КМ при взаимодействии с электромагнитным излучением (ЭМИ) в коротковолновой части электромагнитного спектра. Также на основе детального теоретического и экспериментально исследований установить взаимосвязь между методами синтеза, структурой, фазовым составом углеродной компоненты и гексаферритовых наночастиц, характером их пространственного распределения в КМ и их магнитными/электродинамическими характеристиками. Путем варьирования типа и морфологии как магнитного, так и углеродного компонента наполнителя в полимерной матрице будут разработаны материалы с заданными поглощающими характеристиками, такими, как положение (fmin или резонансная частота), ширина (Δfmin) и глубина (RLmin или амплитуда резонанса) полосы поглощения ЭМИ в интервале частот 10-60 ГГц (диапазон развивающейся сети 5G-коммуникации). Установление оптимального относительного содержания углеродного и магнитного компонентов в КМ, выбор морфологии углеродного компонента обеспечат достижение максимального поглощения и ширины полосы поглощения и управляемое положения частоты поглощения ЭМИ (fmin) за счет использования углеродных нанотрубок, графитовых нанопластинок, и замещенных гексагональных ферритов М типа Ba(Fe1-xDIx)12O19 (DI^3+, ^2+ и ^4+;; x<0,1) с замещением железа ионами-заместителями DI как гибридных наполнителей КМ, проявляющие в комплексе синергетический эффект. Предыдущие исследования полимерных КМ на основе эпоксидных матриц с наноразмерными углеродными наполнителями показали, что они обладают высокой электро- и теплопроводностью, хорошими механическими характеристиками и значительной эффективностью экранирования микроволнового излучения [1-3], что подтверждает целесообразность дальнейших разработок в этом направлении. Благодаря высокому аспектному отношению такие наноразмерные углеродные частицы как углеродные нанотрубки (УНТ) и углеродные нанопластинкы (УНП) легко формируют электропроводящий кластер при низком содержании наполнителей в КМ, обеспечивая материал подвижными носителями заряда. Это способствует эффективному взаимодействию с электромагнитным излучением, при этом механические характеристики полимерной матрицы практически не меняются и в некоторых случаях даже улучшаются [4]. Было показано преимущества синергетического эффекта от одновременного использования частиц наноразмерных производных углерода и диэлектрических наночастиц нитрида бора (BN) в формировании электропроводящего кластера и переносе заряда, влияние на величину электропроводности и микроструктуру тройных систем наноуглерод/BN/эпоксидная смола [5], а также исследований, где в качестве дополнительного наполнителя КМ наноуглерод/полимер был определен Fe3O4, который является магнитодиэлектриком [6]. Более того, было обнаружено, что комбинация наноуглеродного наполнителя и магнитных наночастиц (оксиды железа, гексаферрит бария), а также формирования КМ с ориентированным распределением частиц наполнителя позволяет контролируемо изменять полосы поглощения ЭМИ в таких материалах [6-9]. Основная идея данного проекта состоит в сочетании трех современных подходов к созданию материалов с высоким, управляемым уровнем электрических и магнитных потерь ЭМИ: 1) использование многокомпонентных наноразмерных наполнителей, включая как углеродные наночастицы различной морфологии, так и магнитные наночастицы (в качестве дополнительного наполнителя), что ведет к проявлению синергетического эффекта; 2) управление параметрами электромагнитного отклика КМ за счет использования замещенных гексагональных ферритов М-типа Ba(Fe1-xDIx)12O19 (DI^3+, ^2+ и ^4+; x<0,1) в качестве второго наполнителя; 3) формирование КМ полимер/наноуглерод/феррит под влиянием магнитного поля, что способствует формированию анизотропии в поглощающих свойствах таких КМ. Первая идея базируется на предположении о количественные и качественные изменения в характере электромагнитного отклика КМ полимер/наноуглерод после добавления магнитодиэлектриков, ферромагнитных металлов или их оксидов (Fe, Fe3O4, Co), что позволит существенно повысить поглощение ЭМИ гибридными КМ данного типа за счет эффективного взаимодополнения электрических и магнитных потерь. Важным при разработке таких композитов будет использование новых методик изготовления КМ, в частности метод жидкофазного смешивания под воздействием ультразвука заданных параметров, что позволит обеспечить равномерное распределение наполнителя в объеме полимерной матрицы в материале и высокий уровень межфазного взаимодействия полимер/наполнитель. Результаты, касающихся формирования перколяционного кластера в КМ в зависимости от технологических режимов изготовления композита ускорят решения задач данного проекта за счет наработок по выбору оптимального состава композитов [10]. Во-вторых, как показали исследования [11, 12], существует взаимосвязь между структурными особенностями и поглощением ЭМИ магнитодиэлектриками (гескаферит бария BaFe12O19 и замещеных гексагональных ферритов М-типа Ba(Fe1-xDIx)12O19 (DI^3+; x<0,1)), что дает возможность управляемо изменять параметры КМ материала, изготовленного на базе таких магнитных материалов [13], откуда следует идея по изготовлению КМ полимер/наноуглерод/феррит с взаимодополняющими магнитными и диэлектрическими экранирующими свойствами. Третья идея, которая будет реализована при выполнении проекта, базируется на том факте, что ориентация магнитным полем наноразмерных углеродных производных требует высоких значений напряженности магнитного поля вследствие невысокой магнитной восприимчивости как углеродных нанотрубок, так и графитовых нанопластинок. Поэтому, кроме синергетического эффекта в результате использования гибридного наполнителя наноуглерод/феррит, исследуемые КМ также будут характеризоваться магнитным откликом, что обеспечит взаимодополнение магнитных и диэлектрических потерь материала. Так, в наших предыдущих работах было показано, что создание заданного распределения углеродного наполнителя в эпоксидной матрице (упорядочение углеродных нанотрубок электрическим полем в процессе изготовления КМ, создание КМ с градиентом концентрации углеродных нанопластинок по его объему, изготовление многослойных композитных структур) позволяет получать КМ с анизотропными или неоднородными по объему образца магнитными и электродинамическими характеристиками [14-18]. Анизотропный характер, в частности, электрофизических свойств таких КМ, позволяет варьировать коэффициенты отражения и поглощения ЭМИ, а в некоторых случаях может приводить к резонансному характеру зависимостей экранирующих свойств от частоты ЭМИ [9]. 1. L. Vovchenko et al. Advances in nanotechnology, 2018, Chapter 1, 1. 2. Y. Perets et al. Mat-wiss u Werkstofftech, 2016, 47(2-3), 278. 3. O. Lazarenko et al. Mol Cryst Liq Cryst, 2016, 639, 94. 4. L. Vovchenko et al. Phys Stat Sol (A), 2014, 211(2), 336. 5. Yu. S. Perets et al. J Mater Sci, 2014, 49(5), 2098. 6. O. S. Yakovenko et al. Mol Cryst Liq Cryst, 2018, 661(1), 68. 7. O. S. Yakovenko et al. Inorg Mat, 2016, 52(11), 1198. 8. L. Vovchenko et al. Mat-wiss u Werkstofftech, 2016, 47(2-3), 139. 9. L. Matzui et al. In: Fundamental and Applied Nanoelectromagnetics, 2016, Chapter 14, 251. 10. O. Yakovenko et al. In: Nanophysics, Nanophotonics, Surface Studies, and Applications, 2016, Chapter 39, 477. 11. S. Trukhanov et al. Dalton Trans, 2017, 46(28), 9010. 12. A. Trukhanov et al. J Magn Magn Mater, 2018, 462(15), 127. 13. A. Trukhanov et al. J Alloys Compd, 2018, 754, 247. 14. L. Vovchenko et al. Surf and Coatings Techn, 2012, 211, 196. 15. O. Yakovenko et al. Phys Stat Sol (A), 2014, 211(12), 2718. 16. I. Sagalianov et al. Mat-wiss u Werkstofftech, 2016, 47(2-3), 263. 17. L. Vovchenko et al. Mol Cryst Liq Cryst, 2016, 639(1), 105. 18. O. Yakovenko et al. J Mater Sci, 2017, 52(9), 5345.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мацуй Л.Ю.; Труханов А.В.; Яковенко О.С.; Вовченко Л.Л.; Загородний В.В.; Олейнюк В.В.; Труханова Е.Л.; Астапович К.А.; Карпинский Д.В.; Труханов С.В. Functional Magnetic Composites Based on Hexaferrites: Correlation of the Composition, Magnetic and High-Frequency Properties Nanomaterials (MDPI), Nanomaterials 2019, 9, 1720; doi:10.3390/nano9121720 (год публикации - 2019)
10.3390/nano9121720

2. Агаев Ф.Г.; Джабаров С.Г.; Айюбова Г.Ш.; Мирзаев М.Н.; Труханов С.В.; Труханова Е.Л.; Дарвиш М.А.; Подгорная С.В.; Винник Д.А.; Хоанг Т.П.; Данг Н.Т.; Труханов А.В. Structure and thermal properties of BaFe11.1In0.9O19 hexaferrite Physica B: Condensed Matter (год публикации - 2019)
10.1016/j.physb.2019.411772

3. А.В. Труханов, К.А. Астапович, М. Алмессиери, В.А. Турченко, Е.Л. Труханова, В.В. Коровушкин, А.А. Амиров, М.А. Дарвиш, Д.В. Карпинский, Д.А. Винник, Д.С. Клыгач, М.Г. Вахитов, М.В. Здоровец, А.Л. Козловский, С.В. Труханов PECULARITIES OF THE MAGNETIC STRUCTURE AND MICROWAVE PROPERTIES IN Ba(Fe1-xScx)12O19 (x<0.1) HEXAFERRITES Journal of Alloys and Compounds, 822 (2020) 153575 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jallcom.2019.153575

4. Мостафа А. Дарвиш, Алексей В. Труханов, Олег С. Сенатов, Александр Т. Морченко, Самия А. Саафан, Ксения А. Астапович, Сергей В. Труханов, Екатерина Л. Труханова, Андрей А. Пилюшкин, Антонио Б. Сомбра, Ди Джоу, Раджрии Б. Джотания, Чаранджит Сингх Investigation of AC-Measurements of Epoxy/Ferrite Composites Nanomaterials (MDPI), (2020) 10, 492 (год публикации - 2020)
10.3390/nano10030492

5. Алгароу Н.А., Слимани Ю., Алмессиери М.А., Алахмари Ф.С., Вахитов М.Г., Клыгач Д.С., Труханов С.В., Труханов А.В,, Байкал А. Magnetic and microwave properties of SrFe12O19/MCe0.04Fe1.96O4 (M =Cu, Ni, Mn, Co and Zn) hard/soft nanocomposites Journal of Materials Research and Technology, 9(3) (2020) 5858-5870 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jmrt.2020.03.113

6. Агаев Ф.Г., Джабаров С.Х, Ауюбова Г.Ш., Труханов А.В., Труханов С.В., Мирзяев М.Н., Нагхиев Т.Г., Данг Н.Т. Ferrimagnetic-Paramagnetic Phase Transition in BaFe11.7In0.3O19 Compound Journal of Superconductivity and Novel Magnetism volume, 33, 2867–2873 (2020) (год публикации - 2020)
10.1007/s10948-020-05544-9

7. Алгароу Н.А., Слимани Ю, Алмессиери М.А., Садагат А., Труханов А.В, Гондал М.А., Хаким А.С., Труханов С.В., Вахитов М.Г., Клыгач Д.С., Маникадан А., Байкал А. Functional Sr0.5Ba0.5Sm0.02Fe11.98O4/x(Ni0.8Zn0.2Fe2O4) Hard–Soft Ferrite Nanocomposites: Structure, Magnetic and Microwave Properties Nanomaterials, 10(11), (2020), 2134 (год публикации - 2020)
10.3390/nano10112134

8. А.В.Труханов, К.А.Дарвиш, М.М.Салем, Щ.М.Хемеда, М.И.Абдел Ати, М.А.Дарвиш, Е.Ю.Канюков, С.В.Подгорная, В.А.Турченко, Д.И.Тишкевич, Т.И.Зубарь, К.А.Астапович, В.Г.Костишин, С.В.Труханов Impact of the heat treatment conditions on crystal structure, morphology and magnetic properties evolution in BaM nanohexaferrites Journal of Alloys and Compounds, 866 (2021) 158961 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2021.158961

9. М.А.Дарвиш, Х.Ф.Абошейаша, А.Т.Морченко, В.Г. Гостишин, В.А.Турченко, Е.Л.Труханова, К.А.Астапович, А.В.Труханов Impact of the Zr-substitution on phase composition, structure, magnetic, and microwave properties of the BaM hexaferrite Ceramics International, 47 (2021) 16752-16761 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ceramint.2021.02.247

10. Я.Слимани, Н.А.Алгароу, М.А.Алмесиери, А.Садагат, М.В.Вахитов, Д.С.Клыгач, Д.И.Тишкевич, А.В.Труханов, С.Гунер, А.С.Хаким, И.А.Аувал, А.Байкал, А.Маникадан, И.Эркан Fabrication of exchanged coupled hard/soft magnetic nanocomposites: Correlation between composition, magnetic, optical and microwave properties Arabian Journal of Chemistry, 14 (2021) 102992 (год публикации - 2021)
10.1016/j.arabjc.2021.102992

11. М.А. Дарвиш, А.Т. Морченко, Х.Ф. Абошейша, В.Г. Костишин, В.А. Турченко, М.А. Алмесиери, Я. Слимани, А. Байкал, А.В. Труханов Impact of the exfoliated graphite on magnetic and microwave properties of the hexaferrite-based composites Journal of Alloys and Compounds, 878 (2021) 160397 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2021.160397

12. Дарвиш М.А., Турченко В.А., Морченко А.Т., Костишин В.Г., Тимофеев А.В., Саед М.И., Зипенг Сун, Подгорная С.В., Труханова Е.Л., Канюков Е.Ю., Труханов С.В., Труханов А.В. Heterovalent substituted BaFe12-xSnxO19 (0.1≤x≤1.2) M-type hexaferrite: chemical composition, phase separation, magnetic properties and electrodynamics features Journal of Alloys and Compounds, 896 (2022) 163117 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jallcom.2021.163117

13. Труханов А., Тишкевич Д., Подгорная С., Канюков Е., Дарвиш М., Зубарь Т., Тимофеев А., Труханова Е., Костишин В., Труханов С. Impact of the Nanocarbon on Magnetic and Electrodynamic Characteristics of the Ferrite/Polymer composites Nanomaterials, 12 (2022) 868 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12050868

Публикации