Příprava a charakterizace pokročilých spinel feritových nanokompozitů pro elektromagnetické aplikace

Anju Deswal, MSc.

Doctoral thesis

Preparation and characterization of advanced spinel ferrite nanocomposites for electromagnetic applications

Abstract:

The recent developments in electronic and information transmission technology, has upgraded the life of society. Different technologies associated with electromagnetic (EM) wave such as fifth generation (5G) communication has significantly improved and enhanced people's lives. However, advancement in communication and electronic devices have also increased the EM intereference (EMI) which deterioties the functionality of electronic devices and also influences human-health. To minimize the EMI, Polymer nanocomposites are a potential candidate to be utillized as an EMI shielding material owing to the flexibility, mechanical properties, ease processing, light-weight and other tailored properties. However, polymer itself is non-magnetic and therefore limiting their application for EMI shielding. A high-performance EM wave absorber should possess strong dielectric and magnetic loss. Recently, spinel ferrites (MFe2O4, M = Zn, Co etc.) have drawn significant attention due to their considerable magnetic properties and chemical stability, to be used as a filler inside the polymer composites for EMI shielding application. Moreover, secondary filler such as graphite and reduced graphene oxide are also ideal choice to be utilized as a conducting filler. In this thesis, various spinel ferrite nanoparticles were synthesized using sonochemical approach. Further, the synthesized spinel ferrite nanoparticles were incorporated along with the conducting filler such as commercially available graphite or synthesized reduced graphene oxide (rGO) in thermoplastic polyurethane (TPU) polymer matrix. This work was focussed on the development of the various polymer nanocomposite systems (a) Zn2+ substituted cobalt ferrite nanoparticles along with reduced graphene oxide in TPU matrix (b) Cu2+ substituted cobalt ferrite nanoparticles with reduced graphene oxide in TPU matrix (c) optimization of wt% of the conducting graphite and magnetic cobalt ferrite nanoparticles in TPU matrix. Furthermore, the developed nanocomposites were utilized for EMI shielding applications. The EM parameters such as complex permittivity and permeability, dielectric losses, magnetic losses, electrical conductivity were also investigated to study their dependence on the EMI shielding mechanism of the developed polymer nanocomposites. Impedance matching coefficient and attenuation constant helped in predicting the EMI shielding mechanism of the prepared polymer nanocomposites.

Abstract:

Nedávný vývoj v oblasti elektronických technologií a technologií přenosu informací zlepšil život společnosti. Různé technologie spojené s elektromagnetickými (EM) vlnami, jako je komunikace páté generace (5G), výrazně zlepšily a zlepšily životy lidí. Pokrok v oblasti komunikace a elektronických zařízení však také zvýšil elektromagnetickou interferenci (EMI), která zhoršuje funkčnost elektronických zařízení a také ovlivňuje lidské zdraví. Aby se minimalizovalo EMI, jsou polymerní nanokompozity potenciálním kandidátem na použití jako stínící materiál proti EMI díky flexibilitě, mechanickým vlastnostem, snadnému zpracování, nízké hmotnosti a dalším přizpůsobeným vlastnostem. Samotný polymer je však nemagnetický, a proto omezuje jeho použití pro stínění EMI. Vysoce výkonný absorbér EM vln by měl mít silné dielektrické a magnetické ztráty. V poslední době přitahují značnou pozornost spinelové ferity (MFe2O4, M = Zn, Co atd.) díky svým značným magnetickým vlastnostem a chemické stabilitě, které se používají jako plnivo uvnitř polymerních kompozitů pro aplikace stínění EMI. Navíc sekundární plnivo, jako je grafit a redukovaný oxid grafenu, jsou také ideální volbou pro použití jako vodivé plnivo. V této práci byly pomocí sonochemického přístupu syntetizovány různé spinelové feritové nanočástice. Dále byly syntetizované nanočástice spinelového feritu začleněny spolu s vodivým plnivem, jako je komerčně dostupný grafit nebo syntetizovaný redukovaný oxid grafenu (rGO) v termoplastické polyuretanové (TPU) polymerní matrici. Tato práce byla zaměřena na vývoj různých polymerních nanokompozitních systémů (a) Zn2+ substituované nanočástice kobaltového feritu spolu s redukovaným oxidem grafenu v TPU matrici (b) Cu2+ substituované kobalt feritové nanočástice s redukovaným oxidem grafenu v TPU matrici (c) optimalizace wt % vodivého grafitu a nanočástic feritu kobaltu v TPU matrici. Kromě toho byly vyvinuté nanokompozity použity pro aplikace stínění EMI. Dále byly zkoumány EM parametry jako komplexní permitivita a permeabilita, dielektrické ztráty, magnetické ztráty, elektrická vodivost, aby se studovala jejich závislost na EMI stínícím mechanismu vyvinutých polymerních nanokompozitů. Impedanční přizpůsobovací koeficient a konstanta útlumu pomohly předpovědět EMI stínící mechanismus připravených polymerních nanokompozitů.

Keywords

Nanokompozity, spinelové ferity, grafen, stínění EMI, fyzikální vlastnosti

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 17. 7. 2024

Tomas Bata University in Zlín

Tomas Bata University in Zlín

Doctoral programme / field:
Nanotechnology and Advanced Materials / Nanotechnology and Advanced Materials