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O limite superior do desempenho de materiais absorventes em estado sólido é determinado em grande parte pelo processo de preparação.
A anisotropia geométrica de partículas magnéticas de folha é a base física para atravessar o limite de Snoek, mas essa vantagem só pode ser plenamente utilizada quando as partículas estão orientadas paralelamente à superfície do substrato. Se as partículas como folhas são dispersas aleatoriamente na matriz de polímeros, e os planos como folhas de algumas partículas são perpendiculares à superfície do substrato, o fator de demagnetização no plano aumenta, a contribuição de permeabilidade magnética diminui significativamente, e a continuidade da rede condutiva no plano também é interrompida. Materiales absorventes dispersos aleatoriamente como folhas frequentemente têm propriedades entre partículas esféricas e materiais similares à folha idealmente orientados, e o investimento no processo não foi convertido em rendimentos de desempenho.
Como fazer as partículas como folha "obedientemente" se arranjar na mesma direção é o problema central de engenharia na preparação de materiais absorventes como folha. A orientação do campo magnético é atualmente uma solução madura na indústria, mas tem uma limitação inerente: ela só pode controlar a direção do momento magnético das partículas magnéticas e é incapaz de controlar a orientação de preencher folhas não magnéticas ou fracamente magnéticas. Além disso, a orientação do campo magnético geralmente requer uma alta for ça de campo magnético, e para folhas mais espessas, a atenuação do campo magnético dentro do material irá enfraquecer o efeito de orientação. A tecnologia direcional de secagem congelada fornece outra via de controle de orientação. Sua abordagem não é aplicar diretamente força de orientação às partículas, mas orientar indiretamente o arranjo das partículas ao controlar a direção de crescimento dos cristais de gelo no material da matriz.
congelamento direcional: cristais de gelo como um "modelo"
O núcleo da seca-congelação direcional é utilizar a anisotropia durante o processo de crescimento de cristais de gelo. Quando uma suspensão contendo partículas semelhantes a folhas é congelada direcionalmente do fundo, os cristais de gelo crescem em colunas ou estruturas camadas ao longo da direção do gradiente de temperatura. As partículas de plancha são apertadas e empurradas na frente do crescimento de cristais de gelo, formando gradualmente um arranjo paralelo à direção do crescimento de cristais de gelo nas lacunas entre cristais de gelo.
O mecanismo físico deste processo é que durante o crescimento de cristais de gelo, há uma zona de exclusão na interface sólida-líquida, onde partículas suspensas são empurradas pela interface em vez de engulhadas. Quando múltiplos cristais de gelo crescem em paralelo, as partículas estão limitadas nas estreitas cortes entre os cristais de gelo, formando naturalmente um arranjo paralelo ao longo da direção do crescimento dos cristais de gelo. Após o congelamento, os cristais de gelo são removidos durante o processo de sublimação do vácuo, deixando atrás estruturas de poros ordenadas complementares à morfologia dos cristais de gelo, enquanto as partículas como folha mantêm sua orientação e arranjamento.
O parâmetro chave deste método é a taxa de congelamento. A taxa de refrigeração é rápida demais, e os cristais de gelo não têm tempo para crescer direcionalmente, resultando em cristais de gelo pequenos distribuídos aleatoriamente com baixa orientação de partículas; A taxa de refrigeração é lenta demais, os cristais de gelo engordam, o tamanho do poro é grande demais, e a força mecânica do material diminui. Dentro de uma janela adequada de velocidade de refrigeração, cristais de gelo formam estruturas uniformes de colunas, e a orientação de partículas como folhas pode alcançar um alto nível.
Benefícios eletromagnéticos da estrutura de poros ordenada
A estrutura paralela de poros formada pela seca-congelação direcional aumenta o desempenho de absorção eletromagnética de ondas de dois aspectos.
A primeira camada é a melhoria da combinação de impedância.O arranjo paralelo de poros forma uma transição progressiva de impedância na direção da incidência de ondas eletromagnéticas. Quando ondas eletromagnéticas entram em materiais do espaço livre, elas encontram primeiramente regiões com maior porosidade, menor constante dielétrica equivalente e menor diferença de impedância com ar. À medida que ondas eletromagnéticas penetram mais profundamente no material, a porosidade gradualmente diminui, a densidade material aumenta e as transições de impedância suavemente. Essa estrutura de impedância gradiente reduz o reflexo da superfície, permitindo mais energia eletromagnética de ondas entrar no material e participar em perdas.
A segunda camada é o aumento das perdas múltiplas de reflexão.As paredes de poros paralelos são equivalentes a uma série de interfaces refletivas paralelas. As ondas eletromagnéticas que entram no interior do material passam por múltiplas reflexões entre as paredes dos poros, com cada reflexão acompanhada de absorção parcial de energia. Comparado com estruturas de poros aleatórias, poros ordenados têm vias de reflexão múltiplas mais regulares, tempo de residência mais longo de ondas eletromagnéticas dentro do material, e maior probabilidade de absorção.
Tomando como exemplo o aerogel anisótrópico preparado pela seca de congelamento direcional, este tipo de material forma uma rede de conexão de poros ordenada através do modelo de gelo direcional, e unidades flutuantes bidimensionais são organizadas em paralelo na parede do poro para construir um caminho contínuo de condução condutiva e térmica. Essa estrutura ordenada permite ao material alcançar uma absorção efetiva de ondas eletromagnéticas em cargas extremamente baixas. Também foram utilizados métodos semelhantes para preparar aviões BC/MXene. Uma estrutura anisótrópica foi construída por secagem congelada direcional, que alcançou um equilíbrio entre o peso ligeiro e a força de absorção.
Melhoria adicional nas propriedades mecânicas
A melhoria das propriedades mecânicas pela estrutura ordenada trazida pela seca congelada direcional também merece atenção. A distribuição de poros em estruturas de poros aleatórias é desigual, e a concentração de estresse é propensa a ocorrer em áreas com poros densos. Materiales tendem a quebrar das áreas mais fracas durante compressão ou dobramento. O arranjo paralelo das estruturas de poros proporciona uma distribuição de estresse mais uniforme na direção da força, e a eficiência de transmissão de carga das paredes de poros na direção da compressão é maior.
Para materiais absorventes sólidos como folhas que precisam resistir ao estresse mecânico durante a montagem ou uso, uma estrutura de poros ordenada significa que maior força de compressão e melhor estabilidade dimensional podem ser alcançadas na mesma porosidade. Se a placa de absorção de ondas precisa ser usada como componente estrutural para carregar a carga, a for ça compressiva e a força flexural dos poros ordenados são geralmente melhores que as de estruturas de poros aleatórias.
Seleção e julgamento da rota de processo
A seleção de engenharia e a avaliação do processo de preparação de materiais absorventes em estado sólido podem ser realizados pelas seguintes dimensões.
O grau de orientação corresponde ao tipo de preenchimento
A secagem congelada direcional é adequada para o controle de orientação de enchimentos de folhas semelhantes a folhas ou bidimensionais, incluindo FeSiAl semelhante a folhas, ferro carbonil semelhante a folhas, nanosheets MXene, grafeno, etc. Para enchimentos esféricos ou quase esféricos, o efeito de orientação do método de modelo de cristal de gelo é limitado, e orientação de campo magnético ou orientação de campo elétrico pode ser uma escolha mais adequada. Ao selecionar, a compatibilidade entre o tipo de preenchimento e a rota de processo deve ser confirmada primeiro.
Coincidir estrutura de poros com ambiente de uso
A estrutura ordenada de poros formada pela seca-congelação direcional não só proporciona vantagens de desempenho eletromagnético, mas também reduz a densidade do material. Para cenários que requerem caminhos de alta condutividade térmica, o ar nos poros é um baixo condutor de calor. Embora os poros ordenados sejam mais favoráveis à formação de um caminho de condutividade térmica contínua do que os poros aleatórios, a condutividade térmica global ainda é menor que a de materiais sólidos de alta densidade. Se o cenário de aplicação requer tanto alta condutividade térmica como absorção eletromagnética, é necessário avaliar a influência da estrutura de poros no desempenho da condutividade térmica, ou preencher alguns poros impregnando resina de alta condutividade térmica no estágio pós-processamento.
Feasibilidade da preparação em grande escala
A secagem de congelamento direcional tornou-se relativamente madura no nível laboratório, mas a produção em escala industrial requer consideração de controle uniforme da taxa de congelamento, coerência dos lotes e consumo de energia seca. Para folhas de grande tamanho, a dificuldade de controlar o gradiente de temperatura aumenta com o tamanho, e a velocidade de avanço da frente congeladora pode variar em diferentes posições da folha, resultando em não uniformidade espacial do grau de orientação. Ao selecionar, é necessário confirmar a capacidade dimensional e os dados de consistência dos lotes do processo de congelamento direcional com o fornecedor.
Advanced Institute (Shenzhen) Technology Co., Ltd.Nós temos capacidades de engenharia no controle morfológico, no revestimento da superfície e no processo de orientação de partículas magnéticas como folhas. Os produtos em estado sólido como folhas em nossa série de material absorvente de marca platina cobrem a banda de frequência 1-18 GHz e apoiam design personalizado de ângulo de orientação de partículas como folhas e proporção de preenchimento.
O sistema de matriz pode ser feito de poliímide resistente a alta temperatura ou resina époxi, e o intervalo de resistência à temperatura pode ser ajustado dentro do intervalo de -40 °C a 200 °C de acordo com a seleção da matriz. O produto pode fornecer formas de corte de folha, rolamento e precisão, e suporta opções de adesivo condutivo térmico para estabelecer um caminho térmico contínuo da camada absorvente para o substrato de dissipação de calor. Para mais informação técnica, visitehttp://www.avanzado.cn/.