Vật liệu Meta hấp thụ súng điện từ (MPA)

Mục này trỡnh bày một cỏch ngắn gọn nhất về khỏi niệm, đặc tớnh và cỏc ứng dụng của súng vi ba trong khoa học kỹ thuật cũng nhƣ trong cuộc sống hằng ngày; những đặc trƣng cơ bản của một số vật liệu hấp thụ súng điện từ, khả năng ứng

fe = 30 GHz fm = 13.8 GHz

dụng và xu hƣớng phỏt triển của mỗi loại vật liệu và cỏc cơ chế hấp thụ cơ bản xảy ra trong từng loại vật liệu.

a. Súng điện từ trong v ng tần số vi ba

Cựng với sự phỏt triển tiến bộ khụng ngừng của xó hội, cỏc thiết bị làm việc trong dải súng siờu cao tần, đặc biệt là dải súng vi ba cú tần số GHz, đƣợc ứng dụng phổ biến và rộng rói trong tất cả cỏc lĩnh vực của khoa học, cụng nghệ và đời sống. Muốn chế tạo đƣợc cỏc thiết bị đú thỡ nhu cầu hiểu biết cỏc khỏi niệm, quy luật, tớnh chất, quỏ trỡnh dao động của súng điện từ ở dải tần số này trong cỏc mụi trƣờng vật chất là rất cần thiết.

Súng vi ba thực chất là một dạng năng lƣợng điện từ. Nú giống nhƣ súng ỏnh sỏng hay súng radio và nú cũng chiếm một phần phổ điện từ cú bƣớc súng λ nằm trong khoảng từ 1 mm  30 cm (λ = c/f) tƣơng ứng với tần số từ 1  300 GHz (xem hỡnh 1.11).

Hỡnh 1.11. Phổ bức xạ điện từ và mụ hỡnh truyền súng điện từ trong khụng gian

Súng vi ba cú những đặc tớnh cơ bản nhƣ: khả năng xuyờn qua bầu khớ quyển của trỏi đất, cú thay đổi ớt về cụng suất truyền và phƣơng truyền; cú tớnh định hƣớng cao khi bức xạ từ những vật cú kớch thức lớn hơn nhiều so với bƣớc súng; khoảng tần số cho phộp sử dụng rất lớn đỏp ứng đƣợc lƣợng truyền thụng tin ngày càng nhiều, đặc biệt, ở dải súng này kớch thƣớc của cỏc phần tử và thiết bị cú thể so sỏnh đƣợc với chiều dài bƣớc súng.

Nguyờn lý hoạt động của cỏc bức xạ vi ba là dựa trờn hiện tƣợng hấp thụ một phần năng lƣợng điện từ để sinh nhiệt do sự tƣơng tỏc của điện từ trƣờng với cỏc phõn tử vật chất của vật liệu hấp thụ. Do đú, súng vi ba đƣợc sử dụng nhƣ một súng mang thụng tin hay nhƣ một vectơ năng lƣợng [3]. Sự phỏt nhiệt xảy ra khi nguyờn liệu là chất điện mụi hoặc vật dẫn. Sự hấp thụ năng lƣợng điện từ phụ thuộc vào độ phõn ly δ với tanδ = ε"/ε', trong đú phần thực ε' của hằng số điện mụi thể hiện khả năng phõn cực dƣới tỏc động của điện trƣờng ngoài, phần ảo ε" của hằng số điện mụi là yếu tố tổn hao do tỏc động của quỏ trỡnh chuyển năng lƣợng điện từ thành nhiệt năng.

Súng vi ba cú ứng dụng rộng rói trong đời sống và thƣờng đƣợc sử dụng để tiếp õm cỏc tớn hiệu điện thoại cú khoảng cỏch truyền xa, cỏc chƣơng trỡnh truyền hỡnh hay cỏc thụng tin mỏy tớnh đƣợc truyền từ trỏi đất tới một trạm vệ tinh trong vũ trụ. Ngoài ra, chỳng ta cũng cú thể dựng nú để nhận biết đƣợc tốc độ của xe ụtụ và cỏc phƣơng tiện giao thụng. Và gần gũi hơn, súng vi ba cũn cú thể đƣợc sử dụng nhƣ là một nguồn năng lƣợng trong cỏc thiết bị nấu ăn hàng ngày. Súng vi ba thực sự đó thõm nhập vào đời sống con ngƣời, là cơ sở cho một cụng nghệ phổ biến dựng trong hàng triệu hộ gia đỡnh để đun nấu thức ăn. Ƣu điểm của việc sử dụng vi súng đun nấu thức ăn là do cỏc phõn tử nƣớc cú mặt trong đa số loại thực phẩm cú tần số cộng hƣởng quay nằm trong vựng vi súng. Ở tần số hoạt động của lũ vi súng là 2.45 GHz (bƣớc súng 12.2 cm), cỏc phõn tử nƣớc hấp thụ hiệu quả năng lƣợng vi súng và chuyển thành dao động nhiệt. Nếu sử dụng bỡnh làm từ vật liệu khụng chứa nƣớc để đựng thức ăn trong lũ vi súng, thỡ chỳng vẫn cú xu hƣớng mỏt lạnh, đú là một tiện lợi đỏng kể của việc nấu nƣớng bằng vi súng.

Bức xạ vi ba đƣợc tạo thành từ cỏc súng vụ tuyến tần số cao nhất, đƣợc phỏt ra bởi Trỏi Đất, cỏc tũa nhà, xe cộ, mỏy bay và những đối tƣợng kớch thƣớc lớn khỏc. Ngoài ra, bức xạ vi ba mức thấp tràn ngập khụng gian, xem nhƣ đƣợc giải phúng ra từ vụ nổ Big Bang khi khai sinh ra vũ trụ. Cỏc nhà thiờn văn sử dụng bức xạ vi ba ngoài Trỏi Đất để nghiờn cứu Dải Ngõn hà và những thiờn hà lõn cận khỏc. Một lƣợng đỏng kể thụng tin thiờn văn cú nguồn gốc từ việc nghiờn cứu một bƣớc súng phỏt xạ đặc biệt cú bƣớc súng 21 cm tƣơng ứng với tần số 1.42 GHz của cỏc nguyờn tử hydrogen khụng tớch điện, chỳng phõn bố rộng khắp trong khụng gian.

Súng vi ba cũng đƣợc dựng trong truyền phỏt thụng tin từ Trỏi Đất lờn vệ tinh nhõn tạo trong cỏc mạng viễn thụng rộng lớn, chuyển tiếp thụng tin từ cỏc trạm phỏt mặt đất đi những khoảng cỏch xa, và lập bản đồ địa hỡnh. Những ứng dụng quõn sự ban đầu sử dụng một băng thụng hẹp và tăng cƣờng điều biến băng thụng bằng cỏc vi súng cú khả năng hội tụ, chỳng khú bị ngăn chặn và chứa một lƣợng thụng tin tƣơng đối lớn.

b. ật liệu hấp thụ súng vi ba

Trờn thế giới đó cú rất nhiều cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu về những loại vật liệu hấp thụ súng điện vi ba đó đƣợc cụng bố rộng rói và đƣa vào ứng dụng mang lại hiệu quả cao trong đời sống cũng nhƣ trong lĩnh vực quõn sự tại khụng chỉ cỏc nƣớc phỏt triển mà cả những nƣớc đang phỏt triển. Phần này giới thiệu về một số loại vật liệu hấp thụ súng vi ba, cơ chế hấp thụ của chỳng.

Ph n oại vật iệu hấp thụ súng vi ba

+ Vật liệu polymer: Là vật liệu mới đƣợc nghiờn cứu và phỏt triển trong những năm gần đõy nhờ cú kết cấu đa dạng, đặc tớnh cơ lý-húa học độc đỏo. Phức hợp vật liệu polyme dẫn điện với vật liệu vụ cơ tổn hao từ hoặc cỏc hạt vật liệu cực nhỏ cú thể phỏt triển thành một loại vật liệu kiểu mới, nhẹ và cú khả năng hấp thụ súng viba trong dải tần số rộng. Sản phẩm kết hợp polyme dẫn là Contex, một loại sợi do hóng Milliken & Co, sản xuất từ năm 1990. Sợi đƣợc phủ lớp vật liệu polyme dẫn đƣợc gọi là Polypyrrole và cú thể dệt thành thảm chống tĩnh điện, đó đƣợc Mỹ sử dụng cựng với những tấm Card trờn mỏy bay để triệt tiờu năng lƣợng đến của súng Radar [2].

+ Vật iệu Chira Chiral là một hiện tƣợng mà vật thể và ảnh qua gƣơng của nú khụng tồn tại tớnh đối xứng về hỡnh học, khụng thể sử dụng bất cứ phƣơng phỏp nào để làm cho vật thể và ảnh qua gƣơng của nú tồn tại đối xứng về hỡnh học, cũng nhƣ khụng thể sử dụng bất cứ phƣơng phỏp nào để làm cho vật thể và ảnh đối xứng qua gƣơng trựng hợp với nhau. Bắt đầu từ năm 1950, cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu cho thấy vật liệu Chiral cú thể phản xạ hoặc hấp thụ súng điện từ. Đến năm 1980, nghiờn cứu đặc tớnh hấp thụ và phản xạ súng vi ba của vật liệu Chiral đƣợc thực sự

coi trọng [14,35,42,62,78,81]. Hiện nay, vật liệu Chiral hấp thụ súng radar là hỗn hợp vật liệu cơ bản để tạo thành vật liệu phức hợp.

 Hệ vật iệu a1-xSrxMnO3

Vật liệu perovskite đó đƣợc biết đến với nhiều nghiờn cứu trờn thế giới, đặc biệt là hệ vật liệu perovskite LaMnO3 với sự pha tạp cỏc nguyờn tố đất hiếm vào vị trớ của La hay cỏc nguyờn tố kim loại chuyển tiếp vào vị trớ của Mn với cỏc nồng độ khỏc nhau đó thể hiện nhiều tớnh chất vật lý lý thỳ. Hiện nay, ngoài việc nghiờn cứu cỏc tớnh chất từ của hệ vật liệu La1-xSrxMnO3 (LSMO), đó cú rất nhiều cụng trỡnh nghiờn cứu về khả năng hấp thụ súng điện từ trong vựng tần số vi ba của hệ vật liệu này và đó thu đƣợc rất nhiều cỏc kết quả khả quan. Tiờu biểu là cụng bố năm 2013 của nhúm nghiờn cứu tại Viện Khoa học & cụng nghệ Trung Quốc về hệ vật liệu nano La0.6Sr0.4MnO3 đƣợc chế tạo bằng phƣơng phỏp sol – gel với kớch thƣớc hạt hoàn toàn cú thể điều khiển bằng việc thay đổi nhiệt độ thiờu kết. Theo nghiờn cứu này, với cỏc độ dày và kớch thƣớc hạt nano khỏc nhau, khả năng hấp thụ súng vi ba trong dải tần số từ 2  18 GHz của cỏc tấm vật liệu hấp thụ LSMO ( x = 0.4 ) cũng khỏc nhau. Giỏ trị của độ tổn hao phản xạ (RL) tại cỏc đỉnh hấp thụ cộng hƣởng của tấm vật liệu LSMO ( x = 0.4 ) dày 1.5 mm đạt giỏ trị kỷ lục lờn đến -64.6 dB tại tần số 16.4 GHz [36]. Một loạt cỏc cụng bố trƣớc đú trờn hệ LSMO với x = 0.3 về khả năng hấp thụ súng vi ba trong dải tần này cũng đó đƣa ra cỏc kết quả khỏ cao nhƣ: cụng bố của nhúm cỏc nhà khoa học tại Viện Khoa học ứng dụng Đài Loan về khả năng hấp thụ súng vi ba trong dải tần số từ 6  14 GHz trờn hệ LSMO/2CNTs, giỏ trị RL đạt -22.8 dB tại đỉnh cộng hƣởng hấp thụ tƣơng ứng với tần số 9.5 GHz [88]; cụng bố của một nhúm khoa học khỏc tại trƣờng đại học Xidian - Trung Quốc trờn hệ LSM (Fe, Co, Ni)O chế tạo bằng phƣơng phỏp phản ứng pha rắn, cho kết quả đỉnh hấp thụ cộng hƣởng đạt giỏ trị cao nhất đạt -27.67 dB tại tần số 10.97 GHz [72]; nghiờn cứu của R. B. Yang và cộng sự tại viện Vật lý Hoa Kỳ trờn hệ hợp chất LSMO với độ cảm từ õm chế tạo bằng phƣơng phỏp phản ứng pha rắn, kết quả chỉ ra với cỏc độ dày khỏc nhau từ 1.5 mm đến 2.5 mm thỡ giỏ trị độ tổn hao phản xạ trung bỡnh cỡ -10 dB trong một dải tần số cú độ rộng 1.5 GHz và tại đỉnh cộng

hƣởng hấp thụ đạt cao nhất -23 dB tại tần số 10.5 GHz cho tấm vật liệu LSMO dày 1.5 mm [85]…

Tất cả những kết quả nờu trờn cho thấy rằng khả năng hấp thụ súng vi ba của vật liệu đó và đang thu hỳt đƣợc nhiều sự quan tõm nghiờn cứu đồng thời hứa hẹn sẽ mở ra nhiều hƣớng ứng dụng mới trong khoa học cụng nghệ và kỹ thuật.

1.5.2 Cỏc cơ chế hấp thụ của vật liệu

Trƣớc khi phõn tớch cỏc cơ chế hấp thụ của vật liệu, trong phần này luận ỏn sẽ giới thiệu cỏc kỹ thuật khử súng phản xạ từ bề mặt vật liệu đến thiết bị thu [87]. Cú thể kể đến cỏc kỹ thuật khử phản xạ sau:

 Kỹ thuật khử phản xạ chủ động

 Kỹ thuật khử phản xạ bị động

 Kỹ thuật khử phản xạ bằng hỡnh dạng

 Kỹ thuật khử phản xạ bằng hấp thụ

Trong cỏc kỹ thuật khử phản xạ trờn, chỳng tụi đặc biệt quan tõm đến kỹ thuật khử phản xạ hấp thụ vỡ đõy là kỹ thuật đƣợc ứng dụng rộng rói và hiệu quả nhất vào mục đớch kinh tế, quõn sự.

Cỏc vật liệu cú thể hấp thụ súng điện từ theo nhiều cơ chế khỏc nhau nhƣng trong thực tế vật liệu hấp thụ súng điện từ núi chung, vật liệu hấp thụ súng vi ba và súng radar núi riờng chỉ đƣợc cấu thành từ 3 vật liệu cơ bản đú là vật liệu dẫn, vật liệu điện mụi và vật liệu từ tớnh. Vỡ vậy, cỏc cơ chế hấp thụ súng điện từ của vật liệu cũng sẽ đƣợc trỡnh bày trờn cơ sở cỏc cơ chế hấp thụ xảy ra trong ba loại vật liệu trờn và đƣợc chỳng tụi giới thiệu cụ thể trong phần dƣới đõy.

 Vật iệu dẫn

Cơ chế hấp thụ trong vật liệu dẫn cơ bản là tổn hao xoỏy do sự xuất hiện của dũng cảm ứng Foucault khi cú súng điện từ lan truyền trong một vật dẫn điện [63]. Điện trở của vật dẫn chớnh là yếu tố tổn hao và chuyển đổi năng lƣợng của dũng Foucault thành nhiệt năng. Hiệu ứng này đƣợc ứng dụng làm cỏc bếp nấu cảm ứng.

(1.11)

Trong đú: - k là tham số điều chỉnh hỡnh dạng

- f và BP là tần số và cƣờng độ vectơ từ trƣờng của súng điện từ

- d, , D là kớch thƣớc, điện trở suất và khối lƣợng riờng của vật liệu. Với những vật liệu cú kớch thƣớc hạt lớn và độ dẫn điện cao thỡ tổn hao xoỏy là khỏ lớn. Cũn với cỏc vật liệu kớch thƣớc hạt nano, tổn hao xoỏy tổng cộng thƣờng bộ, nhƣng mật độ (hay hiệu suất) tổn hao lại lớn hơn so với vật liệu khối, và sẽ chỉ gõy phản xạ yếu khi kớch thƣớc cỏc hạt nhỏ hơn bƣớc súng  của súng tới.

Cỏc vật liệu hấp thụ súng viba trờn cơ sở tổn hao xoỏy thƣờng bao gồm cỏc hạt kim loại hoặc carbon cú độ dẫn điện cao (gọi là chất “nhồi”) đƣợc trộn đều trong một chất mang nhƣ polymer, silicon, cao su, sợi vải, … Với kớch thƣớc cỏc hạt bộ (bộ hơn độ thấm sõu skin), cỏc hạt này hấp thụ súng điện từ hiệu quả, nhƣng lại cú hệ số phản xạ thấp. Ngoài việc làm cho súng điện từ phản xạ qua lại nhiều lần giữa cỏc hạt dẫn điện bờn trong lớp vật liệu hấp thụ súng vi ba gúp phần tăng cƣờng khả năng hấp thụ do tổn hao tỏn xạ, cỏc hạt nano kim loại cũn hỡnh thành nờn vụ số cỏc vi tụ điện trong lũng vật liệu và vỡ thế nõng cao hằng số điện mụi  .

 Vật iệu điện mụi

Vật liệu điện mụi hấp thụ súng điện từ thụng qua sự phõn cực tần số cao của cỏc lƣỡng cực điện làm cho cỏc phõn tử và ion dao động, gõy tổn hao và sinh nhiệt do năng lƣợng súng điện từ đƣợc hấp thụ, hiện tƣợng này cũn đƣợc gọi là đốt núng điện mụi (dielectric heating) [8,24,70]. Đõy cũng chớnh là nguyờn tắc hoạt động của cỏc lũ vi súng.

Cụng suất hấp thụ súng điện từ của một chất điện mụi đƣợc tớnh theo cụng thức:

P = 2”0fE2 = 20fE2rtan (1.12)

Trong đú:

- ” là phần ảo của độ điện thẩm phức của vật liệu.

- 0 là độ điện thẩm của mụi trƣờng.

- f và E là tần số và cƣờng độ điện trƣờng của súng tới.

D k f d B P  2 P2 2 2 /6 

- r là độ điện thẩm tƣơng đối và tan là hệ số tổn hao phụ thuộc tần số.

Theo điều kiện phối hợp trở khỏng với mụi trƣờng súng tới, để khử hiện tƣợng

phản xạ, vật liệu cần cú trở khỏng Z = Z0 =  377 . Điều kiện này cũng đạt

đƣợc khi r = àr (àr là độ từ thẩm tƣơng đối, thƣờng bộ hơn r trong cỏc chất điện mụi). Ngoài ra, để súng phản xạ tại hai mặt của lớp điện mụi tự triệt tiờu lẫn nhau, ngoài điều kiện phối hợp trở khỏng, độ dày lớp điện mụi cần phải thỏa món d = (2n+1)/4√ ; (n = 0, 1, 2, …).

 Vật iệu từ

Cơ chế hấp thụ cơ bản: do sự phõn cực của cỏc lƣỡng cực từ ở tần số cao, gõy ra tổn hao và sinh nhiệt.

Một chất sắt từ (hay ferrit từ) cú khả năng hấp thụ và chuyển húa súng điện từ thành năng lƣợng nhiệt theo nhiều cơ chế khỏc nhau. Tựy thuộc vào bản chất của vật liệu và vựng tần số của súng điện từ mà cơ chế hấp thụ nào sẽ trở nờn trội hơn. Cỏc hạt nano từ hấp thụ súng điện từ và giải phúng nhiệt năng theo cỏc cơ chế cơ bản sau:

a) Cơ chế tổn hao từ trễ: Cơ chế tổn hao từ trễ: năng lƣợng tổn hao từ trễ đƣợc ƣớc tớnh theo diện tớch loop từ trễ ∮ . Khi đƣợc đặt trong một súng điện từ xoay chiều cú tần số kớch thớch f, cụng suất tổn hao sẽ là ∮ . Tuy nhiờn, trong từ trƣờng thấp (H<<Hc), tổn hao từ trễ thƣờng rất bộ và gần nhƣ bằng 0 khi hệ hạt trong trạng thỏi siờu thuận từ [17,32].

b) Tổn hao do hiện tượng cộng hưởng sắt từ: cộng hƣởng sắt từ (hay cũn gọi là cộng hƣởng tự nhiờn) xảy ra khi tần số súng kớch thớch bằng tần số của moment spin dao động quanh trục dị hƣớng, với tần số cộng hƣởng là một hàm tỷ lệ thuận với