Полые «шарики» для «невидимой» техники

В ТПУ получили уникальные структуры оксида железа, работающие при повышенных температурах

Ученые Томского политехнического университета завершают проект по разработке быстрого и экономичного способа получения порошков оксида железа для создания материалов, поглощающих электромагнитное (сверхвысокочастотное, СВЧ) излучение.  Их можно применять в качестве маскирующих покрытий обшивки военной техники,  делая ее невидимой для радаров. Кроме того, эти материалы можно использоватьдля защиты оборудования от электромагнитных высокочастотных помех.

В рамках проекта ученые ТПУ успешно синтезируют порошки оксида железа различного фазового состава, включая магнетит, а также очень редкую эпсилон-фазу оксида железа.

Исследование велось с коллегами из Цзилиньского университета (Китай) в рамках совместного гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) на 2017–2018 годы. За это время ученые не только подтвердили эффективность получения порошков, но и выявили интересные для практического применения закономерности, выгодно отличающие их от аналогов.

О том, каких результатов удалось добиться международному научному коллективу, рассказал участник исследования, ассистент отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики Иван Шаненков.

«Порошки за миллисекунду»

2017 год, по словам ученого, был направлен на определение оптимальных параметров получения той или иной фазы оксида железа. Так, метод политехников позволяет получать порошки менее чем за одну миллисекунду, при этом аналогичные химические технологии могут тратить на процесс от суток до трех недель.

Также способ ТПУ ресурсоэффективен: оксиды железа получают из широко распространенной стали марки Ст3, используемой для изготовления простых водопроводных труб; энергозатраты на один производственный цикл составляют около пяти рублей. Уникальной является и установка, которую используют политехники для получения своих порошков. Она основана на применении коаксиального ускорителя плазмы, разработанного профессором отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Александром Анатольевичем Сивковым.

— Нам удалось синтезировать уникальную эпсилон-фазу оксида железа с чистотой свыше 90 %, что на сегодняшний день может быть достигнуто только химическим путем. Сравнив наш метод с технологиями коллег, которые получают такой же материал многостадийным золь-гель-методом, мы убедились, что разработанный способ является более быстрым, производительным и может быть поставлен в один ряд с лучшими мировыми аналогами, — говорит Иван Шаненков. Убедившись в эффективности методики, ученые сосредоточились на детальном изучении структуры и свойств порошков. В этом им очень помогли китайские ученые.

— Наши коллеги под руководством профессоров Гуаншэ Ли (индекс Хирша 53) и его супруги Липин Ли (индекс Хирша 45), а также профессора Хань Вэя (индекс Хирша 21) — одного из первых иностранных выпускников аспирантуры ТПУ — взяли на себя часть работы по детальному изучению микроструктуры и магнитных свойств разновидностей оксидов железа. Они использовали уникальные методы, например рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, мессбауэровскую спектроскопию, и помогли нам узнать больше интересных структурных особенностей.

Параллельно исследования порошков велись и в ТПУ: ученые использовали методы электронной микроскопии, изучали фазовый состав с помощью рентгеновской дифрактометрии и оценивали уровень электромагнитного поглощения. Следующим этапом стало изготовление опытных образцов покрытий.

— На втором этапе, в 2018 году, мы уделили особое внимание изучению поглощающих свойств синтезированных материалов. Для этого с использованием наших порошков изготавливались макеты маскирующих и защитных покрытий. В создании таких образцов и их исследовании нам активно помогали коллеги с радиофизического факультета ТГУ, — поясняет ученый.

Преимущество - в форме

Полученные образцы исследовались с помощью специального частотного анализатора с различными вариантами работы, среди которых, например, имитация стелс-технологий для покрытия радиопоглощающим слоем корпуса корабля или самолета. Покрытия исследовались в различных режимах, учитывающих разные толщину, коэффициент наполнения, варианты наполнителей, и другие параметры, влияющие на эксплуатационные характеристики. Проведенный комплекс исследований позволил выяснить, что у магнетита, получаемого в ТПУ, есть интересные преимущества перед имеющимися аналогами. Так, по словам ученых, в Томском политехе научились получать частицы особой формы, благодаря чему значительно улучшаются эксплуатационные свойства.

— Особая форма — полый «шарик» — помогает не только уменьшить вес порошка, но и сохранить необходимые характеристики при достаточно больших температурах. Например, установлено, что наш материал не теряет свойства, ответственные за поглощение электромагнитного излучения, вплоть до температуры 700 градусов Цельсия. Это значительно превышает характеристики аналогичных покрытий, изготовленных на основе китайского нанопорошка и схожего с нашим по форме, но цельного внутри российского коммерческого порошка. Проведение серии экспериментов по термической стойкости в воздушной атмосфере показало, что аналоги теряют свои магнитные и, соответственно, поглощающие свойства уже при температуре 500 градусов, — говорит политехник. Этот эффект связан с особенностями структуры, видоизменяющейся при нагреве. Известно, что магнетит при увеличении температуры переходит в наиболее стабильную фазу гематита – по сути, обычную ржавчину. В случае с использованием магнетита, изготовленного в ТПУ, из-за особой формы частиц при нагреве этот процесс существенно замедляется. Детальные исследования позволили установить, что это связано с образованием на внутренней и внешней границах полых сфер защитных слоев, которые сохраняют нетронутым материал в объеме. Такая форма частиц отчасти напоминает «сэндвич».

— Условно говоря, если содержание магнетита в исходном продукте составляло 70% (по данным рентгеновской дифрактометрии), то после нагрева до 700 °С остается 65 %. Таким образом, помимо того, что опытные образцы покрытий из нашего магнетита лучше защищают от высокочастотных помех и излучения, они также способны работать при больших температурах, — подытоживает Иван Шаненков, уточняя, что ученые ТПУ, ТГУ и Цзилиньского университета сейчас готовят совместную научную публикацию, связанную с полученными результатами.

Подготовила Наталья Каракорскова