Katkılı NiFe2O4 polimer tabanlı mikrodalga yutucuların frekans seçici malzeme tasarımı
Frequency selector material design by using microwave absorbers wi̇th doped NiFe2O4 polymmer based
Yazar: ETHEM İLHAN ŞAHİN
Danışman: PROF. MESUT KARTAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Bilişim Enstitüsü / İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı / Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Compositae = Compositae ; Elektromanyetik ekranlama = Electromagnetic shielding ; Ferrit = Ferrite ; Infrared spektroskopi =   ; Manyetik ferritler = Magnetic ferrites ; Mikrodalga frekans = microwave frequence ; Mikrodalga özellikler = Microwave properties ; Mikrodalgalar = Microwaves ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Soğurucular = Absorbers

Özet:
Haberleşme endüstrisindeki olağanüstü büyüme mikrodalga yutucu malzemelere olan ilginin artmasına neden olmuştur. Son zamanlarda modern haberleşme sistemleri yüksek frekanslara doğru kaydığı için yüksek frekanslarda kullanılmaya uygun yutucu malzemelere olan ilgi ve gereksinimde doğal olarak artış göstermektedir. Kablosuz iletişimin hızlı ilerlemesi neticesinde mikrodalga yutucu malzemelere olan ilgi radar sistemleri ve askeri uygulamalar gibi özel alanlar dışındaki uygulamalarda da oldukça dikkat çekici hale gelmiştir.Kullanımı giderek yaygınlaşan elektronik aygıtlardan yayılan sinyallerin oluşturduğu elektromanyetik kirliliğin insan sağlığı ve çevre üzerine pek çok olumsuz sonuçlar ortaya çıkardığı da günümüzde bilinmektedir. Bu sorunları aşmak ve elektromanyetik etkileri en aza indirmek, radar, uzay teknolojisi, telekomünikasyon, yerel alan ağları, askeri ve iletişim teknolojilerinde güvenliği sağlamak amaçlı olan yutucu malzemeler ve ekranlama etkinliğine sahip malzemeler üzerinde yapılan çalışmalarda ayrıca  devam etmektedir.
Yutucu malzemeye gelen sinyalin geldiği yöne yansımaması ve aynı zamanda iletim sağlamaması gereklidir. Bunun için sinyalin malzeme içinde veya üzerinde emilim yapması gerekmektedir. Normalde yansıma katsayısı minumum seviyeye ulaştığında en düşük yansıma kaybı elde edilir, yani gelen elektromanyetik dalgaların hiçbiri geri yansımamaktadır. Prensip olarak, bir elektromanyetik yutucu kaplamanın rolü, düşük yansıma sağlaması ve gelen elektromanyetik dalgalar için yüksek bir yutulma sağlamasıdır. Elektromanyetik dalga yutucu malzemelerin değeri ne kadar ince bir tabaka ile ne kadar geniş bir frekans aralığında yutma işlemini yaptığı ile alakalıdır. Malzemeye gelen elektrik ve manyetik  bileşenleri olan birbirlerine dik şekilde hareket eden elektromanyetik dalganın elektrik bileşeni malzemenin dielektrik özellikleri tarafından yutulurken  diğer bileşen olan manyetik bileşen ise manyetik özellik tarafından yutulur böylece bu iki bileşen kaybolunca malzeme ideal yutucu malzeme olur. Mikrodalga malzeme içine girdikten sonra malzeme kalınlığı boyunca zayıflatılmalı ve ısıya dönüştürülmelidir, bu durumda malzemeye gelen dalgalar yutularak geri yansımayacaktır. Manyetik ve dielektrik özellikleri nedeniyle NiFe2O4 genel formülü ile verilen spinel ferrritler sahip oldukları ilginç özellikleri nedeniyle son yıllarda yoğun bir şekilde  bilgi depolama sistemleri içindeki uygulamalar, manyetik sıvılar, manyetik toplu çekirdek, yüksek frekans aralığında çalışan mikrodalga veya radar yutucu malzemeler (RAM), yüksek frekanslı cihazlar için araştırılmıştır, NiFe2O4 yapısındaki spinel ferritler manyetik kayıplarının ve dirençlerinin yüksek olmasından dolayı elektromanyetik dalga yutucu olarak kullanılabilmektedir, ayrıca spinel ferritler manyetik kayıt ortamı, manyetik akışkanlar, katalizörler, manyetik rezonans görüntüleme (MRI), mikrodalga yutucular, sensörler ve pigmentler gibi uygulama alanlarında da öne çıkan malzemelerdir. Ferritlerin özellikleri, kimyasal bileşimine, mikroyapısına, sinterleme parametreleri ile katkılanan iyonun konumuna ve katkı oranına bağlı olarak değişik özellik göstermektedir.
Yapılan çalışmada NiFe2O4 ferrit bileşiminde Ni yerine Mo, Tb, Ta ve  Hf,  Fe yerine V, Cu farklı oranlarda yer alan katı eriyiği şeklinde ilave edilerek  tek fazlı katkılı NiFe2O4 ferritleri oksitlerin karışımı yöntemiyle üretilmiştir. Başlangıç oksitlerinin miktarları Ni1-xMoxFe2O4, Ni1-xTbxFe2O4, Ni1-xTaxFe2O4 , Ni1-xHfxFe2O4 , NiFe2-xVxO4, NiFe2-xCux stokiyometrik kompozisyonlar baz alınarak hesaplanmıştır. Her bir katkının ana yapı (NiFe2O4) içerisinde yapıyı bozmadan katkılanabileceği miktar olarak tarif edilen çözünürlük limiti X-ışınları toz difraktometresi kullanılarak saptanmıştır. SEM sonuçları XRD sonuçlarını teyit etmektedir. 1200-1500 °C aralığında sinterlenen katkılı tek fazlı NiFe2O4 ferrit malzemelerin manyetik özellikleri belirlenmiştir. Oluşturulan katı eriyiklerde katkı tür ve oranlarının ferrit seramiğinin manyetik ve ekranlama etkinliğine (shielding effect) olan etkileri ayrıca belirlenmiştir. Özellikler açısından belirlenen optimum parametrelere göre katkılı NiFe2O4 ferritleri polianilin tabanlı olarak kompozit olarak üretilip özellikleri karakterize edilmiştir. Polianilin-NiFe2O4:V, Polianilin-NiFe2O4:Tb, Polianilin-NiFe2O4:Cu, Polianilin-NiFe2O4:Hf, Polianilin-NiFe2O4:Ta, Polianilin-NiFe2O4:Mo farklı katkı oranlarında sıcak presleme ile üretilmiştir. Anilin / Ni ferrit ağırlık oranı  1/1, 3/1 olarak değiştirilerek  mikrodalga ekranlama etkinliğine sahip  kompozitler epoksi reçine kullanılarak üretilmiştir, üretilen kompozitler XRD, SEM ve VSM ( titreşen örnek magnetometresi ), FTIR,Vector Network Analyzer (VNA (Two-Port,R & S FSH-K42)) kullanılarak karakterize edilmiştir. Polianilin-NiFe2O4: V, Polianilin-NiFe2O4:Tb, Polianilin-NiFe2O4:Cu, Polianilin-NiFe2O4:Hf, Polianilin-NiFe2O4:Ta, Polianilin-NiFe2O4:Mo kompozitlerinin mikrodalga ekranlama etkinliği  performansları 0-8 GHz aralığında ölçülmüş ve mikrodalga ekranlama etkinliğine sahip malzemeler  olarak kullanım potansiyelleri incelenmiştir.

Abstract:
The extraordinary growth in the communication industry has led to an increase in interest in microwave absorbers. Recently, as modern communication systems are shifting towards high frequencies, there is an interest and requirement for absorber materials which are suitable for use at high frequencies. 
The interest in microwave absorbers are increased rapidly with increasing wireless communication technologies and that affects the usage of this technology not only in millitary / radar technologies but also in daily consumer electronic technologies. Nowadays it is well known that, electronic devices generates signals and this electromagnetic pollution has negative effects for human health and environment. To minimize the electromagnetic effects on millitary applications, radar technologies, aerospace applications, telecommunication technologies and local wireless networks there are several new studies on the development of absorbant materials. 
The decline in electromagnetic energy by using the microwave theory can be attributed to the large number of internal reflections caused by the material itself, it is necessary that the incoming signal to absorbing material should not reflect to the incoming direction and should not provide transmission at the same time. Thus, the signal has to provide absorption in or on the material.
A good absorbing material should have broad bandwidth, wide frequency range, strong absorbtion and  should be lightweight and thin as well. Electromagnetic wave can be characterized based on its absorption properties and coefficient of reflection. Dielectric loss, magnetic loss and impedance match factors are considered on the design principle of EM absorbing materials.  
For this, the signal must be absorbed by absorbant materials. Researches on NiFe2O4 based spinel ferrites are conducted due to the magnetic and dielectric properties of those materials since those materials have interesting properties they are used on magnetic fluids, flash memories, magnetic core technologies, absorbants which works on high frequency and microwaves. The spinel ferrites in the NiFe2O4 structure can be used as EM wave absorbers due to their high magnetic losses and resistivity. They are used as electromagnetic absorbants since they have high resistivity and magnetic resistivity. On the other hand, ferritic group materials has important usage areas on data storage, magnetic fluids, catalyis, magnetic rezonans imaging, microwave absorbers, censors and pigments. The properties of the ferritic materials are strictly depending to chemical composition, microstructure, process parameters like sintering temperature and amount and type of  additive ions.
Although  NiFe2O4  has microwave absorption properties, it is quite heavy, however the ferrite polymer composites obtained by mixing pure ferrite powders with non-magnetic polymers for better absorption properties show better microwave properties depending on low cost, lightness and good design flexibility . Magnetic materials and composites containing conductive polymers in order to obtain high efficiency microwave absorbers with strong absorption and wide band spacing, having thin layer and light weight , have attracted a great deal of interest from researchers due to the hybrid nature of each compound.
Polyaniline (PANI), whose microwave absorbing properties are associated with its structure, is a promising conductive polymer with excellent chemical and physical properties, low cost, good environmental stability . PANI can be prepared easily by the chemical oxidative polymerization of aniline under controlled conditions and exhibits sufficient stability for practical applications. 
The mechanical and other properties of PANI may increase depending on the additives in which  a mixture of inorganic nanomaterials and PANI is used. It has been found that the composites have good magnetic, conductivity and microwave absorbing properties in the studies conducted regarding composites containing conductive polymer and magnetic ferrite.
On this research work, Mo, Tb, Ta and Hf was used as an alternative to Nickel (Ni) and V and Cu was used as a Fe replacement. Materials was prepared as mixture of a single phase ion dopped mix of NiFe2O4. Calculation of the starting oxide materials was conduct according to stochiometric ratio of following oxides : Ni1-xMoxFe2O4, Ni1-xTbxFe2O4, Ni1-xTaxFe2O4 , Ni1-xHfxFe2O4 , NiFe2-xVxO4, NiFe2-xCux.
The phases in the doped sintered samples were characterized by using X-ray diffractometry (D2 Phaser Bruker AXS) with Cu- K radiation (λ=1.5406° A) in the range of 2θ:10–70 and at a scan rate of 1/min. The fracture surfaces of the specimens were examined in the SEM (JEOL 5910LV) at 20kV after being coated with Au/Pd alloy by sputter coater. The chemical analysis was conducted by means of dispersive spectrometry (EDS, Oxford-Inca-7274) and the SEM was used in order to identify the phases and study the microstructure.
The absorbing composite materials were prepared by molding and curing the mixture of PANI/ Ni ferrite compositions powders and epoxy. The mixing ratio of specimen powders to epoxy was 2:1 by weight. Molding was carried out in a hydraulic press at 5Mpa pressure and 1000C for 1 h. They were pressed into pellets with 20 mm in diameter and 2 mm in thickness for shielding effect  measurements
To determine the maximum dopping amount in the NiFe2O4 main matrix with usage of XRD measurments. Basic idea was to detect the maximum solubility of dopped material in main matix. Also Scanning Electron Microscopy analysis was used as double check of the results. The magnetic properties of sintered single phase dopped NiFe2O4 at 1200-1500°C was determined. On the produced solid solutions, the effects of additive types and ratios on the magnetic and shielding effect properties of ferrite ceramics were also determined.
NiFe2O4 ferrits which are produced on optimised conditions also used to produce polyaniline based composites and characterization of those materials was done.  Polianiline-NiFe2O4:V, Polianiline-NiFe2O4:Tb, Polianiline-NiFe2O4:Cu, Polianiline-NiFe2O4:Hf, Polianiline-NiFe2O4:Ta, Polianiline-NiFe2O4:Mo was produced with hot press in  different additive ratios.  
The weight ratios of doped nickel ferrite and aniline were 1:1 and 1:3, respectively. Epoxy resin was used to produce microwave absorbing composites. The fabricated composites were characterized by using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Furthermore, the magnetic properties of the fabricated composites were investigated by using a vibrating sample magnetometer (VSM), XRD, SEM, VNA. The microwave shielding effects performances of the polyaniline- doped NiFe2O4 composites were investigated by reflectivity in 0–8 GHz, using a two–port vector network analyzer.
Also shielding effect (insertion loss) capacities were measured for Polianilin-NiFe2O4: V, Polianilin-NiFe2O4:Tb, Polianilin-NiFe2O4:Cu, Polianilin-NiFe2O4:Hf, Polianilin-NiFe2O4:Ta, Polianilin-NiFe2O4:Mo and usage as potential microwave were compared and ranked.