CC BY
34
6. Артемов И.И. Прогнозирование надёжности и длительности приработки технологического оборудования по функции параметра потока отказов / И.И. Артемов, А.С. Симонов, Н.Е. Денисова // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 3-7.
7. Физические основы полупроводниковых газовых сенсоров: моногр. / И. А. Аверин, А. А. Головяш-кин, А. Н. Головяшкин и др. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2015. - 190 с.
УДК 621.318 Вергазов Р.М
Кузнецкий институт информационных и управленческих технологий госуниверситет», Пенза, Россия
ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ТЮ2 НА РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ СВОЙСТВА Ш-1п ФЕРРИТОВ
филиал) ФГБОУ ВО «Пензенский
В работе показана возможность использования поликристаллических Мп-2п-ферритов в качестве радиопоглощающих материалов в частотном интервале от 100КГц до 100МГц. Варьирование базового химического состава и газовой среды спекания и легирование ТЮ2 позволяет в широких пределах менять значения удельного электросопротивления, магнитной и диэлектрической проницаемости Мп-2п-ферритов, что позволяет расширить частотный диапазон радиопоглощения до значений от 100КГц до 100МГц. Ключевые слова:
радиопоглощающие Mn-Zn-ферриты, базовый состав, микроструктура.
Введение
К перспективным радиопоголощающим материалам относятся Ni-Zn- и Mg-Zn- ферриты [1,2], которые весьма эффективны в диапазоне частот от 30 МГц до 1 ГГц. Однако развитие техники требует разработки радиопоглощающих материалов с рабочим диапазоном в интервале от 100 кГц до 10 МГц. К таким материалам можно отнести Mn-Zn-ферриты. Основным преимуществом Mn-Zn-ферритов является высокие значения магнитной и диэлектрической проницаемостей и использование в качестве сырья недорогого оксида марганца. Коэффициент отражения электромагнитного излучения, определяемый как отношение мощности отраженного излучения к падающей мощности, в значительной степени зависит от интерференционных процессов и процессов поглощения электромагнитного излучения в результате резонансных явлений в феррите [3]. Высокие значения магнитной и диэлектрической проницае-мостей Mn-Zn-ферритов позволяет на несколько порядков уменьшить длину электромагнитной волны в феррите, что обеспечивает интерференционный минимум отражения в интервале частот от 100КГц до 10 МГц при толщине ферритовых пластин менее 10 мм. Наряду с ферримагнитным резонансом и резонансом доменных стенок, важную роль играют диэлектрические потери на радипоглощающие свойства ферритов [4].
Известно, что кажущаяся диэлектрическая проницаемость ферритов во многом определяется соотношением электропроводности зерен и границ зерен [5]. Микроструктура, состоящая из зерен с определенной электропроводностью, изолированных диэлектрическими границами зерен, характеризуется высокими значениями электроемкости и обеспечивает повышенные значения диэлектрической проницаемости. Этим объясняется сочетание высоких значений магнитной и диэлектрической прони-цаемостей Mn-Zn-ферритов. Исследования показали, что для увеличения диэлектрической проницаемости в Mn-Zn-ферритах можно использовать в качестве легирующей добавки оксида титана. Это связано с формированием крупнозернистой структуры с зернограничной прослойкой с высокой диэлектрической проницаемостью при спекании, обусловленное добавками [6-8].
Методика эксперимента
Исследования проводились на Mn-Zn-ферритах, полученных по керамической технологии. Смесь исходных оксидов после 3 часового измельчения в вибрационной мельнице М-10 прокаливали при 9600С. Полученную шихту 3 часа измельчали в вибрационной мельнице М-10. В измельченную шихту вводили связку в виде 10 % раствора поливинилового спирта с последующим гранулированием смеси протиркой через сетку 0,315 мм. Из гранулированного порошка прессовали на гидравлическом прессе кольцевые заготовки К16х7х6 мм под давлением 200 МПа. Спекание проводили при температуре 13000С в туннельной печи «Гипербола» с регулируемой атмосферой азота и кислорода. Спеченные заготовки шлифовали по высоте, внутреннему и наружному диаметрам с целью обеспечения требуемых геометрических размеров.
Всего было изготовлены четыре партии, отличающиеся составами и газовыми режимами спекания в печи «Гипербола». Состав первой и второй партий отличался избытком оксида железа сверх стехиометрии и соответствовал формуле Mno.602Zno.274Feo.l24Fe2O4. Состав третьей и четвертой партий соответствовал стехиометрии согласно формуле Mno.64l Zno.з59 Fe2O4.
Первая и третья партии не содержали добавок. Вторая и четвертая партии были легированы диоксидом титана Т^2.
Измерения частотной зависимости действительной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости, коэффициента отражения от образцов в диапазоне частот 0.1 ^ 330 МГц проводились на лабораторном стенде, на базе измерителя комплексных коэффициентов передачи "0бзор-103", сопряженного с компьютерной системой регистрации и обработки сигнала. Кольцевые образцы, размещенные на кольцевой металлической пластине, помещались в коаксиальную измерительную ячейку сечением 16х6.95 мм, согласованную с коаксиальным измерительным трактом и включенную в режим измерения ослаблений (пропускания). Тракт обеспечивает распространение волны ТЕМ-моды. Достоверность измерений амплитуды и фазы ослабленного сигнала проверялась включением набора фиксированных аттенюаторов, эталонных нагрузок или эталонных отрезков линии соответствующего частотного диапазона.
Котр,
-5 -10 -15 -20 •ч
\ I у'
\ у
» ✓ /
1 < > /
-30 \ X ■ /
2Ч-
100
1000
10000
Частота, КГц
Рисунок 1 - Частотная зависимость коэффициента
отражения мощности от поверхности феррита Mno.602Zno.274Feo.l24Fe2O4 партий 1 (без добавок) и 2 (с добавкой 0,5 % масс. TiO2)
Повышенная электропроводность ферритов обусловлена наличием ионов Ге2+, вносящих вклад в прыжковый механизм. Ведение оксида титана приводит к увеличению удельного электросопротивления. Увеличение удельного электросопротивления объясняется тем, что ионы ^4+ образуют устойчивые пары с ионами Ге2+. В результате уменьшается длина электромагнитной волны в ферритовом материале, что смещает частоту интерференционного минимума отраженных волн в область низких частот. Полученные данные подтверждают возможность применения Mn-Zn-ферритов в качестве ра-диопоглощающих материалов в интервале частот от 100 КГц до 100 МГц.
Частота,
Рисунок 2 - Частотная зависимость коэффициента отражения мощности от поверхности феррита Ипо.б41 2по.з59 Гв204 партий 3 (без добавок) и 4 (с добавкой 0,5 % масс. ТЮ2)
Результаты экспериментов и их обсуждение
Из данных, приведенных на рис. 1 и 2, видно, что легирование ферритов оксидом Т1 приводит к
смещению пика поглощения электромагнитного излучения в область низких частот. Это можно объяснить тем, что оксид титана в процессе нагрева заготовок при спекании образует с примесями кальция, которые как правило, содержатся в исходном сырье, титанат кальция СаТЮз с £ = 115, располагаясь по границам зерен в спеченных ферритах, образует прослойки с высокой диэлектрической проницаемостью.
Заключение
Исследования подтвердили эффективность Мп^п-ферритов в качестве радиопоглощающих материалов в интервале частот от 100 КГц до 100 МГц. Частотный интервал радиопоглощения можно корректировать путем изменения базового химического состава и газового режима печи спекания ферритов. Добавки оксида титана формируют микроструктуру, состоящую из зерен с определенной электропроводностью, изолированных диэлектрическими границами зерен, обеспечивающая высокие значения электроемкости, повышенные значения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь в области более низких частот.
ЛИТЕРАТУРА
1. Николаев А.Н. Андреев В.Г. Влияние технологических факторов на свойства Mg-Zn-ферритов. Сборник статей Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза. - 2013. - Т. 2. - С. 118120.
2. Вергазов Р.М., Андреев В.Г. Исследование радиопоглощающих свойств Mg-Zn ферритов . // Сборник статей Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза. - 2012. - Т. 2. - С. 188,189.
3. Смит Я., Вен Х. Ферриты. Физические свойства и практическое применение. М.: Издательство иностранной литературы, 1962. - 504 С.
4. Покусин Д.Н., Чухлебов Э.А., Залесский М.Ю. Комплексная магнитная проницаемость ферритов в области естественного ферромагнитного резонанса. // Радиотехника и электроника, 1991, т. 36, №11. С. 2085-2091
5. Шольц Н.Н., Пискарев К.А. Ферриты для радиочастот.- Л.: Энергия, 1966.- 324с.
6. Артемов И.И. Прогнозирование надёжности и длительности приработки технологического оборудования по функции параметра потока отказов / И.И. Артемов, А.С. Симонов, Н.Е. Денисова // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 3-7.
7. Дедков В.К. Компьютерное моделирование характеристик надежности нестареющих восстанавливаемых объектов / В.К. Дедков, Н.А. Северцев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. I. С. 368-370.
8. Северцев Н.А. Системный анализ определения параметров состояния и параметры наблюдения объекта для обеспечения безопасности //Надежность и качество сложных систем. 2013. № 1. С. 4-10.
УДК 539.23
Аверин И.А., Карманов А.А., Пронин И.А., Сигаев А.П,
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
АВТОНОМНЫЙ СЕНСОР ГАЗА ДЛЯ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ: ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИХ НАДЕЖНОСТИ
Сенсоры газа широко применяются в системах безопасности, производящих анализ состояния объектов, имеющих экономическую и инфраструктурную значимость. Для обеспечения контроля безопасности удаленных территорий, где прокладка кабелей для электрификации нецелесообразна, можно использовать автономные сенсоры газа, от бесперебойной работы которых зависит надежность всей беспроводной сенсорной мониторинговой сети. С учётом выявленных недостатков существующих сетей предложена идея реализации газового сенсора с чувствительным элементом на основе наноструктурированных материалов, совмещенного с фотоэлектрическим преобразователем. Предлагаемое решение по предварительным расчётам позволит уменьшить энергопотребление и увеличить срок службы без замены аккумуляторной батареи питания в 1,5-2,5 раза.
Ключевые слова:
сенсоры газа, фотоэлектрические преобразователи, золь-гель технология, перколяционная структура.
Сенсоры газа, входящие в системы контроля безопасности, способны предупредить заблаговременно о зарождающейся чрезвычайной ситуации. Использование датчиков угарного газа для обнаружения огня значительно выгоднее, так как при тлении вырабатывается мало дыма, но много угарного газа. Зафиксировать очаг возгорания можно значительно быстрее, чем с помощью анализа снимков со спутника, беспилотника (если речь идёт об открытых территориях) или с помощью оптических сенсоров. Сенсор газа не реагирует на пыль и пар, что понижает ложность тревог. Это помогло бы повысить эффективность обнаружения пожаров, которые наносят значительный ущерб экономике.
Иногда требуется обеспечить контроль удалённых территорий, к которым прокладка кабелей для электрификации нецелесообразна. Решением этой проблемы является использование автономных сенсоров газа, имеющих аккумуляторную батарею и систему приёма/передачи информации.
Типичная конструкция сенсора газа представляет собой электрически изолированную слоем ди-
электрика подложку, на которой размещены металлический нагревательный элемент, термочувствительный элемент для детектирования температуры чувствительного слоя и газочувствительный слой с электродами для генерирования выходного сигнала в ответ на газ (рис. 1).
Зафиксировать наличие в окружающие среде контролируемых газов можно по изменению электропроводности газочувствительных слоёв сенсора, связанной с хемосорбцией газов-окислителей и восстановителей (газами восстановителями являются угарный газ и метан) и последующим изменением концентрации свободных носителей заряда в материале.
Среди известных методов формирования газочувствительных структур золь-гель-технология обладает рядом преимуществ над остальными, такими как напыление в вакууме, трафаретная печать, анодирование, химическое осаждение, метод пиролиза аэрозолей. Кратко перечислим их. Получаемая структура обладает ультрадисперсной фазой. Метод отличается высокой степенью чистоты. Образующи-
