Введение

Керамические материалы на основе глинистого сырья широко применяются в качестве радиопоглощающих и экранирующих покрытий благодаря их доступности, технологичности и стабильности свойств при высоких температурах [1, с. 199; 2, с. 36]. Известно, что структура и состав глин оказывают существенное влияние на формирование физико-технических характеристик, включая диэлектрические параметры и электропроводность [3, с. 112; 5, с. 418].

В последние годы особый интерес представляет модификация глинистых материалов за счет введения проводящих фаз, в частности цветных металлов, что позволяет целенаправленно управлять электромагнитными свойствами композитов [1, с. 202; 4, с. 89]. Введение в структуру керамики таких металлов, как свинец (Pb) и медь (Cu), приводит к изменению диэлектрической проницаемости, удельной проводимости и, как следствие, коэффициентов отражения и поглощения электромагнитного излучения.

Эффективность радиопоглощающих материалов определяется балансом между диэлектрическими потерями и проводимостью, что связано с достижением так называемого перколяционного порога проводящей фазы [4, с. 90]. При этом глины локальных месторождений, в том числе Корниловского, рассматриваются как перспективная матрица для создания функциональных композиционных материалов [2, с. 38; 5, с. 420].

Задачи:

– разработать керамический материал на основе беложгущейся глины Корниловского месторождения с добавлением цветных металлов для защиты от электромагнитных волн;

– определить варианты применения материала;

– исследовать глинистые материалы Корниловского месторождения;

– исследовать влияние электромагнитного излучения на человека;

– разработать состав шихты и температурный регламент при производстве материала для защиты от электромагнитных волн на основе беложгущейся глины и цветных металлов.

Материалы и методы исследований

Для проведения исследования применены три образца глины Корниловского месторождения со свинцом и три — с медью. Пробы материалов обозначены как ОСВ-1, ОСВ-2, ОСВ-3, ОМ-1, ОМ-2 и ОМ-3. При исследовании использованы следующие методы:

– метод фильтрации спектра (S-параметры) — определение коэффициента поглощения материала в диапазоне частот 0–18 ГГц;

– метод TDR (Time Domain Reflectometry) — регистрация отраженного сигнала для оценки коэффициента отражения.

Результаты эксперимента и их обсуждение

Основой шихты является беложгущаяся глина Корниловского месторождения. В нее вводились цветные металлы в различной концентрации: свинец — 20, 30 и 40 %; медь — 20, 30 и 40 %. Для всех образцов была проведена одинаковая технология подготовки: смешивание, формование, сушка, обжиг при 1250 °C.

Для исследования использовали результаты определения огнеупорности глинистого материала с добавлением цветных металлов с целью использования материала в условиях высоких температур (табл. 1 и 2). Обжиг проводился на электрической печи производства компании «Накал — Промышленные печи».

Таблица 1

Результаты определения огнеупорности глинистого материала с добавлением свинца

Таблица 2

Результаты определения огнеупорности глинистого материала с добавлением меди

Дополнительной характеристикой структуры исследуемых материалов является влагопоглощение, позволяющее косвенно оценить пористость и степень уплотнения керамической матрицы. Данный параметр оказывает влияние на эксплуатационные и электромагнитные свойства материалов. Результаты определения влагопоглощения исследуемых образцов представлены в табл. 3 и 4.

Таблица 3

Результаты определения влагопоглощения образцов с добавлением свинца

Таблица 4

Результаты определения влагопоглощения образцов с добавлением меди

Полученные значения показателя влагопоглощения позволяют дополнительно интерпретировать выявленные закономерности изменения электромагнитных характеристик исследуемых материалов. Известно, что уровень влагопоглощения косвенно отражает степень открытой пористости и структурной неоднородности керамики, которые оказывают существенное влияние на процессы распространения и затухания электромагнитных волн.

Для образцов с добавлением свинца (табл. 3) наблюдается увеличение влагопоглощения с ростом концентрации металлической фазы, что может свидетельствовать о формировании более развитой пористой структуры. Повышенная пористость способствует увеличению многократного рассеяния электромагнитной волны внутри материала, однако при избыточной проводимости (40 %) это приводит к росту отражения, что согласуется с ранее полученными результатами.

В случае образцов с медью (табл. 4) зафиксировано снижение влагопоглощения при увеличении концентрации, что указывает на уплотнение структуры и уменьшение объема открытых пор. Такая структура способствует более эффективному согласованию волнового сопротивления и снижению отражения, особенно при концентрации 30 %, где наблюдаются наилучшие радиопоглощающие характеристики.

Таким образом, влагопоглощение может рассматриваться как косвенный параметр, характеризующий микроструктуру материала и влияющий на его электромагнитные свойства. Оптимальные значения достигаются при балансе между пористостью, обеспечивающей рассеяние и поглощение энергии, и проводимостью, определяющей уровень отражения, что согласуется с представлениями о влиянии пористости на электрофизические свойства керамических материалов [3].

Для оценки механических свойств исследуемых образцов были проведены испытания, результаты которых представлены на рис. 1–5.

Рис. 1. Механическая прочность образца с содержанием свинца 20 %

Рис. 2. Механическая прочность образца с содержанием свинца 30 %

Рис. 3. Механическая прочность образца с содержанием свинца 40 %

Рис. 4. Механическая прочность образца с содержанием меди 20 %

Рис. 5. Механическая прочность образца с содержанием меди 30 %

Анализ результатов механических испытаний (рис. 1–5) показывает, что введение цветных металлов оказывает существенное влияние на прочностные характеристики керамического материала.

Для образцов с добавлением свинца (рис. 1–3) наблюдается увеличение механической прочности при увеличении его содержания с 20 до 30 %, что связано с более равномерным распределением металлической фазы и формированием плотной структуры материала. Однако при дальнейшем увеличении содержания свинца до 40 % отмечается тенденция к снижению прочностных характеристик, что может быть обусловлено возникновением внутренних напряжений и неоднородностей структуры.

Аналогичная зависимость наблюдается для образцов с медью (рис. 4–5): максимальные значения прочности достигаются при концентрации 30 %, тогда как при меньших концентрациях материал обладает недостаточной связностью структуры, а при более высоких проявляется эффект переуплотнения и локальной неоднородности.

Таким образом, установлено (рис. 1–5), что оптимальная концентрация металлической добавки (30 %) обеспечивает не только максимальные электромагнитные характеристики, но и наилучшие механические свойства, что подтверждает согласованность данных с результатами анализа электромагнитных характеристик.

Совокупный анализ полученных данных показывает, что электромагнитные, структурные и механические характеристики материала взаимосвязаны и определяются концентрацией металлической фазы. Оптимальная концентрация на уровне 30 % обеспечивает баланс между пористостью, электропроводностью и механической прочностью, что является ключевым фактором при разработке эффективных радиопоглощающих материалов.

Заключение

В ходе проведенного исследования установлено, что введение цветных металлов (свинца и меди) в состав беложгущейся глины Корниловского месторождения позволяет целенаправленно управлять электромагнитными, структурными и механическими свойствами керамического материала.

Экспериментально подтверждено, что изменение концентрации металлической фазы приводит к нелинейному изменению коэффициентов отражения и поглощения электромагнитного излучения, что обусловлено изменением соотношения диэлектрических потерь и электропроводности.

Установлено, что оптимальные характеристики достигаются при концентрации 30 %, при которой обеспечивается максимальное поглощение электромагнитных волн, минимизация отражения и наилучшие механические свойства материала.

Показано, что влагопоглощение может рассматриваться как косвенный параметр, характеризующий микроструктуру материала и оказывающий влияние на его электромагнитные свойства через изменение пористости и плотности структуры.

Практическая значимость работы заключается в разработке композиционного материала на основе доступного природного сырья, пригодного для использования в радиопоглощающих покрытиях, экранирующих конструкциях и элементах защиты от электромагнитного излучения.

Перспективы дальнейших исследований связаны с оптимизацией состава, изучением влияния других типов модифицирующих добавок и расширением диапазона рабочих частот.

Литература:

1. Апкарьян А. С., Куликов Д. Е. Исследование физико-технических свойств композиционного высокотемпературного теплоизоляционного материала на основе беложгущейся глины Корниловского месторождения Томской области // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. — 2025. — Т. 27, № 2. — С. 198–205. — DOI: 10.31675/1607-1859-2025-27-2-198-205.
2. Апкарьян А. С., Саблина Т. Ю. Физико-технические свойства глины Корниловского месторождения Томской области // Известия высших учебных заведений. Физика. — 2022. — Т. 65, № 7. — С. 35–41. — DOI: 10.17223/00213411/65/7/35.
3. Осипов В. И., Соколов В. Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств. — Москва : ГЕОС, 2013. — 578 с.
4. Тарасов С. П., Куценко А. Н., Белоус Ю. В. Коэффициент отражения как информативный параметр для экологических исследований // Известия Южного федерального университета. Технические науки. — 2002. — Т. 29, № 6. — С. 87–91.
5. Яковлева А. А., Немчинова Н. В. Перспективы использования глин локального проявления в металлургической практике // Вестник Иркутского государственного технического университета. — 2019. — № 2 (145). — С. 415–425. — DOI: 10.21285/1814-3520-2019-2-415-425.