РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПИРОЛИЗОВАННОГО ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА С ВКЛЮЧЕНИЕМ АТОМОВ ФЕРРОМАГНЕТИКА

- Физико-математические науки-

РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПИРОЛИЗОВАННОГО ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА С ВКЛЮЧЕНИЕМ АТОМОВ ФЕРРОМАГНЕТИКА

О.А. Какорина, канд. физ.-мат. наук, доцент А.Н. Панченко, студент

Волгоградский государственный университет

DOI:10.24412/2500-1000-2022-3-3-40-42

Аннотация. В работе представлена возможность получения радиопоглощающего покрытия на основе широко используемого полимера - пиролизованного полиакрилонитрила (ППАН), модифицированного атомами никеля. Расчеты выполнены в рамках модели МК с помощью неэмпирической схемы STO. С помощью такого экрана можно обеспечить эффективное поглощение электромагнитной энергии.

Ключевые слова: радиопоглощающие материалы, излучение, поглощение, полимер, пи-ролизованный полиакрилонитрил.

Сегодня особенно актуальна проблема защиты конфиденциальной информации в выделенных помещениях. Для защиты информации, обрабатываемой техническими средствами, используются пассивные и активные методы и средства, в первую очередь направленные на ослабление побочных электромагнитных излучений. Эффективное поглощение электромагнитной энергии обеспечивают радиопогло-щающие материалы. Свойства поглощения основаны на их способности преобразовывать электромагнитные волны в тепло. Несмотря на применяемые в настоящее время экранирующие покрытия (лакокрасочные токопроводящие покрытия, шторы из металлизированной ткани и т.п.), проблема создания нового недорогого и эффективного поглощающего материала по-прежнему актуальна, так как наблюдается бурный рост развития систем связи, освоения нетрадиционных диапазонов радио- и оптических волн, в том числе СВЧ и ОВЧ, включая миллиметровые волны (ММВ). Поэтому перспективной является разработка научных и технологических основ синтеза новых материалов, способных улучить свойства радиопоглощающих элементов. Для получения нерезонансных широкодиапазонных радиоматериалов применяют частицы ферромагнетика, которые внедряют в матрицу изоляционного материала - немагнитного диэлектрика. В качестве дополнений такие материалы мо-

гут включать ферромагнетики с примесями-поглотителями - сажей или графитом. В работе приведены теоретические расчеты получения радиопоглощающего покрытия в котором в качестве изоляционного материалы выступает полимер-

пиролизованный полиакрилонитрил, а в качестве ферромагнетика-никель, который используется для диапазона мили- и сантиметровых волн.

Для изучения процесса проникновения атома металла рассматривалась двухслойная структура пиролизованного полиакри-лонитрила [1, 2], при этом один из слоев содержал вакансию (так называемый V дефект) [3].

При выполнении расчётов внедрения атома никеля в межслоевое пространство пиролизованного полиакрилонитрила была использована расчетная схема БТО. Изучены следующие варианты внедрения атома N1 в полимерную матрицу:

1 - атом никеля внедряется через вакансию, содержащую 1 атом азота;

2 - атом никеля внедряется через вакансию, содержащую два атома азота.

Поточечное подведение атома никеля к двухслойной матрице полимера позволило определить профиль поверхности потенциальной энергии системы «двухслойный пиролизованный полиакрилонитрил - атом N1»

Анализируя энергетическую зависимость внедрения атома никеля в межплос-

- Физико-математические науки-

костное пространство полимера видно, что атом никеля безбарьерно подходит к верхнему слою, содержащему вакансию, на расстояние 0,8 А, далее преодолевая энергетический барьер Ea, эквивалентный энергии активации попадает энергетический минимум. Пик барьера, находится на поверхности слоя, никель попадает в устойчивое состояние между слоями на расстоянии 0,4 А от монослоя с дефектом.

Сравнение величин энергетических барьеров при прохождении атома № через различные типы вакансий поверхности двухслойного ППАН установило, что процесс прохождения атом никеля через монослой с дефектом, который содержал наименьшее количество атомов азота, с энергетической точки зрения более приемлем (наименьшая величина барьера Еа= 5,7 эВ). Это позволяет сделать вывод о том, что атомы азота негативно влияют на процесс проникновения атома никеля между слоями полимера. Далее было изучено влияние расположения внедренных атомов на стабильность полученных металлоком-позитов.

Рассматривались следующие структуры:

1) атомы никеля располагались в межслоевом пространстве полимера в одной плоскости зигзагообразно;

2) четыре атома № располагают в одной плоскости друг за другом;

3) четыре атома № расположены в двух параллельных плоскостях.

Выполненные расчеты всех предложенных металлополимерных нанокомпозитов обнаружили, что во всех случаях плоские слои полимерной матрицы, после взаимодействия с металлами изменили свою геометрию. Рассчитанные значения ширины запрещенной зоны новых комплексов сопоставимы со значением для ППАН. Этот факт показывает, что рассматриваемые металло-композиты стабильны. Изучение электронно-энергетического строения нанокомпози-тов показало, что наличие металлических атомов в матрице полимера приводит к уменьшению ширины запрещенной щели по сравнению с шириной исходного полимера.

Итак, выполненные теоретические расчеты позволили установить, что процесс внедрения ферромагнитных частиц никеля в межслоевое пространство полимера через дефект поверхности возможен. Изучение механизма множественного внедрения атомов никеля в структуру пиролизован-ного полиакрилонитрила приводит к образованию устойчивого металлокомпозитно-го комплекса. При этом происходит уменьшение ширины запрещенной зоны полученного нанокомпозита. Таким образом, проведенные исследования доказали возможность модификации пиролизован-ного полиакрилонитрила атомами никеля, что будет способствовать получению на основе ППАН радиопоглощающего материала, который будет использоваться для решения задач в информационной без-

опасности.

Библиографический список

1. Kakorina O., Zaporotskova I., Kakorin I., Ermakova T., Kozhitov L. Pyrolyzed polyacrylo-nitrile based composite with amorphizing silicon additives // В сборнике: Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies, MWENT 2020 - Proceedings. - 2020. С. 9067360.

2. Какорина О.А., Запороцкова И.В., Какорин И.А., Радченко Д.П. Металлокомпозиты на основе пиролизованного полиакрилонитрила с примесями тройного соединения переходных металлов / В сборнике: графен и родственные структуры: синтез, производство и применение. - 2019. - С. 222-223.

3. Kakorina O.A., Zaporotskova I.V., Kozhitov L.V., Popkova A.V. On the mechanism of pore formation in pyrolized polyacrylonitrile / В сборнике: Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - С. 012031.

- 0u3uuo-MameMamunecKue Hayuu-

RADAR-ABSORBING MATERIALS BASED ON PYROLYZED

POLYACRYLONITRILE WITH THE INCLUSION OF FERROMAGNET ATOMS

O.A. Kakorina, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor A.N. Panchenko, Student Volgograd State University

Abstract. The paper presents the possibility of obtaining a radio-absorbing coating based on a widely used polymer - pyrolyzed polyacrylonitrile (PPAN), modified with nickel atoms. Calculations were performed within the framework of the MC model using a non-empirical STO scheme. With the help of such a screen, it is possible to ensure the effective absorption of electromagnetic energy.

Keywords: radar-absorbing materials, radiation, absorption, polymer, pyrolyzedpolyacrylo-nitrile.