این مقاله به ما کمک می کند تا پیشرفت های ایجاد شده در برخی از ساختارها و مواد مورد استفاده در کاربردهای الکترومغناطیس را به طور خلاصه وار، مورد بررسی قرار دهیم. کاربردهای الکترومغناطیس این مواد عبارتند از جاذب های میکروویو، سپر های الکتریکی و طراحی های آنتن. این کاربردها، در سال های اخیر، توسعه ی قابل توجهی پیدا کرده اند. کامپوزیت های تولید شده از پودرهای کروی که در جاذب های میکروویو مورد استفاده قرار می گیرند، عمدتا بر روی آنهایی تمرکز دارد که از جنس فریت ها (مخصوصا فریت های هگزاگونال)، کربونیل آهن و آلیاژهای مربوطه و انواع جدیدی از مواد نانوسایز، ساخته می شوند. کامپوزیت های با الیاف رسانای بلند (مانند فیلرها) نیز به طور خلاصه بررسی شده اند. همچنین توجه خاصی به پیش بینی، اندازه گیری و ارزیابی کارایی آنها شده است. مواد فلزی مانند ساختارهای مورد استفاده در کاربردهای جاذب میکروویو، مواد و ساختارهای تنظیم پذیر (tunable materials) با قابلیت تنظیم ضریب انعکاس یا عبور آنها بواسطه ی اعمال میدان های مغناطیسی یا الکتریکی و ساختارهای طراحی شده برای جاذب های میکروویو (با ضخامت بسیار کمتر از مواد کامپوزیتی متداول و کارایی که می تواند بوسیله ی خواص فیزیکی زیرلایه، تغییر کند)، همچنین متامتریال های جدید تولید شده از هسته ی فریتی از جمله ی مواد مورد بررسی می باشد. این متامتریال های جدید، در تولید کویل های سیمی فلزی مورد استفاده قرار می گیرند که دارای خواص مغناطیسی استثنایی هستند. علاوه بر این، این کویل ها، نفوذپذیری مغناطیسی حقیقی و موهومی بالایی دارند که با تغییر در پیکربندی آنها، تغییر می کند. مواد مگنتودی الکتریک با نفوذپذیری مغناطیسی و ثابت دی الکتریک تطبیق پذیر، که دارای تانژانت تلفات مغناطیسی و دی الکتریکی اندکی هستند، قابلیت استفاده در کاربردهایی را خواهد داشت که در آن نیاز به مینیاتوریزاسیون (کوچک سازی) آنتن وجود دارد.

مقدمه

مواد الکترومغناطیس (EM) که در فرکانس هایی بین 1-18 GHzکار می کنند، به طور گسترده در کاربردهای تجاری، صنعتی و دفاعی، مورد استفاده قرار می گیرند. به دلیل داشتن خاصیت جذب بالای موج های EM، این مواد می تواند برای مینیمم کردن تابش ها و تداخل های مختلف EM، مورد استفاده قرار گیرند. در طی دهه ها، مواد مختلفی برای این اهداف توسعه یافته اند. توجه کنید که تنها گزارش های محدودی وجود دارد که پیشرفت های انجام شده در زمینه این گروه از مواد، را مورد بررسی قرار داده است. این مقاله ی مروری کمک می کند تا پیشرفت های اخیر در زمینه ی مواد و ساختارهای کامپوزیتی دارای خواص EM پیشرفته را برای کاربردهایی مانند جاذب ها و سپرهای جاذب میکروویو، مورد بررسی قرار گیرد. این مواد کامپوزیتی عبارتند از کامپوزیت های فریت هگزاگونال، کامپوزیت های با فیلرهای فلزی مغناطیس، کامپوزیت های با ذرات نانوسایز، کامپوزیت های با الیاف رسانا، متامتریال های با خواص EM پیشرفته و مواد مگنتو-دی الکتریک با خواص نفوذپذیری مغناطیسی و ثابت دی الکتریک انطباق پذیر. مواد و کامپوزیت های الکترومغناطیسی بر پایه ی پلیمرهای رسانا، طراحی جاذب های موج EM با ساختارهای خاص، بهینه سازی کارایی جذبی با استفاده از ساختارهای چندلایه و ... جزء مواردی مورد بررسی در این مقاله نیست.
در بخش مواد کامپوزیتی بر پایه ی فریت های هگزاگونال برای استفاده در جاذب های میکروویو، خواص EM کامپوزیت های تولید شده از فریت های هگزاگونال مختلف به طور سیستماتیک ارائه شده است. کامپوزیت های با ذرات فلزی مغناطیسی مخصوصاً کربونیل آهن، در بخش " مواد کامپوزیتی دارای افزودنی های فلزی" مورد بررسی قرار خواهد گرفت. نانومواد دارای خواصEM در بخش "کامپوزیت های با ذرات نانوسایز" به طور خلاصه، بیان شده است. بخش مربوط به " خواص میکروویو کامپوزیت های با الیاف رسانای طویل، بر روی مواد کامپوزیتی تمرکز خواهد داشت که دارای الیاف رسانا هستند. پیشرفت ها در زمینه ی متامتریال های با خواص EM، در بخش "متامتریال ها و ساختارهای با خواص EM پیشرفته" مورد بررسی قرار می گیرند. بخش " مواد مگنتو دی الکتریک با نفوذپذیری مغناطیسی و ثابت دی الکتریک منطبق"، پیشرفت های اخیر در زمینه ی مواد مگنتودی الکتریک با کاربرد بالقوه در مینیاتوریزاسیون آنتن های با باند فرکانس بالا (HF) و باند فرکانس بسیار بالا (VHF) را مورد بررسی قرار داده است.
مواد کامپوزیتی بر پایه ی فریت هگزاگونال برای استفاده در جاذب های میکروویو

مقدمه

خاصیت جذب الکترومغناطیس یک ماده، معمولا با استفاده از نمودارهای بازتابش (reflectivity) به فرکانس بیان می شود. از لحاظ بازتابش توان یک موج صفحه ای (که از یک اسلب نامحدود از ماده ای انعکاس یافته است که این اسلب بوسیله ی یک پوشش فلزی، پوشش داده شده است)، اتلاف بازتابش یا انعکاس ماده (در حالت انعکاس نرمال)، که می تواند با واحد دسی بل بیان شود، با استفاده از فاکتورهایی مانند µ، ? و ضخامت ماده (t)، بیان می شود.
این انتظار وجود دارد که مواد جاذب الکترومغناطیس همواره دارای پهنای باند وسیع، RL مینیمم و ضخامت کوچک یا به عبارت دیگر سبک باشند. پهنای باند یکی از مهم ترین پارامترهای یک جاذب است که نشاندهنده ی جذب EM ماده در کاربرد واقعی می باشد. پهنای باند ماکزیمم طول موج (یا فرکانس) در مواد مغناطیسی با نفوذپذیری استاتیک آن ( )، به صورت زیر در رابطه است:

که در اینجا، انعکاس پذیری، t ضخامت ماده، و به ترتیب، حد بالایی و پایینی پهنای باند برای انعکاس پذیری می باشد. معادله ی زیر نشاندهنده ی این است که برای حصول یک جذب در پهنای باند یعنی بزرگ و ضخامت t کوچک، مواد باید دارای مقدار بزرگی داشته باشند.
تحت شرایط معین، ضخامت t برای مواد جاذب EM به طور نزدیکی با نفوذپذیری مغناطیسی موهومی در ارتباط است.

بنابراین، t به طور عکس با در ارتباط است. به عنوان یک نتیجه، برای کاهش t یک ماده ی EM، یک روش مؤثر، کاهش مقدار آن است.
در نهایت، برای حصول انعکاس پذیری پایین، انطباق امپدانس میان مواد و فضای آزاد نیز فاکتوری مهم است. انطباق امپدانس با نسبت µ به ? در ارتباط است. به هر حال، در بیشتر مواد EM، مقدار در فرکانس های میکروویو، به طور قابل توجهی کوچکتر از است. بنابراین، این انتظار وجود دارد که یک افزایش در µ یا یک کاهش در ?، نسبت این دو پارامتر را به واحد نزدیک می کند.
مواد یا کامپوزیت های جاذب الکترومغناطیس اغلب با مخلوط کرده ذرات مغناطیسی و دی الکتریک آماده سازی می شوند. این ذرات اغلب با نام فیلر نامیده می شوند. در واقع این دو لغت در تمام این مقاله دارای معنای یکسانی هستند. این نشان داده شده است که کارایی کامپوزیت های EM به طور قابل توجهی به خواص مغناطیسی و دی الکتریک ذرات وارده شده در این کامپوزیت ها، بستگی دارد. در بیشتر موارد، برهمکنش های میان ذرات همچنین نقش مهمی در تغیین کارایی این کامپوزیت ها، ایفا می کند.
ذرات مغناطیسی مورد استفاده در تولید کامپوزیت های EM، معمولا دو نوع هستند. این مواد یا فریتی و فلزی نامیده می شوند یا ذرات آلیاژی هستند. در مقایسه با ذرات فلزی و آلیاژی، ذرات فریتی دارای مزیت های مهمی مانند نفوذپذیری مغناطیسی پایین، فرکانس رزونانس بالا، مقاومت ویژه ی بالا، دانسیته ی پایین و پایداری شیمیایی بالا، هستند. بنابراین، کامپوزیت های فریتی کاندیداهای مطمئن برای تولید مواد جاذب EM با پهنای باند مناسب می باشند. مخصوصا به دلیل تطابق لایه ی میان مواد EM و فضای آزاد در پیکربندی چند لایه ای. این بخش به بررسی خواص مغناطیسی، دی الکتریک و EM مواد کامپوزیتی اختصاص یافته است که از فریت های به عنوان ذرات پراکنده شونده، استفاده می کنند.
عموماً سه نوع فریت وجود دارد که نام های این سه نوع عبارتند از فریت های اسپینلی، گارنتی و باریومی (هگزاگونال). این نام گذاری با توجه به ساختار آنها، انجام شده است. خواص و کاربردهای این فریت ها، به طور خلاصه در جدول 1 آورده شده است. بیشتر فریت های اسپینلی دارای نفوذ پذیری مغناطیسی بالایی هستند و به طور متداول در تکنولوژی های الکتریکی و الکترونیکی مورد استفاده در فرکانس های رادیویی (RF)، VHFو فرکانس بالا (UHF)، کاربرد دارند. مهم ترین ویژگی های فریت های گارنتی، شامل خواص ژیرومغناطیسی بالا و تانژانت های اتلاف مغناطیسی و دی الکتریک بسیار پایین است. از این رو، این فریت ها، در وسایل میکروویو دو طرفه (reciprocal) و غیر دوطرفه (non-reciprocal) مورد استفاده قرار می گیرند. به هر حال، این دو فریت، ضرورتاً برای استفاده در کامپوزیت های EM ی که در فرکانس های در حد GHz کار می کنند، مناسب نیستند. علت این مسئله، داشتن فرکانس های رزونانس به نسبت پایین این فریت هاست. به عنوان یک نتیجه، ما بر روی فریت های هگزاگونال و کامپوزیت های آنها تمرکز خواهیم کرد که دارای کارایی های جذب میکروویو پیشرفته هستند.

ساختار کریستالی، خواص مغناطیسی در فرکانس بالا و حالت استاتیک فریت های هگزاگونال بوسیله ی Smithو Wijin، Kojima و Sugimoto مورد بررسی قرار گرفته است. تمام فریت های هگزاگونال دارای ساختار هگزاگونالی هستند که برای یک سلول واحد، از سه بلوک تشکیل شده است. بلوک های S (بلوک های اسپینل): بلوک هایی بدون یون های باریوم، بلوک های R (بلوک هگزاگونال): بلوک هایی تشکیل شده از یون های باریوم و دو لایه ی اکسیژنی و بلوک های T (بلوک هگزاگونال): بلوک هایی تشکیل شده از یون های باریوم و 4 لایه ی اکسیژن. با توجه به این تعداد و آرایش موجود در این سه نوع بلوک، فریت های هگزاگونال به انواع M،W، Y، Z، X و U طبقه بندی می شوند. در بین این نوع ها، فریت های هگزاگونال نوع M ساده ترین ساختار را دارد و از دو بلوک S و دو بلوک R تشکیل شده اند که به صورت توالی RSR*S** قرار گرفته اند. در این توالی، ستاره نشاندهنده ی یک چرخش 180 درجه ای حول محور c در بلوک های مربوطه می باشد.
تقارن کم کریستالی هگزاگونال در فریت ها، در مقایسه با تقارن مکعبی فریت های اسپینلی یا گارنتی، منجر به پدید آمدن آنیزوتروپی مگنتوکریستالی با می شود. این مقدار تقریبا 1 تا 2 برابر بزرگتر از فریت های اسپینلی و گارنتی است. به دلیل داشتن آنیزوتروپی بالای فریت های هگزاگونال (علاوه بر مواد مغناطیسی دائمی و مواد با خاصیت ثبت عمودی)، این فریت ها به طور گسترده در وسایل میکروویو دو طرفه (reciprocal) و غیر دوطرفه (non-reciprocal)، مواد جاذب EM در فرکانس هایی در حدود GHz و حتی فرکانس های میلیمتری، مورد استفاده قرار می گیرند. علت این مسئله، فرکانس های رزونانس آنهاست که این فرکانس می تواند تا میزان 100 GHz نیز افزایش یابد.
با توجه جهات مغناطیسی ساده، فریت های هگزاگونال با ساختار هگزاگونال، می توانند به دو نوع تقسیم شوند. این دو نوع، آنیزوتروپی محور C و آنیزوتروپی صفحه ی C نامیده می شوند (شکل1). برای آنیزوتروپی محور C، میدان مغناطیسی نیازمند چرخش بردارهای مغناطش از جهت [001] به جهت [001] است که این چرخش میدان آنیزوتروپی ( ) نامیده می شود. به عبارت دیگر، برای آنیزوتروپی صفحه ی C، 6 جهت آسان، بوسیله ی زوایه ی 60 درجه از هم جدا می شوند. وقتی یک میدان مغناطیسی اعمل می شود، بردارهای مغناطش می توانند از یک بردار آسان مغناطش به بردار دیگر حرکت کنند. این کار از طریق بردار C یا چرخش صفحه ی C انجام می شود. میدان های مغناطیسی مورد نیاز، به عنوان میدان آنیزوتروپی خارج صفحه ای ( ) و میدان آنیزوتروپی داخل صفحه ای ( )، تعریف می شوند.