Vlastnosti polymerních kompozitů pohlcující elektromagnetické vlny

Dipl. Ing. Marek Gořalík

Doctoral thesis

Electromagnetic wave absorbing properties of polymer composites

Abstract:

Tato práce je zaměřena na optimalizaci elektromagnetických a mechanických vlastností magnetických polymerních kompozitů jako radioabsorbérů pro aplikace v oblasti elektromagnetické interference (EMI). Polymerní kompozity s dvoufázovou polymerní matricí, obsahující polydimethylsiloxan (PDMS) v epoxidové pryskyřici (ER) byly využity pro výrobu vysoce plněných kompozitů s mangano-zinečnatým feritem (MnZn) a karbonylovým železem (CI) s ohledem na radioabsorpční a mechanické vlastnosti. Dále byly připraveny elastomerní kompozity s matricí akrylonitril-butadienového kaučuku (NBR) a termoplastického elastomeru na bázi propylenu (TPE) s plnivem sazí (CB), uhlíkových nanotrubiček (CNT), MnZn a CI. Dielektrické a magnetické vlastnosti kompozitů byly určeny typem, koncentrací a složením polymerní matrice. Zvýšení plniva a koncentrace PDMS vedlo ke zvýšení magnetických ztrát v důsledku poklesu demagnetizačního pole. Elektromagnetické vlastnosti kompozitů byly sledovány v radio-frekvenčním (RF) pásmu s pomocí impedanční metody (1 MHz - 3 GHz). Na základě komplexní permitivity (epsilon*) a komplexní permeability (mí*) byla vypočtena ztráta odrazem RL (dB) jednovrstvých radioabsorbérů. Kompozity plněné MnZn a CI prokázaly větší poměr šířky operačního pásma k tloušťce ve srovnání s radioabsorbérem na bázi CB a CNT, a to díky správnému poměru mezi komplexní permitivitou (epsilon*) a permeabilitou (mí*). Při optimálním složení polymerní matrice (ER/PDMS) a plniva bylo dosaženo výrazného zvýšení tuhosti (125 %) a rázové houževnatosti (150 %) na základě dynamicko-mechanické analýzy (DMA) a rázové zkoušky ve srovnání čistou pryskyřicí. Výsledky, které byly získané při řešení práce poukazují na možnost přípravy magnetických kompozitů na bázi ER a elastomerní matrice, schopných stínit elektromagnetické záření absorpčními mechanismy.

Abstract:

This work is focused on the optimization of electromagnetic and mechanical properties of magnetic polymer composites for electromagnetic interference (EMI) applications as radio absorbers (RAs). Polymer composites with a dual-phase polymer matrix, vinyl-terminated polydimethylsiloxane (PDMS) in epoxy resin (ER), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), and a propylene-based thermoplastic elastomer (TPE) matrix were investigated for the fabricating of highly filled manganese-zinc ferrite (MnZn), carbonyl iron (CI), carbon black (CB) and carbon nanotube (CNT) composites with the goals of enhanced radio-absorption and mechanical properties. The dielectric and magnetic properties of the composites were determined by the type, concentration, and polymer matrix composition. Increasing the filler and PDMS concentration leads to an increase in magnetic losses due to a decrease in the demagnetizing field. The electromagnetic properties of the composites were investigated in the radio-frequency (RF) band using the impedance method (1 MHz - 3 GHz). Based on the complex permittivity (epsilon*) and complex permeability (mí*), the reflection loss RL (dB) of single-layer RAs was calculated. The RAs with a MnZn ferrite and CI demonstrated better bandwidth performance in comparison with RAs based on carbon fillers, due to a proper ratio between (epsilon*) and (mí*). According to the dynamic-mechanical analysis (DMA) and Charpy impact strength, the significant increase of stiffness up to 125% and the impact strength up to 150% was achieved due to the optimal composition of the polymer matrix and the filler. The results obtained in the study indicate the possibilities of the preparation of ER and elastomeric magnetic composites able to shield an electromagnetic field by absorption mechanisms.

Keywords

polymerní kompozitní materiály, elektrické a magnetické vlastnosti, reflexní ztráty, radioabsorbéry

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 6. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 21. 10. 2022
• Supervisor: prof. Ing. Jarmila Vilčáková, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds