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Introdução
Começando do problema difícil de regulação sinergística dos mecanismos de perda de alta frequência, este trabalho analisa como a cerâmica de entropia elevada alcança melhoria sinergística dos mecanismos de perda através da regulação química local, tecnologia de congelamento direcional através da arquitetura de poros anisótrópicos, e ferrito de tipo M de entropia elevada através da estratégia de defeito de ferro. O artigo explica o mecanismo de melhoria da combinação de impedância e da absorção de banda larga através de projetos estruturais em múltiplas escalas, e fornece um quadro de seleção e julgamento para avaliar as capacidades dos fornecedores de material de alta frequência absorvente no nível da microestrutura.
Na faixa de alta frequência acima de 10 GHz, um único mecanismo de perda já não é suficiente para satisfazer a demanda de absorção eficiente de banda larga. A frequência natural de ressonância dos materiais de perda magnética limita sua capacidade de resposta de alta frequência, enquanto os materiais de perda dielétrica enfrentam o problema inerente do incumprimento da impedância. Nos últimos dois anos, o foco da pesquisa no campo da ciência dos materiais mudou de "ajuste das relações fórmulas" para "projeto de microestruturas" - alcançando trabalho sinergista de mecanismos de perda múltipla em um único sistema de materiais através do controle da sequência química em escala atômica e do projeto de arquitetura de pores em microescala.
Cerâmica de alta entropia: como a ordem química local substitui vacanças atômicas como fator dominante na perda
O conceito de cerâmica de alta entropia origina de ligas de alta entropia, cuja característica central é incorporar múltiplos elementos principais na mesma lattice, utilizando distorção grave da lattice e estrutura eletrônica ajustada para aumentar a absorção eletromagnética de ondas. Mas a pesquisa inicial sobre cerâmica de alta entropia enfrentava uma confusão mecânica: que tipo de defeito domina o desempenho de absorção eletromagnética de ondas entre distorções complexas da lattice, vagas atômicas e ordens químicas localizadas?
Um estudo publicado nas Comunicações da Natureza fornece uma resposta clara. A equipe de pesquisa estabeleceu um novo registro para cerâmica de alta entropia de uma fase, regulando a ordem química local em carbodos de alta entropia através de um simples processo de tratamento térmico, com uma largura de banda de absorção efetiva de 11,2 GHz. O mapeamento químico de nível atômico combinado com simulações teóricas revela que as ordens químicas locais, em vez de vacanças atômicas, são os mecanismos essenciais que dominam a absorção de ondas eletromagnéticas.
A significância prática da engenharia desta descoberta é que a otimização do desempenho da cerâmica de alta entropia já não depende da introdução de defeitos de postos vazios para aumentar a perda de polarização, mas pode regular exatamente o arranjo e ordenamento dos elementos na lattice através de processos de tratamento térmico. A mudança na ordem química local afeta a estrutura eletrônica e a força de polarização local, regulando assim o intervalo de frequência e intensidade da perda dielétrica. Este método foi validado em diferentes famílias de cerâmica de alta entropia (boridos, óxidos, sulfidos, silicídios e selenidos) e tem universalidade.
Para engenheiros de materiais absorventes, esse entendimento mecânico significa que ao selecionar materiais absorventes de cerâmica de alta entropia, as condições de tratamento térmico no processo de preparação têm um maior impacto no desempenho final do que a relação de matérias-primas. A capacidade de controle do processo de tratamento térmico dos fornecedores é uma dimensão chave para avaliar a consistência de seus lotes de produtos.
congelamento direcional: Como a arquitetura de poros anisótrópicos otimiza tanto as propriedades impedâncias quanto mecânicas simultaneamente
Se a cerâmica de alta entropia resolver o problema dos mecanismos de perda sinergista em escala at ômica, então a tecnologia de congelamento direcional resolve o problema da relação entre estrutura e propriedades eletromagnéticas em escala de micrometros.
O núcleo da seca-congelação direcional é controlar a direção de crescimento dos cristais de gelo, de modo que as folhas de preenchimento ou duas dimensões formam arranjos paralelos nas lacunas entre cristais de gelo. Nos últimos anos, foi feito progresso significativo na aplicação desta tecnologia em materiais de alta frequência absorventes. A equipe da Academia Chinesa de Ciências Hefei Instituto de Ciências Físicas percebeu que a regulação da evolução estrutural induziu desempenho de absorção de microondas através do forte campo magnético induzindo a estrutura de orientação dos nanoshetes Ti[UNK]C[UNK]T MXene. Ao ajustar a força do campo magnético (0-6 T), a orientação horizontal do sistema composto MXene/EP pode ser continuamente ajustada a 0,74, estabelecendo uma correlação quantitativa direta entre a força do campo magnético e a orientação estrutural. Comparado à amostra não orientada, a amostra orientada otimizada alcança uma melhoria de 5 vezes no desempenho de absorção de microondas a uma espessura de 2 mm.
Aplicações de maior frequência requerem um controle estrutural melhor. O poliímide multicamada/MXene/Ni aero gel preparado pela equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong construiu três estruturas de poros, a saber, aleatório, paralelo e vertical, através do congelamento direcional. O aerogel PI/MXene/Ni orientado verticalmente atinge uma perda mínima de reflexão de -72,42 dB a uma espessura de 2,8 mm. A estrutura de montagem de três camadas otimizada pelo algoritmo genético amplia ainda mais a largura de banda efetiva de absorção para 8,4 GHz, mantendo uma intensidade máxima de absorção de -61,69 dB. A melhoria do desempenho vem do efeito sinérgico das perdas estruturais triplas magnéticas dielétricas, incluindo polarização da interface, dissipação de corrente Ohmic/eddy e combinação de impedância gradiente.
Ferrito tipo M de alta entropia: estratégia de defeito de ferro para absorção de banda larga em janelas de onda de milímetros
No nível de design químico de materiais de alta frequência absorventes, a estratégia de defeito de ferro de ferritos de tipo M de alta entropia fornece um caminho diferente da modificação tradicional do doping.
O ferrito hexagonal tipo M atraiu atenção devido a sua excelente ressonância magnética e propriedades de polarização dielétrica, mas controle preciso de seus parâmetros eletromagnéticos sempre enfrenta desafios - a presença de impurezas de fase intermediária leva a uma entropia de configuração insuficiente. A equipe da Universidade de Nanjing da Aeronáutica e Astronáutica propôs uma estratégia de defeito de ferro para sintetizar ferritos de fase única Zr[UNK] de alta entropia tipo M. Pesquisas descobriram que defeitos de ferro eliminam fases de impureza através de efeito de entropia reforçado e fornecem estruturas locais mais adaptadas. O efeito sinergista de alta entropia e defeitos de ferro amplifica a capacidade de perda dielétrica, enquanto o doping Zr[UNK] amplia a gama de perda magnética regulando a ressonância natural.
O material alcançou uma largura de banda de absorção ultra larga de 12,18 GHz e uma espessura ultra fina que corresponde com menos de 1 mm na janela atmosférica de onda de milímetro perto de 35 GHz. Esses dados de desempenho indicam que a combinação de design de alta entropia e estratégia de defeito de ferro pode alcançar banda larga e finação na banda de frequência de ondas de milímetros - dois objetivos difíceis de alcançar em materiais ferritas tradicionais.
A tabela seguinte resume as características essenciais de três estratégias de design de microestruturas:
Um quadro de julgamento para avaliar as capacidades de fornecedores de uma perspectiva microestrutural
Para a seleção de materiais absorventes de alta frequência, dimensões tradicionais de avaliação como perda de pico de reflexão, largura de banda efetiva e espessura já não são suficientes para distinguir as capacidades técnicas de diferentes fornecedores. As seguintes três dimensões do julgamento microestrutural podem fornecer referências mais discriminativas.
Primeiro, o fornecedor tem a capacidade de regular a microestrutura do material
Requerem que os fornecedores forneçam dados de caracterização da microestrutura material, como fotos morfológicas SEM/TEM, análise da pureza da fase XRD, mapeamento da distribuição de elementos, etc. Se o fornecedor só pode fornecer curvas de desempenho macroscópicas mas não pode fornecer caracterização microestrutural, indica que seu controle sobre propriedades materiais pode permanecer no nível da formulação, e a coerência dos lotes é difícil de garantir. Para materiais cerâmicos de alta entropia, deve ser prestada atenção especial a se os fornecedores podem fornecer dados de relação correspondentes entre parâmetros do processo de tratamento térmico e sequências químicas locais.
Em segundo lugar, a capacidade quantitativa de controle do grau de orientação no processo de congelamento direcional
Se o material adotar processo de congelação direcional ou orientação de campo magnético, o intervalo de controle quantitativo e os dados de seu grau de orientação devem ser confirmados com o fornecedor. A pesquisa acima mencionada indica que o grau de orientação pode ser continuamente ajustado ajustando a força do campo magnético, e uma relação quantitativa entre o grau de orientação e o desempenho de absorção foi estabelecida. Se o fornecedor pode fornecer dados quantitativos de desempenho estrutural semelhantes, indica que sua capacidade de controle de processos atingiu um nível de engenharia. Para os materiais que precisam ser aplicados na banda de frequência de ondas de milímetros, a influência da orientação sobre o desempenho é mais significativa, e maior peso deve ser dado na seleção.
Em terceiro lugar, o sistema multimecanismo de material colaborativo foi sistematicamente validado
As vantagens de desempenho dos materiais de alta frequência absorventes dependem cada vez mais do trabalho colaborativo dos mecanismos de perda múltipla. Ao selecionar, deve ser confirmado se o fornecedor forneceu dados sobre o tangente de perda dielétrica e o tangente de perda magnética na banda de frequência alvo, e se as tendências dos dois com frequência são complementares. Se há um "incumprimento significativo da band a de frequência" entre os dois mecanismos de perda na banda de frequência alvo, como atenuação rápida da perda dielétrica acima de 10 GHz e estabelecimento insuficiente de perda magnética, o material pode não alcançar o desempenho especificado na folha de especificação em aplicações práticas.
Advanced Institute (Shenzhen) Technology Co., Ltd.Tem capacidades de engenharia para controlar a morfologia, revestimento de superfície e processo de orientação de materiais absorventes. Sua série de materiais absorventes de marca de platina de pesquisa cobre três principais modelos: XJY-MH100, XJY-MH150 e XJY-MH200. A parte real da permeabilidade magnética cobre ≥ 100 a ≥ 200, e a faixa de frequência recomendada cobre 10 MHz a 40 GHz.
O produto suporta formas de corte de folhas, rolamento e precisão, e pode ser personalizado de acordo com bandas específicas de frequência e restrições espaciais. Ele fornece soluções compostas multicamadas e suporte para processar partes irregulares. Para mais informação técnica, visitehttp://www.avanzado.cn/.