Органо-неорганические светопоглощающие композиты для ближней инфракрасной области спектра

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. 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.

1. Ting 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.2020.102975

2. Kulagina 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-y

3. Волынкин 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/10.17586/2226-1494-2022-22-1-10-17

4. Киселев 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.

5. Belousova 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.3343

6. Безродный В.И., Тихонов Е.А. Полимерный пассивный модулятор добротности // Квантовая электроника. 1986. Т. 13. № 12. С. 2486.

7. Mironov 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.58.2.027113

8. Нацик 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.

9. Farzanehfar 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.2023.144428

10. Usay 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.7464972

11. Sun 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.2015.07.177

12. Nazarzade 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.2019.06.0009

13. 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. V. 20. N 12. P. 272–280.

14. 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.2017.09.003

15. Singh 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.2017.09.005

16. Чурсова 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.

17. 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.2015.12.101

18. Bindal 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/10.18231/2454-9150.2018.1057

19. Сухоруков 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.

20. Сухоруков 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.

21. 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.2020.05.298

22. Al-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.403713

23. Ерин 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/S0002337X22040042

24. Wang 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.7.002913

25. Chen 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.383188

26. González 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/10.5772/36323

27. Рудаков 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.2017.21.2.004

28. Wu 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/ma14082013

29. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. С. 57.