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El límite superior de rendimiento de los materiales absorbentes de ondas en láminas sólidas está determinado en gran medida por el proceso de preparación.
La heterogeneidad geométrica de las partículas magnéticas en forma de escamas es la base física para romper los límites de snoek, pero esta ventaja solo se puede aprovechar al máximo cuando las partículas están dispuestas de manera direccional paralela a la superficie del sustrato. Si las partículas en forma de escamas se dispersan aleatoriamente en la matriz de polímero, el plano en forma de escamas de algunas partículas es perpendicular a la superficie del sustrato, el factor de desmagnetización en la superficie aumenta, la contribución de permeabilidad magnética disminuye significativamente y la continuidad de la red eléctrica en la superficie también se destruye. Los materiales absorbentes de ondas en forma de escamas dispersos aleatoriamente a menudo tienen propiedades entre partículas esféricas y materiales en forma de escamas orientados ideales, y la inversión en proceso no se puede convertir en rendimiento de rendimiento.
Cómo hacer que las partículas en forma de escamas se organicen "obedientemente" en la misma dirección es el problema central de ingeniería en la preparación de materiales absorbentes de ondas en forma de escamas. La orientación del campo magnético es actualmente un esquema industrial más maduro, pero la orientación del campo magnético tiene una limitación inherente: solo puede controlar la dirección del momento magnético de las partículas magnéticas y no puede hacer nada para controlar la orientación de los rellenos de láminas no magnéticas o débilmente magnéticas. Además, la orientación del campo magnético generalmente requiere una mayor intensidad del campo magnético. para las láminas de mayor espesor, la atenuación del campo magnético en el interior del material debilitará el efecto de orientación. La tecnología de liofilización direccional proporciona otra ruta de control de orientación. Su idea no es aplicar directamente la fuerza de orientación a las partículas, sino guiar indirectamente la disposición de las partículas controlando la dirección de crecimiento de los cristales de hielo en el material de matriz.
Congelación direccional: cristales de hielo como "plantilla"
El núcleo del liofilización direccional es utilizar la heterogeneidad durante el crecimiento de los cristales de Hielo. Cuando las suspensiones que contienen partículas en forma de escamas se congelan direccionalmente desde el fondo, los cristales de hielo crecen en estructuras cilíndricas o estratificadas a lo largo de la dirección del gradiente de temperatura. Las partículas en forma de escamas son excluidas y empujadas en el frente del crecimiento de los cristales de hielo, formando gradualmente una disposición paralela a la dirección de crecimiento de los cristales de hielo en el espacio entre los cristales de Hielo.
El mecanismo físico de este proceso es que durante el crecimiento de los cristales de hielo, hay una zona de rechazo en la interfaz sólido - líquido, y las partículas suspendidas son empujadas por la interfaz en lugar de tragadas. Cuando varios cristales de hielo crecen en paralelo, las partículas se limitan a las grietas entre los cristales de hielo, formando naturalmente una disposición paralela a lo largo de la dirección de crecimiento de los cristales de Hielo. Después de la finalización de la congelación, los cristales de hielo fueron eliminados durante el proceso de sublimación al vacío, dejando una estructura de poros ordenada que complementa la morfología de los cristales de hielo, mientras que las partículas en forma de escamas conservan la disposición de orientación.
El parámetro clave del proceso de este método es la tasa de congelación. La tasa de enfriamiento es demasiado rápida, los cristales de hielo no tienen tiempo para crecer direccionalmente, formando pequeños cristales de hielo distribuidos aleatoriamente, con baja orientación de partículas; La tasa de enfriamiento es demasiado lenta, los cristales de hielo son gruesos, el tamaño de los poros es demasiado grande y la resistencia mecánica del material disminuye. En una ventana de velocidad de enfriamiento adecuada, los cristales de hielo forman una estructura cilíndrica uniforme, y la orientación de las partículas en forma de escamas puede alcanzar un nivel alto.
Beneficios electromagnéticos de una estructura de poros ordenada
La estructura de poros paralelos formada por el liofilización direccional mejora las propiedades de absorción de ondas electromagnéticas desde dos niveles.
La primera capa es la mejora de la coincidencia de resistencia.Los poros dispuestos en paralelo forman una transición gradual de resistencia en la dirección de incidencia de las ondas electromagnéticas. Cuando las ondas electromagnéticas entran en el material desde el espacio libre, primero se encuentran en áreas con mayor permeabilidad, menor constante dieléctrica equivalente y menor diferencia de resistencia con el aire. A medida que las ondas electromagnéticas se adentran profundamente en el interior del material, la permeabilidad disminuye gradualmente, la densidad del material aumenta y la resistencia transita sin problemas. Esta estructura de resistencia gradiente reduce la reflexión superficial y permite que más energía de ondas electromagnéticas entre en el interior del material para participar en la pérdida.
La segunda capa es el aumento de la pérdida de reflexión múltiple.Las paredes de los poros paralelos son equivalentes a una serie de interfaces reflectantes paralelas. Las ondas electromagnéticas que entran en el interior del material experimentan múltiples reflejos entre las paredes de los poros, cada uno de los cuales va acompañado de una absorción parcial de energía. En comparación con la estructura de poros aleatorios, la ruta de reflexión múltiple de poros ordenados es más regular, las ondas electromagnéticas permanecen más tiempo en el interior del material y la probabilidad de absorción es mayor.
Tomando como ejemplo los aerogeles isotrópicos preparados por liofilización direccional, este tipo de materiales forman una red ordenada de conexión de poros a través de plantillas de hielo direccionales, y las unidades de láminas bidimensionales están dispuestas en paralelo en la pared de poros, construyendo canales continuos de conducción eléctrica y conducción térmica. Esta estructura ordenada permite que el material logre una absorción efectiva de ondas electromagnéticas bajo una carga de embalaje extremadamente baja. Un método similar se utilizó para la preparación de aerogeles BC / mxene, que construyeron estructuras isotrópicas mediante liofilización dirigida, logrando un equilibrio entre la ligereza y la intensidad de absorción.
Mejoras colaterales en las propiedades mecánicas
La mejora de las propiedades mecánicas por la estructura ordenada traída por el liofilización direccional también merece atención. La distribución de los poros en la estructura de poros aleatorios es desigual, la concentración de esfuerzo se produce fácilmente en áreas densamente porosas, y el material tiende a agrietarse desde las áreas más débiles cuando se comprime o se dobla. Las estructuras de poros dispuestas en paralelo proporcionan una distribución de esfuerzo más uniforme en la dirección de la fuerza, y la eficiencia de transmisión de carga de la pared de poros en la dirección de compresión es mayor.
Para los materiales absorbentes de ondas en láminas sólidas que necesitan soportar tensiones mecánicas en el montaje o uso, una estructura de poros ordenada significa que se puede obtener una mayor resistencia a la compresión y una mejor estabilidad dimensional con la misma tasa de poros. Si la placa absorbente necesita participar en la carga como una pieza estructural, la resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión de los poros ordenados suelen ser mejores que las estructuras de poros aleatorios.
Juicio de selección de la ruta del proceso
Para la selección de ingeniería de materiales absorbentes de ondas en láminas sólidas, la evaluación del proceso de preparación se puede llevar a cabo desde las siguientes dimensiones.
Coincidencia entre la orientación y el tipo de relleno
El liofilización direccional es adecuado para el control de orientación de rellenos en forma de escamas o bidimensionales, incluyendo fesial en forma de escamas, hierro carbonil en forma de escamas, nanotabletas mxene y grafeno, etc. Para los rellenos esféricos o casi esféricos, el efecto de orientación del método de plantilla de cristal de hielo es limitado, en este momento, la orientación del campo magnético o la orientación del campo eléctrico puede ser una opción más adecuada. Al seleccionar el modelo, primero se debe confirmar la adaptabilidad del tipo de relleno a la ruta del proceso.
Correspondencia entre la estructura de poros y el entorno de uso
La estructura de poros ordenada formada por el liofilización direccional no sólo proporciona ventajas de rendimiento electromagnético, sino que también reduce la densidad del material. Para los escenarios que requieren vías de alta conductividad térmica, el aire en los poros es un mal conductor térmico, aunque los poros ordenados son más propicios para formar rutas de conducción térmica continuas que los poros aleatorios, la conductividad térmica general sigue siendo inferior a la de los materiales sólidos de alta densidad. Si el escenario de aplicación requiere alta conductividad térmica y absorción electromagnética al mismo tiempo, es necesario evaluar el impacto de la estructura de poros en la conductividad térmica o llenar parte de los poros mediante la impregnación de resina de alta conductividad térmica en la etapa posterior al tratamiento.
Viabilidad de la preparación a gran escala
El liofilización direccional ha madurado a nivel de laboratorio, pero la producción a escala industrial debe considerar el control uniforme de la tasa de congelación, la consistencia entre lotes y el consumo de energía de secado. Para las láminas de gran tamaño, la dificultad de control del gradiente de temperatura aumenta con el aumento del tamaño, y la velocidad de avance del Frente de congelación puede variar en diferentes posiciones de las láminas, lo que resulta en una falta de uniformidad espacial en la orientación. Al seleccionar el modelo, se deben confirmar al proveedor los datos de capacidad de tamaño y consistencia del lote de su proceso de congelación direccional.
Academia avanzada (shenzhen) Technology co., Ltd.Tiene capacidad de ingeniería en el control de la morfología, el recubrimiento de la superficie y el proceso de orientación de las partículas magnéticas en láminas, y sus productos en láminas sólidas en la serie de materiales absorbentes de ondas de la marca de platino cubren la banda de 1 a 18 ghz, apoyando el diseño personalizado del ángulo de orientación y la proporción de llenado de las partículas en láminas.
El sistema de matriz puede elegir poliimida resistente a altas temperaturas o resina epoxi, y el rango de resistencia a la temperatura se puede ajustar entre - 40 ° C y 200 ° C de acuerdo con la selección de la matriz. El producto puede proporcionar láminas, bobinas y formas de troquelado de precisión, admitiendo opciones de pegamento trasero térmico para establecer una vía térmica continua desde la capa absorbente hasta el sustrato disipador de calor. Para más información técnica, visitehttp://www.avanzado.cn/.