Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ
1.4. Cấu trúc vật liệu hấp thụ sóng radar
1.4.1. Cấu trúc tạo hình bề mặt – phối hợp trở kháng
Các vật liệu thuộc nhóm cấu trúc tạo hình về mặt – phối hợp trở kháng là các cấu trúc có tạo hình bề mặt phù hợp nhằm loại bỏ hiện tượng phản xạ gương hoặc các tia tán xạ giao thoa với nhau dẫn đến triệt tiêu
năng lượng của sóng tới. Những cấu trúc thuộc nhóm này thường là các cấu trúc xốp, có tạo hình bề mặt lồi lõm. Ngoài ra trong quá trình chế tạo có thể sử dụng các loại vật liệu phối trộn nhằm tăng hiệu suất hấp thụ thông qua cơ chế phù hợp hoặc phối hợp trở kháng [48, 24]. Chẳng hạn cấu trúc xốp của vật liệu composite hấp thụ đặc trưng bởi hình dạng, kích thước của lỗ xốp được tạo ra từ các polyme nền hoặc các vật liệu độn.
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, tùy mục đích sử dụng người ta lựa chọn vật liệu thích hợp.
Hình 1.3: Cấu trúc triệt tiêu năng lượng sóng.
Trong các công trình nghiên cứu [23, 24], các tác giả đã xác định cấu trúc vật liệu hấp thụ dạng xốp, triệt tiêu hiệu quả năng lượng sóng thường có hình dạng tổ ong hay hình dạng kim tự tháp (Hình 1.3). Cấu trúc này sẽ tạo ra các lỗ, hốc có đặc tính tương tự như buồng khử vọng 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.
Các vật liệu polyme có cấu trúc xốp như cao su, nhựa 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 [68, 69] đã nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu hấp thụ sóng radar trên cơ sở vật liệu xốp composite acrylnitril-polystyren-butadien, các loại nhựa nhiệt dẻo như PE, PU, EP và các chất độn có tính dẫn điện dạng bột, dạng sợi như Fe, Cu, Al có khả năng hấp thụ đạt từ -15 dB đến -100 dB.
Gần đây, vật liệu nano đã được ứng dụng vào chế tạo RAM có cấu trúc dạng xốp cho sản phẩm nhẹ và hiệu suất hấp thụ lớn. Ví dụ vật liệu RAM dạng xốp của nhựa PU và sợi cácbon dẫn điện có khả năng hấp thụ -10 dB trong dải tần X [109].
1.4.2. Cấu trúc cộng hưởng
Vật liệu cộng hưởng hay còn gọi là vật liệu hấp thụ một phần tư bước sóng được chế tạo từ các vật liệu từ, các chất dẫn điện hay các chất điện môi được sắp xếp theo một cấu trúc đặc biệt để tạo ra hiện cộng hưởng nhằm triệt tiêu năng lượng sóng radar. Vật liệu cộng hưởng được chia làm hai loại là lớp Dallenbach và màn chắn Salisbury [24, 58, 85].
Cấu trúc của màn chắn Salisbury được minh họa trên Hình 1.4, gồm ba lớp, lớp thứ nhất là vật liệu hấp thụ điện đặt cách lớp thứ ba là kim loại nền một khoảng d n
4 2
. Lớp thứ hai nằm giữa lớp hấp thụ điện và lớp kim loại thường là vật liệu tổn hao có cấu trúc dạng xốp hoặc tổ ong.
Cấu trúc hấp thụ dạng màn chắn Salisbury được sử dụng chế tạo RAM dưới dạng vật liệu che chắn như vải ngụy trang. Lớp thứ hai thường là vật liệu polymer cao su tổng hợp phối trộn các vật liệu dẫn điện, các chất bán dẫn làm tăng tăng độ suy giảm của sóng điện từ [107, 109]. Ngoài ra, khả năng phản xạ sóng điện từ của màn chắn Salisbury phụ thuộc vào độ đồng nhất của bề mặt tiếp xúc, mật độ và độ phân bố các thành phần cộng hưởng, các thành phần dẫn điện trong vật liệu cộng hưởng.
Khi tia bức xạ truyền tới bề mặt màn chắn, vật liệu tạo dao động cộng hưởng tương ứng với bước sóng của nó. Các dao động cộng hưởng sẽ bị triệt tiêu trong phần vật liệu dẫn điện. Đồng thời, năng lượng của tia bức xạ còn bị tổn hao do trở kháng màn chắn. Tổng trở bề mặt của màn chắn Salisbury có giá trị tối ưu trong khoảng 200 – 377 [24].
Sử dụng cấu trúc màn chắn Salisbury, Woo Seok Chin đã chế tạo RAM dải tần X có thành phần là sợi thuỷ tinh loại E, polyeste được gia cường bằng cácbon dẫn điện nanotube [108]. Vật liệu composite có độ dày 2,93 mm hấp thụ 90% năng lượng sóng tới.
Hình 1.4: Cấu trúc của màn chắn Salisbury [24]
Năm 2015, Chang và các cộng sự [113] đã tìm ra cấu trúc màn chắn Salisbury hấp thụ năng lượng sóng radar với độ dày lớp dẫn điện là 0,03 mm, lớp nhựa plastic dày 0,1mm, lớp vật liệu tổn hao là xốp PU có độ dày 4 mm đặt trên lớp đế thép không gỉ. Màn chắn cho kết quả hấp thụ lên tới -34 dB tại tần số 9,9 GHz và miền tần số hấp thụ -10 dB là 6 GHz.
Như vậy, màn chắn Salisbury đã chứng tỏ được khả năng hấp thụ ở nhiều mức độ khác nhau cả trong nghiên cứu và các sản phẩm thương mại.
Tuy nhiên, nhược điểm của màn chắn Salisbury là ở các khoảng cách xa nó không hấp thụ hiệu quả sóng tới trên một khoảng tần số rộng.
Dạng thứ hai của vật liệu cộng hưởng là lớp Dallenbach (Hình 1.5), cấu trúc bao gồm một lớp vật liệu tổn hao đồng nhất đặt trên một đế kim loại. Tương tự như màn chắn Salisbury, phản xạ sóng radar tại về mặt bị triệt tiêu bởi tia phản xạ từ đế kim loại. Hệ số phản xạ tại bề mặt lớp Dallenbach được xác định:
in 0
in 0
Z Z
Z Z
Với:
2 1
in 1
1 2
Z jZ tanh( d )
Z Z
Z jZ tanh( d )
Trong đó: Z1, Z2là trở kháng đầu vào và trở kháng cuối của lớp vật liệu, d là độ dày của lớp vật liệu, γ là hệ số lan truyền sóng. Z1, Z2 được xác định bởi công thức (1.37).
Từ các công thức trên, cho thấy sự phối hợp trở kháng phụ thuộc vào tính chất và độ dày của lớp vật liệu tổn hao.
Hình 1.5: Cấu trúc của lớp hấp thụ Dallenbach
Các tác giả [22, 43] sử dụng cấu trúc lớp Dallenbach chế tạo thành công vật liệu RAM hấp thụ sóng radar băng X với thành phần là thủy tinh E trên nền nhựa epoxy chứa hạt cácbon, sợi các bon, và ống nano cácbon đa vách. Vật liệu có hệ số hấp thụ đạt -10 dB với băng thông hấp thụ khoảng 3 GHz.
Sử dụng composite chứa nhựa phenolic và graphite-novolac với các tỷ phần khác nhau, chế tạo vật liệu đơn lớp có độ dày phù hợp điều kiện phối hợp trở kháng tiêu chuẩn một phần tư bước sóng [46]. Kết quả chứng tỏ khả năng hấp thụ tăng theo tỷ phần vật liệu graphite, tổn hao phản xạ đạt -43 dB tại tần số 12,4 GHz, trong khi kết quả tính toán tổn hao phản xạ đạt -53 dB tại cùng tần số; băng thông hấp thụ dưới -10 dB đạt 1 GHz.
1.4.3. Vật liệu tự thích nghi (DARAM)
Các đài radar quân sự phát sóng để truy lùng máy bay hay tàu chiến đối phương ở những tần số bí mật nằm trong vùng 1 – 18 GHz, đây là băng tần rất rộng trong khi vật liệu hấp thụ radar chỉ có thể mang đến hiệu quả ở một dải tần số nhỏ hẹp. Việc chế tạo vật liệu lý tưởng vừa nhẹ, vừa mỏng và có thể hấp thụ sóng radar bao trùm một băng tần rộng có thể ứng phó với tất cả tần số của đối phương là mục tiêu mà các nhà tàng hình học muốn đạt tới.
Vật liệu tự thích nghi được chế tạo từ các vật liệu từ, các chất dẫn điện, các chất điện môi thích hợp và được thiết kế theo một cấu trúc đặc biệt để tạo mạch cộng hưởng triệt tiêu năng lượng sóng radar – cấu trúc hấp thụ sóng radar dạng mạch cộng hưởng.
Chambers và các cộng sự [13, 14, 64] đã xây dựng được cấu trúc này trên cơ sở thiết kế một bề mặt được phủ bằng vật liệu hấp thụ radar có đặc tính ứng biến. Mặt phủ này có thể chế ngự được sóng radar ở bất cứ tần số nào.
Để đáp ứng yêu cầu của cấu trúc hấp thụ băng tần rộng cần hai điều kiện. Điều kiện thứ nhất là nếu điện trở (hay độ dẫn điện) của lớp phủ thay đổi thì tần số hấp thụ radar có thể được di chuyển qua lại trên một băng tần rộng. Điều kiện thứ hai là đặt một bộ cảm ứng phía sau lớp phủ để phát hiện tần số radar đối phương. Khi tín hiệu radar chạm vào lớp phủ, bộ cảm
ứng sẽ lập tức xác nhận tần số radar và sẽ báo cho lớp phủ biết để kịp thời
"ứng biến" (adaptive) điều chỉnh đến tần số hấp thụ bằng một vi mạch liên thông (Hình 1.6). Bên cạnh đó, khi sóng radar của đối phương chuyển sang tần số khác hệ thống này còn có khả năng thay đổi tần số hấp thụ sóng sang tần số tương ứng để triệt tiêu nguồn đe dọa mới. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu polyme dẫn để tạo ra lớp phủ, bởi độ dẫn điện của polymer có thể thay đổi bằng quá trình điện hóa, đồng thời polyme dẫn còn mang tính chất của một tụ điện [13].
Hình 1.6: Cấu trúc vật liệu hấp thụ radar tự thích nghi (DARAM) và bộ cảm ứng xác nhận tần số của sóng tới [64].
Việc sử dụng polyme dẫn trong lớp phủ hấp thụ radar gặp hai trở ngại lớn. Trở ngại thứ nhất liên quan đến đặc tính không ổn định nhiệt của các loại polyme. Chúng thường bị biến tính, phân hủy bởi nhiệt độ cao (80 - 200 0C) và tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trời. Độ dẫn điện của polyme sẽ bị biến đổi hay bị triệt tiêu bởi những tác nhân này. Trở ngại thứ hai là sự thay đổi tần số hấp thụ sóng radar của polyme dẫn trong lớp phủ thông minh có thể kéo dài nhiều phút. Sự ứng biến này quá chậm so với tốc độ biến hoá của radar đối phương.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm Chambers chuyển hướng nghiên cứu và triển khai mô hình điện học để chế tạo một cấu trúc hấp thụ năng lượng radar trên một băng tần rộng - cấu trúc có cả ba đặc tính là điện trở, điện dung và điện cảm. Trên phương diện thực nghiệm, họ chọn diode, một linh kiện thông dụng trong các ứng dụng điện tử, làm đơn vị cấu trúc.
Tổng trở ZS của lớp phủ được xác định bởi [4]:
S
Z R j L 1
j C
(1.35)
Thay đổi các yếu tố R, L, C sẽ cho kết quả hấp thụ tối ưu trên một dải tần rộng. Khi có dòng điện chạy qua, cấu trúc này có thể hấp thụ 90 - 95% năng lượng của sóng tới radar trên một băng tần từ 8 GHz đến 14 GHz. Ngược lại, khi không có dòng điện, cấu trúc có tác dụng phản hồi sóng radar.
1.4.4. Vật liệu từ tính
Vật liệu từ là những vật liệu có độ từ thẩm tương đối khác với giá trị trong chân không, có khả năng cảm ứng từ cao tạo từ thông. Giá trị của độ từ thẩm lớn hơn 1 cho phép điều khiển nội trở kháng và chiết suất của vật liệu phù hợp với nhu cầu hiệu suất hấp thụ. Các vật liệu từ được sử dụng trong RAM thường có độ từ thẩm tương đối cao hơn độ từ thẩm tương đối so với những vật liệu từ thông thường. Trên thực tế, các nghiên cứu không đề cập tới các vật liệu hấp thụ từ tính thuần túy mà thường với các vật liệu có cả tính chất tổn hao từ và tổn hao điện [24].
Đối với dải tần số sóng radar vật liệu từ tính được sử dụng trong vai trò vật liệu hấp thụ khá phổ biến, trong đó sắt và các hợp chất của sắt thường được dùng nhất. Hai vật liệu từ phổ biến nhất được sử dụng trong RAM là sắt cacbonyl [25, 44, 81, 111] và ferrites [6, 7, 41, 47, 114]. Sắt cacbonyl là một loại bột sắt thuần túy, với đường kính hạt nằm trong
khoảng từ vài micromet đến hàng chục micromet. Hiệu suất hấp thụ của RAM là một hàm theo kích thước hạt, trong trường hợp lí tưởng các hạt riêng biệt chứa đủ số domain từ cần thiết để chúng đẳng hướng.
Trong nghiên cứu số [33], các tác giả trình bày sự phụ thuộc hệ số điện môi và độ từ thẩm phức của vật liệu RAM chứa hạt sắt cacbonyl trong môi trường cao su silicon. Phần thực của hệ số điện môi có sự thay đổi đáng kể khi tăng tỷ phần hạt sắt cacbonyl. Kết quả đánh giá chỉ rõ cơ chế tổn hao điện môi là do sự hồi phục phân cực điện môi và tính dẫn điện, còn cơ chế tổn hao từ do tổn hao cộng hưởng sắt từ.
Sử dụng phương pháp nghiền cơ học, Yang và các cộng sự [81] chế tạo thành công hạt sắt cacbonyl dạng vảy kích thước micromet. Vật liệu có hệ số điện môi và độ từ thẩm khá cao so với các sản phẩm hình cầu cùng kích thước. RAM chế tạo từ vật liệu composite chứa 50% hạt sắt cacbonyl với độ dày 3mm đạt tổn hao phản xạ - 23 dB tại tần số 5,5 GHz.
Sử dụng vật liệu sắt cacbonyl thương mại kích thước micromet, Yingying Zhou và các cộng sự đã chế tạo RAM hấp thụ vi sóng dải tần 2- 18 GHz [111]. Với độ dày khá mỏng 0,8 mm, RAM chế tạo được cho khả năng hấp thụ -5 dB trong một dải tần rộng từ 5,76 - 18 GHz. Ngoài ra, các tác giả còn chỉ ra các tham số điện từ của vật liệu có sự thay đổi đáng kể khi tăng nhiệt độ lên 3000C.
Vật liệu từ ferrite là hỗn hợp các oxit kim loại và Fe2O3 có cấu trúc tinh thể. Các vật liệu ferrite được chia thành ba nhóm chính theo cấu trúc tinh thể:
- Vật liệu spinel: Vật liệu từ mềm có cấu trúc lập phương. Công thức tổng quát của vật liệu spinel 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 ferrite 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)
- Vật liệu magnetoplumbite: Các vật liệu có cấu trúc lục phương (hexagonal) và có công thức tổng quát MO.6Fe2O3 (M: Ba2+, Sr2+, Pb2+).
Vật liệu từ ferrite có cấu trúc mạng tinh thể và các nguyên tố kim loại được sử dụng để pha tạp ferrite có thể kiểm soát và thay đổi được, các tính chất điện từ của ferrite có thể được điều chỉnh để phù hợp với những yêu cầu đặc biệt, đây là ưu điểm của nó so với sắt hoặc các vật liệu từ kim loại khác. Mặc dù một số ferrite có độ từ hóa bão hòa thấp hơn so với sắt từ, do đó băng thông tổn hao có phần hạn chế . Do cấu trúc mạng cơ bản của ferrite bao gồm hai bộ lưỡng cực từ định hướng ngược nhau, momen từ tổng hợp trên một phân tử sẽ nhỏ hơn các kim loại từ thuần túy [103]. Tuy nhiên, do khả năng đạt được mật độ xếp chặt cao, chống lại quá trình oxy hóa thành dạng phi từ tính, và khả năng thay đổi các tính chất thông qua các chất pha tạp thích hợp là nguyên nhân khiến vật liệu từ ferrite được sử dụng rộng rãi trong RAM từ tính.
Cấu trúc Dallenbach chứa vật liệu từ là một trong những kỹ thuật chế tạo RAM được các nhóm nghiên cứu quan tâm. Vật liệu RAM chế tạo từ composite chứa vật liệu từ trên nền cao su tổng hợp, parafin hay polychloroprene với các tỷ phần khác nhau dùng để đo khả năng hấp thụ vi sóng. Sử dụng vật liệu nano Ferrite Ni-Zn, các tác giả [47] chế tạo thành công mẫu RAM có độ dày 3,0mm có hệ hấp thụ đạt -12,93 dB tại tần số 12,27 GHz. Kết quả đánh giá cho thấy mẫu RAM chế tạo được là RAM băng tần hẹp, chỉ hấp thụ tốt ở một tần số, còn các tần số khác trong dải tần X hệ số rất thụ còn khá khiêm tốn.
Bằng cách thay thế các thành phần là các nguyên tố kim loại vào ferrite Ni0.5-xZn0.5-xMe2xFe2O4 cho thấy cải thiện đáng kể khả năng hấp thụ và băng thông. Tổn hao phản xạ tăng từ -20,14 dB đối với Ni-Zn ferrite lên -29,56 dB đối với Ni-Zn ferrite thay thế Mn và -35,02 dB khi thay thế Cu; đồng thời băng thông hấp thụ tăng lên tối thiểu là 1,15 GHz [7].
Giải pháp phối trộn vật liệu từ với vật liệu điện môi cũng là một lựa chọn được các nhóm nghiên cứu thực hiện và đã cho thấy tính hiệu quả.
Yang và các cộng sự [114] chế tạo RAM từ vật liệu magnetoplumbite BaFe12O19 phối trộn với graphite, khả năng hấp thụ của mẫu RAM cải thiện rõ rệt, đánh giá cho thấy RAM tổng hợp vật liệu từ và vật liệu điện môi là một lựa chọn tốt trong việc thiết kế, chế tạo vật liệu hấp thụ băng thông rộng.
Đặc biệt, trong công trình [92] Skalski và cộng sự đề xuất một cấu trúc vật liệu chế tạo từ vật liệu từ lưu biến hay lớp phủ thông minh. Vật liệu có tính đàn hồi cao đáp ứng yêu cầu thay đổi hình dạng cả vật thể được phủ lên đồng thời độ cứng tốt đảm bảo chịu được các tác động khí động học. Một điều đặc biệt nữa là tính chất từ của vật liệu có thể điều kiểm soát, đây là một ưu điểm của cấu trúc vật liệu này.
1.4.5. Vật liệu RAM đa lớp
Vật liệu RAM có cấu trúc đa lớp ban đầu được biết đến dưới tên gọi vật liệu đa lớp điện môi hay vật liệu cấu trúc Jaumann gồm các tấm điện môi xếp cách nhau những khoảng một phần tư bước sóng theo thứ tự điện trở giảm dần, giữa các lớp điện môi là các lớp đệm dạng xốp [24].
Với sự phát triển của vật liệu hấp thụ từ tính, vật liệu đa lớp được phát triển theo hướng sắp xếp các loại vật liệu điện môi, vật liệu từ có hệ số điện môi hoặc độ từ thẩm khác nhau tạo thành những lớp vật liệu có tính chất điện, từ khác nhau nằm xen kẽ (Hình 1.7).