Dilema de acoplamiento térmico - electromagnético de la placa absorbente flexible de microondas: cuando la energía absorbida se convierte en calor

La función central de la placa absorbente de microondas flexible es convertir irreversiblemente la energía electromagnética en energía térmica. ¿Esta descripción suele aparecer al principio de la introducción del producto, pero pocas personas hacen una pregunta de seguimiento al seleccionar el producto: ¿ a dónde va el calor transformado?

En escenarios de baja potencia, este problema es irrelevante. Absorbiendo la potencia acústica de varios dbm, el aumento de temperatura del material es mínimo y los parámetros electromagnéticos no cambiarán. Pero cuando la placa absorbente se enfrenta a un dispositivo de microondas de alta potencia, una matriz de antenas de alta potencia o un amplificador de potencia de radiofrecuencia que funciona continuamente, la situación es completamente diferente. La energía electromagnética absorbida se acumula en el interior del material en forma de calor juliano, y la temperatura del material continúa aumentando, mientras que los cambios de temperatura cambiarán directamente la conductividad magnética compleja y la constante dieléctrica compleja del material. La ventana de emparejamiento de resistencia se desvía, la eficiencia de absorción disminuye y las ondas electromagnéticas no absorbidas se reflejan de nuevo en el sistema, lo que a su vez puede formar una resonancia secundaria en la cavidad, lo que agrava aún más la densidad de potencia local.

Este es un circuito típico de retroalimentación positiva. Por su parte, debido a que la matriz suele ser un polímero, la conductividad térmica es mucho menor que la del metal o la cerámica, la difusión del calor dentro del material es lenta y los puntos calientes locales se forman más fácilmente. El fracaso de los materiales absorbentes bajo la irradiación de microondas de alta potencia no es esencialmente un fracaso de las propiedades electromagnéticas, sino un fracaso de la capacidad de gestión térmica.

¿¿ por qué el problema térmico de las absorbentes flexibles es más difícil que el de los absorbentes rígidos?

La cerámica rígida o la absorción de ondas a base de metal pueden mejorar la disipación de calor a través del diseño estructural (como aletas de disipación de calor, canales de ventilación, incrustaciones metálicas). Las absorbentes flexibles no tienen esta opción. Su flexibilidad proviene del equilibrio entre la matriz de polímero y la baja cantidad de relleno, y ambos factores no son propicios para la conducción de calor.

La contradicción más fundamental es que mejorar la capacidad de conducción térmica requiere aumentar el contenido de rellenos de alta conducción térmica, pero los rellenos de alta conducción térmica (como el nitruro de Boron y la alúmina) en sí mismos no contribuyen a la pérdida magnética o la pérdida dieléctrica. aumentar su contenido diluirá la concentración de rellenos magnéticos y reducirá la eficiencia de absorción por unidad de espesor. Si se aumenta el espesor para compensar el rendimiento de absorción, la resistencia térmica aumenta y el calor es más difícil de transmitir.

Estructura poroso: dar paso al calor

La estructura poroso es el medio de gestión térmica más común en las absorbentes flexibles, pero su mecanismo de acción a menudo se simplifica para entenderse como "aumentar el área de disipación de calor". Una comprensión más precisa es que la estructura poroso cambia el modo de transmisión del calor dentro del material.

La investigación de materiales absorbentes de ondas de elástico poroso mwcnt - Oh / pdms proporciona un caso de referencia. El material logró una pérdida mínima de reflexión de - 37,84 dB a 12,66 ghz, un ancho de banda de absorción efectivo de 5,53 ghz, una resistencia a la tracción de 0,48 MPA y una tasa de extensión de rotura del 170%. Su estructura poroso tridimensional promueve la disipación de calor, lo que permite a los materiales compuestos mantener la integridad estructural y funcional a 250 ° c. La ventaja del Manejo térmico de las estructuras porosas es que, aunque el aire en los poros tiene una mala conductividad térmica, permite que el material se deforme por expansión térmica cuando se calienta sin una acumulación significativa de tensión interna, evitando así el agrietamiento estructural y la rotura de la red eléctrica debido a la tensión térmica.

Para dispositivos portátiles y electrónica flexible, la temperatura tolerante a 250 ° C ha cubierto la gran mayoría de los escenarios de aplicación. Pero si el escenario objetivo implica una mayor densidad de potencia o un tiempo de trabajo continuo más largo, la estructura poroso en sí no es suficiente para resolver el problema, y también se necesitan vías conductoras de calor activas.

Estrategia combinada de canal de conducción de calor y almacenamiento de calor de cambio de fase

Cuando la densidad de potencia absorbida alcanza un cierto grado, la temperatura del material no se puede controlar dentro del rango estable de parámetros electromagnéticos solo por la disipación pasiva de calor. En este momento, se necesita la sinergia de dos rutas: una es establecer una ruta de conducción térmica desde el interior del material hasta el exterior, y la otra es establecer un mecanismo de "amortiguación térmica" dentro del material para estabilizar el pico de temperatura.

La construcción de canales conductores de calor se puede lograr introduciendo rellenos conductores de calor dispuestos direccionalmente en la capa absorbente. El nitruro de Boron en forma de escamas o el Grafeno pueden formar una disposición orientada en una matriz de polímero bajo la acción de un campo de corte o un campo eléctrico, construyendo una ruta térmica continua en la dirección del espesor, manteniendo una baja conductividad térmica en la dirección intraplano para evitar la difusión de calor a los componentes electrónicos sensibles. La clave de este diseño de conducción térmica isotrópica es que después de que el calor se genera a partir de la capa absorbente, se prioriza la conducción en la dirección del espesor al sustrato disipador de calor o a la carcasa metálica en la parte posterior, en lugar de acumularse en la superficie.

El almacenamiento de calor de cambio de fase proporciona otra idea. El material de cambio de fase microencapsulado (pcm) se dispersa en la capa absorbente, y cuando la temperatura del material aumenta al punto de cambio de fase, PCM absorbe el calor latente sin calentarse significativamente. El estudio de películas de cambio de fase compuestas multifuncionales a base biológica mostró que el material logró simultáneamente una conductividad térmica de 1,13 W / (m · k), una absorción de microondas de - 41,36 DB y una Entalpía de cambio de fase de 104 J / G. La Entalpía de cambio de fase de 104 J / g significa que dentro del rango de temperatura de cambio de fase, cada gramo de material puede absorber 104 Julios de calor sin producir un aumento de temperatura. Para escenarios intermitentes de pulso de alta potencia, como el pulso de emisión de radar o el estallido ascendente de la Estación base de comunicación, el almacenamiento de calor de cambio de fase puede absorber el calor durante el pulso y liberarlo lentamente durante el intervalo de pulso, manteniendo la temperatura del material siempre en un rango estable de parámetros electromagnéticos.

La siguiente tabla compara las características aplicables de tres estrategias de gestión térmica en absorbedores flexibles:

Juicio de densidad de potencia en la selección del modelo

Para las absorbentes flexibles que deben utilizarse en condiciones no de baja potencia, la capacidad de procesamiento de Potencia debe seleccionarse como una dimensión de selección independiente, en lugar de centrarse solo en la pérdida de reflexión y la cobertura de banda.