За последние несколько лет огромное развитие коммуникационных технологий и электронных устройств, основанных на плотно упакованных системах, стимулировало исследования по поглощению электромагнитных (ЭМ) волн.
Фактически, проблемы электромагнитных помех возросли в геометрической прогрессии, и в настоящее время электромагнитное загрязнение является серьезной проблемой, которая может поставить под угрозу производительность оборудования и надежность электроники, что приведет к ухудшению срока службы, потере энергии и данных в сигналах и устройствах хранения. Например, нежелательное электромагнитное излучение может нанести ущерб безопасности аэронавтики, мешая бортовым электронным системам управления и влияя на качество сигнала в высокоскоростных устройствах связи, поэтому поглощение электромагнитных волн имеет решающее значение, и были предприняты большие усилия для разработки новых высокоэффективных поглощающих материалов. Использование таких материалов в новых спутниковых системах связи улучшает качество сигнала приемника за счет подавления шумов.
Однако традиционные поглощающие материалы, такие как феррит, магнитные металлические порошки и керамика, имеют ограниченное применение в появляющейся космической и аэрокосмической промышленности, а также в электронных и коммуникационных технологиях из-за их высокой плотности, большого веса и ухудшения состояния окружающей среды. Фактически, снижение веса является обязательным в космической и аэрокосмической промышленности, и хорошее химическое, физическое и термическое сопротивление являются ключевыми требованиями в будущих гибких и миниатюрных электронных устройствах.
На сегодняшний день различные проводящие полимерные композиты на основе углерода широко исследованы с целью замены обычных поглощающих материалов, поскольку они сочетают в себе хорошие механические и электрические свойства с типичными полимерными характеристиками, такими как легкость, высокая формуемость и устойчивость к коррозии.
Действительно, углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна и графеновые наночастицы (ВНП) считаются проводящими наполнителями в полимерных нанокомпозитах из-за их замечательных структурных, механических и электрических свойств. Среди них ВНП привлекли наибольшее внимание в качестве нанонаполнителей в термореактивных полимерных композитах, поскольку они чрезвычайно дешевы и легко перерабатываются. Например, широкополосный полимерный поглотитель, состоящий из винилэфирной смолы на эпоксидной основе, заполненной ЗНЧ, был предложен в GNP. Эпоксидные композиты были разработаны и охарактеризованы с точки зрения электрических и электромагнитных свойств, чтобы оценить потенциальное применение этих материалов в качестве проводящих покрытий и микроволновых поглотителей для частот до 18 ГГц.
Несмотря на то, что были предприняты большие усилия, разработка легких многофункциональных материалов, поглощающих электромагнитные излучения, для космических и аэрокосмических применений все еще остается проблемой. На самом деле, трудно достичь удовлетворительного компромисса между термическими, механическими и электромагнитными свойствами в эпоксидных композитах, нагруженных ВНП.
Тем не менее были достигнуты впечатляющие успехи в пористых и аэрогелевых структурах, что привело к существенному снижению плотности и веса композита. Углеродные аэрогели, состоящие из губкообразных взаимосвязанных сетей из пористого углерода, привлекли еще больше внимания благодаря своему легкому весу и отличным электрическим и термическим свойствам.
Действительно, несколько авторов исследовали производство и свойства углеродных аэрогелей для электромагнитных применений. Такие материалы в основном делятся на две группы: аэрогели на основе графена и композитные аэрогели на основе графена. Первые обычно характеризуются превосходными электромагнитными свойствами, но низкими механическими свойствами, гибкостью, пластичностью и термической стабильностью. Более того, их производственный процесс часто требует использования опасных химических веществ, таких как кислоты или основания, и, кроме того, может быть довольно дорогим.
Несмотря на то, что они обычно дешевле полимерных композитных аэрогелей на основе графена, они обладают более высокими механическими свойствами, гибкостью и более легкой технологичностью, чем аэрогели на основе графена. Среди них, те, которые используют поливинилиденфторид (PVDF) в качестве полимерной матрицы, проявляют растущий интерес из-за исключительной химической стойкости и термических, механических и физических свойств PVDF. Кроме того, гидрофобные характеристики PVDF имеют особое значение для реализации экономически эффективных самоочищающихся, устойчивых к биообрастанию и влагостойких поверхностей.
Ученые представили новую технологию изготовления пористых нанокомпозитов на основе PVDF и многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT) для экранирования ЭМ в диапазоне частот 8–18 ГГц. Полимерную матрицу PVDF также использовали "X. Ma." за их пористый гидрофобный полимерный композит с улучшенной защитой от ЭМ и способностями к самоочищению. Водный подход к изготовлению пористых композитов PVDF, заполненных MWCNTs, с улучшенными электромагнитными свойствами, был описан. Однако следует отметить, что композиты исследованы и загружаются с относительно высоким процентом нанонаполнителя, и что свойства поглощения EM выходят за рамки этих исследований.
Хотя ВНП широко используются в качестве наполнителей в композитах на основе графена, на сегодняшний день очень мало работ посвящено пористым композитным аэрогелям ПВДФ-ВН. Исслетодователи нашли способ изготовления нанокомпозитных пенопластов PVDF-GNP для экранирования. Матрица PVDF загружена наночастицами графена и серебра, а еще был представлен новый полиакрилонитрил / PVDF-со-гексафторпропилен / нанокомпозитный пенопласт. Все эти композиты демонстрируют улучшенные электромагнитные свойства, но возможности поглощения электромагнитных волн не исследованы, как механические, так и термические.
Кроме того, необходимы функциональные химические или физические наполнители, а также требуются экономически эффективные производственные процессы , включающие использование опасных химических веществ или критического сырья, такого как наночастицы серебра.
Целью работы является преодоление этих узких мест, создание экономичного и легкого трехмерного пористого аэрогеля на основе графена для поглощения электромагнитных волн, характеризующегося высокой пористостью, хорошими механическими свойствами, превосходной теплопроводностью и электрической проводимостью. Полученные аэрогели на основе графена состоят из полимерной матрицы PVDF, заполненной ВНП, без какой-либо химической модификации или функционализации, ни ВНП, ни полимерных цепей. Таким образом, производственный процесс является масштабируемым, относительно простым и не включает использование каких-либо кислот, оснований или поверхностно-активного вещества.
Полученные аэрогели характеризуются значительной химической и физической стойкостью, а также термостойкостью, механическими, термическими, электрическими и электромагнитными свойствами. В частности, они позволяют производить высокопроизводительные широкополосные радиопоглощающие экраны. Фактически, при толщине всего 2,2 мм можно получить поглощающую панель с шириной полосы коэффициента отражения ниже -10 дБ около 9 ГГц с центром на ~ 13,5 ГГц и более 6 ГГц для коэффициента отражения ниже, чем −20 дБ. Эти характеристики электромагнитного поглощения сравнимы с характеристиками, полученными из графеновой пены, и особенно актуальны в отношении характеристик, полученных с аэрогелями из графена-карбида кремния и с другими пористыми полимерными наноструктурами.
Фактически заявлено, что ширина полосы коэффициента отражения составляет –10 дБ, ограниченная 4,7 ГГц в диапазоне частот 8–18 ГГц. Представлена спиральная проводящая полипропиленовая наноструктура, характеризующаяся полосой пропускания 7,04 ГГц с коэффициентом отражения ниже -10 дБ. Были созданы иерархически пористые цеолитные имидазолатные структуры на основе кобальта с целью получения сотовых пористых композитов для радиолокационного поглощения с шириной полосы коэффициента отражения -10 дБ, ограниченной 5 ГГц. Также был представлен коаксиальный пористый нанокомпозит серебро-полипиррол, имеющий квалифицированную полосу пропускания 5,88 ГГц.
В дополнение к широкополосным электромагнитным свойствам образцы, полученные в этом исследовании, показывают исключительную теплопроводность и стабильность, то есть незначительное изменение объема после изменений температуры. Все эти характеристики делают предлагаемые аэрогели хорошими кандидатами для поглощения электромагнитного излучения в аэрокосмической, космической и электронной областях. Кроме того, в зависимости от параметров процесса, аэрогели PVDF / GNP могут быть водоотталкивающими. Это качество особенно актуально для электронной упаковки, так как электромагнитные и тепловые характеристики этих материалов не будут зависеть от влажности окружающей среды.
Одним словом, новизна этой работы преуспевает в пять раз.
Во-первых, произведенные композитные аэрогели, заполненные ВНП, характеризуются исключительными электромагнитными свойствами, что позволяет производить поглощающие панели с полосами пропускания 9,2 ГГц и 6,4 ГГц с коэффициентами отражения ниже -10 дБ и -20 дБ, соответственно, в 8 ÷ Диапазон частот 18 ГГц.
Во-вторых, полученные аэрогели показывают исключительную теплопроводность без какого-либо видимого изменения объема после температурного испытания.
В-третьих, в зависимости от параметров процесса можно получить водоотталкивающие аэрогелевые композиты, что позволяет избежать воздействия на их ЭМ и тепловые свойства влажности окружающей среды.
В-четвертых, предлагаемый новый производственный процесс является простым и масштабируемым, он не предполагает использования каких-либо кислот, оснований или поверхностно-активного вещества и не требует функционализации наполнителя, ни химический, ни физический.
В-пятых, показанно, что правильная установка температуры обработки при смешивании раствора PVDF-DMF и PVDF позволяет настроить тепловые, электрические, механические свойства аэрогеля, поскольку он влияет на включение ВНП в полимерную матрицу.
Все эти аспекты позволяют преодолеть ограничения современных поглотителей электромагнитных волн для авиационной, космической и электронной упаковки.