Nghiên cứu tổng hợp và chế tạo sơn ngụy trang hấp thụ sóng điện từ radar trên cơ sở polyme dẫn điện chứa ferocen và spinel ferit152822

Khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polyme dẫn Vật liệu polyme dẫn điện được pha tạp các chất điện ly rắn có khả năng làm suy giảm và hấp thụ năng lượng sóng điện từ cao.. 27 hấp

1

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CẤU TRÚC HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ 13

1.1 CÁCLOẠINGUYÊNLIỆU DÙNGĐỂCHẾTẠOVẬTLIỆU COMPOSITEHẤPTHỤSÓNGĐIỆNTỪRADAR 13

1.1.1 Vật liệu tổn hao điện 14

1.1.1.1 Vật liệu polyme phối trộn với chất độn dẫn điện 14

1.1.1.2 Vật liệu polyme dẫn điện và polyme dẫn điện chứa ferocen 15

1.1.1.3 Vật liệu điện môi 25

1.1.1.4 Chất điện ly rắn 27

1.1.2 Vật liệu tổn hao từ 28

1.1.2.1 Giới thiệu các loại vật liệu từ 28

1.1.2.2 Cấu trúc tinh thể và tính chất của vật liệu ferit từ 29

1.1.2.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu từ dạng hạt 31

1.1.2.4 Khả năng hấp thụ sóng điện từ của các vật liệu từ 34

1.2 CẤUTRÚCHẤPTHỤSÓNGĐIỆNTỪCỦAVẬTLIỆU 34

1.2.1 Cấu trúc hấp thụ và triệt tiêu năng lượng sóng điện từ bằng phương pháp giao thoa, tán xạ 34

2

1.2.2 Cấu trúc hấp thụ sóng điện từ tạo mạch cộng hưởng 37

1.2.3 Cấu trúc hấp thụ sóng điện từ dạng màn chắn Salisbury 40

1.2.4 Cấu trúc hấp thụ sóng điện từ đa lớp (cấu trúc Jaumann) 43

1.3.CƠSỞLÝTHUYẾTCHẾTẠOVẬTLIỆUHẤPTHỤSÓNGĐIỆNTỪ GIẢMTHIỂUKHẢNĂNGPHÁTHIỆNCỦARADAR 44

1.3.1 Nguyên lý hoạt động của đài radar và sự phản xạ sóng điện từ trên bề mặt kim loại 44

1.3.2 Cơ sở lý thuyết của vật liệu hấp thụ sóng điện từ 48

1.3.3 Nguyên tắc chế tạo vật liệu hấp thụ sóng điện từ 49

1.4.VẬTLIỆUHẤPTHỤSÓNGĐIỆNTỪRADAR 50

CHƯƠNG 2: PHẦN THỰC NGHIỆM 54

2.1.TỔNGHỢPPOLYME DẪNĐIỆNCHỨAFEROCEN 54

2.2.CHẾTẠOPIGMENTTỪBẰNGPHƯƠNGPHÁPSOL-GEL 56

2.3.CHẾTẠOHỆSƠNHẤPTHỤVISÓNG 60

2.4.PHƯƠNGPHÁPTHỰCNGHIỆM 60

2.4.1 Thiết bị và hoá chất sử dụng thực nghiệm 61

2.4.2 Phương pháp phân tích mạng pha xác định thông số tổn hao vi sóng 61

2.4.3 Phương pháp đo độ dẫn điện của polyme 64

2.4.4 Các phương pháp xác định tính chất từ của spinel 67

2.4.5 Các phương pháp xác định tính chất cơ lý của màng sơn phủ 71

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 72

3.1.ĐIỀUCHẾPOLYMEDẪNĐIỆNCHỨAFEROCEN 72

3.1.1 Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng đến độ trùng hợp và cấu trúc của polyme 72

3.1.2 Cấu trúc của polybenzylenferocen 78

3

3.1.3 Tính chất dẫn điện và ảnh hưởng của hàm lượng iot pha tạp đến tính

chất dẫn điện của polyme 95

3.2.ĐIỀUCHẾPIGMENTTỪ 100

3.2.1 Cấu trúc tinh thể dạng spinel của pigment từ được điều chế bằng phương pháp sol – gel 100

3.2.2 Ảnh hưởng của các chất phụ gia hoạt động bề mặt (HĐBM) đến kích thước của spinel 105

3.2.3 Ảnh hưởng của các thành phần đến tính chất từ của vật liệu 112

3.3.HỆSƠNHẤPTHỤVISÓNG 115

3.3.1 Tính chất cơ lý của lớp màng phủ hấp thụ vi sóng 115

3.3.2 Ảnh hưởng của độ dày và số lớp phủ đến khả năng hấp thụ của vật liệu 117

3.3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng iot pha tạp trong PBzFrc đến khả năng hấp thụ của vật liệu 123

KẾT LUẬN 130

CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 132

TÀI LIỆU THAM KHẢO 133

PHỤ LỤC 141

5

RAS: Cấu trúc hấp thụ sóng điện từ radar

SEM: Ảnh chụp hiển vi điện tử quét

X-ray: Phổ nhiễu xạ tia X

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1: Các dải băng tần làm việc của đài radar 13

Bảng 1.2: Ảnh hưởng của hàm lượng graphit đến độ dẫn của composite PE 15 Bảng 1.3: Độ dẫn điện của các vật liệu vô cơ và hữu cơ 17

Bảng 1.4: Ảnh hưởng chất pha tạp đến độ dẫn điện của polyacetylen 18

Bảng 1.5: Hệ số cảm ứng từ riêng của polyme chứa ferocen 22

Bảng 1.6: Kết quả khảo sát tính chất từ của polyme chứa ferocen 23

Bảng 1.7: Tính chất dẫn điện của các loại polyme chứa ferocen 24

Bảng 1.8: Tính chất tổn hao yếu tố điện môi của polyme dẫn pha tạp iot 25

Bảng 1.9: Độ từ thẩm, thông số từ và nhiệt độ Curie của một số ferit và vật liệu sắt từ 31

Bảng 1.10: Đặc trưng của các tấm cao su hấp thụ sóng điện từ 36

Bảng 1.11: Ảnh hưởng cấu trúc và hàm lượng C đến khả năng hấp thụ vi sóng của vật liệu cao su neopren 42

Bảng 3.1: Ảnh hưởng của xúc tác đến tính chất sản phẩm polyme 73

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của tỷ lệ mol đến tính chất sản phẩm 74

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian trùng hợp đến phân tử khối và hiệu suất sản phẩm 77

6

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của hàm lượng iot pha tạp đến độ dẫn điện của PBzFrc

98

Bảng 3.5: Hàm lượng kim loại trong mẫu ferit: Mn0.55Zn0.45Fe2O4 100

Bảng 3.6: Ảnh hưởng của các chất HĐBM đến kích thước tinh thể ferit 105

Bảng 3.7: Tỷ lệ kích thước tinh thể ferit trong hệ phân tán (dung môi etanol) 108

Bảng 3.8: Các giá trị thông số từ các mẫu spinel 114

Bảng 3.9: Thành phần khối lượng của các hệ sơn hấp thụ sóng điện từ: 115

Bảng 3.10: Tính chất cơ lý của các lớp màng phủ 116

Bảng 3.11: Ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ đến hệ số hấp thụ cực đại của vật liệu 120

Bảng 3.12: Ảnh hưởng kết cấu màng phủ đến khả năng hấp thụ sóng điện từ của lớp sơn phủ 123

Bảng 3.13: Hệ số hấp thụ và độ rộng dải hấp thụ của các mẫu sơn có hàm lượng iot khác nhau trong dải X 128

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1: Sự biến đổi ’, ” theo tần số của vật liệu điện môi 26

Hình 1.2: Cấu trúc hấp thụ sóng điện từ tạo mạch cộng hưởng của các hợp chất phân cực từ 38

Hình 1.3: Mạch cộng hưởng dao động 38

Hình 1.4: Mạch cộng hưởng hai chiều 39

Hình 1.5: Kết cấu màn chắn Salisbury 41

Hình 1.6: Cấu trúc hấp thụ đa lớp 43

Hình 1.8:Quá trình truyền (a) và phản xạ (b) sóng radar 45

Hình 1.7: Kết cấu đa lớp dạng chóp nón trên bề mặt 44

Hình 1.9: Góc phản xạ và sự phản xạ EM trên bề mặt vật liệu 46

Hình 1.10: Điện, từ trường của sóng điện từ tác động trên bề mặt kim loại 47 Hình 1.11: Hiện tượng phân cực của vật liệu dưới tác dụng của điện trường 47 Hình 1.12: Góc phát xạ của tia nhiễu xạ tại bờ cạnh vật liệu 48

Hình 1.13: Điện, từ trường của sóng điện từ trên bề mặt vật liệu 49

Hình 2.1: Sự truyền dẫn, phản xạ và truyền qua của ánh sáng (a) và sóng điện từ (b) qua vật liệu 62

8

Hình 2.2: Các thông số thu được của phương pháp phân tích mạng pha 62

Hình 2.3: Phương pháp đo hệ số phản hồi và hệ số truyền qua theo 2 hướng 64

Hình 2.4: Nguyên tắc đo điện trở của màng vật liệu theo phương pháp DC 64

Hình 2.5: Đồ thị vectơ tổng trở Z và các thông số thành phần R, X 66

Hình 2.6: Đường cong từ trễ xác định các thông số của vật liệu từ 68

Hình 2.7 Sự tán nhiễu xạ X từ các mặt phẳng tinh thể 70

Hình 3.1: Phân tử khối của polyme được tổng hợp tại các nhiệt độ khác nhau 77

Hình 3 2: Phổ IR chuẩn của benzaldehyt 79

Hình 3.3: Phổ IR chuẩn của ferocen 80

Hình 3.4: Phổ hồng ngoại của polyme 81

Hình 3.5 (a): Phổ 1H – NMR của PBzFrc (: 0 – 12 ppm) 83

Hình 3.5 (b): Phổ 1H – NMR của PBzFrc (: 3.95 – 4.20 ppm) 84

Hình 3.5 (c): Phổ 1H – NMR của PBzFrc (: 7.1 – 8.0 ppm) 86

Hình 3.6: Phổ 1H-NMR chuẩn của benzaldehyt 87

Hình 3.7: Phổ 1H-NMR chuẩn của ferocen 87

Hình 3.8 (a): Phổ 13C-NMR của PBzFrc 89

Hình 3.8 (b): Phổ 13C-NMR của PBzFrc (: 90 – 150 ppm) 91

Hình 3.9: Phổ chuẩn 13C-NMR của benzaldehyt 92

Hình 3.10: Phổ chuẩn 13C-NMR của ferocen 92

9

Hình 3.11: Kết quả phân tích nhiệt của PBzFrc 94

Hình 3.12: Cấu trúc của PBzFrc 95

Hình 3.13: Phổ UV – Vis của PBzFrc 96

Hình 3.14: Phổ hồng ngoại của polyme biến tính iot 97

Hình 3.15 Sự phụ thuộc của hàm lượng iot pha tạp đến tính chất dẫn điện của PBzFrc 99

Hình 3.16: Cấu trúc của PBzFrc biến tính iot 99

Hình 3.17: Phổ X-ray của Mn0.55Zn0.45Fe2O4 102

Hình 3.18: Phổ X-ray của Mn0.55Zn0.45Fe2O4 phủ 5% CuFe2O4 103

Hình 3.19: Phổ X-ray của Li2Fe2O4.Mn0.55Zn 0.45Fe2O4 phủ 5% CuFe2O4 104

Hình 3.20: Ảnh SEM của các mẫu spinel 106

Hình 3.21: Giản đồ phân bố kích thước hạt ferit được điều chế với các hệ chất hoạt động bề mặt khác nhau 107

Hình 3.22: Giản đồ mật độ phân bố kích thước hạt ferit được điều chế với các hệ chất hoạt động bề mặt khác nhau 108

Hình 3.23: Tỷ lệ kích thước hạt ferit phân tán trong etanol 109

Hình 3.24: Đường từ trễ (a) và cảm ứng từ (b) của Mn0.55Zn0.45Fe2O4 113

Hình 3.25: Đường từ trễ (a) và cảm ứng từ (b) của Mn0.55Zn0.45Fe2O4 phủ 5% CuFe2O4 113

Hình 3.26: Đường từ trễ (a) và cảm ứng từ (b) của Li2Fe2O4.Mn0.55Zn0.45Fe2O4 phủ 5% CuFe2O4 114

10

Hình 3.27: Kết quả đo hệ số hấp thụ sóng điện từ các mẫu sơn trên cơ sở CPI15 120Hình 3.28: Ảnh hưởng chiều dày lớp phủ đến hệ số hấp thụ vật liệu 121Hình 3.29: Kết quả đo hệ số hấp thụ của mẫu sơn trên cơ sở CPI15 123Hình 3.30: Kết quả đo hấp thụ vi sóng của các hệ sơn phủ trên cơ sở nhựa PBzFrc biến tính iot 127

MỞ ĐẦU

Các kỹ thuật quân sự và dân sự (công nghệ thông tin liên lạc, vô tuyến, dẫn đường hàng không, chỉ thị mục tiêu ) sử dụng năng lượng vi sóng ngày càng phát triển với tốc độ cao Các thiết bị thông tin di động hiện đại thường làm việc trong các dải tần số GHz Do đó, vấn đề ô nhiễm sóng điện từ và giảm thiểu tác động có hại của các bức xạ vi sóng đối với môi trường đã và đang được đặt ra rất cấp thiết

Radar là phương tiện trinh sát hiện đại sử dụng cơ chế phát và thu nhận tín hiệu sóng điện từ Các đài radar dẫn đường và chỉ thị mục tiêu chủ yếu làm việc trong dải X (8 – 12 GHz) Nguỵ trang sóng điện từ radar giảm thiểu khả năng phát hiện của đối phương đang là hướng nghiên cứu được quan tâm mạnh mẽ trong kỹ thuật quân sự

Có nhiều phương pháp triệt tiêu năng lượng sóng điện từ để nguỵ trang giảm thiểu sự phát hiện của radar Tuy nhiên, hướng nghiên cứu sử dụng các vật liệu hấp thụ để triệt tiêu năng lượng sóng điện từ đang là giải pháp tối ưu

và phát triển mạnh Các kết quả nghiên cứu công bố đã xác định cơ chế hấp thụ năng lượng sóng điện từ của các vật liệu là hấp thụ điện và hấp thụ từ Vật liệu tổn hao từ là các vật liệu từ như hợp kim Fe từ, các phức cacbonyl Fe, các hợp chất ferit v.v Vật liệu tổn hao điện là các chất có tính chất tổn hao điện

11

môi cao như các chất điện môi phức hợp, polyme dẫn điện, chất điện ly rắn v.v, nhưng chủ yếu trên cơ sở graphit phối trộn với nhựa tổng hợp hoặc các polyme dẫn điện polyanilin, polypyrol Việc sử dụng công nghệ nano chế tạo vật liệu hấp thụ vi sóng đang được tập trung nghiên cứu nhằm tăng khả năng hấp thụ của vật liệu Ở Việt Nam, vật liệu hấp thụ sóng điện từ vẫn chưa được nghiên cứu cụ thể, chỉ một số cơ sở của Quân đội nghiên cứu chế tạo tấm hấp thụ sóng điện từ cho một số kết quả bước đầu

Mục tiêu của luận án là “nghiên cứu chế tạo sơn phủ hấp thụ sóng điện

từ radar trên cơ sở polyme dẫn điện chứa ferocen (Frc) và spinel ferit” cho nền kim loại, nền Al và hợp kim sử dụng làm vật liệu nguỵ trang đồng thời áp dụng chế tạo vật liệu hấp thụ vi sóng chống ô nhiễm sóng điện từ Để thực hiện mục tiêu trên, các vấn đề nghiên cứu của luận án được đặt ra như sau:

 Nghiên cứu tổng quan về sóng điện từ, cơ chế phân cực của sóng điện từ trên bề mặt kim loại; cơ chế, cấu trúc và các vật liệu hấp thụ sóng điện từ Xác định cấu trúc và vật liệu thích hợp sử dụng chế tạo

hệ sơn phủ hấp thụ vi sóng

 Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ điện – vật liệu polyme dẫn điện

và vật liệu điện ly rắn Cụ thể là nghiên cứu tổng hợp và xác định cấu trúc của polyme dẫn điện chứa ferocen; tính chất dẫn điện của polyme và các dẫn xuất polyme chứa ferocen biến tính iot

 Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu hấp thụ từ - các vật liệu từ Trong luận án, chúng tôi tập trung nghiên cứu sử dụng phương pháp sol - gel chế tạo các vật liệu spinel ferit từ MnZn ferit và LiMnZn ferit có kích thước trung bình <10µm Xác định kích thước hạt tinh thể và khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến kích thước hạt tinh thể

13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ CẤU TRÚC HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ 1.1 CÁC LOẠI NGUYÊN LIỆU DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU

COMPOSITE HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ RADAR

Đài radar có chức năng là trạm phát và thu EW Mỗi loại radar chỉ phát

và thu sóng tại một, vài tần số nhất định Dải tần làm việc của các đài radar nằm trong dải sóng ngắn tương ứng với dải tần số trong khoảng 1 – 110 GHz Các dải tần làm việc của từng loại đài radar được chia thành nhiều loại (bảng 1.1) nhưng trong thực tế các đa số đài radar làm việc trong các dải tần X, Ku

và một số ít loại trong dải Ka

Bảng 1.1: Các dải băng tần làm việc của đài radar

Tên dải tần Tần số (GHz) Bước sóng chuẩn

2 Vật liệu hấp thụ sóng điện từ theo cơ chế tổn hao từ: là các vật

liệu từ có độ từ thẩm riêng cao như các hợp kim sắt từ, các phức cacbonyl sắt từ, các ferit từ và garnet từ.v.v

1.1.1 Vật liệu tổn hao điện

1.1.1.1 Vật liệu polyme phối trộn với chất độn dẫn điện

Sự phối trộn các hạt pigment dẫn điện vào polyme, chất dẻo và các loại vật liệu gốm tạo thạnh dạng phức hợp giữa điện môi và dẫn điện - chất điện môi phức hợp Khi phối trộn các chất độn dẫn điện vào các loại vật liệu nhựa, chất dẻo và vật liệu gốm sẽ làm tăng khả năng dẫn điện của vật liệu Vật liệu composite có các chất độn là vật liệu dẫn điện có độ tổn hao điện môi lớn và được sử dụng chế tạo RAM Tính chất điện của chất điện môi của composit phụ thuộc vào tính dẫn điện, hình dạng và mật độ các hạt chất đãn điện phối trộn.Hằng số điện môi phức hợp và độ dẫn của composite được xác định theo công thức Neelakanta [59] Yamaki và cộng sự đã phát triển chế tạovật liệu composit được độn các chất dẫn điện dạng sợi và các thông số về độ dẫn điện

và hằng số điện môi trên cơ sở phương trình Neelakanta Các chất độn dẫn điện thường được sử dụng là:

 Kim loại: Al, Cu, Fe, thép không gỉ

Độ dẫn điện của vật liệu composite phụ thuộc vào tính chất dẫn điện của chất độn và tỷ lệ thành phần của chúng trong vật liệu, ví dụ khi phối trộn graphit vào PE thì tính chất dẫn điện của vật liệu tăng phụ thuộc vào hàm lượng của graphit (bảng 1.2) [83]

Bảng 1.2: Ảnh hưởng của hàm lượng graphit đến độ dẫn của composite

1 Phân loại, tính chất và cơ chế dẫn điện của polyme dẫn điện

16

Một số vật liệu polyme có các liên kết liên hợp tạo mạch điện tử - liên hợp trong mạch phân tử Do có cấu tạo điện tử - liên hợp trong mạch nên vật liệu polyme có khả năng dẫn điện Các dạng liên kết tạo cấu trúc - liên hợp trong mạch phân tử có các dạng như sau [85]:

(I) (II) (III) (IV) (V)

 n: Số điện tử tự do của polyme bán dẫn (1012 - 1019)

 e: Điện tích của electron (C)

 l: Chiều dài của mạch liên hợp (<10-7cm), (m)

 m: Khối lượng của điện tử (kg)

 v0: Tốc độ chuyển động của điện tử trong mạch (m/s)

Kết quả khảo sát độ dẫn của vật liệu polyme dẫn điện và so sánh với các vật liệu bán dẫn vô cơ được ghi trong bảng 1.3 [85]

Bảng 1.3: Độ dẫn điện của các vật liệu vô cơ và hữu cơ

Vật liệu vô cơ Độ dẫn

18

Độ đẫn của vật liệu polyme tăng lên khi được pha thêm một số chất điện ly rắn Nồng độ chất pha tạp chiếm từ 0.01% mol trở lên Ví dụ polyacetylen được pha tạp thêm chất như Li, I2, H2IrCl6 thì độ dẫn của vật liệu

là 100 S/cm [59] Khi pha tạp một số chất điện ly rắn vào phân tử polyme tạo trung tâm điện tích trên mạch phân tử là giảm rào thế ngăn cách điện tử

Độ dẫn điện và hằng số điện môi của polyme dẫn điện phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và tần số sử dụng vật liệu Tuỳ thuộc vào cấu trúc và bản chất của polyme, các chất điện ly thích hợp sẽ được sử dụng pha tạp [22] Khi sử dụng chất pha tạp không thích hợp sẽ làm giảm độ dẫn của vật liệu Các chất pha tạp vào polyme dẫn điện được chia làm 2 loại (bảng1.4) cho điện tử (loại n) và tạo lỗ trống (loại p) [48, 59]

Bảng 1.4: Ảnh hưởng chất pha tạp đến độ dẫn điện của polyacetylen

2 Polyme dẫn điện chứa ferocen, phương pháp tổng hợp và tính chất điện

từ của polyme chứa ferocen

19

Dicyclopentadienyl sắt (ferocen) là một hợp chất cơ kim

có cấu trúc  của ion cyclopentadienyl và ion Fe(II) Do ion

cyclopentadienyl có 6 điện tử  và cấu tạo mạch vòng nên nó có

các tính chất tương tự như hợp chất thơm benzen Ferocen có

khả năng phản ứng thế theo cơ chế ái điện tử với một số chất

thích hợp tạo polyme có cấu trúc  liên hợp trong mạch phân tử Các polyme bán dẫn chứa Frc đã được tổng hợp là: polyferocen; polyankylenferocen và polyarylenferocen; polyazophenylenferocen và polyferocenylvinylen Cấu trúc của từng loại polyme dẫn điện chứa ferocen có các dạng sau [84, 85]:

a) Polymethylenferocen và polyphenylenferocen

b) Polyaetylenferocen và polysilanferocen

c) polyferocen

3 Các phương pháp tổng hợp polyme dẫn điện chứa ferocen

 Polyferocen

Polyferocen có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau Phương pháp chung để tổng hợp polyferocen phản ứng trùng hợp các dẫn xuất halogel của ferocen Ví dụ polyferocen đã được tổng hợp bằng cách phản ứng hỗn hợp bromferocen và dibromferocen với Cu tại 105 – 1200C cho hỗn

 Poly(metylenferocen)

Các poly(metyleneferocen) được tổng hợp theo phương pháp trùng ngưng theo cơ chế tạo cacbocation, xúc tác sử dụng là các axit Lewis Vật liệu polyme phân tử khối 1000 -2000 đã được tổng hợp từ ferocen và CH2Cl2, xúc tác AlCl3

21

Poly(metylenferocen) cũng có thể được tổng hợp từ phản ứng ngưng tụ ferocenylmetanol trong dung dịch HCl tại 1100C cho các sản phẩm polyme khác nhau polyme có phân tử khối mol trung bình là 2560 được ngưng tụ từ ferocenylmetanol tại 800C, xúc tác Et2O.BF3 [84, 85]

Một phương pháp khác tổng hợp poly(metylenferocen) từ ferocen và paraformaldehyt trong axit sunfuric đậm đặc tại nhiệt độ phòng Sản phẩm polyme mạch thẳng được tách từ hỗn hợp sản phẩm bằng phương pháp chiết

sử dụng dung môi toluen Polyme có phân tử khối mol dưới 2500 được tổng hợp từ ferocen và paraformaldehyt bằng phẳn ứng ngưng tụ sử dụng xúc tác axit Lewis dưới môi trường áp suất trơ

Polymethylenferocen cũng có thể được tổng hợp bằng phản ứng ngưng

tụ dẫn xuất methoxyferocen khi có mặt ZnCl2 hoặc BF3/ete Phân tử lượng của polyme trong khoảng 2500 – 6000 [39]

 Các loại polyme chứa ferocen khác

4 Tính chất điện và tính chất từ của polyme chứa ferocen

 Tính chất từ:

Tính chất từ của polyme chứa ferocen được khảo sát bằng phương pháp phổ cộng hưởng spin từ A A Berlin và L A Bliumenfeld đã khảo sát các dung dịch polyme chứa ferocen và đã nhận thấy chúng có khả năng cảm ứng

từ, các kết quả đo tính chất cảm ứng từ riêng của các mẫu polyme chứa Frc trong dung dịch benzen trong từ trường 3500 – 6100 Oersted [28, 85]

Bảng 1.5: Hệ số cảm ứng từ riêng của polyme chứa ferocen

n-BuLi

+

X: Cl, Br, I; m: 1 – 500; n: 2 – 500

- Sản phẩm polyme hoá ngưng tụ của ferocen và -bromnaphtanol – polyme I và II

- Polyme được điều chế bằng phản ứng ngưng tụ ferocen và diclobenzen – polyme III

n Sản phẩm ngưng tụ của ferocen và hydroxylamin – polyme IV

- Sản phẩm ngưng tụ của acetylferocen – polyme V

Bảng 1.6: Kết quả khảo sát tính chất từ của polyme chứa ferocen

24

Từ kết quả cho thấy các polyme chứa ferocen có tính chất sắt từ tương

tự với tính chất từ của oxit sắt từ mềm (bảng 1.6) Kết quả đo độ cảm ứng từ của polyme cũng đã khẳng định kết luận trên

 Tính chất dẫn điện của polyme chứa ferocen

Tính chất và khả năng dẫn điện của polyme chứa ferocen phụ thuộc vào cấu trúc và độ dài mạch phân tử của polyme Kết quả đo tính chất dẫn điện của một số polyme chứa ferocen được thống kê trên bảng 1.7 [84]

Bảng 1.7: Tính chất dẫn điện của các loại polyme chứa ferocen

Sản phẩm ngưng tụ ferocen và aldehyt 1.2310-12 0.67

Các vật liệu bán dẫn có tính chất dẫn điện tăng khi được pha tạp một số chất tạo thành chất bán dẫn dạng p (lỗ trống) hoặc bán dẫn dạng n Sự tương tác giữa polyme và các chất pha tạp tạo thành phức liên hợp phân cực, khi đó cấu trúc của mạch polyme có dạng A- A+ Các chất thường được sử dụng

để pha tạp với polyme chứa ferocen có phân tử khối từ 900 – 8000 là iot và tetracyanoetylen (NC)2C=C(CN)2(TCE),tỉ lệ iot tương hợp với polyme chứa Ferocen có thể lên đến 1:2 hàm lượng [85]

5 Khả năng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu polyme dẫn

Vật liệu polyme dẫn điện được pha tạp các chất điện ly rắn có khả năng làm suy giảm và hấp thụ năng lượng sóng điện từ cao Ví dụ poly-p-phenylen-benzobis – thiazol (PBT) và polyacetylen được pha tạp thêm iot có khả năng suy giảm năng lượng sóng điện từ đến -40dB tại tần số trên 4GHz Vật liệu polyme dẫn được sử dụng chủ yếu trong cấu trúc mạch cộng hưởng

25

hoặc màn chắn Salisbury Các khảo sát về tính chất điện của vật liệu polyme dẫn cho thấy chúng có mức độ tổn hao điện môi rất lớn tại tần số vi sóng (bảng 1.8) [48, 59]

Bảng 1.8: Tính chất tổn hao yếu tố điện môi của polyme dẫn pha tạp iot

Vật liệu Chất pha tạp Tần số đo (GHz) r *

Polyacetylen

cis-(CHI 0.045 ) x

Nghiên cứu sử dụng polyme dẫn điện chế tạo vật liệu hấp thụ sóng điện

từ radar (RAM) là một hướng nghiên cứu quan trọng và đang được nghiên cứu áp dụng trong thực tế [1, 2, 3] Tuy nhiên, vật liệu polyme dẫn rất khó tổng hợp được vật liệu có cấu trúc mạch thẳng nên khó gia công và khả năng ứng dụng các vật liệu polyme dẫn điện vào thực tế gặp nhiều khó khăn

Vật liệu điện môi là loại vật liệu có khả năng phân cực dưới tác dụng của điện trường Khi một chất được đặt trong một điện trường E sẽ có hiện tượng phân cực tạo các momen tĩnh điện Khả năng phân cực của vật liệu phụ thuộc vào bản chất của chúng Debye đã mô tả quá trình phân cực chất điện môi đến giá trị cân bằng cần có một khoảng thời gian nhất định - Thời gian trễ (r) [59] Trong quá trình phân cực, chất điện môi sẽ hấp thụ năng lượng điện trường chuyển thành các dạng năng lượng khác: nhiệt năng Khả năng hấp thụ năng lượng điện phụ thuộc vào bản chất của các chất điện môi – yếu tố tổn hao góc điện môi (tan), được xác định như sau:

(1.2)

26

Trong đó:

- : Điện thẩm của vật liệu (F/m)

- 0: Hằng số điện thẩm trong chân không (0=8.8452×10-12 F/m)

- r: Giá trị điện thẩm riêng

Hình 1.1 cho ta thấy, tại dải tần vi sóng (2 – 30 GHz) vật liệu điện môi

bị phân cực tạo momen lưỡng cực dưới tác dụng của sóng điện từ tương tự như quá trình phân cực dưới tác dụng của điện trường Do đó, các công thức tính tổn hao tan của vật liệu điện môi trong điện trường cũng có thể được áp dụng tương đương trong điện từ trường tại tần số vi sóng

Các bức xạ sóng radar được sử dụng trong dải tần trên khi phát tới mục tiêu thường là sóng phân cực ngang (sóng ngang) hoặc sóng phân cực thẳng đứng (sóng đứng) Các vật liệu điện môi được sử dụng vật liệu bao gồm vật liệu điện môi thụ động và chất điện môi hoạt động Chất điện môi hoạt động

là các chất điện ly rắn có hằng số điện môi K biến đổi do tác động của điện, từ trường và tần số bức xạ Năng lượng bức xạ sóng khi đập lên bề mặt điện môi hoạt động sẽ làm phân cực hoặc quay cực chất điện môi, dẫn đến là tiêu hao năng lượng sóng điện từ Các chất điện môi thụ động có giá trị hằng số điện môi K không đổi trong dải tần làm việc của radar đã nêu ra ở trên và khả năng

Hình 1.1: Sự biến đổi ’, ” theo tần số của vật liệu điện

môi

27

hấp thụ của chúng chủ yếu do tính chất tổn hao điện môi của vật liệu.Khi các sợi dẫn điện được phối trộn với polyme, năng lượng tổn hao được tính theo phương trình và phụ thuộc vào độ dầy của vật liệu Đa số các vật liệu hữu cơ có hệ số điện thẩm thấp và hằng số điện môi cao (2.3), không thích hợp để chế tạo vật liệu hấp thụ bức xạ điện từ Ví dụ đối với polystyren, trong dải tần MHz có =2.3, hệ số phản xạ bề mặt là R=0.16 Giá trị trên quá lớn, do đó, vật liệu sử dụng cho chế tạo vật liệu hấp thụ cần có hằng số điện môi nhỏ

Độ tổn hao điện môi của vật liệu tại một tần số phụ thuộc vào độ dẫn điện và hằng số điện môi của vật liệu Do đó, muốn tăng khả năng hấp thụ bức xạ sóng cần tạo vật liệu có hằng số điện môi và có khả năng dẫn điện thích hợp để vật liệu không có khả năng lan truyền sóng hoặc phản xạ sóng trên bề mặt vật liệu và có hệ số tổn hao điện môi cao Các vật liệu thường được sử dụng là các vật liệu polyme được phối trộn với các chất độn dẫn điện làm tăng khả năng dẫn điện của vật liệu, vật liệu polyme bán dẫn và các chất điện ly rắn

Chất điện ly rắn là các vật liệu có cấu trúc tinh thể liên kết ion và có tính chất dẫn điện cao Các chất điện ly rắn có cấu trúc tinh thể khiếm khuyết tạo ra cấu trúc dạng đường hầm và đa lớp Chất điện ly rắn có khả năng chuyển từ trạng thái điện môi sang trạng thái dẫn điện trong khoảng nhiệt độ nhất định Vật liệu sử dụng làm chất điện ly rắn luôn có hai pha cấu trúc - và

- Trong khoảng nhiệt độ thích hợp pha - chuyển thành pha - có các ion dẫn điện Các chất được sử dụng làm chất điện ly rắn [59]:

- Ion Cu+ như: CuI, KCu4I5

- Các hợp chất của Ag như: AgI, Ag2S, Ag2Se và hệ dung dịch rắn MAg4I5 (với M: K, Rb, NH4)

Các chất điện ly rắn được ứng dụng chủ yếu làm các loại pin và nguồn điện Ngoài ra, vật liệu điện li rắn đã và đang được nghiên cứu trong quá trình điều kiển tính chất hấp thụ hoặc phản xạ của bức xạ sóng và đây là một loại vật liệu cần thiết để chế tạo vật liệu hấp thụ năng lượng sóng radar Sự kết hợp chất điện ly rắn, vật liệu hấp thụ từ và vật liệu hấp thụ điện cho phép chế tạo vật liệu có dải tần hấp thụ vi sóng xác định, đây cũng là một hướng chế tạo vật liệu hấp thụ điện từ Mặt khác, sử dụng kết hợp các vật liệu cho phép

ta mở rộng dải tần và giảm độ dày của lớp vật liệu

1.1.2 Vật liệu tổn hao từ

Vật liệu từ là các loại vật liệu có khả năng cảm ứng từ cao tạo từ thông Vật liệu sắt từ là các vật liệu từ có khả năng làm tăng lượng từ thông của vật liệu khi có lực từ trường đặt vào Vật liệu sắt từ có thể được chia làm hai nhóm riêng biệt là vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm Vật liệu từ cứng được

sử dụng trong thiết bị ghi audio/video, bộ chuyển đổi năng lượng, thiết bị điều khiển dòng điện tử Các vật liệu từ mềm chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực như bộ nhớ computer, hệ thống nhận tín hiệu TV, radio và thiết bị vô tuyến, thiết bị vi sóng; thiết bị quang - từ

29

Các loại vật liệu có tính chất từ rất đa dạng, do đó, các loại vật liệu từ trên được phân chia theo cấu trúc phân tử và độ cảm ứng ứng của vật liệu thành các nhóm:

a Cấu trúc tinh thể của vật liệu ferit

Vật liệu ferit từ là hỗn hợp các oxit kim loại và Fe2O3 có cấu trúc tinh thể Các vật liệu ferit được chia thành 2 nhóm chính theo cấu trúc tinh thể:

 Vật liệu spinel 2:3: Vật liệu từ mềm có cấu trúc lập phương Công thức tổng quát của vật liệu spinel 2:3 có dạng MFe2O4 (Với M là các ion kim loại hoá trị 2: Mn2+, Ni2+, Zn2+, Fe2+, Cu2+, , hoặc

Li22+) hoặc hỗn hợp các ion kim loại

 Vật liệu garnet: Vật liệu ferit từ có công thức tổng quát 3M2O3.5Fe2O3 (Với M là các kim loại đất hiếm như Sm, Eu, Gd,

Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y)

b Tính chất từ của vật liệu spinel

Vật liệu spinel là loại vật liệu ferit từ mềm,các thông số từ dặc trưng của vật liệu là độ từ thẩm, giá trị cảm ứng từ bão hoà (Bs hoặc Ms), hệ số từ

dư (Hs) Bằng phương pháp đo đồ thị đường từ trễ cho phép ta xác định các giá trị Bs hoặc Ms, Hc và giá trị của µ

Độ từ thẩm của vật liệu ferit phụ thuộc vào thành phần và tỷ lệ thành phần trong cấu trúc tinh thể của vật liệu (bảng 1.9)

Cơ chế tổn hao từ trong vật liệu ferit do: [12]

1) Tổn hao từ trễ, do quá trình chuyển vách domen của từ trường 2) Tổn hao từ dư, do quá trình kìm hãm bên trong phân tử vật liệu 3) Tổn hao do dòng Eddy, dòng điện cảm ứng trong vật liệu

Tính chất và khả năng tổn hao từ của các vật liệu ferit được ứng dụng chế tạo các RAM

Vật liệu spinel được điều chế theo các phương pháp sau:

1 Phương pháp gốm:

Phương pháp gốm dựa trên cơ sở phản ứng của các oxit hoặc các hợp chất cacbonat kim loại nóng chẩy tại nhiệt độ 1000 – 13000C [29, 66] Qui trình điều chế các tinh thể spinel theo phương pháp gốm được thể hiện theo

sơ đồ:

32

Kích thước hạt spinel nhỏ nhất được tạo ra theo phương pháp gốm khoảng 100µm

2 Phương pháp sol – gel

Cơ sở lý thuyết của phương pháp tổng hợp sol - gel là phản ứng thủy phân các muối kim loại hoặc các ancolxyt kim loại ở dạng hòa tan thành dạng gel của các hydroxyt kim loại đó Sau đó, dehydrat các hạt gel kim loại được tạo ra thành các tinh thể spinel Quá trình tạo gel của dung dịch muối Fe3+ là phản ứng thuỷ phân trùng hợp tạo polyme của Fe [12]:

Fe3+ + H2O FeOH2+ + H+

Fe3++ 2H2O Fe(OH)2+ + 2H+ 2Fe3++ 2H2O Fe2(OH)24+ + 2H+ 3Fe3++ 4H2O Fe3(OH)45+ + 5H+



- polyme Gel được tạo ra dưới dạng hydroxyt của Fe và các ion kim loại khác cộng kết trên gel sắt theo tỷ lệ xác định, thiêu kết các gel sắt tại nhiệt độ thích hợp, khoảng nhiệt độ tối ưu là 450 -5000C tạo ra oxit có cấu trúc tinh thể

Phương pháp điều chế spinel là phản ứng thuỷ phân các muối của Fe3+kết hợp với các muối của ion kim loại khác như Mn2+, Zn2+, Fe2+, Ni2+, Cu2+,

Li+ v.v tạo gel Fe phức hợp [5] Các hợp chất phức được sử dụng thường là

Thiêu kết tại nhiệt độ nóng chẩy

Nghiền tinh thể spinel

33

Fe (III) và các kim loại hoá trị 2 với hợp chất α-hydroxy cacboxylic như axit malic, axit tartric, axit glycolic, axit lactic, axit ciric [23,25] hoặc phức Fe(III) và các kim loại hoá trị 2 với α-aminocacbonyl như ure, acetoaxetat v.v [14, 16] Khi các hạt gel sắt trong môi trường nước là các hạt tĩnh điện

và được liên kết với các phân tử nước tạo các gel hydrat Quá trình hình thành các gel hydrat bền phụ thuộc vào các yếu tố sau [12]:

 Độ trùng hợp hay phân tử khối của polyme sắt

 pH của môi trường

 Nồng độ anion và hoạt độ của các anion trong dung dịch

Mức độ polyme hoá (giá trị n) của Fe phụ thuộc vào pH của môi trường và tỷ lệ nồng độ anion/cation trong dung dịch Mức độ phản ứng polyme hoá tăng sẽ làm giảm độ tĩnh điện của gel và sẽ làm giảm khả năng cộng kết tạo kết tủa của hydroxit kim loại từ dung dịch Mặt khác, mức độ polyme hoá của gel sắt sẽ ảnh hưởng đến giá trị từ thẩm của vật liệu.Tỷ lệ nồng độ mol anion/ cation tương đương sẽ làm giảm khả năng kết tụ của các hạt keo Các anion cũng ảnh hưởng đến quá trình tạo gel của Fe [12] Các anion có hoạt tính mạnh như ion Cl-, SO42-sẽ làm tăng khả năng keo tụ của gel

Fe Mặt khác, các ion trên sẽ rất khó rửa sạch ra khỏi gel sắt, khi có mặt trong gel sắt, chúng sẽ làm thay đổi cấu trúc tinh thể spinel và tính chất từ của ferit tạo ra Các anion thường được sử dụng để điều chế spinel là NO3-, CH3COO-, các anion này có ưu điểm là bị phân huỷ tại nhiệt độ 400 – 5000C, do đó không cần phải tách loại ra khỏi gel

Phương pháp sol – gel cho phép điều chế các tinh thể spinel có kích thước nano Tuy nhiên, phương pháp sol –gel thích hợp chế tạo qui mô nhỏ và

áp dụng chế tạo vật liệu có các yêu cầu đặc thù

34

Như đã trình bày ở trên, vật liệu từ là thành phần cơ bản chế tạo các loại RAM và có chức năng làm cấu tử hấp thụ từ trong vật liệu Khả năng hấp thụ sóng điện từ và dải sóng hấp thụ của vật liệu RAM phụ thuộc vào tính chất từ, độ từ thẩm và tần số làm việc của vật liệu từ [6] Mỗi loại vật liệu ferit được ứng dụng chế tạo RAM tại một dải tần nhất định Ví dụ vật liệu Fe

từ và một số ferit từ mềm như MnZn-ferit, NiZn-ferit có dải tần làm việc thấp (<500MHz) [72] gây tổn hao từ lớn trong dải tần số vi sóng hoặc cao hơn Tuy nhiên do bản chất của sóng điện từ, các vật liệu từ thường được kết hợp với các vật liệu điện tạo mạch hấp thụ cộng hưởng [9, 42] Các vật liệu sắt từ

và vật liệu spinel có độ từ thẩm cao và tần số cộng hưởng thích hợp chế tạo các loại RAM trong dải băng tần C, X, Ku, K Các loại hợp kim từ của sắt kim loại có tính chất dẫn điện cao nên được sử dụng chế tạo RAM có dải tần hấp thụ thấp Các vật liệu có cấu trúc Garnet và các vật liệu từ cứng có cấu trúc hexagonal có dải tần cộng hưởng cao hơn được ứng dụng chế tạo các loại RAM trong dải K và Ka Các vật liệu từ khi được kết hợp với các chất hấp thụ điện là các polyme dẫn điện sẽ làm tăng hệ số hấp thụ và giảm khối lượng riêng của vật liệu RAM

1.2 CẤU TRÚC HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ CỦA VẬT LIỆU

1.2.1 Cấu trúc hấp thụ và triệt tiêu năng lượng sóng điện từ bằng phương pháp giao thoa, tán xạ

Vật liệu có cấu trúc xốp và lồi lõm trên bền mặt có khả năng tán xạ tia tới của sóng điện từ (EW) Các tia tán xạ này sẽ giao thoa và triệt tiêu năng lượng lẫn nhau [51, 67] Chiều dày tối thiểu lớp RAM triệt tiêu năng lượng sóng theo cơ chế tán xạ giao thoa trên bền mặt là [59]:

35

(1.3)

Trong đó:

l: Độ dầy của vật liệu (m)

: Bước sóng tia tới (m)

: Hằng số điện môi của vật liệu (F/m) µ: Độ từ thẩm của vật liệu (H/m)

Ví dụ vật liệu xốp của polystyren phối trộn với các chất dẫn điện như graphit, bột kim loại có khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ trong dải tần 0.4 – 40GHz với hiệu suất -20dB [44] Cấu trúc xốp của vật liệu composit hấp thụ

có 02 dạng đặc trưng:

 Hình dạng và kích thước của lỗ xốp được tạo ra bởi các polyme nền

 Hình dạng và kích thước của lỗ xốp được tạo bởi các hạt chất độn Cấu trúc xốp của vật liệu tạo ra các buồng không vang làm triệt tiêu

và tán xạ các bức xạ điện từ không cho chúng trở về đài radar

Các vật liệu xốp trên cơ sở vật liệu polme có cấu trúc xốp như cao su các loại, vật liệu xốp PU, EP khi phối trộn với các chất điện môi và tạo cấu trúc lỗ xốp dạng tổ ong có khả năng hấp thụ năng lượng sóng Perkins và cộng sự đã nghiên cứu tạo vật liệu hấp thụ vi sóng trên cơ sở vật liệu xốp composite acrylnitril- polystyren-butadien, các loại nhựa nhiệt dẻo như PE,

PP, polyeste, PU, EP và các chất độn dẫn điện như các kim loại dạng bột và dạng sợi như Fe, Cu, Al có khả năng hấp thụ tối thiểu -15dB đến -100 dB [60,

61] Sóng điện từ bị triệt tiêu do giao thoa tại bề mặt các vách ngăn của ô xốp

Một hướng tạo vật liệu có cấu trúc xốp khác là sử dụng các hạt pigment có diện tích bề mặt lớn [55, 56] Các vật liệu composit hấp thụ vi

36

sóng có cấu trúc xốp được tạo bởi các hạt pigment là các chất điện môi hay các chất dẫn điện có cấu trúc xốp như graphit hoặc các hạtferit từ có cấu trúc xốp cho vật liệu có tính chất cơ lý tốt hơn các vật liệu xốp do polyme tạo ra Cấu trúc các hạt từ xốp được điều chế bằng cách phủ lớp vật liệu từ lên trên các hạt silicagel, oxit nhôm

Thành phần tạo kết cấu cho vật liệu composite hấp thụ chủ yếu là các loại nhựa tổng hợp như EP, PU, silicon, cao su tổng hợp [59] Các vật liệu này có nhiều ưu điểm như bền môi trường, bền thời tiết, chịu mài mòn, tuỳ mục đích sử dụng người ta lựa chọn vật liệu thích hợp Tính chất cơ lý của các vật liệu được ghi trong bảng 1.10

Bảng 1.10: Đặc trưng của các tấm cao su hấp thụ sóng điện từ

TT Vật liệu cao

su nhiệt độ làm Khoảng

việc ( o C)

Độ cứng (ShoreA)

Ưu điểm Nhược điểm

chịu xé, chịu mài mòn

Chịu nhiệt kém, không chịu ôzon, bức xạ mặt trời, dầu mỡ

2 Clopren

70 Chịu thời tiết,

mài mòn, nước biển

Kém chịu dung môi thơm, chất oxy hoá, nhiệt độ thấp

3 Nitrin

chịu lạnh; bền ozon, thời tiết, bức xạ

Kém chịu xé

chịu lạnh; bền ozon, thời tiết

Kém chịu xăng dầu mỡ, mài mòn, xé

37

xé, dầu mỡ; độ bền đứt, mài mòn cao

Kém chịu axit, kiềm, nước nóng

Các nghiên công trình nghiên cứu đã xác định cấu trúc của xốp của vật liệu hấp thụ, triệt tiêu hiệu quả năng lượng sóng thường có hình dạng tổ ong hay hình dạng kim tự tháp Cấu trúc này sẽ tạo ra các lỗ, hốc có đặc tính như buồng không vang trong vật liệu Quá trình tán xạ giao thoa sóng điện từ sẽ xảy ra tại các bề mặt tiếp giáp pha của vật liệu [59] Thời gian gần đây, công nghệ nano được sử dụng chế tạo RAM cho vật liệu nhẹ có khả năng hấp thụ lớn ví dụ vật liệu RAM dạng xốp của PU và cacbon dẫn điện nanotube có khả năng hấp thụ -10dB trong dải tần X (8.2 – 12.4 GHz) [76]

1.2.2 Cấu trúc hấp thụ sóng điện từ tạo mạch cộng hưởng

Vật liệu được chế tạo từ các vật liệu từ, các chất dẫn điện, các chất điện môi thích hợp và được thiết lập theo một cấu trúc đặc biệt sẽ tạo mạch cộng hưởng triệt tiêu năng lượng vi sóng – cấu trúc hấp thụ sóng điện từ radar (RAS) dạng mạch cộng hưởng Đặc tính và khả năng hấp thụ vi sóng của vật liệu phụ thuộc vào tính chất, tính định hướng phân cực và mật độ của các hợp chất từ và chất điện môi của vật liệu [59] Meyer và các cộng sự đã khám phá

ra cấu trúc hấp thụ năng lượng vi sóng do tạo mạch cộng hưởng của các vật liệu phân cực từ phụ thuộc vào độ đồng nhất của các phân cực từ Cấu trúc hấp thụ do tạo mạch cộng hưởng của vật liệu từ có cấu tạo như hình 1.2

Một dạng bố trí khác của vật liệu phân cực từ sao cho trục momen phân cực của vật liệu vuông góc và song song với mặt kim loại của máy bay (hợp kim duyra) tạo thành tổ hợp cộng hưởng hai chiều (hình 1.4) [46, 48] Mật độ

bố trí và kích thước các vật liệu phân cực từ phụ thuộc vào bước sóng

Hình 1.2: Cấu trúc hấp thụ sóng điện từ tạo mạch

cộng hưởng của các hợp chất phân cực từ

A: Nền kim loại

B: Vật liệu có tính chất sắt từ

C: Vật liệu dẫn điện đồng trục

D: Vật liệu dẫn điện cảm ứng

39

Các vật liệu phân cực từ được sử dụng là các loại vật liệu có tính chất sắt từ dạng bột có kích thước < 5m như các loại hợp kim Fe – silic, Fe – Ni [13] v.v.; các phức cacbonyl của Fe, Ni; các ferit [69] Các vật liệu sắt từ dạng pigment có hình dạng cầu hay dạng sợi được phối trộn trong các loại nhựa polyme thích hợp tạo composite từ phức hợp.Ví dụ composite của bột

Fe xám có khả năng hấp thụ vi sóng tối đa tại 9.4GHz [15] Tính chất hấp thụ năng lượng của các vật liệu hấp thụ phụ thuộc vào:

 Khối lượng và mật độ hạt pigmen phân cực từ trong cấu trúc

 Mật độ phân cực trên một đơn vị diện tích

 Mật độ đồng nhất của các phân cực từ

 Góc tiếp xúc với tia tới của bức xạ

Khả năng hấp thụ và dải sóng hấp thụ sóng điện từ của vật liệu phụ thuộc vào tính chất từ và hình dạng kích thước của các cấu tử thành phần Khảo sát khả năng hấp thụ sóng điện từ của composite của các hạt garnet từ

Y2(Fe0.5Co0.5)17 có kích thước nano, các thông số hằng số điện môi phức hợp (’, ”) nhỏ và không đổi trong dải tần 1 – 10 GHz cho thấy vật liệu có độ suy giảm tín hiệu phản hồi khoảng -20 dB trong dải tần 2.7 – 8.1GHz với độ dày của vật liệu 2.2 – 5.7mm và độ suy giảm tín hiệu phản hồi > 43 dB tại đỉnh pic 5.6GHz với độ dày vật liệu 3mm [40]

Hình 1.4: Mạch cộng hưởng hai chiều

40

Khi sử dụng các vật liệu hấp thụ từ là các chất dẫn điện, ví dụ: Fe và hợp kim của Fe thì trong RAS cộng hưởng không cần có thành phần dẫn điện Đối với các loại vật liệu phân cực từ không dẫn điện như các loại ferit

từ, các phức cabonyl của Fe, Ni, Co thường được phối trộn với các chất dẫn điện dạng sợi hay các polyme dẫn diện để tạo mạch cộng hưởng

Mỗi loại vật liệu từ hoặc vật liệu điện môi chỉ hấp thụ năng lượng vi sóng tại một dải tần số nhất định tuỳ thuộc vào cấu trúc và tính chất của vật liệu [6] như các hợp kim từ, các hợp kim sắt từ, các phức chất cacbonyl của

Fe, Ni, Co có khả năng hấp thụ năng lượng trong dải tần số thấp (2 – 9 GHz)[13], các vật liệu ferit có cấu trúc spinel và vật liệu có cấu trúc dạng perovskite có khả năng hấp thụ trong dải tần số cao hơn (8 – 12 GHz) [31, 74, 75] Khả năng phản xạ bức xạ sóng điện từ của cấu trúc này phụ thuộc vào độ đồng nhất của bề mặt tiếp xúc, mật độ và độ phân bố các thành phần cộng hưởng và các thành phần có chức năng như là điện trở trong cấu trúc cộng hưởng

1.2.3 Cấu trúc hấp thụ sóng điện từ dạng màn chắn Salisbury

RAS dạng màn được Salisbury tìm ra Cấu trúc của màn chắn Salisbury

là một lớp vật liệu hấp thụ điện đặt cách bề mặt kim loại nền một khoảng các

/4 Giữa lớp hấp thụ điện thường có một lớp vật liệu có cấu trúc xốp hoặc vật liệu hấp thụ từ [17] (hình 15) Các lớp vật liệu composite hấp thụ có độ dầy xác định và có kết cấu như sau:

 Polyme nền là các loại nhựa tổng hợp như polyeste, epoxy, polyurethan, cao su tổng hợp v.v