کاربردهای ویژه ی الکترومغناطیس برخی از ساختارها و مواد کامپوزیتی (4)
همانگونه که قبلا بحث شد، کامپوزیت های EM تولید شده بر اساس فریت ها که در میرایی میکروویو مورد استفاده قرار می گیرند، نیازمند ضخامت های بالایی هستند. علت این امر، نفوذپذیری نسبتا پایین در فرکانس های میکروویو
مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع: راسخون
منبع: راسخون
کامپوزیت های با ذرات نانویی
همانگونه که قبلا بحث شد، کامپوزیت های EM تولید شده بر اساس فریت ها که در میرایی میکروویو مورد استفاده قرار می گیرند، نیازمند ضخامت های بالایی هستند. علت این امر، نفوذپذیری نسبتا پایین در فرکانس های میکروویو است. مواد فلزی- مغناطیسی دارای مقادیر مغناطش اشباع بزرگی هستند و بنابراین، دارای نفوذپذیری بالا در گستره ی فرکانس بالا، هستند. بنابراین، این ممکن است که اجزای میکروویو نازک تری را با استفاده از مواد مغناطیسی- فلزی و در گستره های فرکانس گیگاهرتزی تولید کرد. به هر حال، رسانایی بالای مواد فلزی موجب کاهش تدریجی در نفوذپذیری مغناطیسی می شود که علت این مسئله ایجاد جریان های گردابی به دلیل وجود موج های EM می باشد. این پدیده، اثر عمق پوسته (skin depth effect) نامیده می شود (همانگونه که در بخش قبل گفته شد). به عنوان یک نتیجه، پودرهای مغناطیسی- فلزی، با اندازه ی نانویی، باید دارای مزیت های بزرگی در تولید کامپوزیت های EM باشند.این را به خوبی می دانید که نانومواد، علاقه مندی زیادی را در جنبه های مختلف تحقیقاتی، به خود اختصاص داده اند. نانومواد به عنوان موادی تعریف می شوند، که حداقل یکی از ابعاد آنها نانویی باشد (زیر 100 نانومتر). به عنوان نتیجه ای از گسترش و پیشرفت در زمینه ی تکنولوژی های تولید و سنتز، نانومواد می توانند از جنس های مختلفی مانند فلز، سرامیک، پلیمر و کامپوزیت، ساخته شوند. در واقع نانومواد، موادی نیستند که تنها اندازه ی آنها کوچک است، بلکه علاوه بر آن، برخی از ویژگی های آنها نیز به جای پیروی از قوانین بالک، از قوانین اتمی، پیروی می کنند. سطوح و سطح مشرک ها، همچنین در رفتار نانومواد، مهم هستند. در مواد بالک، تنها یک کسر اندک از اتم ها، در نزدیکی سطح واقع شده اند. ولی در نانومواد، وجود اندازه ی کوچک، موجب شده است تا کسر بالایی از اتم ها (نزدیک به بیش از 50 %)، در نزدیکی سطح واقع شده باشند. خواص سطحی مانند سطوح انرژی، ساختار الکترونی و واکنش پذیری، تحت تأثیر اندازه می باشد و بر روی کارایی و خواص ماده، اثرگذار است. این مسئله دلیلی است بر این موضوع که چرا نانومواد دارای خواص EM متفاوتی نسبت به مواد بالک هستند.
کامپوزیت های پلیمری با ذرات نانومتری، بطور خلاصه در یک مقاله مروری که اخیرا به چاپ رسیده، مورد بررسی قرار گرفته است. مزیت های نانوکامپوزیت های تولیدی از فیلرهای فرومغناطیس، بوسیله ی Bregar مورد بررسی قرار گرفته است. این بخش پیشرفت های اخیر در زمینه ی سنتز نانوذرات آلیاژی فلزی- مغناطیسی را به همراه سایر مواد نانوسایز مانند CNTs و ZnO مورد بررسی قرار داده است. این نانوذرات در کاربردهای EM مورد استفاده قرار می گیرند.
پودرهای نانوسایز- مغناطیسی
پودرهای نانوسایز مغناطیسی- فلزی
نانوذرات مغناطیسی که در ساخت کامپوزیت های مورد استفاده درکاربردهای میرایی میکروویو، استفاده می شوند، دارای عناصر فلزی و نانوپودرهای آلیاژی، نانوالیاف، نانوذرات هیبریدی فلزی- اکسیدی و پودرهای فریتی نانوسایز، هستند. روش های مختلف مانند هم رسوبی شیمیایی ، رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار ، روش تخلیه ی قوس dc و روش آسیاب کاری با انرژی بالا، برای تولید این نانوپودرها استفاده می شود. خواص EM کامپوزیت های تولید شده با ذرات نانوسایز با روش مورد استفاده در ادامه، بیان شده است.روش های شیمیایی
خواص EM مورد علاقه ی ذرات نانویی Co،این بد نیست که بدانید، پودرهای گزارش شده، تماما شبه کروی هستند و این ذرات آگلومره نشده اند و دارای توزیع اندازه ی ذره ی باریکی هستند.
برای آدرس دهی مسئله ی تراوایی در زمانی که پودرهای آلیاژ فلزی در تماس با هم قرار گرفته اند، آنها با لایه های اکسیدی پوشش دهی می شوند که دارای ضخامتی در حد چند نانومتر هستند. برای مثال، یک لایه از اکسید منگنز (
خواص EM میکروویو ذرات آلیاژی فلزی، با استفاده از ویژگی های نفوذپذیری مغناطیسی ذاتی آنها نشان داده می شود. این مسئله از طریق داده های اندازه گیری شده بر روی کامپوزیت های با غلظت های حجمی مختلف، قابل تشخیص می باشد. دو ویژگی متمایز در پاسخ های EM مواد تشخیص داده شده است: یکی حضور رزونانس چندگانه در زمانی که اندازه ی ذره، از میکرون به نانو کاهش می یابد و شیفت رزونانس به فرکانس های بالاتر با کاهش ذرات می باشد. رفتارهای رزونانس چندگانه ذرات نانومتری، در وجود حالت های رزونانسی غیر یکنواخت، مشارکت دارند و موجب تبادل توزیع انرژی مربوط به مغناطش در داخل ذرات می شود. از آنجایی که هیچ اطلاعاتی در مورد ثابت دی الکتریکی موجود نمی باشد، هیچ تلاشی در مورد ارزیابی خواص میرایی میکروویو کامپوزیت های آلیاژ- فلزی، انجام نشده است. این زمینه می تواند به عنوان یک زمینه ی جالب توجه در تحقیقات مربوط به مواد EM باشد. این مسئله مورد انتظار است که یک چنین کامپوزیت هایی باید یکی از گزینه های مناسب برای کاربردهایی باشد که در آنها میرایی میکروویو مد نظر است. علت این مسئله وجود پیک های رزونانسی چندگانه در آنهاست.
میرایی میکروویو افزایش یافته نیز در کامپوزیت هایی مشاهده می شود که بر اساس نانوفیبرهای Ni ساخته شده اند. Dong و همکارانش روشی را برای سنتز مستقیم الیاف Ni از طریق کاهش یون های
Zhou و همکارانش روشی برای سنتز نانوکامپوزیت های سیلیکا- کربن آمورف منظم با چگالی پایین با مقدار Fe قابل کنترل، ارائه کرده است. این روش، روش خود آرایی القا شده با تبخیر حلال (solvent evaporation induced self-assembly) نامیده می شود. نانوکریستال های Fe از طریق کاهش کربوترمال در جا، به طور مناسبی در این کامپوزیت ها پراکنده می شوند. یکی از ایده های اصلی برای این روش، کاهش ثابت دی الکتریک بوسیله ی ایجاد تخلخل است. در واقع با ایجاد تخلخل، تطابق مناسبی در امپدانس ایجاد می شود. مواد متخلخل نیز دارای چگالی پایینی است و این مسئله نیز یکی از مزیت های این ماده به شمار می آید. بسته به شرایط فرایند، اجزای مغناطیسی در پودرهای نانوکامپوزیتی
پودرهای زیر میکرونی –Fe/SmOα با روش واکنش تسهیم نامتناسب (disproportionation reaction method) و از
تولید و بررسی خواص نانوکامپوزیت های اکسید آهن-گرافیت بوسیله ی Zou و همکارانش، گزارش شده است. این نانوکامپوزیت ها با وارد کردن یون های
Wei و همکارانش ذرات کامپوزیتی
اخیرا، Liu و همکارانش نانوسیم های Fe را با استفاده از روش CVD تولید کرده اند. این نانوسیم ها دارای قطری بین 70 تا 200 نانومتر هستند و طول آنها نیز در حدود 20-50 میکرون است. در فرایند تولید این نانوسیم ها، از تجزیه یFe(CO)5 در دمای 523k و در داخل جریان آرگون، استفاده شده است. کامپوزیت های رزین اپوکسی با 29 درصد حجمی نانوسیم های آهن، دارای خواص دی الکتریک و مغناطیسی بهتری نستب به کامپوزیت های مشابه تولید شده از میکرو سیم ها یا ذرات ورقه ای مانند، هستند. به عبارت دیگر، کامپوزیت های تولیدی از نانوسیم ها، در گستره ی فرکانس مورد ارزیابی، دارای ثابت دی الکتریک تقریبا ثابتی0.5)(
اخیرا نیز، Sun و همکارانش یک نوع جدید از آهن نانوسایز را تولید کردند که دارای ساختار دندریت شکل سلسله مراتبی، است. این ماده با 70 % وزنی پارافین مخلوط می شود و در زمانی که یک ضخامت 2 میلی متری از آن ایجاد شود، دارای انعکاس 10-dB در گستره ی 3-18 GHz است. پودر نانوساختار Fe از کاهش –〖Fe〗_2 O_3α با استفاده از روش هیدروترمال، تولید می شود. نانوساختارهای با ترکیب سلسله مراتبی
سایر روش های شیمیایی مانند کاهش گرمایی هیدروژنی، احتراق خود انتشار شونده (self-propagating combustion) و آنیل گرمایی، نیز برای تولید این ساختارها، گزارش شده اند. برای مثال Zhen و همکارانش از ذرات
تخلیه ی قوسی جریان مستقیم
Lu و همکارانش نانوذرات هسته- پوسته از جنس آهن – نیکل را از فلزات بالک و با استفاده از روش تخلیه ی قوس dc تولید کردند. آنها این تولید را با استفاده از مخلوطی از هیدروژن و گازهای آرگون، انجام دادند. در این مورد، تنگستن به عنوان کاتد و فلزات آهن و نیکل به عنوان آند استفاده شده است. یک مقدار اندک از اکسیژن با گازهای خنثی مخلوط گردید تا بدین صورت یک لایه ی نازک از اکسید بر روی سطح ایجاد گردد. نانوذرات آهن – نیکل با ساختارهای هسته- پوسته تولید گردید که در آنها ترکیب سیستم دوتایی،〖Fe〗_3 O_4/γ-〖Fe〗_2 O_3و 〖Ni〗_2 O_3 به عنوان پوسته در نظر گرفته می شود. این کامپوزیت ها از مخلوط کردن نانوذرات با پارافین (با نسبت جرمی 1 به 1) تولید می گردد. نفوذپذیری مغناطیسی و ثابت دی الکتریک نسبتا پیچیده ی آنها در گستره ی فرکانس میکروویو است. در مقایسه، کامپوزیت های با نانوذرات آهن، دارای تانژانت اتلاف دی الکتریک بالاتری هستند که به دلیل وجود مکانیزم پلاریزاسیون خاص، ایجاد می شود. بنابراین، کامپوزیت های تولید شده از نانوذرات Fe دارای ظرفیت میرایی میکروویو بیشتری نسبت به کامپوزیت های تولید شده از نانوذرات نیکل، هستند.
این گروه از روش یکسانی برای سنتز نانوذرات Fe(C)، استفاده کرده است. این ذرات دارای توزیع اندازه ی باریکی (بین 20-40 nm هستند). کامپوزیت های تولید شده از پودر نانوسایز 50 درصد وزنی و واکس دارای تانژانت اتلاف دی الکتریکی در حدود 3/0 و تانژانت اتلاف مغناطیسی در حدود 1/0 هستند که بنابراین موجب می شود کارایی میرایی میکروویو این کامپوزیت ها، خوب باشد.
یک نانوذره ی Fe پوشش داده شده با ZnO از آلیاژ
یکی دیگر از مثال ها، استفاده از پوشش های آلومینا بر روی نانوکپسول های FeCO است که از یک آلیاژ با فرمول
بال میل با انرژی بالا
فرایند آسیاب گلوله ای با انرژی بالا یا آلیاژسازی مکانیکی، یک روش قدرتمند برای تولید پودرهای نانوسایز مواد مختلف می باشد. به هر حال، این مشکل است که مواد مغناطیسی های فلزی نانوسایز را با استفاده از آسیاب کاری مکانیکی، تولید کرد. علت این مسئله، به دلیل ایجاد اثرات شکستگی و جوش خوردن متوالی در طی این فرایند است. بنابراین، با استفاده از این روش، پودرهای نانوسایز از Fe یا آلیاژهای آن، تنها در حضور سایر اجزا مانند کربن، اکسیدهای ساده و فریت ها، و حلال های آلی، قابل حصول می باشد.Liu و همکارانش به طور کامل بر روی خواص EM کامپوزیت هایی مطالعه کرده اند که شامل رزین های اپوکسی و پودرهای مغناطیسی بر پایه ی آهن به همراه کربن آمورف می باشد (این مواد از طریق آسیاب گلوله ای انرژی بالا تولید شدند). اجزای مغناطیسی بر پایه ی Feکه مورد مطالعه α-Fe، 〖Fe〗_3 C، 〖 Fe〗_2 Bو 〖〖Fe〗_1.4 Co〗_0.6 Bبودند. به عنوان مثال، α-Fe را در نظر بگیرید. مخلوط α-Fe3-10 میکرون و 6 درصد وزنی پودر کربن آمورف با سرعت چرخش آسیاب 3/3 دور در ثانیه به مدت 30 ساعت در اتمسفر آرگون، آسیاب شدند. پودر آسیاب شده، دارای توزیع اندازه ی ذره ی 100 نانومتر تا 1 میکرون بود. مقاومت الکتریکی نانوکامپوزیت آسیاب شده، برابر باΩ.m100 می باشد که این مقدار بسیار بزرگتر از α-Fe خالص است. مقاومت نانوکامپوزیت های به دلیل ریزساختاری است که در آن ذرات رسانا بوسیله ی کربن آمورف از هم جدا شده اند. این مهم است که در این کامپوزیت ها، میزان ثابت دی الکتریک را پایین نگه داشت. برای مثال، ثابت دی الکتریک حقیقی کامپوزیت های دارای 40 درصد وزنی α-Fe کربن (4/12~ε^')، کمتر از کامپوزیت های دارای 13 درصد وزنی α-Fe خالص می باشد(15~ε^'). این دو کامپوزیت، دارای مقادیر یکسانی α-Fe هستند. بدون تفاوت قابل توجه در خواص مغناطیسی، کامپوزیت تولید شده از پودر آسیاب شده، دارای کارایی EM بهتری نسبت به کامپوزیت مشتق شده از α-Fe خالص است. نتایج مشابهی در کامپوزیت هایی مشاهده گردید که در آنها از پودرهای نانوکامپوزیتی تولید شده از سایر ترکیبات آهن، استفاده شده است.
علاوه بر کربن آمورف،
این روش همچنین برای اماده سازی نانوکامپوزیت های آهن- فریت نیز توسعه یافته است. یک پودر نانوکامپوزیتی از جنس
متراکم سازی فیزیکی
خواص میکروویو نانوکامپوزیت های دارای Fe و Co با زمینه ای از جنس ZnO و Fe2 O3 بوسیله ی Brosseau و همکارانش گزارش شده است. برای مقایسه، Fe و Co با اندازه ی میکرومتری نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. کامپوزیت های مورد استفاده در این مطالعه، با مخلوط کردن و فشردن پودر فلز، پودر اکسید و رزین اپوکسی، تولید شده است. کسر حجمی Ni و Co تا 6/0 افزایش می یافت در حالی که درصد رزین در گستره ی 09/0 تا 17/0 بود. تمام نمونه ها، دارای تخلخل معین بود که این تخلخل به طبیعت پودر اولیه، بستگی دارد. برجسته ترین ویژگی این روش، این است که کامپوزیت های تولید شده دارای پودرهای نانوسایز Fe و Co است که دارای رزونانس ژیرومغناطیس برجسته ای در گستره ی فرکانس میکروویو هستند. این رزونانس نه تنها در این کامپوزیت ها، قابل مشاهده است، بلکه همچنین در کامپوزیت هایی قابل مشاهده است که دارای پودرهای میکرونی Fe و Co است. اگر چه چندین حالت ویژه می تواند مسئول حضور رزونانس در نانوکامپوزیت ها باشد، یک توصیف مناسب وجود ندارد. با وجود این، ویژگی های رزونانسی نانوکامپوزیت ها، موجب می شود آنها به عنوان مواد مناسبی برای استفاده به عنوان مواد EM مطرح باشند. به هر حال، این نوع از نانوکامپوزیت ها، دارای ثابت دی الکتریک نسبتا بالا هستند. که این مسئله به دلیل ثابت دی الکتریک به نسبت بالای ZnO (که 3/0j-2/38=ε)، ایجاد شده است. در کاربردهای عملی، ثابت دی الکتریک یک کامپوزیت میکروویو، باید نزدیک به نفوذپذیری مغناطیسی آن باشد تا بدین صورت، تطابق مناسبی میان امپدانس کامپوزیت، ایجاد شود. بنابراین، این پیشنهاد می شود که از سایر زمینه های دارای ثابت دی الکتریک پایین به جای ZnO استفاده شود.پودرهای نانوسایزمغناطیسی – غیر فلزی
در مقایسه با اجزای مغناطیسی فلزی، پودرهای نانوسایز مغناطیسی- غیر فلزی (فریت ها) کمتر مورد بررسی قرار گرفته اند. مثال های قابل توجه از فریت های نانوسایز و فریت های بر پایه ی نانوکامپوزیت های، در ادامه مورد بررسی قرار می گیرند.پودرهای فریتی نانوسایز (
Xiao و همکارانش، ساختارهای پوسته- هسته از جنس
اخیرا، Stojak و همکارانش، نانوکامپوزیت های پلیمری با
یک تعداد روز افزون از گزارشات در مورد خواص EM کامپوزیت هایی، ارائه شده است که بر پایه ی پودرهای مغناطیسی
/ج
مقالات مرتبط
تازه های مقالات
ارسال نظر
در ارسال نظر شما خطایی رخ داده است
کاربر گرامی، ضمن تشکر از شما نظر شما با موفقیت ثبت گردید. و پس از تائید در فهرست نظرات نمایش داده می شود
نام :
ایمیل :
نظرات کاربران
{{Fullname}} {{Creationdate}}
{{Body}}