اثر شکل

بر اساس قانون مخلوط شدن ماکسول- گرت (معادله ی بالا)، یک کامپوزیت همچنین با فاکتور دی مغناطیسه شدن ( ) در ارتباط است. این فاکتوربه وسیله ی شکل ذرات، تعیین می شود. مقادیر
کامپوزیت ها با ذرات با اشکال مختلف، همانگونه که در شکل 1 مشاهده می شود، محاسبه شده است. برای ذرات کروی، صفحه ی با نرمال موازی و صفحه ی سطحی عمودی، و سطوح یا میله، مقدار به ترتیب برابر با 3/1، تقریبا صفر، 2/1 و 0 است. در نتیجه، رابطه ی زیر برقرار است:

به عبارت دیگر، فرکانس رزونانس به صورت زیر رتبه بندی می شود :

این نشان داده شده است که دوپ کردن می تواند به طور قابل توجهی خواص مغناطیسی کامپوزیت های تولید شده از در فرکانس های بالا را اصلاح کند. این کار از طریق اصلاح شکل ذرات فریتی انجام می شود. همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده است، کامپوزیت های مشتق شده از ذرات فریت دوپ شده، از 3/1 به 6/4 افزایش می یابد و مقدار نیز از 2/1 به مقدار 7/1 افزایش می یابد، در حالی که از 9/5 به 4 GHz، تغییر پیدا می کند (در مقایسه با نمونه ی دوپ نشده). تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) آشکار ساخته است که شکل ذرات فریتی به دلیل دوپ کردن، از حالت شبه مکعبی به حالت شبه صفحه ای هگزاگونال، تبدیل شده است. مقدار متوسط در طول ac از میدان مغناطیسی برای ذرات صفحه ای هگزاگونال، برابر با حدود 1/0 تخمین زده شده است. مقدار برای ذرات دوپ نشده تقریبا برابر با 3/1 تخمین زده شده است. بر اساس معادله ی 11 برای یک ماده ی بالک با نفوذ پذیری ، مقدار محاسبه شده در مقایسه با کامپوزیت های تولیدی با ذرات دوپ نشده و دوپ شده با ، این مقدار از 9/2 به 3/4 افزایش می یابد. می تواند از معادله ی 6 تخمین زده شود. اگر برابر با 9/4 KGs، و به ترتیب برابر با5/8 و 6/0 KOe باشد، فرکانس رزونانس طبیعی ( ) ذرات فریت دوپ نشده و دوپ شده، به ترتیب برابر با 3/6 و 4 GHz می باشد. و محاسبه شده با نتایج تجربی تطابق دارد. بنابراین، افزایش در و کاهش در ) به دلیل اصلاح شکل ذراتی است که این اصلاح بواسطه ی دوپ شدن ، انجام می شود(شکل 2).

اثر اندازه

برای فیلرهای فلزی، اندازه ی ذرات عموما باید کوچکتر از یک مقدار معین باشد. که علت آن وجود اثر گردابی (eddy effect) می باشد. درد این زمینه، به دلیل مقاومت الکتریکی بالا( ، فیلرهای فریتی مسئله ای در زمینه ی اثر گردابی ندارند. به هر حال، اندازه ی ذرات فریت هنوز هم نقش مهمی در تعیین مقادیر نفوذپذیری مغناطیسی کامپوزیت های تولیدی از آنها، دارد. برای مثال، نتایج تجربی نشان می دهد که ‘0µ کامپوزیت های دارای ذرات با اندازه ی 80-320 nm، تقریبا برابر با 2 می باشد که این مقدار به طور تدریجی افزایش و به مقدار 4 می رسد( این مسئله وقتی رخ می دهد که اندازه ی ذرات به مقدار 300 µmمی رسد(شکل 3)). اثر مشابه نیز برای کامپوزیت های فریتی هگزاگونال از جنس ، مشاهده شده است.

همانگونه که قبلا اشاره شده است، بوسیله ی حرکت بازگشتی دیواره ی دومین و چرخش مغناطیسی، تعیین می شود. اندازه ی بحرانی ذرات دومین منفرد، برای فریت های هگزاگونال، تقریبا حدود 1 میکرو متر است. بنابراین، نانوذرات تک حوزه هستند در حالی که ذرات 300 میکرومتری دارای ساختار چند دومینی هستند. به عنوان یک نتیجه، کامپوزیت های با نانوذرات فریتی، دارای هیچ دیواره ی دومینی نیستند و بنابراین، مقدار حدود 2 ایجاد می شود. در حالی که آن دسته از کامپوزیت هایی که از ذرات میکرونیزه، تولید شده اند، هم از رزونانس طبیعی و هم رزونانس دومین برخوردار هستند. برای ذرات با اندازه ی متوسط (با اندازه ی متوسط 3 میکرون)، یک بخشی از آنها که دارای اندازه ای کمتر از 1 میکرون است، تک دومین هستند ولی، بخشی از آنها که دارای اندازه ی بیشتر از 1 میکرون هستند، چند دومین هستند. از این رو، کامپوزیت های دارای این ذرات دارای تقریبا برابر با 3 هستند.
علاوه بر این، و نیز به طور نزدیکی با اندازه ی ذرات (d) در ارتباط هستند. تقریبا به صورت خطی از 3/55 emu/g برای d=10 µm به 4/49 emu/g برای d=20 µm، کاهش می یابد. نیز از مقدار 45 به مقدار 450 Oe افزایش می یابد. کاهش در و افزایش قابل توجه در در هنگام کاهش اندازه ی ذرات، نیز مسئول کاهش نفوذپذیری استاتیک است.
اثر میرایی
و نه تنها به و فرکانس رزونانس ذاتی ( ) وابسته است، بلکه به ضریب میرایی λ نیز وابسته است.
شکل 4 وابستگی و را نسبت به λ نشان می دهد. این مقادیر از معادلات 7 و 8 اندازه گیری شده است. برای و ) معین، نسبت ) به طور تدریجی با کاهش λ، افزایش می یابد. نسبت های وقتی λ از مقدار بینهایت به مقدار 1 تغییر می کند، از مقدار 5/0 به 7/0 افزایش می یابد. به هر حال، این نسبت ها می تواند به طور سریع وقتی λ از مقدار 1 به صفر حرکت می کند، سریعا به سمت بی نهایت می رود. بنابراین، یک مقدار کوچک از λ می تواند منجر به تغییر قابل توجه در و رزونانس شود.

یک مثال در شکل 5 نشان داده شده است. نتایج تطابق داده شده نشان دهنده ی این است که λ به طور قابل توجهی میان دو کامپوزیت (I و II)، متفاوت است ( در کامپوزیت نوع I، CoTi جایگزین شده است و در کامپوزیت نوع II، جایگزینی رخ نداده است). λ برای کامپوزیت نوع I، تنها برابر با 74/0 است، در حالی که مقدار آن برای کامپوزیت های نوع II، برابر با 36/1 است. اگر چه دو کامپوزیت دارای مقادیر و مشابه هستند، مقادیر مربوط به کامپوزیت نوع I به طور قابل توجهی بزرگتر از کامپوزیت نوع II است. به دلیل مقادیر آنها تقریبا مشابه است، افزایش برای کامپوزیت نوع I به خاطر مقادیر اندک λ ، ایجاد می شود. بنابراین، یک کاهش در λ راه مؤثری برای افزایش توأمان و می باشد.

اثر پراکندگی شار مغناطیسی

با توجه به بزرگی ضریب میرایی (λ)، طیف نفوذپذیری مغناطیسی کامپوزیت ها می تواند هم پراکندگی شبه رلکسیشن(λ نسبتا بالا) و هم پراکندگی شبه رزونانسی(λ نسبتا پایین) ایجاد کنند.
طیف نفوذپذیری کامپوزیت های فریت هگزاگونال با آنیزوتروپی صفحه ی c، معمولا پراکندگی شار مغناطیسی شبه رلکسیشن، ایجاد می کند. به دلیل مقدار نسبتا بالای و ، کامپوزیت ها، کاندیداهای مناسبی برای استفاده به عنوان مواد جاذب EM (با پهنای باند وسیع) هستند. به عبارت دیگر، طیف نفوذپذیری کامپوزیت های فریتی با آنیزوتروپی محور C، پراکندگی مغناطیسی شبه رزونانسی از خود نشان می دهند. این طیف دارای چندین خاصیت خاص و مورد نظر می باشد. اول از همه، در نزدیکی گستره ی فرکانس رزونانسی، µ به سرعت افزایش می یابد تا به یک ماکزیمم بزرگتر از برسد و μ^"" (f)دارای یک پیک جذبی نسبتا باریک است. دوما، داشتن λ کوچک موجب می شود تا نسب بتواند بزرگتر از 0.5 شود که این مقدار، مقدار نمونه وار برای طیف نفوذپذیری با پراکندگی شار مغناطیسی رلکسیشنی، است. در نهایت، مقدار بالایی از می تواند بدست آید که دارای آنیزوتروپی محور C فریتی است.
به عنوان یک مثال، طیف نفوذپذیری با پراکندگی شار مغناطیسی شبه رزونانسی با جایگزینی MnTi در باریوم فریت نوع M با محور آنیزوتروپی محور C در 35/0p=، قابل حصول است. اگرچه ( ) نسبتا بسیار کوچک است (تقریبا 11/0)، به اندازه ی 8/0 بزرگ است.
علاوه بر این، =0/75 و حاصل می شود که برای طیف نفوذپذیری مغناطیسی با پراکندگی شار مغناطیسی شبه رلکسیشن، بزرگتر از 5/0 است. مقادیر تجربی و با مقادیر تئوری =1/18 و =36.4 GHz که از معادله ی سوم از بخش اولی این مقاله بدست آمده اند، تطابق دارد (با در نظر گرفتن 5/3Ms= KGs و 13Ha=KOe). برای طیف نفوذپذیری با پراکندگی شبه رلکسیشن، برای بدست آوردن برابر با 75/0، باید حداقل 5/2 باشد. به هر حال، این بسیار سخت است که در فرکانس های بالا، برابر با 5/2 بدست آوریم. بنابراین، در فرکانس های میکروویو بالا و میلیمتری، مقادیر بالا تنها با استفاده از کامپوزیت هایی قابل حصول است که در آنها طیف نفوذ پذیری دارای پراکندگی مغناطیسی شبه رزونانسی است.
خواص جذب میکروویو و فرکانس بالا در کامپوزیت های باریوم فریتی
همانگونه که قبلا گفته شد، خواص مغناطیسی فرکانس بالا، در کامپوزیت های فریتی، به طور قابل توجهی نسبت به آنهایی که از فریت های بالک تولید شده اند، متفاوت است. علت این مسئله، وجود برهمکنش میان ذرات فریت در داخل زمینه ی پلیمری است. تفاوت های قابل توجه عبارتند از کاهش و و افزایش فرکانس های رزونانسی. همچنین تمام نمودارهای RL-f در کامپوزیت های توصیف شده در اینجا، از µ و ε اندازه گیری شده، بدست آمده اند. علاوه بر این، غلظت های حجمی p برای کامپوزیت های مورد بحث، عموما برابر با 5/0 (50%) است مگر آنکه مقدار دیگری اشاره شود.

کامپوزیت های باریوم فریتی نوع M

عموما، فریت های هگزاگونال نوع M (Ba?Fe?_12 O_19) موا د مغناطیس سخت هستند و دارای آنیزوتروپی محور C هستند. مغناطش اشباع آنها ( ) برابر با 8/4 KGs، ثابت مگنتوکریستالی برابر با و میدان آنیزوتروپی ( ) برابر با 8/16 KOe. به دلیل داشتن آنیزوتروپی محور C بالا، نفوذپذیری حقیقی استاتیک ( ) تنها برابر با 3/1 و فرکانس رزونانسی ( ) تا 45 GHz نیز می رسد. این نتایج بوسیله ی تجربه و پیش بینی های تئوری (معادله ی سوم از بخش اول این مقاله) نیز به اثبات رسیده است. بنابراین برای کاهش فرکانسرزونانسی و تنظیم آن در گستره ی 1-18 GHz، این ضروری است که میدان آنیزوتروپی ( ) را کاهش داد یا آنیزوتروپی را از محور C به صفحه ی C تغییر داد.

یون های ، که قادر به ایجاد آنیزوتروپی صفحه ی c هستند، اغلب برای جایگزینی با یون های مورد استفاده قرار می گیرد و آنیزوتروپی Ba?Fe?_12 O_19 از محور C به صفحه ی C، اصلاح می شود تا جایی که نفوذپذیری نسبتا بالایی ( و ) حاصل شود. غلظت این جانشینی، فاکتور مهمی است. برای مثال، غلظت های جانشینی باید برای CoTi و CoRu جایگزین شده در (Me=Ti,Ru)، به ترتیب برابر با 2/1x> و 4/0x> باشد. با جایگزینی این ماده با CoRu، وقتی x از 2/0 به 4/0 افزایش یابد، مغناطش اشباع ( ) نیز تقریبا ثابت است، در حالی که کوئرسیویتی ( ) از 500 بهOe250 کاهش می یابد. این مسئله اصلاح آنیزوتروپی را تأیید می کند. در نتیجه، به طور قابل توجهی افزایش می یابد و از 3 به 7 می رسد. همچنین به طور سریع از 14 به 1 GHz کاهش می یابد. با جانشینی بیشتر، در 8/0x=، از 7 به 4 کاهش می یابد در حالی که از 1 به 7 GHz افزایش می یابد.

رزونانس فرومغناطیسی نشاندهنده ی این است که برای فریت های هگزاگونال نوع M جایگزین شده با CoTi و Sc با 6/1x=، از 46 به 18 و 10 کاهش می یابد. خواص مغناطیسی در فرکانس بالا و کارایی های جذبی EM برای MnTi، ZnSn، فریت های هگزاگونال نوع M دارای جانشینی و کامپوزیت های آنها، مورد بررسی قرار گرفته است. برای مثال، کامپوزیت های مشتق شده از ترکیب فریت با 5/1x= و 2، دارای پهنای باند وسیع است که از 1/14 تا حدود 20 GHz و از 4/7 تا 12 GHz، گسترده است. این گستره ها به ترتیب در ضخامت 6/1 و7/2 mm ایجاد می شود (برای تلفات کمتر از 20 دسی بل).
شکل 7 نشاندهنده ی طیف نفوذپذیری کامپوزیت های تولید شده با استفاده از جایگزینی MnTi در داخل فریت های و 8/1 و 6/1 و 4/1x=است. این طیف دارای پراکندگی شبه رزونانسی با ضریب میرایی (λ) برابر با 1/0 می باشد. این مقدار بسیار کوچکتر از مقدار 5/1 است که معمولا در کامپوزیت های با طیف نفوذپذیری دارای پراکندگی شار مغناطیسی شبه رلکسیشن، مشاهده می شود. در بیرون از گستره ی رزونانسی، نسبتا کوچک است (تنها 2/1 است)، در حالی که در نزدیکی گستره ی رزونانسی، µ’ حدود 2 است و بیشتر از 1 قابل حصول است. با کاهش x از 18/0 به 14/0، از 5/8 به 5/14 GHz شیفت پیدا می کند.

شکل 7 ب، نشاندهنده ی کامپوزیت های با پراکندگی شار مغناطیسی شبه رزونانسی است که می تواند اتلاف انعکاس (RL) اندک با پهنای باند قابل توجه، ایجاد کند. پهناهای فرکانسRL<-15 dB گستره ی 5/8 تا 13 GHz و از 11 تا 5/16GHz را به ترتیب برای ضخامت های 22/0 و 18/0 ایجاد می کند. این کامپوزیت ها کاندیداهای خوبی برای افت قدرت موج های EM، در باندهای هستند.