کاربردهای ویژه ی الکترومغناطیس برخی از ساختارها و مواد کامپوزیتی (9)

سرامیک های بر پایه ی فریت های Li
دارای دمای کوری بالا 670℃، مقاومت بالا و اتلاف مغناطیسی و دی الکتریک پایین می باشد. به هر حال، خالص نمی تواند به طور کامل در دمای کمتر از ، زینتر شود. علت این مسئله، خواص زینترشوندگی ضعیف این ماده است. اثر بر روی زینترشوندگی، توسعه ی ریزساختار، خواص مغناطیسی و دی الکتریک سرامیک های به طور سیستماتیک، مورد بررسی قرار گرفته است (شکل 1)
همانگونه که در شکل 11 بخش قبل نشان داده شده است، وجود تنها 1 % وزنی از اکسید موجب کاهش خطی دمای شرینکیج ماکزیمم از 1100 به cͦ900 می شود و موجب افزایش قابل توجه در نرخ شرینکیج ماکزیمم می شود. بهبود زینترشوندگی همچنین به طور واضح با اندازه گیری چگالی سرامیک های فریتی، نشان داده می شود (شکل 2). به همراه رفتار رشد دانه در این موارد، این بهبود ها به دلیل بوجود آمدن فاز مایع به خاطر افزوده شدن ، حاصل می شود که دقیقا مشابه با مشاهدات انجام شده در سرامیک های (بحث شده در بالا) است.
مقاومت های جریان مستقیم از سرامیک های به عنوان تابعی از مقدار ، مورد جالب توجهی به نظر می رسد. همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است، یک مینیمم در مقاومت در نمونه هایی مشاهده شده است که دارای 2/0 % وزنی هستند (این مسئله تقریبا به دمای زینترینگ، ربطی ندارد). وقتی غلظت از 2/0 به 5 % وزنی افزایش می یابد، این مقاومت تقریبا سه برابر افزایش می یابد. مقاومت های نسبتا پایین در خالص و آنهایی که دارای غلظت های پایین تری از هستند، عمدتا به دلیل ریزساختار با زینترشوندگی ناقص می باشد. ریزساختار با تراکم نامناسب نشاندهنده ی وجود تخلخل های باز می باشد. این تخلخل ها، بخار آب و سایر ناخالصی ها را جذب کرده و بنابراین، مقاومت dc آنها کاهش می یابد.
پراکندگی ثابت مقاومت و دی الکتریک سرامیک های فریتی می تواند به سادگی با استفاده از مدل Koops توجیه شود. در این مدل، سرامیک های فریتی پلی کریستال به صورت دانه های رسانا در نظر گرفته می شوند (دانه های با قطر و مقاومت که بواسطه ی لایه ای با رسانایی کمتر،پوشیده شده اند). وقتی
باشد و ، مقاومت می تواند به صورت زیر بیان شود:

با استفاده از این فرمول، رویه ی مقاومت dc سرامیک های به عنوان نتیجه ای از افزودن مورد بررسی قرار می گیرد. مقاومت دانه ای ρ2 با تغییر در غلظت ، ثابت در نظر گرفته می شود زیرا این هیچ واکنشی میان و رخ نمی دهد. به عنوان یک نتیجه، مقاومت های dc نمونه ها با x و ρ_1 تعیین می شوند. زیرا اندازه ی دانه ی نمونه ها، تنها یک کاهش اندکی را با افزایش در غلظت از خود نشان می دهد.
اما این مدل قادر به توصیف مقاومت های مینیمم نمونه های دارای 2/0 % وزنی نیست. برای آگاهی یافتن از علت این مسئله، این ضروری است که تغییر در ریزساختار را در سرامیک های
دوپ شده با ارزیابی کنیم. این فرایند، فرایند چند مرحله ای است. مرحله ی اول، یک فاز مایع در طی حرارتدهی مواد در بالاتر از نقطه ی ذوب ، تشکیل می شود. لایه ی مایع اطراف دانه ها، موجب تر شدن دانه ها می شود و مرزدانه ها را پر می کند. دوم اینکه، افزایش استحکام و رشد دانه در حضور فاز مایع رخ می دهد. در نهایت، در طی فرایند سرد شدن، فاز مایع غنی از ، از دو مرزدانه به سمت نقاط سه گانه و محل های چندگانه ی اتصال دانه ها، حرکت می کنند. میزان جمع شدن به مقدار فاز مایع بستگی دارد.
این انتظار وجود دارد که باید غلظت های بحرانی وجود داشته باشد که در زیر آنها، تمام فاز مایع به نقاط اتصال دانه ها می رود به نحوی که هیچ فاز مایعی دیگری مرزدانه ها را ترک نمی کند. در این مورد، دو مرزدانه تمیز می شود (همانگونه که در فریت های Mn-Zn گزارش شده است). این انتظار وجود دارد که نمونه های با مرزدانه ی تمیز، دارای مقاومت پایینی هستند. زیرا هم x و هم ρ_1 در فرمول های اشاره شده در بالا، کوچکتر می شوند. این مسئله یکی از دلایل این موضوع است که چرا مقاومت های dc نمونه های 2/0 %، کمتر از نمونه های خالص است.
این فرض با خواص دی الکتریک سرامیک های دوپ شده با دارای 2/0 % وزنی ، حمایت می شد. همانگونه مشاهده شده است، نمونه ی زینتر شده در دمای 1100 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت، دارای ثابت دی الکتریک حقیقی و موهومی بالایی است. با مدل مشابه مدل بالا، مقدار استاتیک εs برای نفوذپذیری نسبی εr از سرامیک های فریتی پلی کریستال، می تواند به صورت زیر بیان شود :

که در اینجا، ε_s بیان کننده ی ثابت دی الکتریک حقیقی در فرکانس 1 MHz، ثابت دی الکتریک نسبی در فرکانس نامحدود (در 100 MHz)، و دارای تعریف مشابه با معادله ی بالا هستند. ثابت دی الکتریک بسیار بالا از نمونه های 2/0 % به طور نزدیکی با ضخامت مؤثر آنها در ارتباط است. این فهمیده شده است که برای بدست آوردن تانژانت اتلاف دی الکتریک به اندازه ی کافی پایین، مقدار باید 3 % باشد و کمترین مقدار تانژانت اتلاف دی الکتریک در نمونه ای بدست می آید که در دمای 900 درجه سانتیگراد و به مدت 2 ساعت زینتر شده است.
نفوذپذیری مغناطیسی سرامیک های با خواص دی الکتریک قابل اطمینان، بالاتر از ثابت دی الکتریک آن است. برای اینکه نفوذپذیری فریت را کاهش دهیم، در ترکیب مورد نظر عنصرCo جایگزین عنصرLi می شود و در تشکیل می شود. مقادیر نفوذپذیری استاتیک برای نمونه های (که در دماهای مختلف، زینتر شده است) به عنوان تابعی از Co در شکل 4 نشان داده شده است. افزایش در نفوذپذیری با افزایش در دمای زینترینگ در غلظت های معین، به دلیل افزایش در اندازه ی دانه ی مواد می باشد. رویه ی تغییر در نفوذپذیری استاتیک هم از مدل یون منفرد و هم از اثر تثبیت یون های Co، قابل شرح می باشد.
در ، یون های آهن و لیتیم، در آنیزوتروپی مگنتوکریستالی، مشارکت دارند، در حالی که یون Co، آنیزوتروپی بزرگتری را ایجاد می کند. بنابراین، وقتی یک مقدار اندک از کبالت به افزوده می شود، آنیزوتروپی مگنتوکریستالی کل از یک مقدار منفی به مقدار مثبت تغییر می کند. در این مورد، آنیزوتروپی مطلق در غلظت های معین از Co، دارای مینیمم می باشد. نفوذپذیری مغناطیسی یک فریت پلی کریستال، با حرکت دیواره ی دومین و چرخش اسپین ها، همراه است. نفوذپذیری مغناطیسی که به دلیل چرخش اسپین ایجاد می شود، می تواند به صورت
بیان می شود (که در اینجا ، مغناطش اشباع و k ثابت آنیزوتروپی مگنتوکریستالی است). با توجه به مدل یون منفرد، یون های مغناطیسی در کریستال های یونی مانند فریت ها، با سایر آنیون های محیطی ایزوله شده اند به نحوی که آنیزوتروپی مغناطیسی کل با جمع کردن یون های مغناطیسی منفرد، تعیین می شوند. از آنجایی که یک محلول جامد از ترکیب های و است، ثابت آنیزوتروپی مگنتوکریستالی آن می تواند در غلظت های مختلف از Co بدست آید. یک مقدار مطلق و مینیمم در 05/0=x بدست آمده است که این مسئله بر این دلالت دارد که انتظار می رود، این ترکیب دارای نفوذپذیری ماکزیمم باشد اما پیک این مقدار در عمل، در 01/0=x واقع شده است. این بدین معناست که نتیجه ی تجربی می تواند به تنهایی و با استفاده از این مدل، توضیح داده شود.
اثر یون های Co بر روی تثبت دیواره ی دمین ها، باید همچنین در نظر گرفته شود. مرتب سازی یون های در مکان های B موجود در ساختار اسپینل موجب القای آنیزوتروپی تک محوری Ku می شود خصوصا در حضور جاهای خالی کاتیونی. جانشینی Co معمولا رسانایی نوع p را در فریت بوجود می آورد. علت این مسئله، جابجایی الکترون بین و می باشد. وقتی یک یون به اکسید می شود، یک جای خالی کاتیون تشکیل می شود و بنابراین، یون های Coدارای تابعی از عدم تحرک دیواره های دومین می باشد. آنیزوتروپی محلی القا شده، که بوسیله ی جاهای کاتیونی ایجاد می شود، همچنین با غلظت Co، افزایش می یابد. این اثر اضافی که موجب ماکزیمم شدن نفوذپذیری مغناطیسی می شود، در غلظت های پایین تر Co ایجاد می شود. علاوه بر این، یون های به عنوان مراکز قفل کننده ی حرکت دومین های عمل می کنند. این یون ها همچنین موجب ایجاد نفوذپذیری مغناطیسی می شوند که در غلظت های پایین Co، شروع به کاهش می کنند. در جمع، ماکزیمم شدن در نفوذپذیری مغناطیسی به جای نمایان شدن در 05/0=x، در 01/0=x ظاهر می شوند.
خواص مگنتودی الکتریک قابل توجه برای سرامیک های در 032/0=x‌ که در دمای 900 درجه سانتیگراد و به مدت 2 ساعت زینتر شده اند، در شکل 5 نشان داده شده است. این فهمیده شده است که نمونه های دارای غلظت کبالت بین 03/0=x و 035/0=x، دارای خواص مگنتودی الکتریک قابل اطمینانی هستند. نفوذپذیری مغناطیسی و ثابت دی الکتریک سرامیک های فریتی بدست آمده در این مطالعه، بالاتر از کامپوزیت های فریتی مورد مطالعه در دیگر مراجع است و سرامیک های فریتی بر پایه ی می باشد
اثر بر روی خواص سرامیک های فریتی بر پایه ی نیکل ، مشابه با مورد قبل است. خالص نمی تواند به طور کامل در دمای زیر زینتر شوند.
افزودن 3 % وزنی منجر به افزایش خاصیت زینتر شوندگی سرامیک های در دمای 1050℃می شود. برای بدست آوردن تانژانت اتلاف دی الکتریک کمتر از 10، غلظت باید بالاتر از 5 % باشد که این مقدار بالاتر از مقدار مورد نیاز برای Ni_0.5 Fe_1.98 O_4 است. نمونه ی دوپ شده با 5 % وزنی که در دمای 1050℃و به مدت 2 ساعت زینتر شده است، دارای خواص مگنتو دی الکتریک قابل توجهی است و تانژانت اتلاف مغناطیسی و دی الکتریک آن پایین است. نفوذپذیری مغناطیسی و ثابت دی الکتریک حقیقی آن در گستره ی فرکانس 3 تا 30 MHz، تقریبا برابر با 12 می باشد. اصلاح با مقدار اندکی Co همچنین خا صیت مغناطیسی و مگنتودی الکتریک آن را نیز بهبود می دهد. برای مثال، تانژانت مغناطیسی دی الکتریکی سرامیک های که در دمای به مدت 2 ساعت زینتر شده اند، در مقایسه با ، دو برابر است. تطابق فرکانس سرامیک های تا 90 MHz(باند VHF) ادامه می یابد. این مسئله در فریت های منیزیم و فریت های Liقابل حصول است.
سرامیک های فریتی نانوسایز
نتایج بدست آمده در بالا، نشاندهنده ی این است که توسعه ی مواد مگنتودی الکتریک که دارای تطابق در نفوذپذیری مغناطیسی و ثابت دی الکتریک (تا فرکانس هایی تا 100 MHz) هستند، مشکل می باشد (البته با روش های متداول در تولید مواد سرامیکی). مطالعات اخیر نشان داده است که تطابق در فرکانس فریت های می تواند به طور قابل توجهی با استفاده از سرامیک های نانوسایز، بهبود یابد. برای مثال، یک سرامیک فریتی نانوسایز با فرمول شیمیایی دارای نفوذپذیری مغناطیسی و ثابت دی الکتریک نزدیک به 6 می باشد. در این سرامیک ها تانژانت اتلاف مغناطیسی 03/0 و تانژانت اتلاف دی الکتریک، برابر با 008/0 می باشد(در طول گستره ی فرکانس تا MHz 200). سرامیک های فریتی نانوسایز از پودرهای بسیار نرم که با روش هم رسوبی تولید می شود، ساخته می شوند. دمای کلسیناسیون این پودر ها در حدود و دمای زینترینگ در حدود می باشد. یک گسترش دیگر در زمینه ی ایجاد تطابق تا فرکانس های تا 700 MHz‌، با استفاده از سرامیک های فریتی با فرمول شیمیایی قابل حصول است. نفوذپذیری حقیقی و ثابت دی الکتریک آنها برابر با 5 می باشد. در یک گزارش اخیر، نویسندگان سرامیک های فریتی نانوسایزی را از جنس Ni-Zn توسعه داده اند که دارای مقدار اندکی مس می باشد. این سرامیک دارای فرمول شیمیایی
می باشد که نیازمند دمای زینترینگ900℃می باشد. سرامیک های فریتی نانوسایز دارای نفوذپذیری مغناطیسی غیر قابل تغییر و ثابت دی الکتریک برابر با 5/6 هستند. در این سرامیک ها، تانژانت اتلاف مغناطیسی برابر با 04/0 و تانژانت اتلاف دی الکتریک، برابر با 006/0 است( تا فرکانس های 200 MHz). از آنجایی که امپدانس این سرامیک ها برابر با 3/1 است (که بزرگتر از 1 می باشد)، امکان بسط بیشتر فرکانس با استفاده از افزودن Co وجود دارد.
به طور مقایسه باید گفت، این گزارش شده است که سرامیک های باریوم فریتی از خود خواص مگنتودی الکتریک مناسبی نشان می دهند. این مسئله تأکید شده است که تطابق در نفوذپذیری حقیقی و ثابت دی الکتریک 26 می تواند در فریت های باریومی نوع Z ایجاد شود (با تانژانت اتلاف پایین تا فرکانس 500 MHz) اما تنها خواص مغناطیسی موجود می باشد و اطلاعاتی در مورد خواص دی الکتریک، وجود ندارد. عموما، فریت های باریومی، دارای ثابت دی الکتریک بالاتری نسبت به فریت های اسپینلی هستند. علت این مسئله، پلاریزاسیون دی الکتریک بالاتر یون های و فرکانس های رزونانس بالاتر (به دلیل آنیزوتروپی مگنتوکریستالی) می باشد. بنابراین، فریت های باریومی، اندیس انعکاس بالاتری را ایجاد می کنند و بنابراین، برای مینیاتوریزاسیون آنتن مناسب ترند. این مواد را می توان در کاربردهای با فرکانس بالاتر که در انها امکان استفاده از فریت های اسپینلی وجود ندارد، استفاده کرد. فرایند های دما بالا به طور ضروری تشکیل یون های را تسریع می کند. این مسئله منجر می شود تا رسانایی بالایی ایجاد شود و تانژانت اتلاف دی الکتریک بالاتری حاصل گردد. در این زمینه، برای حصول فریت های باریومی با اتلاف دی الکتریک پایین، آنها باید در محیط اکسیژن زینتر شوندیا در دماهای پایین تر نسبت به دمای زینترینگ نرمال و در حضور اتمسفر اکسیژن، آنیل شوند.
کاربردهای بالقوه ی این مواد در مینیاتوریزاسیون آنتن در مقالات مختلفی گزارش شده اند که در گستره ی بررسی این مقاله نیست.
نتیجه گیری
کامپوزیت های تولید شده از فریت ها، مخصوصا آنهایی که دارای ساختار هگزاگونال هستند، به عنوان کاندیداهای خوبی برای استفاده در کاربردهای آنتن و محافظ های آنتن، محسوب می شوند. علت این مسئله، خواص EM پیشرفته ی آنهاست. کارایی میکروویو یک کامپوزیت، با استفاده از خواص مغناطیسی و دی الکتریک آن تعیین می شود. خواص مغناطیسی و دی الکتریک (مانند فرکانس های رزونانسی، نفوذپذیری مغناطیسی و ثابت دی الکتریک مختلط کامپوزیت) یک ماده بوسیله ی فاکتورهای مختلفی تعیین می شود. این فاکتورها عبارتند از ساختارهای مگنتوکریستالی، اندازه ی دانه یا ذره، توزیع اندازه ی دانه، شکل فیلرهای فریتی. کامپوزیت های دارای کارایی EM مناسب می توانند با استفاده از انتخاب صحیح فریت ها، طراحی شوند. در این طراحی ها، از پارامترهای فرایندی مناسب و دوپنت های مناسب استفاده می شود. بر اساس یافته های تئوری، کامپوزیت های بر پایه ی پودر فریت های هگزاگونال مختلف که باندهای فرکانس میکروویو مخلتف را پوشش دهی می کنند، تولید و توسعه یافته اند. مطالعات تئوری نشاندهنده ی این است که کارایی های کامپوزیت های فریتی می تواند همچنین با استفاده از فیلرهای فریتی با شکل و ابعاد ویژه (مانند صفحات، ذرات کروی، میله ها و... به جای ذرات با شکل کروی معمولی)، بهبود یابد. گزارشاتی در زمینه ی تولید و بررسی نانوفیبرهای فریتی با استفاده از روش الکترواسپینینگ، وجود دارد اما اطلاعاتی درمورد خواص EM این الیاف فریتی و کامپوزیت های آنها، گزارش نشده است. بنابراین، سنتز فریت های با اشکال کروی و تولید کامپوزیت های آنها می تواند به عنوان یک زمینه ی تحقیقاتی جدید باشد.
به دلیل رسانایی الکتریکی بالای آنها، کارایی EM مواد کامپوزیتی تولید شده از ذرات مغناطیسی فلزی، نمی تواند به طور ساده وبا استفاده از افزایش غلظت فیلر، افزایش یابد. استفاده از لایه های پوششی عایق برای عایق کردن ذرات رسانا، یک روش با دوام برای افزایش غلظت این ذرات در این کامپوزیت ها می باشد. علاوه بر SiO2 ، این ضروری است که سایر مواد پوششی نیز مورد بررسی قرار گیرد.
نانوتکنولوژی یک استراتژی کلیدی در توسعه ی مواد جدید با خواص EM جدید می باشد. علاوه بر بهبود خواص آلیاژهای مغناطیسی- فلزی با ایجاد آن در ابعاد نانو، سایر مورفولوژی ها مانند میله ای شکل، فیبر یا فیلم های نازک، نیز مستحق بررسی می باشند. با الهام گرفتن از مشاهدات بر روی ZnO نانوسایز، توسعه ی نانومواد از موادی که خواص EM آنها در حالت میکرو، قابل توجه نیست، یک زمینه ی تحقیقاتی جدید محسوب می شود.
خواص دی الکتریک مانند فرکانس رزونانسی و ثابت دی الکتریک مؤثر مواد کامپوزیتی تولید شده از الیاف رسانا، می تواند با استفاده از طول، غلظت و توزیع این الیاف، سازمان دهی شود. یک مسئله ی کلیدی در مورد کامپوزیت های دارای الیاف رسانا، مشکل کنترل اثر خوشه ای شدن در بین الیاف موجود در کامپوزیت است. این اثر می تواند در حالتی که تمام پارامترهای دیگر، یکسان باشند، بروز کند. بنابراین، توسعه ی روش های جدید برای تولید کامپوزیت های فیبری با روش های قابل کنترل، مناسب می باشد.
ظهور متامتریال های برای ما فرصت های جدیدی ایجاد می کند که بواسطه ی آن، می توان مواد یا ساختارهای EM تولید کرد. طراحی جاذب های متامتریال بسیار نازک باید خواص مواد تشکیل دهنده را در نظر بگیرد. برای متامتریال های با قابلیت تنظیم، مسئله ی تولید در مقیاس بزرگ و تجمیع، باید برای کاربردهای عملی، حل شود. به طور مشابه، متامتریال های با پیچه ی فریتی را به سختی می توان در مقیاس وسیع، تولید کرد.
استراتژی های کلیدی توسعه ی مواد مگنتو دی الکتریک بر پایه ی سرامیک های فریتی، کاهش تانژانت های اتلاف دی الکتریک آنها با کاهش دما و اصلاح خواص مغناطیسی (بواسطه ی طراحی) می باشد. یکی از مسائل مربوط به مواد مگنتو دی الکتریک که تاکنون توسعه یافته اند، فرکانس های کاری نسبتا پایین آنهاست. برای یک فریت اسپینلی با یک ترکیب شیمیایی معین، کاهش اندازه ی دانه ها، یک راه مؤثر برای افزایش فرکانس رزوناسی است. بنابراین، با استفاده از این کار می توان فرکانس اتلاف معناطیسی پایین را با ایجاد نفوذپذیری کاهش یافته، داشته باشیم. برای استفاده از فریت های هگزاگونال، مسئله ی رسانایی بالا که بواسطه ی دمای تولید بالا، ایجاد می شود، باید آدرس دهی شود.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.