vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2024-69-1-17-27vestift-827Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYУглесодержащие поглотители электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с рельефной поверхностьюCharcoal-containing microwave electromagnetic radiation absorbers with relief surfacehttps://orcid.org/0000-0002-9987-8109БойправО. B.BoipravO. V.

Бойправ Ольга Владимировна – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры защиты информации

ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск

Olga V. Boiprav – Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Information Protection Department

6, P. Brovka Str., 220013

smu@bsuir.byhttps://orcid.org/0000-0001-9834-6074БелоусоваЕ. С.BelousovaE. S.

Белоусова Елена Сергеевна – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры защиты информации

 ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск

Elena S. Belousova – Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Information Protection Department 

6, P. Brovka Str., 220013

belousova@bsuir.byhttps://orcid.org/0000-0002-7832-8597БогушН. В.BogushN. V.

Богуш Наталья Валерьевна – научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Материалы, технологии и средства обеспечения безопасности» научно-исследовательской части

ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск

Natalia V. Bogush – Researcher of the Scientific Research Laboratory “Materials, Technologies and Means of Security Ensuring” of R&D Department 

6, P. Brovka Str., 220013

nbogush@bsuir.byhttps://orcid.org/0000-0001-7977-8031СавановичС. Э.SavanovichS. E.

Саванович Светлана Эдуардовна – ассистент кафедры защиты информации 

ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск

Svetlana E. Savanovich – Assistant of the Information Protection Department 

6, P. Brovka Str., 220013

svetasav@bsuir.byКасперовичМ. М.KasperovichM. M.

Касперович Марина Михайловна – научный сотрудник научно-производственно-образовательного инновационного центра СВЧ-технологий и их метрологического обеспечения научно-исследовательской части

ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск

Marina M. Kasperovich – Researcher of the Scientific-Production-Educational Innovation Center for Microwave Technologies and Their Metrological Support of R&D Department

6, P. Brovka Str., 220013

kaspiarovich@bsuir.byГусинскийА. В.GusinskyA. V.

Гусинский Александр Владимирович – доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой информационно-измерительных систем 

ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск

Alexander V. Gusinsky – Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Head of the Information and Measuring Systems Department 

6, P. Brovka Str., 220013

a.gusinskij@bsuir.byЗахаровИ. А.ZakharovI. A.

Захаров Иван Андреевич – младший научный сотрудник научно-производственно-образовательного инновационного центра СВЧ-технологий и их метрологического обеспечения научно-исследовательской части

ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск

Ivan A. Zakharov – Junior Researcher of the Scientific-Production-Educational Innovation Center for Microwave Technologies and Their Metrological Support” of R&D Department 

6, P. Brovka Str., 220013

iv.andr.zakharov@gmail.comБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics2024030420246911727Copyright © Бойправ О.B., Белоусова Е.С., Богуш Н.В., Саванович С.Э., Касперович М.М., Гусинский А.В., Захаров И.А., 20242024Бойправ О.B., Белоусова Е.С., Богуш Н.В., Саванович С.Э., Касперович М.М., Гусинский А.В., Захаров И.А.Boiprav O.V., Belousova E.S., Bogush N.V., Savanovich S.E., Kasperovich M.M., Gusinsky A.V., Zakharov I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/827

Представлена новая технология изготовления поглотителей электромагнитного излучения (ЭМИ) СВЧ-диапазона, характеризующихся геометрически неоднородной поверхностью. Новизна представленной технологии заключается в использовании радиопрозрачных полимерных форм с полусферическими углублениями одинакового объема, которые являются компонентом для формирования поверхностного слоя поглотителей. Технология состоит в заполнении указанных форм находящейся в жидкой фазе смесью порошкообразного активированного древесного (березового) угля и связующего вещества и дальнейшем ее высушивании в формах. По сравнению с аналогами разработанная технология характеризуется невысокой сложностью воспроизведения. Бóльшая часть временных затрат, необходимых для реализации представленной технологии, связана с процессом высыхания смеси порошкообразного активированного березового угля и связующего вещества. Приведены установленные экспериментальным путем закономерности изменения значений коэффициентов отражения и поглощения электромагнитного излучения в диапазоне частот 1,0–28,0 ГГц поглотителей, изготовленных в соответствии с представленной технологией, в зависимости от типа содержащегося в них связующего вещества (водный раствор поливинилацетата, водный раствор гипса, полиуретановая мастика). Определено, что наиболее эффективными из исследованных в ходе установления обозначенных закономерностей поглотителей ЭМИ являются те, которые содержат водный раствор поливинилацетата. Значения коэффициента поглощения электромагнитного излучения в диапазоне частот 1,0–28,0 ГГц таких поглотителей изменяются в пределах от 0,75 до 0,99. Кроме того, масса на единицу площади таких поглотителей ниже в 1,5–2,0 раза массы на единицу площади поглотителей, содержащих водный раствор гипса или полиуретановую мастику. Изготовленные по представленной технологии поглотители ЭМИ СВЧ-диапазона характеризуются более высокой механической прочностью, а также более низкой стоимостью в сравнении с аналогами и рекомендованы для использования при создании безэховых камер.

A new technology for manufacturing microwave electromagnetic radiation (EMR) absorbers characterized by a geometrically inhomogeneous surface is presented. The novelty of the presented technology lies in the use of radiotransparent polymer forms with hemispherical depressions of the same volume, which are the component for the formation of the surface layer of absorbers. The technology consists in filling these molds with a mixture of powdered activated (birch) charcoal and the binder in the liquid phase and further drying it in the forms. Compared with analogues, the developed technology is characterized by low complexity of reproduction. Most of the time required to implement the presented technology is associated with the drying process of a mixture of powdered activated birch charcoal and a binder. The experimentally established patterns of changes in the values of electromagnetic radiation reflection and absorption coefficients in the frequency range 1.0–28.0 GHz of the absorbers manufactured in accordance with the presented technology are provided, depending on the type of binder contained in them (polyvinyl acetate aqueous solution, gypsum aqueous solution, polyurethane mastic). It was determined that the most effective of the EMR absorbers studied in the course of establishing the indicated patterns are those ones that contain an aqueous solution of polyvinyl acetate. Electromagnetic radiation absorption coefficient values in the frequency range 1.0–28.0 GHz of such absorbers vary from 0.75 to 0.99. In addition, the mass per unit area of such absorbers is 1.5–2.0 times less than the mass per unit area of absorbers containing an gypsum aqueous solution or polyurethane mastic. Microwave EMR absorbers manufactured using the presented technology are characterized by higher mechanical strength, as well as lower cost compared to analogues and are recommended for use in the creation of anechoic chambers.

коэффициент отражениякоэффициент поглощенияпорошкообразный активированный древесный угольэлектромагнитное излучениеreflection coefficientabsorption coefficientpowdered activated charcoalelectromagnetic radiationReferencesEffect on Source Signal Condition for Pyramidal Microwave Absorber Performance / H. Nornikman [et al.] // Int. Conf. on Computer and Communication Engineering (ICCCE’10). – 2010. – Vol. 10. – P. 11–13. https://doi.org/10.1109/ICCCE.2010.5556825Nornikman H., Malek F., Soh P. J., Azremi A. A. H. Effect on Source Signal Condition for Pyramidal Microwave Absorber Performance. International Conference on Computer and Communication Engineering (ICCCE’10), 2010, vol. 10, pp. 11–13. https://doi.org/10.1109/ICCCE.2010.5556825Rodriguez, V. Basic Rules for Indoor Anechoic Chamber Design [Measurements Corner] / V. Rodriguez // IEEE Antennas Propag. Mag. – 2016. – Vol. 58, № 6. – P. 82–93. https://doi.org/10.1109/MAP.2016.2609821Rodriguez V. Basic Rules for Indoor Anechoic Chamber Design [Measurements Corner]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2016, vol. 58, no. 6, pp. 82–93. https://doi.org/10.1109/MAP.2016.2609821Design of Microwave Pyramidal Absorber for Semi Anechoic Chamber in 1 GHz~20 GHz Range / Z. Ali [et al.] // Int. J. Microw. Wirel. Technol. – 2020. – Vol. 2. – P. 22–29. https://doi.org/10.5815/ijwmt.2020.02.03Ali Z., Muneer B., Chowdhry B. S., Jehangir S., Hyder G. Design of Microwave Pyramidal Absorber for Semi Anechoic Chamber in 1 GHz~20 GHz Range. International Journal Wireless and Microwave Technologies, 2020, vol. 2, pp. 22–29. https://doi.org/10.5815/ijwmt.2020.02.03Enhanced Microwave Absorption of Rice Husk-Based Pyramidal Microwave Absorber with Different Lossy Base Layer / L. Y. Seng [et al.] // IET Microwaves, Antennas & Propagation. – 2020. – Vol. 14, iss. 3. – P. 215–222. https://doi.org/10.1049/iet-map.2019.0571Seng L. Y., Jack S. P., Yeow Y. K., Hoon W. F., Yew L. C., Seng G. H., Malek F. Enhanced Microwave Absorption of Rice Husk-Based Pyramidal Microwave Absorber with Different Lossy Base Layer. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2020, vol. 14, iss. 3, pp. 215–222. https://doi.org/10.1049/iet-map.2019.0571Investigate the Effect of Dielectric Properties on Microwave Absorption of Pyramidal Microwave Absorber / B. Vagananthan [et al.] // J. Microw., Optoelectron. Electromagn. Appl. – 2022. – Vol. 21, № 2. – P. 328–336. http://dx.doi.org/10.1590/2179-10742022v21i2257631Vagananthan B., Lee Y. S., You K. Y., Gan H. S., Wee F. H. Investigate the Effect of Dielectric Properties on Microwave Absorption of Pyramidal Microwave Absorber, Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications, 2022, vol. 21, no. 2, pp. 328–336. http://doi.org/10.1590/2179-10742022v21i2257631Electromagnetic Absorber Composite Made of Carbon Fibers Loaded Epoxy Foam for Anechoic Chamber Application / C. Méjean [et al.] // Mater. Sci. Eng., B. – 2017. – Vol. 220. – P. 59–65. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2017.03.009Méjean C., Pometcu L., Benzerga R., Sharaiha A., Le Paven-Thivet C., Badard M., Pouliguen P. Electromagnetic Absorber Composite Made of Carbon Fibers Loaded Epoxy Foam for Anechoic Chamber Application. Materials Science and Engineering: B, 2017, vol. 220, pp. 59–65. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2017.03.009Product Design From Waste: A Novel Eco-Efficient Pyramidal Microwave Absorber Using Rice Husks and Medium Density Fibreboard Residues / C. F. Jung [et al.] // Waste Manage. (Oxford). – 2021. – Vol. 119. – P. 91–100. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.08.047Jung C. F., Jesus Pacheco D. A. de, Sporket F., Nascimento C. A. do, Ten Caten C. S. Product Design From Waste: A Novel Eco-Efficient Pyramidal Microwave Absorber Using Rice Husks and Medium Density Fibreboard Residues. Waste Management, 2021, vol. 119, pp. 91–100. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.08.047A New Fire-Resistant Thin Pyramidal Absorber Based Straw and Gypsum Powder for Cost-Effective EMC Test Chambers / I. B. Basyigit [et al.] // Eng. Sci. Technol. Int. J. – 2023. – Vol. 40. – Art. ID 101344. https://doi.org/10.1016/j.jestch.2023.101344Basyigit I. B., Dogan H., Genc A., Colak B. A New Fire-Resistant Thin Pyramidal Absorber Based Straw and Gypsum Powder for Cost-Effective EMC Test Chambers. Engineering Science and Technology, an International Journal, 2023, vol. 40, art. ID 101344. https://doi.org/10.1016/j.jestch.2023.101344Orakwue, S. I. Pyramidal Microwave Absorber Design for Anechoic Chamber in the Microwave Frequency Range of 1 GHz to 10 GHz / S. I. Orakwue, I. P. Onu // Eur. J. Eng. Res. Sci. – 2019. – Vol. 4, № 10. http://doi.org/10.24 018/ejers.2019.4.10.1409Orakwue S. I., Onu I. P. Pyramidal Microwave Absorber Design for Anechoic Chamber in the Microwave Frequency Range of 1 GHz to 10 GHz. European Journal of Engineering Research and Science, 2019, vol. 4, no. 10. http://doi.org/10.24018/ejers.2019.4.10.1409Charcoal-Containing Building Materials for Electromagnetic Radiation Shielding / O. V. Boiprav [et al.] // Mag. Civ. Eng. – 2023. – Vol. 117, № 1. – Art. ID 11709. https://doi.org/10.34910/MCE.117.9Boiprav O. V., Belousova E. S., Ahmetdinova E. S., Bogush N. V. Charcoal-Containing Building Materials for Electromagnetic Radiation Shielding. Magazine of Civil Engineering, 2023, vol. 117, no. 1, art. ID 11709. https://doi.org/10.34910/MCE.117.9Специальные цементы / Т. В. Кузнецова [и др.]. – СПб.: Стройиздат, 1997. – 314 с.Kuznetsova T. V., Sychev M. M., Osokin A. P., Korneev V. I., Sudakas L. G. Special Cements. St. Petersburg, Stroiizdat Publ., 1997. 314 p. (in Russian).Resistance against Penetration of Electromagnetic Radiation for Ultra-Light Cu/Ni-Coated Polyester Fibrous Materials / K. Yang [et al.] // Polymers (Basel). – 2020. – Vol. 12, № 9. – P. 2029. https://doi.org/10.3390/polym12092029Yang K., Periyasamy A. P., Venkataraman M., Militky J., Kremenakova D., Vecernik J., Pulíček R. Resistance against Penetration of Electromagnetic Radiation for Ultra-Light Cu/Ni-Coated Polyester Fibrous Materials. Polymers (Basel), 2020, vol. 12, no. 9, p. 2029. https://doi.org/10.3390/polym12092029Electromagnetic Waves Absorbing Characteristics of Composite Material Containing Carbonyl Iron Particles / V. A. Zhuravlev [et al.] // Mater. Sci. Appl. – 2014. – Vol. 5, № 11. – P. 803–811. https://doi.org/10.4236/msa.2014.511080Zhuravlev V. A., Suslyaev V. I., Korovin E. Yu., Dorozhkin K. V. Electromagnetic Waves Absorbing Characteristics of Composite Material Containing Carbonyl Iron Particles. Materials Sciences and Applications, 2014, vol. 5, no. 11, pp. 803–811. https://doi.org/10.4236/msa.2014.511080Dielectric Properties of Heterogeneous Mineral Compositions Based on Bentonite and Gypsum / A. Morozov [et al.] // Transp. Res. Procedia. – 2023. – Vol. 68. – P. 947–954. https://doi.org/10.1016/j.trpro.2023.02.132Morozov A., Vasilchenko A., Shapovalov V., Kochur A., Yavna V. Dielectric Properties of Heterogeneous Mineral Compositions Based on Bentonite and Gypsum. Transportation Research Procedia, 2023, vol. 68, pp. 947–954. https://doi. org/10.1016/j.trpro.2023.02.132Funt, B. L. Dielectric Properties of Polyvinyl Acetals / B. L. Funt, T. H. Sutherland // Can. J. Chem. – 1952. – Vol. 30, № 12. – P. 940–947. https://doi.org/10.1139/v52-114Funt B. L., Sutherland T. H. Dielectric Properties of Polyvinyl Acetals. Canadian Journal of Chemistry, 1952, vol. 30, no. 12, pp. 940–947. https://doi.org/10.1139/v52-114The Rational Design of Polyurea & Polyurethane Dielectric Materials / R. G. Lorenzini [et al.] // Polymer. – 2013. – Vol. 54, iss. 14. – P. 3529−3533. https://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2013.05.003Lorenzini R. G., Kline W. M., Wang C. C., Ramprasad R., Sotzing G. A. The Rational Design of Polyurea & Polyurethane Dielectric Materials. Polymer, 2013, vol. 54, iss. 14, pp. 3529−3533. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2013.05.003Chung, D. D. L. Electromagnetic Skin Depth of Cement Paste and Its Thickness Dependence / D. D. L. Chung, M. Ozturk // J. Build. Eng. – 2022. – Vol. 52. – Art. ID 104393. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104393Chung D. D. L., Ozturk M. Electromagnetic Skin Depth of Cement Paste and Its Thickness Dependence. Journal of Building Engineering, 2022, vol. 52, art. ID 104393. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104393Pyramidal Metamaterial Absorber for Mode Damping in Microwave Resonant Structures / N. Chikhi [et al.] // Sci. Rep. – 2020. – Vol. 10. – Art. ID 19352. https://doi.org/10.1038/s41598-020-76433-3Chikhi N., Passarelli A., Andreone A., Masullo M. R. Pyramidal Metamaterial Absorber for Mode Damping in Microwave Resonant Structures. Scientifc Reports, 2020, vol. 10, art. ID 19352. https://doi.org/10.1038/s41598-020-76433-3Microwave Absorption Performance of Porous Carbon Particles Modified by Nickel with Different Morphologies / Z. Shen [et al.] // J. Mater. Sci. Technol. – 2023. – Vol. 137. – P. 79–90. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.07.036Shen Z., Zu Y., Chen Y., Gong J., Sun C. Microwave Absorption Performance of Porous Carbon Particles Modified by Nickel with Different Morphologies. Journal of Materials Science & Technology, 2023, vol. 137, pp. 79–90. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.07.036

The authors declare that there are no conflicts of interest present.