ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-4-529-537ntv-66Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGОргано-неорганические светопоглощающие композиты для ближней инфракрасной области спектраOrganic-inorganic light-absorbing composites for near infrared part of spectrumhttps://orcid.org/0000-0002-0160-8443ЕвстропьевС. К.EvstropievS. K.

Евстропьев Сергей Константинович — доктор химических наук, начальник отдела

Санкт-Петербург, 192171

Sergey K. Evstropiev — D.Sc. (Chemistry), Head of Department

Saint Petersburg, 192171

evstropiev@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6325-1507ВолынкинВ. М.VolynkinV. M.

Волынкин Валерий Михайлович — кандидат химических наук, старший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 192171

Valery M. Volynkin — PhD (Chemistry), Senior Researcher

Saint Petersburg, 192171

vvolynkin@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8861-2527БулыгаД. В.BulygaD. V.

Булыга Дмитрий Владимирович — младший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 192171

Dmitry V. Bulyga — Junior Researcher

Saint Petersburg, 192171

dmbulyga@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0000-9114-2116ОстровскийВ. А.OstrovskiiV. A.

Островский Вячеслав Александрович — начальник лаборатории

Троицк, 108840

Vyacheslav A. Ostrovskii — Head of Laboratory

Troitsk, 108840

ostrovskiy@triniti.ruhttps://orcid.org/0009-0004-3280-3489МакаровК. Н.MakarovK. N.

Макаров Константин Николаевич — кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Троицк, 108840

Konstantin N. Makarov — PhD (Physics & Mathematics), Leading Researcher

Troitsk, 108840

makarov@triniti.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1627-7499ДукельскийК. В.DukelskiiK. V.

Дукельский Константин Владимирович — доктор технических наук, заместитель генерального директора

Санкт-Петербург, 192171

Konstantin V. Dukelskii — D.Sc., Deputy General Director

Saint Petersburg, 192171

kdukel@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0005-9358-6040ПолищукГ. С.PolishchukG. S.

Полищук Григорий Сергеевич — кандидат технических наук, временный генеральный директор

Санкт-Петербург, 192171

Grigoriy S. Polishchuk — PhD, Acting General Director

Saint Petersburg, 192171

g.polishchuk@optrotech.ruАО «НПО ГОИ им. С.И. Вавилова»РоссияJSC “Research and Production Corporation S.I. Vavilova”Russian FederationАО «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований»РоссияAO “GNTs RF TRINITI”Russian Federation202411122024244529537Copyright © Евстропьев С.К., Волынкин В.М., Булыга Д.В., Островский В.А., Макаров К.Н., Дукельский К.В., Полищук Г.С., 20242024Евстропьев С.К., Волынкин В.М., Булыга Д.В., Островский В.А., Макаров К.Н., Дукельский К.В., Полищук Г.С.Evstropiev S.K., Volynkin V.M., Bulyga D.V., Ostrovskii V.A., Makarov K.N., Dukelskii K.V., Polishchuk G.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/66Введение

Введение. В работе выполнен синтез и проведено исследование структуры и свойств органо-неорганических оксида меди (CuO) и магнетит (Fe3O4)-содержащих эпоксидных композитов, поглощающих излучение в ближней инфракрасной области спектра. Метод. Синтез композитов осуществлен введением микропорошков CuO и Fe3O4 в жидкую эпоксидную композицию с последующей гомогенизацией смеси и ее полимеризацией. Исследование структуры и свойств органо-неорганических композитов проведено методами оптической микроскопии, инфракрасной спектроскопии, оптической спектроскопии, исследованием микротвердости материалов.

Основные результаты

Основные результаты. По данным, полученным на основании инфракрасных спектров поглощения, введение оксидных частиц снижает степень отверждения эпоксидного полимера на 20–28 %. Fe3O4-содержащие композиты демонстрируют относительно низкое (до 4,2 %) отражение света в спектральном диапазоне 1000–1100 нм, что соответствует проведенным оценочным расчетам. При введении микропорошков CuO и Fe3O4 в состав эпоксидного полимера его микротвердость может быть увеличена от 120 до 160 МПа. Обсуждение. Полученные в работе экспериментальные результаты могут служить основой для разработки органо-неорганических композиционных материалов для лазерной техники, поглощающих излучение в ближней инфракрасной области спектра.

Synthesis and study on structure and properties of organic-inorganic composites based on epoxy resin, CuO and Fe3O4 absorbing light in infrared part of spectrum was performed. The composites synthesis was performed by introduction of CuO and Fe3O4 micropowders into liquid epoxy composition with subsequent homogenization of the mixture and polymerization. The study on structure and properties of organic-inorganic composites was performed by methods of optical microscopy, infrared and visible spectroscopy, study on microhardness. According to the IR spectroscopy data, introduction of oxide particles leads to decrease in epoxy polymer degree of calcification. The composites containing Fe3O4 show relatively low light reflection until 4.2 % in the spectral range of 1000–1100 nm that corresponds to the theoretical estimation data. Incorporation of CuO and Fe3O4 micropowders into the epoxy polymer leads to an increase in microhardness from 120 to 160 MPa. Obtained experimental data can serve as the base for development of IR-absorbing organic-inorganic composites for laser technology.

поглощение светакомпозитэпоксидная смоламикропорошокlight absorptioncompositeepoxy resinmicropowderReferencesTing T.H. Synthesis, characterization of Fe3O4/polymer composites with stealth capabilities // Results in Physics. 2020. V. 16. P. 102975. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2020.102975Ting T.H. Synthesis, characterization of Fe3O4/polymer composites with stealth capabilities. Results in Physics, 2020, vol. 16, pp. 102975. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2020.102975Kulagina A.S., Sandulenko A.V., Volynkin V.M., Evstropiev S.K. Synthesis and nonlinear optical properties of vanadium-doped plasticized epoxy polymer composites // Advanced Composites and Hybrid Materials. 2021. V. 4. N 2. P. 324. https://doi.org/10.1007/s42114-021-00227-yKulagina A.S., Sandulenko A.V., Volynkin V.M., Evstropiev S.K. Synthesis and nonlinear optical properties of vanadium-doped plasticized epoxy polymer composites. Advanced Composites and Hybrid Materials, 2021, vol. 4, no. 2, pp. 324. https://doi.org/10.1007/s42114-021-00227-yВолынкин В.М., Евстропьев С.К., Булыга Д.В., Морковский А.В., Пашин С.С., Дукельский К.В., Бурдин А.В., Бондаренко И.Б. Оптические композиты на основе органических полимеров и полупроводниковых пигментов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22. № 1. С. 10–17. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-1-10-17Volynkin V.M., Evstropiev S.K., Bulyga D.V., Morkovsky A.V., Pashin S.S., Dukelskiy K.V., Bourdine A.V., Bondarenko I.B. Optical composites based on organic polymers and semiconductor pigments. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2022, vol. 22, no. 1, pp. 10–17. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-1-10-17Киселев В.М., Бурчинов А.А., Волынкин В.М., Евстропьев С.К., Матвеенцев А.В. Светопоглощающие композиционные покрытия на основе оксидных полых микросфер и сульфида свинца // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 12. С. 60–64.Kiselev V.M., Burchinov A.A., Volynkin V.M., Matveentsev A.V., Evstropev S.K. Composite light-absorbent coatings based on hollow oxide microspheres and lead sulfide. Journal of Optical Technology, 2015, vol. 82, no. 12, pp. 824–826. https://doi.org/10.1364/jot.82.000824Belousova I.M., Videnichev D.A., Volynkin V.M., Evstropiev S.K., Kislyakov I.M., Murav’ova T.D., Rakov E.G. Nonlinear optical limiters of pulsed laser radiation based on carbon-containing nanostructures in viscous and solid matrices // Polymers for Advanced Technologies. 2014. V. 25. N 9. P. 1008–1013. https://doi.org/10.1002/pat.3343Belousova I.M., Videnichev D.A., Volynkin V.M., Evstropiev S.K., Kislyakov I.M., Murav’ova T.D., Rakov E.G. Nonlinear optical limiters of pulsed laser radiation based on carbon-containing nanostructures in viscous and solid matrices. Polymers for Advanced Technologies, 2014, vol. 25, no. 9, pp. 1008–1013. https://doi.org/10.1002/pat.3343Безродный В.И., Тихонов Е.А. Полимерный пассивный модулятор добротности // Квантовая электроника. 1986. Т. 13. № 12. С. 2486.Bezrodnyĭ V.I., Tikhonov E.A. Polymer passive Q switch. Soviet Journal of Quantum Electronics, 1986, vol. 16, no. 12, pp. 1642–1645. https://doi.org/10.1070/QE1986v016n12ABEH008515Mironov L.Yu., Evstropiev S.K. Temperature-sensitive luminescent photopolymer activated by europium β-diketonate complexes // Optical Engineering. 2019. V. 58. N 2. P. 027113. https://doi.org/10.1117/1.OE.58.2.027113Mironov L.Yu., Evstropiev S.K. Temperature-sensitive luminescent photopolymer activated by europium β-diketonate complexes. Optical Engineering, 2019, vol. 58, no. 2, pp. 027113. https://doi.org/10.1117/1.OE.58.2.027113Нацик В.Д., Фоменко Л.С., Лубенец С.В. Исследование ползучести и стеклования эластомеров методом микроиндентирования: эпоксидная смола и нанокомпозиты на ее основе // Физика твердого тела. 2013. Т. 55. № 5. С. 940–952.Natsik V.D., Fomenko L.S., Lubenets S.V. Investigation of the creep and glass transition of elastomers by the microindentation method: epoxy resin and related nanocomposites. Physics of the Solid State, 2013, vol. 55, no. 5, pp. 1020–1033. https://doi.org/10.1134/s1063783413050260Farzanehfar N., Taheri A., Rafiemanzelat F., Jazani O.M. Highperformance epoxy nanocomposite adhesives with enhanced mechanical, thermal and adhesion properties based on new nanoscale ionic materials // Chemical Engineering Journal. 2023. V. 471. P. 144428. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144428Farzanehfar N., Taheri A., Rafiemanzelat F., Jazani O.M. Highperformance epoxy nanocomposite adhesives with enhanced mechanical, thermal and adhesion properties based on new nanoscale ionic materials. Chemical Engineering Journal, 2023, vol. 471, pp. 144428. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144428Usay Ş., Yaykaşli H., Acer D.C. Microhardness and thermal resistance of epoxy composites reinforced with graphene nanoparticle doped carbon nanotubes // Journal of NanoScience in Advanced Materials. 2022. V. 1. N 1. P. 6–11. https://doi.org/10.5281/zenodo.7464972Usay Ş., Yaykaşli H., Acer D.C. Microhardness and thermal resistance of epoxy composites reinforced with graphene nanoparticle doped carbon nanotubes. Journal of NanoScience in Advanced Materials, 2022, vol. 1, no. 1, pp. 6–11. https://doi.org/10.5281/zenodo.7464972Sun T., Fan H., Wang Z., Liu X., Wu Z. Modified nano Fe2O3-epoxy composite with enhanced mechanical properties // Materials & Design. 2015. V. 87. P. 10–16. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.07.177Sun T., Fan H., Wang Z., Liu X., Wu Z. Modified nano Fe2O3-epoxy composite with enhanced mechanical properties. Materials & Design, 2015, vol. 87, pp. 10–16. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.07.177Nazarzade S., Ghorbani H.R. Synthesis of CuO/Epoxy nanocomposites for the preparation of antifungal coating // Nanomedicine Journal. 2019. V. 6. N 2. P. 142–146. https://doi.org/10.22038/NMJ.2019.06.0009Nazarzade S., Ghorbani H.R. Synthesis of CuO/Epoxy nanocomposites for the preparation of antifungal coating. Nanomedicine Journal, 2019, vol. 6, no. 2, pp. 142–146. https://doi.org/10.22038/NMJ.2019.06.0009Mahadeva Raju G.K., Madhu G.M., Dinesh Sankar Reddy P., Karthik K.V. Mechanical and thermal properties of epoxy polymer composites reinforced with CuO // YMER. 2021. V. 20. N 12. P. 272–280.Mahadeva Raju G.K., Madhu G.M., Dinesh Sankar Reddy P., Karthik K.V. Mechanical and thermal properties of epoxy polymer composites reinforced with CuO. YMER, 2021, vol. 20, no. 12, pp. 272–280.Chen Y., Zhang D., Wu X., Wang H., Zhang C., Yang W., Chen Y. Epoxy/α-alumina nanocomposite with high electrical insulation performance // Progress in Natural Science: Materials International. 2017. V. 27. N 5. P. 574–581. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2017.09.003Chen Y., Zhang D., Wu X., Wang H., Zhang C., Yang W., Chen Y. Epoxy/α-alumina nanocomposite with high electrical insulation performance. Progress in Natural Science: Materials International, 2017, vol. 27, no. 5, pp. 574–581. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2017.09.003Singh S.K., Singh S., Kumar A., Jain A. Thermo-mechanical behavior of TiO2 dispersed epoxy composites // Engineering Fracture Mechanics. 2017. V. 184. P. 241–248. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.09.005Singh S.K., Singh S., Kumar A., Jain A. Thermo-mechanical behavior of TiO2 dispersed epoxy composites. Engineering Fracture Mechanics, 2017, vol. 184, pp. 241–248. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.09.005Чурсова Л.В., Панина Н.Н., Гребенева Т.А., Кутергина И.Ю. Эпоксидные смолы, отвердители, модификаторы и связующие на их основе. СПб.: Профессия, 2020. 576 с.Chursova L.V., Panina N.N., Grebeneva T.A., Kutergina I.Iu. Epoxy Resins, Hardeners, Modifiers and Binding Agents Based on Them. Saint Petersburg, Professija Publ., 2020, 576 p. (in Russian)Ong H.R., Khan Md.M.R., Ramli R., Yunus R.M. Effect of CuO nanoparticle on mechanical and thermal properties of palm oil based alkyd/epoxy resin blend // Procedia Chemistry. 2015. V. 16. P. 623–631. https://doi.org/10.1016/j.proche.2015.12.101Ong H.R., Khan Md.M.R., Ramli R., Yunus R.M. Effect of CuO nanoparticle on mechanical and thermal properties of palm oil based alkyd/epoxy resin blend. Procedia Chemistry, 2015, vol. 16, pp. 623–631. https://doi.org/10.1016/j.proche.2015.12.101Bindal P., Shrivastava A. Study of thermal conductivity enhancement of epoxy with copper oxide(CuO) // International Journal for Research in Engineering Application & Managemen. 2018. V. 4. N 8. P. 81. https://doi.org/10.18231/2454-9150.2018.1057Bindal P., Shrivastava A. Study of thermal conductivity enhancement of epoxy with copper oxide(CuO). International Journal for Research in Engineering Application & Managemen, 2018, vol. 4, no. 8, pp. 81. https://doi.org/10.18231/2454-9150.2018.1057Сухоруков Ю.П., Гижевский Б.А., Мостовщикова Е.В., Ермаков А.Е., Тугушев С.Н., Козлов Е.А. Нанокристаллический CuO-материал для селективных поглотителей солнечной энергии // Письма в Журнал технической физики. 2006. Т. 32. № 3. С. 81–89.Sukhorukov Yu.P., Gizhevskii B.A., Mostovshchikova E.V., Yermakov A.Ye., Tugushev S.N., Kozlov E.A. Nanocrystalline copper oxide for selective solar energy absorbers. Technical Physics Letters, 2006, vol. 32, no. 2, pp. 132–135. https://doi.org/10.1134/s1063785006020131Сухоруков Ю.П., Лошкарева Н.Н., Москвин А.С., Самохвалов А.А. Спектры поглощения монокристаллов CuO в области фундаментальной полосы и природа оптической щели в оксидах меди // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1995. Т. 108. № 5. С. 1821–1830.Sukhorukov Yu.P., Loshkareva N.N., Samokhvalov A.A., Moskvin A.S. Absorption spectra of CuO single crystals near the absorption edge and the nature of the optical gap in copper oxides. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1995, vol. 81, no. 5, pp. 998–1002.Welegergs G.G., Akoba R., Sacky J., Nuru Z.Y. Structural and optical properties of copper oxide (CuO) nanocoatings as selective solar absorber // Materials Today: Proceedings. 2021. V. 36. N 2. P. 509–513. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.298Welegergs G.G., Akoba R., Sacky J., Nuru Z.Y. Structural and optical properties of copper oxide (CuO) nanocoatings as selective solar absorber. Materials Today: Proceedings, 2021, vol. 36, no. 2, pp. 509–513. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.298Al-Masoodi A.H.H., Abdulghafoor O.B., Alani I.A.M., Ahmed M.H.M., Al Masoodi Ab.H.H., Harun S.W. Passively Q-switched pulses from ytterbium-doped fiber laser (YDFL) using copper oxide (CuO) nanoparticles as a saturable absorber // Optical Materials Express. 2020. V. 10. N 11. P. 2896–2908. https://doi.org/10.1364/OME.403713Al-Masoodi A.H.H., Abdulghafoor O.B., Alani I.A.M., Ahmed M.H.M., Al Masoodi Ab.H.H., Harun S.W. Passively Q-switched pulses from ytterbium-doped fiber laser (YDFL) using copper oxide (CuO) nanoparticles as a saturable absorber. Optical Materials Express, 2020, vol. 10, no. 11, pp. 2896–2908. https://doi.org/10.1364/OME.403713Ерин К.В. Определение комплексного показателя преломления наноразмерного магнетита по данным оптической анизотропии магнитных коллоидов // Неорганические материалы. 2022. Т. 58. № 4. С. 421–431. https://doi.org/10.31857/S0002337X22040042Yerin K.V. Determination of the complex refractive index of nanoparticulate magnetite from optical anisotropy data for magnetic colloids. Inorganic Materials, 2022, vol. 58, no. 4, pp. 403–413. https://doi.org/10.1134/s0020168522040045Wang X., Wang Y.G., Mao D., Li L., Chen Z.D. Passively Q-switched Nd:YVO4 laser based on Fe3O4 nanoparticles saturable absorber // Optical Materials Express. 2017. V. 7. N 8. P. 2913–2921. https://doi.org/10.1364/OME.7.002913Wang X., Wang Y.G., Mao D., Li L., Chen Z.D. Passively Q-switched Nd:YVO4 laser based on Fe3O4 nanoparticles saturable absorber. Optical Materials Express, 2017, vol. 7, no. 8, pp. 2913–2921. https://doi.org/10.1364/OME.7.002913Chen G., Yang Y., Tian M., Li C., Huang Y., Lv M. Passively Q-switched mode-locked ytterbium-doped fiber laser based on an Fe3O4-nanoparticle saturable absorber // Optical Materials Express. 2020. V. 10. N 2. P. 588–596. https://doi.org/10.1364/OME.383188Chen G., Yang Y., Tian M., Li C., Huang Y., Lv M. Passively Q-switched mode-locked ytterbium-doped fiber laser based on an Fe3O4-nanoparticle saturable absorber. Optical Materials Express, 2020, vol. 10, no. 2, pp. 588–596. https://doi.org/10.1364/OME.383188González M.G., Cabanelas J.C., Baselga J. Applications of FTIR on epoxy resins — identification, monitoring the curing process, phase separation and water uptake // Infrared Spectroscopy — Materials Science, Engineering and Technology. InTech, 2012. P. 261–284. https://doi.org/10.5772/36323González M.G., Cabanelas J.C., Baselga J. Applications of FTIR on epoxy resins — identification, monitoring the curing process, phase separation and water uptake. Infrared Spectroscopy — Materials Science, Engineering and Technology. InTech, 2012, pp. 261–284. https://doi.org/10.5772/36323Рудаков О.Б., Хорохордина Е.А., Глазков С.С., Хорохордин А.М., Губин А.С. Контроль отверждения эпоксидной смолы по содержанию свободного бисфенола А методом ТСХ // Аналитика и контроль. 2017. Т. 21. № 2. С. 135–143. https://doi.org/10.15826/analitika.2017.21.2.004Rudakov O.B., Khorokhordina E.A., Glazkov S.S., Khorokhordin A.M., Gubin A.S. Control of the epoxy resin curing process according to the free bisphenol a content by TLC. Analytics and Control, 2017, vol. 21, no. 2, pp. 135–143. (in Russian). https://doi.org/10.15826/analitika.2017.21.2.004Wu Z., Chen J., Li Q., Xia D.-H., Deng Y., Zhang Y., Qin Z. Preparation and thermal conductivity of epoxy resin/graphene-Fe3O4 composites // Materials. 2021. V. 14. N 8. P. 2013. https://doi.org/10.3390/ma14082013Wu Z., Chen J., Li Q., Xia D.-H., Deng Y., Zhang Y., Qin Z. Preparation and thermal conductivity of epoxy resin/graphene-Fe3O4 composites. Materials, 2021, vol. 14, no. 8, pp. 2013. https://doi.org/10.3390/ma14082013Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. С. 57.Born M., Wolf E. Principles of Optics. Cambridge University Press, 1959.

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