بررسي عوامل موثر بر اثربخشي حفاظ الكترومغناطيسي نانوكامپوزيتي در باند فركانسي X ا(GHz 5/12-8)

Investigation of factors influencing the efficacy of electromagnetic shielding in X band frequency range

مقدمه: با توجه به اهمیت كنترل‌های مهندسی در پیش‌گیری از مواجهه با پرتوهای مایكروویو، این مطالعه به منظور طراحی و ساخت نوع جدیدی از حفاظ‌های الكترومغناطیسی كامپوزیتی در باند بسامدی ایكس و بررسی عوامل موثر بر اثربخشی آن انجام شد. روش كار: در این تحقیق از رزین اپوكسی به عنوان بستر و نانوذرات اكسید نیكل به عنوان فیلر و در چهار درصد وزنی (5، 7، 9 و 11) برای ساخت حفاظ‌های كامپوزیتی با سه ضخامت گوناگون (2، 4و 6 میلی‌متر) استفاده شد. مشخصه یابی حفاظ‌ها با استفاده از دستگاه‌های پراش اشعه ایكس و میكروسكوپ الكترون روبشی انتشار میدانی انجام و مقادیر اثربخشی حفاظتی، عمق نفوذ و آستانه نفوذ حفاظ‌ها با استفاده از دستگاه تحلیل‌گر شبكه اندازه گیری شد. با استفاده از آنالیز وزن سنجی دمایی نیز اثر افزایش دما بر تغییرات جرمی حفاظ‌ها بررسی گردید. یافته ها: حفاظ كامپوزیتی mm 6-11%، بیش‌ترین مقدار اثربخشی حفاظتی (18/84 درصد) را در فركانس01/8 گیگاهرتز و  حفاظ mm 4-7%، بیش‌ترین مقدار میانگین اثربخشی حفاظتی (72 /66 درصد) را در باند بسامدی ایكس، به‌دست آورد. ضخامت 4 میلی‌متر ضخامت بهینه و بحرانی در این مطالعه بود و مقدار عمق نفوذ بیش‌تر از ضخامت كامپوزیت‌ها به‌دست آمد. افزایش مقدار نانوذرات اثر قابل توجهی بر اثربخشی حفاظتی حفاظ‌ها نداشت. حفاظ‌های مورد مطالعه تا دمای 150 درجه سانتی گراد مقاوم به حرارت بودند و دچار اُفت وزن نشدند. نانوذرات اكسید نیكل از توزیع و پراشیدگی مطلوبی در بستر اپوكسی برخوردار بودند و آستانه نفوذ در مقادیر اندك نانوذرات اكسید نیكل ظهور نمود. نتیجه گیری: این مطالعه توانست با به‌كارگیری ضخامت كم و مقدار اندك نانوذرات به حفاظی با اثربخشی چشم‌گیر جهت اهداف بهداشت حرفه‌ای دست یابد، ضمن این‌كه از مزایایی چون تولید آسان و ارزان، مقاومت در برابر رطوبت و خوردگی و سبك وزن بودن نیز برخودار باشد. كامپوزیت‌های اكسید نیكل / اپوكسی می‌توانند معرف نسل جدیدی از حفاظ‌های الكترومغناطیس و گزینه مناسبی جهت حفاظت شغلی در برابر پرتوهای مایكروویو باشند. پیشنهاد می‌شود در پژوهش‌های آتی، با كاهش عمق نفوذ اثربخشی این حفاظ‌ها بهبود یافته و كارایی آنها در محیط های كاری نیز بررسی گردد.

Introduction: Due to the importance of engineering controls for prevention of microwave exposure, this study was conducted to design and constract a novel electromagnetic shielding and also to examine the factors influencing shielding efficacy in X band frequency range. Material and Method: This study used Resin Epoxy as matrix and nano-Nickel Oxide as filler to prepare the composite plates with three different thicknesses (2,4, and 6 mm) and four different weight percentages (5,7,9 and 11). The fabricated composites characterized using X-ray diffraction and Field Emission Scanning Electron microscopy. Shielding effectiveness, percolation depth, and percolation threshold were measured using Vector Network Analyzers. Thermal Gravimetric Analysis was conducted to study the temperature influence on weight loss for fabricated composites. Result: A maximum shielding effectiveness value of 84.18% was obtained for the 11%-6mm composite at 8.01 GHz and the 7%-4mm composite exhibits a higher average of shielding effectiveness of 66.72% at X- band frequency range. The 4mm thickness was optimum and critical diameter for composite plates; and percolation depth was obtained greater than thickness of composites. However, increasing the nickel oxide content did not show noticeable effect on the shielding effectiveness. Thermal Gravimetric Analysis showed that the study shields were resistant to temperature up to 150 °C without experiencing weight loss. What is more, the results indicated that Nickel oxide Nano particles had desirable distribution and dispersion in epoxy matrix and percolation threshold was appeared in low content of nickel oxide nanoparticles. Conclusion: A novel electromagnetic shield using low thickness and few content of nanoparticle with noticeable efficacy was properly designed and constructed in the field of occupational health. In addition, this shield has low cost, easy to manufacture, resistance to wet/corrosion, and low weight. Epoxy/nickel oxide composite can represents a new generation of electromagnetic shielding, which is considered as a promising candidate for occupational protection against microwave exposure. It is recommended that future studies improve the shielding effectiveness by decreasing the percolation depth and investigate the efficacy of the fabricated shield in the workplaces.