Analysis of the spectral characteristics of perspective liquid carriers in THz spectral region.pdf Введение Данная работа посвящена поиску перспективных жидких носителей, которые можно использовать в ТГц-диапазоне для создания магнитных жидкостей. В последние годы исследования в ТГц-области спектра интенсивно развиваются. Например, в работах [1, 2] продемонстрирована возможность управления параметрами ТГц-электромагнитных волн путем ориентации нанотрубок в полимере. Однако предпочтительнее использовать не механически контролируемые материалы по квазиоптическим путям, а применять магнито- или электроуправляемые материалы, например магнитную жидкость. Магнитооптические свойства таких жидкостей были широко изучены в оптическом диапазоне, но в ТГц диапазоне данные исследования затруднены, так как жидкости на водной основе имеют очень сильное поглощение. Проникающие свойства ТГц-излучения в отсутствие гидроксильной группы -OH позволяют его использовать при решении задач спектроскопии в коммуникационной инфраструктуре, медицинских диагностических комплексах, а также в различных системах безопасности. Для увеличения эффективности использования ТГц-излучения актуальным является проектирование элементной базы для соответствующих приборов, включая создание элементов на основе магнитных жидкостей. Магнитные жидкости представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, имеющие уникальные электрические и магнитные свойства. Под данными свойствами следует понимать особые значе- ния физических параметров среды: диэлектрической ε и магнитной µ проницаемости, пространственной структуризации, зависящей от размера и формы магнитных и диэлектрических частиц, наличия возможности управления параметрами среды в результате внешних воздействий [3, 4]. Высокая подвижность магнитных частиц в жидкости обеспечивает их сильную чувствительность к слабым магнитным полям и дает значительное преимущество по сравнению с твердотельными аналогами [5, 6]. Очевидно, что применение магнитных жидкостей позволит конструировать пассивные элементы терагерцовой техники с перестраиваемыми характеристиками самой магнитной жидкости, управление которыми может осуществляться за счет включения внешнего магнитного и электрического полей [7, 8]. При синтезе магнитных жидкостей используют разнообразные жидкости-носители и стабилизаторы (ПАВ), в качестве которых обычно выступают органические растворители, вода, углеводороды и силиконы. В исследованиях часто встречаются магнитные жидкости на основе: керосина, перфторполиэфира, трансформаторного масла, силоксановой жидкости, минерального углеводородного масла, синтетического углеводородного масла, олеиновой кислоты, олеиновой кислоты с добавлением декалина, циклогексана [5, 9]. Но при работе в ТГц-диапазоне большая часть этих растворов не может применяться из-за наличия воды и гидроксильной группы -OH. Например, в ТГц-диапазоне проводятся исследования на основе полусинтетического масла [10]. Поиск жидких носителей для их использования в ТГц-электронике является перспективным исследованием, ориентированным на создание класса ТГц-модуляторов, которые могут быть интегрированы в другие магнитные или немагнитные системы, такие, как метаматериалы и волноводы [11]. Целью данной работы является исследование свойств перспективных жидких носителей в ТГц-диапазоне. Объект и метод исследования В данной работе использовались кремнийорганические жидкие силиконы, эпоксидные смолы, органические вещества, рассматриваемые в качестве перспективных жидких носителей магнитной жидкости для применения ее в ТГц-диапазоне. Ниже представлена таблица с характеристиками соответствующих жидкостей. Стабилизация магнитных частиц в жидком носителе является довольно сложной задачей. Для исследования выбраны жидкости в широком диапазоне вязкости, а также полимеризующиеся жидкости, при помощи которых возможно создание эластомеров с внутренней цепочечной структурой из магнитных частиц. Характеристика жидкостей Наимено- вание жидкости Состав Физико-химические характеристики Полиметил- фенилсилоксан (ПФМС-4) Кремнийорганическое соединение. Формула вещества (C11H8OSi)n Динамическая вязкость при 20 °С - 6.6-1.1 Пас. Плотность при 20 °С - 1.1 г/см3. Температура застывания не выше -20 °С. Массовая доля кремния - 21.6-23.1 %. Не оказывает коррозионного действия на металл Эпоксидно-диановая смола (ЭД-16) Жидкий, сильновязкий реакционно-способный олигомерный продукт на основе диглицидилового эфира дифенилолпропана Динамическая вязкость при 50 °С - от 5 до 20 Пас. Массовая доля эпоксидных групп - 16.0-18.0 %. Массовая доля иона хлора - не более 0.002-0.005 %. Массовая доля омыляемого хлора - не более 0.4- 0.6 %. Массовая доля гидроксильных групп - не более 2.5 %. Массовая доля летучих веществ - не более 0.2- 0.6 %. Время желатинизации с отвердителем - не менее 3-4 ч Dow Corning OE6630 «А» Силиконовая смола, с молекулярно-структурной формулой [-Si(R)2-O-Si(R)2-O-]n, где R представляет собой метил или фенил. Смола «A» с функциональными группами с двойной связью (C = C), смола «B» с функциональными группами SiH Динамическая вязкость при 25 °С - 3 Пас Dow Corning OE6630 «В» Динамическая вязкость при 25 °С - 2.8 Пас Глицерин Простейший представитель трёхатомных спиртов с формулой C3H5(OH)3 Динамическая вязкость при 20 °С - 1.48 Пас. Плотность при 20 °С - 1.26 г/см3 Ацетон Органическое вещество, имеющее формулу CH3-C(O)-CH3, простейший представитель насыщенных кетонов Динамическая вязкость при 25 °С - 0.306 мПас. Плотность при 20 °С - 0.79 г/см3 Компаунд КТЗ-1Б Строение в виде основной неорганической кремний-кислородной цепи (…-Si-O-Si-O-Si-O-…) с присоединёнными к ней боковыми органическими группами -СН3 (полидиметилсилоксаны), которые крепятся к атомам кремния Динамическая вязкость при 20 °С - 20 Пас Пентэласт 714 «А» Массовая доля , ω-гидрокси (полидиметилсилоксаны) - 55-65 %. Массовая доля алюминий оксид 45-65 % Нет данных Окончание таблицы Наимено- вание жидкости Состав Физико-химические характеристики Пентэласт 712 «А» Массовая доля , ω-гидрокси (полидиметилсилоксаны) - 70-100 %. Массовая доля белой сажи 0-30 % Условная вязкость при 20 °С - 90-150 с Моторное масло Toyota 5w40 Синтетическое масло состоит в основном из гидрированного полиальфа олефина (ПАО). ПАО представляют собой синтетические углеводородные жидкости, изготовленные из мономера этилена, H2C = CH2. ПАО имеют сложную разветвленную структуру с олефиновой связью. Гидрированные ПАО имеют олефин-углерод, насыщенный водородом, что придает молекуле отличную термическую стабильность. Гидрогенизированным ПАО в масле 5w40 является сополимер 1-децена и 1-додецена Динамическая вязкость при 20 °С - 9 Пас Рассмотрим методику проведения эксперимента. На рис. 1 представлена схема проведения эксперимента на ТГц-спектрометре (T-Spec фирмы «EXPLA») при регистрации сигнала жидкости и базового сигнала. Сигнал жидкости - сигнал, проходящий через кювету, заполненную исследуемой жидкостью. Кюветы были напечатаны на 3D-принтере из материала Watson, с расстоянием между стенками L = 3, 6 и 9 мм, толщина стенок составляла 0.5 мм, длина кювет 12 мм, высота 20 мм. Диаметр пучка ТГц-излучения составил примерно 3.5-4 мм. Рис. 1. Схема проведения эксперимента Перед началом измерения ТГц-спектра жидкости каждый раз измеряли пустую кювету и, не меняя положения кюветы, заполняли ее жидким образцом. Первоначально были получены спектры жидкостей в кювете с расстоянием между стенками 3 мм. Затем отбирались жидкости с наименьшим поглощением ТГц-излучения и проводились измерения в кюветах с расстоянием между стенками 6 и 9 мм. Результаты и их обсуждение На рис. 2 показаны ТГц-спектр интенсивности воздуха в спектрометре и усредненный по 20 точкам спектр пустой кюветы. Измерения проводились для 20 кювет. Из рис. 2 очевидно, что сигнал ТГц-излучения слабо меняет свою форму в присутствии кюветы, следовательно, кювета не будет оказывать существенного влияния на профиль спектров поглощения измеряемых жидкостей. Рис. 2. ТГц-спектры интенсивности сигнала, проходящего через воздух в спектрометре, и интенсивности сигнала, проходящего через пустую кювету, находящуюся в спектрометре На рис. 3 показаны спектры поглощения всех веществ из таблицы с толщиной образца 3 мм. Очевидно, что наиболее перспективными жидкостями на роль жидких носителей являются моторное масло и ПФМС-4, так как их поглощение является практически постоянным и слабым в широкой области спектра. Рис. 3. Спектры поглощения (оптической плотности) веществ из таблицы На рис. 4 показаны спектры поглощения моторного масла Toyota 5w40 (рис. 4, а) и ПФМС-4 (рис. 4, б) с толщиной образца 3, 6 и 9 мм. Из сравнения этих рисунков видно, что моторное масло является достаточно прозрачным для всех образцов, а ПФМС-4 с увеличением толщины образца имеет существенное поглощение. Для моторного масла оптическая плотность (рис. 4, а) на толщине слоев 6 и 9 мм отличается постоянным множителем (это соответствует закону Бугера), форма спектров поглощения одинакова, а спектр на толщине 3 мм имеет существенно отличающийся вид - это связано с высокой прозрачностью моторного масла. На толщине 3 мм величина погрешности используемого в работе спектрометра больше, чем поглощение моторного масла. Для ПФМС-4 оптическая плотность на толщине слоя до 3 мм подчиняется закону Бугера. Отметим, что для ПФМС-4 были получены спектры поглощения на толщине слоев 1 и 2 мм, которые отличаются постоянным множителем от спектра на толщине слоя 3 мм. В случае толщины слоев 6 и 9 мм форма спектров поглощения существенно меняется, что свидетельствует о присутствии нелинейных эффектов, возникающих в данной среде при прохождении через нее лазерного ТГц-излучения. Данные нелинейные эффекты являются нежелательными при создании магнитных жидкостей на основе ПФМС-4 в диапазоне от 0.3 до 1.8 ТГц, поэтому использование ПФМС-4 в качестве жидкого носителя ограничивается толщиной слоя в 3 мм. Рис. 4. Спектры поглощения (оптической плотности) моторного масла Toyota 5w40 и ПФМС-4 с толщиной образца 3, 6 и 9 мм Заключение В работе получены ТГц-спектры поглощения десяти жидкостей различной вязкости и природы при комнатной температуре. Из анализа спектров поглощения жидкостей с толщиной образца 3 мм видно, что поглощение ПФМС-4 и синтетического моторного масла является минимальным и стабильным в сравнении с остальными веществами. Этот факт указывает на то, что данные жидкости достаточно прозрачны в ТГц-области спектра и могут быть перспективны в качестве жидких носителей для синтеза и применения магнитных жидкостей в ТГц-диапазоне. Рассмотрев ПФМС-4 и моторное масло Toyota 5w40 на толщине слоев 3, 6 и 9 мм, можно сделать следующие выводы: 1. В случае ПФМС-4 на толщинах 6 и 9 мм закон Бугера перестает работать, возникают нелинейные эффекты, связанные с воздействием лазерного излучения на исследуемую жидкость. Следовательно, применение ПФМС-4 на толщинах больше 3 мм не очевидно. 2. Синтетическое моторное масло Toyota 5w40 является достаточно прозрачным на всех рассмотренных толщинах, в рамках погрешности прибора. Таким образом, моторное масло Toyota 5w40 независимо от толщины (3, 6 или 9 мм) исследуемого образца является перспективным жидким носителем для магнитных жидкостей при изучении возможностей их использования в ТГц-диапазоне, а ПФМС-4 позволит использовать его в качестве тонкого жидкого носителя, что может оказаться наиболее эффективным при создании элементной базы для ТГц-приборов.

Скачать электронную версию публикации