Materiales absorventes em estado sólido: como a morfologia em estado sólido quebra o dilema de espessura da perda magnética

A função central das folhas flexíveis de absorção de microondas é converter irreversivelmente energia eletromagnética em energia térmica. Essa descrição geralmente aparece no início de uma introdução de produtos, mas poucas pessoas fazem uma pergunta de seguimento ao selecionar: onde vai o calor convertido.

Em cenários de baixa potência, essa questão é irrelevante. Absorbindo alguns dBm de potência de ruído, o aumento da temperatura do material é negligente, e os parâmetros eletromagnéticos não mudarão como resultado. Mas quando a placa absorvente enfrenta dispositivos de microondas de alta potência, arrays de antenas de alta potência, ou amplificadores de energia RF continuamente operando, a situação é completamente diferente. A energia eletromagnética absorvida acumula dentro do material sob a forma de aquecimento Joule, e a temperatura do material continua a aumentar. A mudança na temperatura muda diretamente a complexa permeabilidade magnética do material e a complexa constante dielétrica. A janela que corresponde à impedância muda de acordo, resultando em uma diminuição da eficiência de absorção. Ondas eletromagnéticas não absorvidas são refletidas de volta para o sistema, e as ondas refletidas podem formar ressonância secundária na cavidade, exacerbando ainda mais a densidade de energia local.

Este é um círculo típico de feedback positivo. No entanto, devido ao fato de o substrato de placas flexíveis de absorção de ondas geralmente ser um polímero, sua condutividade térmica é muito menor que a de metais ou cerâmicas, e a taxa de difusão de calor dentro do material é lenta, tornando mais fácil a form a ção de pontos quentes locais. O fracasso da absorção de materiais sob radiação de microondas de alta potência não é essencialmente o fracasso das propriedades eletromagnéticas, mas o fracasso das capacidades de gestão térmica.

Por que o problema térmico das placas flexíveis de absorção é mais difícil do que o dos corpos rígidos de absorção

Absorbidores rígidos com base em cerâmica ou metal podem aumentar a dissipação de calor através de projetos estruturais, como fins de dissipação de calor, canais de ventilação e inserimentos de metal. Platas de onda flexíveis não têm essa opção. Sua flexibilidade vem do equilíbrio entre a matriz de polímeros e o baixo preenchimento, ambos os quais acontecem ser desfavoráveis para a condução térmica.

A contradição fundamental é que melhorar a condutividade térmica requer aumentar o conteúdo de preenchimentos de alta condutividade térmica, mas os preenchimentos de alta condutividade térmica (como nitrido de boro e óxido de alumínio) não contribuem para perdas magnéticas ou dielétricas. Aumentar seu conteúdo diluirá a concentração de preenchimentos magnéticos e reduzirá a eficiência de absorção por espessura de unidade. Se a espessura for aumentada para compensar o desempenho da absorção, a resistência térmica também aumentará, tornando mais difícil dissipar o calor.

Estrutura porosa: fornecer um caminho para o calor viajar

A estrutura porosa é o método mais comum de gestão térmica em placas de absorção flexíveis, mas seu mecanismo de ação é muitas vezes simplificado como "aumento da área de dissipação de calor". Uma compreensão mais precisa é que a estrutura porosa muda o modo de transfer ência de calor dentro do material.

O estudo de materiais de absorção elástica porosa MWCNT-OH/PDMS proporciona um caso de referência valioso. Este material atinge uma perda mínima de reflexão de -37,84 dB a 12,66 GHz, uma largura de banda de absorção efetiva de 5,53 GHz, uma força de tensão de 0,48 MPa e uma prolongação de fratura de 170%. Sua estrutura porosa tridimensional promove a dissipação de calor, permitindo ao material composto manter a integridade estrutural e funcional mesmo a 250 °C. A vantagem da gestão térmica das estruturas porosas reside no fato de que, embora o ar nos poros tenha baixa condutividade térmica, permite ao material submeter a deformação de expansão térmica quando aquecido sem acumulação significativa de estresse interno, evitando assim cracking estrutural e fratura condutiva da rede causada por estresse térmico.

Para dispositivos portables e eletrônica flexível, uma tolerância de temperatura de 250 ° C cobriu a grande maioria dos cenários de aplicação. Mas se o cenário alvo envolver maior densidade de energia ou mais tempo de trabalho contínuo, a própria estrutura porosa não é suficiente para resolver o problema, e também é necessário um caminho de condução térmica ativa.

Estratégia de combinação da via de condução térmica e armazenamento térmico de mudança de fase

Quando a densidade de potência absorvida atinge um certo nível, a dissipação passiva de calor só não pode controlar a temperatura material dentro de uma gama estável de parâmetros eletromagnéticos. Neste ponto, dois caminhos precisam ser coordenados: um é estabelecer um caminho de condução térmica do interior do material para fora, e o outro é estabelecer um mecanismo de "buffering térmico" dentro do material para estabilizar o pico da temperatura.

A construção de um caminho de condutividade térmica pode ser alcançada introduzindo enchimentos condutivos térmicos direcionados na camada absorvente. Sob a ação de campos de corte ou elétrico, nitrido de boro ou grafeno de folha pode formar arranjos orientados na matriz de polímeros, construindo caminhos contínuos de condutividade térmica na direção da espessura e manter baixa condutividade térmica na direção do plano para evitar difusão de calor a componentes eletrônicos sensíveis. A chave deste projeto de condutividade térmica anisótrópica é que o calor gerado da camada absorvente é preferentemente conduzido ao longo da direção de espessura para o substrato de dissipação de calor ou coxa de metal na costa, em vez de acumular dentro da superfície.

A armazenagem térmica de mudança de fase fornece outra abordagem. Material de mudança de fase microencapsulado (PCM) disperso na camada absorvente, quando a temperatura do material aumenta para o ponto de transição da fase, PCM absorve calor latente sem aquecimento significativo. O estudo de filmes de mudança de fase composta multifuncional baseado em bio mostra que o material obtém simultaneamente uma condutividade térmica de 1,13 W/(m · K), desempenho de absorção de microondas de -41,36 dB e uma entalpia de mudança de fase de 104 J/g. Uma entalpia de transição de fase de 104 J/g significa que dentro do intervalo de temperatura de transição de fase, cada gram a de material pode absorver 104 joules de calor sem gerar um aumento de temperatura. Para cenários intermitentes de pulso de alta potência como transmissão de pulso radar ou explosões de ligação de base da estação de comunicação, armazenamento térmico de mudança de fase pode absorver calor durante o período de pulso e liberar lentamente durante o intervalo de pulso, mantendo a temperatura do material dentro de uma gama estável de parâmetros eletromagnéticos.

A tabela seguinte compara as características aplicáveis de três estratégias de gestão térmica em placas de absorção flexíveis:

O julgamento da densidade de potência na seleção

Para placas flexíveis de absorção de ondas que precisam ser usadas em condições não de baixa potência, a capacidade de processamento de potência deve ser considerada uma dimensão de seleção independente, em vez de focar apenas na perda de reflexão e cobertura de banda de frequência.