Tải bản đầy đủ

luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của một số vật liệu tổ hợp cấu trúc micro nano hấp thụ dải sóng tần số cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN ĐỨC HUY

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT
CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC
MICRO-NANO HẤP THỤ DẢI SÓNG TẦN SỐ CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

HÀ NỘI - 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN ĐỨC HUY

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT
CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC

MICRO-NANO HẤP THỤ DẢI SÓNG TẦN SỐ CAO
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
Mã số: 18205080
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. Bùi Đình Tú
2. PGS.TS. Phạm Đức Thắng

HÀ NỘI - 2020


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho phép tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và lời cảm ơn sâu sắc
nhất tới hai Thầy hướng dẫn: TS. Bùi Đình Tú (Khoa Vật lý kỹ thuật và PGS.TS Phạm
Đức Thắng (Khoa Vật lý kỹ thuật – Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà
Nội). Hai Thầy đã lan truyền cho tôi niềm đam mê học tập và nghiên cứu cũng như tạo
điều kiện thuận lợi nhất cho tôi có thể hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này. Hai Thầy
không chỉ trang bị cho tôi những kiến thức bổ ích về chuyên môn khoa học mà còn cả
phương pháp tư duy, cách làm việc có hệ thống, hiệu quả và cả cách đối nhân xử thế.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ths. Nguyễn Đăng Cơ, người Thầy, người anh đã chỉ bảo
tận tình và hướng dẫn tôi cách nghiên cứu, chỉ dạy các kỹ năng thực hành, thực nghiệm
từ những ngày đầu tiên. Tôi cũng cảm ơn nhóm nghiên cứu đã giúp đỡ rất nhiệt tình trong
suốt thời gian tôi làm luận văn.
Ngoài ra, tôi cũng xin được trân trọng cảm ơn toàn thể các quý Thầy, Cô và các
Anh, Chị công tác tại Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Trường Đại học Công
nghệ, ĐHQG HN đã giảng dạy, dìu dắt và cung cấp cho tôi những tư duy và nền tảng
khoa học từ những kiến thức cơ bản đến chuyên sâu giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Đặc biệt muốn gửi những tình cảm yêu thương đến gia đình, bạn bè, những người
thân luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc giúp tôi vượt qua mọi khó khăn, cổ vũ và động
viên tôi hoàn thành luận văn này cũng như luôn ủng hộ tôi theo đuổi đam mê khoa học
của mình.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày….tháng ….năm 2020
Học viên

Trần Đức Huy



Tóm tắt
Các hệ vật liệu sắt điện Bi0,5 (Na0,80 K 0,20 )0,5 TiO3 , vật liệu từ Fe3O4 đã được tổng hợp lần lượt
bằng phương pháp sol-gel và phương pháp đồng kết tủa. Cấu trúc tinh thể, hình thái và tính
chất điện từ của vật liệu nano BNKT và BNKT-xFe 3O4 đã được nghiên cứu. Tính chất hấp
thụ sóng điện từ của hệ vật liệu tổ hợp BNKT-xFe 3O4/Cellwax đã được khảo sát trong dải tần
số từ 2-18 GHz. Sự phụ thuộc của hệ số tổn hao phản xạ Reflection Loss (RL) vào tần số (f)
của hệ vật liệu sắt điện có độ dày (d) thay đổi được chỉ ra. Đường hấp thụ RL xuất hiện đỉnh
hấp thụ khá rõ với giá trị RL đạt cực đại tại -21.68 dB tương ứng với độ hấp thụ sóng điện từ
trên 99% tại tần số 13.67 GHz của mẫu BNKT/Cellwax tỉ lệ 50:50 độ dày x=3.2 mm được
xác nhận gây ra bởi cơ chế Phù hợp trở kháng (Z matching). Với sự tham gia của hệ hạt nano
từ trong cấu trúc vật liệu, độ tổn hao phản xạ RL được xác định xảy ra trên cơ chế kết hợp
tổn hao từ tính và tổn hao điện môi, độ tổn hao phản xạ toàn phần RL đạt giá trị cực đại đạt
-7,13 dB tại độ dày x=2.6. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho hệ hạt BNKT ứng
dụng trong hấp thụ sóng điện từ tần số cao.

Từ khóa: Vật liệu tổ hợp, BNKT-Fe3O4, hấp thụ sóng điện từ.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng
dẫn của TS. Bùi Đình Tú và PGS.TS Phạm Đức Thắng cũng như sự hỗ trợ của nhóm
nghiên cứu. Các kết quả trình bày trong luận văn này là do tôi thực hiện và chưa từng
được công bố dưới tất cả các hình thức ngoại trừ các công bố đứng tên của tôi. Các thông
tin, tài liệu tham khảo từ các nguồn sách, tạp chí, bài báo sử dụng trong luận văn đều
được liệt kê vào danh mục các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
trước Nhà trường về lời cam đoan này.

Học viên thực hiện

Trần Đức Huy


Mục Lục
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN..............................................................................................3
1.1. Sóng điện từ và ứng dụng.......................................................................................3
1.2. Cơ sở lý thuyết của sóng điện từ.............................................................................5
Sự tán xạ và phản xạ.........................................................................................5
Các kỹ thuật khử phản xạ.................................................................................7
1.3. Các cơ chế hấp thụ sóng điện từ..............................................................................9
Cơ chế tổn hao điện môi................................................................................. 10
Cơ chế tổn hao từ............................................................................................ 12
Cơ chế tổn hao xoáy....................................................................................... 14
Ảnh hưởng của hiệu ứng hấp thụ bề mặt........................................................ 14
1.4. Vật liệu hấp thụ sóng điện từ................................................................................. 16
1.5. Vật liệu điện BNKT và vật liệu từ Fe3O4.............................................................. 19
BNKT............................................................................................................. 19
Fe3O4.............................................................................................................. 22
1.6. Kết luận chương 1................................................................................................. 24
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM.................................................. 25
2.1. Chế tạo vật liệu..................................................................................................... 25
Vật liệu BNKT............................................................................................... 25
Chế tạo vật liệu Fe3O4.................................................................................... 29
Chế tạo vật liệu tổ hợp BNKT-xFe3O4/Cellxax.............................................. 30
2.2. Các kỹ thuật khảo sát............................................................................................ 30
Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X.......................... 30
Khảo sát hình thái học bề mặt......................................................................... 32
Phương pháp đo phổ sắc tán năng lượng........................................................ 33
Phương pháp đo đường cong từ trễ (M-H)..................................................... 34
Khảo sát độ tổn hao phản xạ RL..................................................................... 35
2.3. Phương pháp mô phỏng........................................................................................ 38
Xây dựng chương trình tính toán độ hấp thụ RL............................................ 38


Thiết kế giao diện và chạy chương trình tính toán hệ số hấp thụ RL..............40
2.4. Kết luận chương 2................................................................................................. 41
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................................... 42
3.1. Đặc trưng cấu trúc và thành phần của vật liệu BNKT........................................... 42
3.2. Đặc trưng và tính chất từ Fe3O4............................................................................. 44
3.3. Tính chất hấp thụ sóng điện từ của hệ hạt BNKT50_Cellwax50........................... 46
3.4. Tính chất hấp thụ BNKT-Fe3O4/Cellwax tỉ lệ 25:25:50........................................ 52
3.5. Kết luận chương 3................................................................................................. 55
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 56


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1.1. Hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số........................................................... 10
Hình 1.4 Một mẫu magnetit tại bán đảo Kola, Nga, các tinh thể bát diện màu đen kim loại,
có kích thước lên đến 2,7 cm [29].................................................................................... 22

Hình 2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu BNKT bằng phương pháp quay phủ sol-gel [4]...25
Hình 2.2. Quy trình chế tạo sol BNKT............................................................................ 26
Hình 2.3. Chế tạo tiền chất Bi......................................................................................... 27
Hình 2.4. Chế tạo tiền chất Ti.......................................................................................... 27
Hình 2.5. Chế tạo tiền chất Na, K.................................................................................... 28
Hình 2.6. Chế tạo tiền chất BNKT.................................................................................. 28
Hình 2.7. Quy trình tổng hợp vật liệu Fe3O4................................................................... 29
33
Hình 2.8. Thiết bị kính hiển vi điện tử quét SEM............................................................ 33
Hình 2.9. Máy FE-SEM Hitachi S-4800 tại Viện Khoa học vật liệu...............................34
Hình 2.10. Cấu tạo và kết quả đo của thiết bị VSM........................................................ 34
Hình 2.11. Quy trình tạo mẫu đo vòng xuyến để đo EMW từ nguyên liệu ban đầu.........35
Hình 2.12. Hình ảnh và sơ đồ lắp đặt phép đo phản xạ và truyền qua với hệ đo Agilent
PNA Network analyser..................................................................................................... 36
Hình 2.13. Mô hình sóng phản xạ tại các bề mặt của một mẫu hấp thụ...........................37
Hình 2.14. Phần mềm mô phỏng Matlab R2018a............................................................ 40
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu gốm BNKT.............................................. 42
Hình 3.2. Ảnh SEM của hệ hạt BNKT............................................................................ 43
Hình 3.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X của mẫu BNKT................................................. 44
Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của Fe3O4.................................................................... 44
Hình 3.5. Ảnh SEM của hạt nano từ Fe3O4..................................................................... 45
Hình 3.6. Đường cong từ hóa của vật liệu từ Fe3O4........................................................ 46
Hình 3.7. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của mẫu vật liệu BNKT/Cellwax tỉ lệ 50:50 với
các độ dày khác nhau....................................................................................................... 47

Hình 3.8. Biến thiên phần thực ɛ’ và phần ảo ɛ’’ của điện môi vào tần số của vật liệu
BNKT/Cellwax tỉ lệ 50:50 tương ứng.............................................................................. 49


Hình 3.9. Biến thiên phần thực µ’ và phần ảo µ’’ của độ thẩm từ vào tần số của vật liệu
BNKT/Cellwax tỉ lệ 50:50 tương ứng ............................................................................... 50
Hình 3.10. Độ tổn hao điện môi và độ tổn hao từ theo tần số của hệ vật liệu BNKT/Cellwax
tỉ lệ 50:50 tương ứng. ........................................................................................................ 51
Hình 3.11. Sự phụ thuộc của RL và |Z/Zo| vào tần số của hệ vật liệu BNKT/Cellwax tỉ lệ
50:50 .................................................................................................................................. 51

Hình 3.12. Sự phụ thuộc của RL vào tần số của hệ vật liệu BNKT-Fe3O4/Cellwax tỉ lệ
25:25:50 với các độ dày khác nhau. .................................................................................. 52
Hình 3.13. Độ tổn hao điện môi và độ tổn hao từ theo tần số của hệ vật liệu BNKTFe3O4/Cellwax ................................................................................................................... 54
Hình 3.14. Sự phụ thuộc của RL và |Z/Zo| và tần số của hệ vật liệu BNKT-Fe3O4/Cellwax
tỉ lệ 25:25:50 ...................................................................................................................... 54


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các dải tần số sóng điện từ và ứng dụng tương ứng [13]...................................4
Bảng 1.2. Mối quan hệ giữa hệ số mất phản xạ và năng lượng hấp thụ [28]....................15
Bảng 2.1. Hóa chất được sử dụng để chế tạo sol BNKT.................................................. 26
Bảng 2.2. Vật liệu tổ hợp BNKT/Cellwax và BNKT-xFe3O4/Cellwax với độ dày và tỉ lệ
tương ứng......................................................................................................................... 30
Bảng 3.1. Mối tương quan giữa độ dày, tần số và độ hấp thụ phản xạ của vật liệu
BNKT/Cellwax tỉ lệ 50:50............................................................................................... 48
Bảng 3.2 Mối tương quan giữa độ dày, tần số và độ hấp thụ phản xạ tương ứng của vật liệu
gốm BNKT-Fe3O4/Cellwax.............................................................................................. 53


DANH MỤC VÀ KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MAM

Ms

Vật liệu hấp thụ sóng vi ba
(Microwave Absorbing Material)

Từ độ bão hòa

EDX

Phổ tán xạ năng lượng tia X
(Energy Dispersive X-Ray)

RAM

Vật liệu hấp thụ sóng Radar
(Radar Absorbing Material)

RL

Độ tổn hao phản xạ
(Reflection Loss)

SEM

Hiển vi điện tử quét
(Scanning electron microscope)

XRD

Nhiễu xạ tia X
(X-ray difraction)

VSM

Từ kế mẫu rung
(vibrating sample magnetometer)

Z

Trở kháng
(Impedance)


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc ứng dụng sóng điện từ trong dải tần số GHz đã và đang
trở nên phổ biến do nhu cầu phát triển càng nhiều của các thiết bị điện tử trên các phương
tiện quân sự và viễn thông [1]. Cùng với đó, vấn đề giảm thiểu ảnh hưởng của sóng điện từ
đang trở nên cấp thiết hơn. Vì vậy, vật liệu che chắn và hấp thụ sóng điện từ đang thu hút
được sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Trong đó, vật liệu hấp thụ sóng
điện từ dải tần số radar được đặc biệt quan tâm vì có ứng dụng đa dạng và hiệu quả trong
nhiều lĩnh vực khác nhau như ăng-ten truyền sóng, chống nhiễu điện từ cho các thiết bị điện
tử hoặc tổ hợp các thiết bị điện từ di động, che chắn sóng điện từ trong an toàn bức xạ và y tế,
bảo vệ sức khỏe con người cũng như các đối tượng sinh học khác khỏi tác động không mong
muốn của sóng điện từ. Trong quân sự, vật liệu hấp thụ sóng điện từ trong dải tần 8-12 GHz
là yếu tố cốt lõi của công nghệ tàng hình cho các phương tiện chiến đấu. Ngay tại các quốc
gia đang phát triển, việc nghiên cứu vật liệu RAM ngày càng trở nên cấp bách và phải đẩy
nhanh quá trình đưa các vật liệu vào trong các ứng dụng thực tế. Một số các quốc gia đã chế
tạo thành công và sử dụng sơn tàng hình radar cho các phương tiện chiến đấu của họ ở các
phương diện trên không và trên biển [2].

Các nghiên cứu về vật liệu sóng điện tử chủ yếu được thực hiện theo 3 hướng chính:
hoàn thiện khả năng chống phản xạ, tăng cường khả năng hấp thụ và mở rộng vùng tần số
hoạt động. Trong đó, sự hấp thụ đồng thời hai thành phần năng lượng điện trường và năng
lượng từ trường được hi vọng sẽ làm giảm gia tăng tổn hao và do đó tăng hiệu suất hấp
thụ điện từ của vật liệu. Công nghệ nano ra đời mở ra một hướng phát triển mới cho các
nghiên cứu về RAM do bên cạnh các tính chất khác biệt thì vật liệu cấu trúc nano còn có
khả năng hấp thụ mạnh hơn sóng điện từ so với các vật liệu cùng loại ở dạng khối. Tính
chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước rất nhỏ của chúng. Khi kích thước
hạt giảm xuống đến giới hạn nano, các hiệu ứng bề mặt đóng góp chủ yếu vào sự thay đổi
tính chất đặc trưng của vật liệu. Mặt khác, vật liệu nano còn có hoạt tính cao, dễ phân tán
và do đó thuận lợi hơn cho việc tạo thành các lớp hấp thụ nhẹ và mỏng [25].
Chính vì những lý do trên, chúng tôi đã chọn đề tài nghiên cứu là “nghiên cứu, chế tạo và
khảo sát tính chất của một số vật liệu tổ hợp cấu trúc micro-nano hấp thụ dải sóng tần số
cao”.

1


Mục tiêu của luận văn:
1. Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất của vật liệu sắt điện BNKT, vật liệu từ
Fe3O4 và vật liệu tổ hợp composite BNKT-Fe3O4
2. Xây dựng chương trình mô phỏng và khảo sát tính chất hấp thụ sóng điện từ dải
tần 8-12GHz của vật liệu BNKT-Fe3O4
Đối tượng nghiên cứu của luận văn
Vật liệu sắt điện BNKT vật liệu từ Fe 3O4 và vật liệu tổ hợp BNKT/Fe3O4 với tỉ lệ
thành phần khác nhau.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận văn là sử dụng các kỹ thuật thực nghiệm để chế
tạo, khảo sát các tính chất của các hệ vật liệu, kết hợp với tính toán lý thuyết thông qua
phần mềm mô phỏng.
Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, danh mục bảng biểu hình vẽ, ký hiệu viết tắt và kết luận, luận
văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Trình bày tổng quan về sóng điện từ, các cơ chế hấp thụ sóng điện từ, vật
liệu hấp thụ sóng điện từ và các đặc trưng của vật liệu nghiên cứu
Chương 2: Trình bày các phương pháp chế tạo vật tổ hợp BNKT-xFe3O4, các kỹ thuật
thực nghiệm dùng để khảo sát các tính chất của vật liệu chế tạo. Phương pháp mô phỏng để
tính toán độ tổn hao hấp thụ của vật liệu sử dụng phần mềm Mathlab cũng được trình bày.

Chương 3: Trình bày các kết quả phân tích cấu trúc, các kết quả khảo sát khả năng
hấp thụ sóng điện từ của vật liệu tổ hợp đã chế tạo trong dải tần từ 2-18 GHz.

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Sóng điện từ và ứng dụng
Các ứng dụng của sóng điện từ đang ngày càng được mở rộng từ dải bước sóng từ vài
cen-ti-met đến vài mét. Cùng với sự phát triển của công nghệ, các ứng dụng trong dải tần
số cao cỡ GHz và bước sóng ngắn dải mm càng trở nên thuận lợi. Một đặc điểm quan
trọng của sóng điện từ đó là sự tương tác với nhau và kết quả làm xuất hiện hiện tượng
chồng chất sóng điện từ. Giao thoa của hai sóng điện từ có thể dẫn đến sự tăng cường hay
triệt tiêu lẫn nhau. Sự chồng chất sóng điện từ được ứng dụng trong các kỹ thuật phát
thanh truyền hình và thông tin liên lạc không dây [8]. Mặt khác, nhiễu điện từ không
mong muốn gây ra bởi sự tương tác lẫn nhau của các sóng điện từ cũng đang trở thành
một vấn đề thách thức trong các ứng dụng thực tế. Tương tác của các sóng điện từ truyền
từ các nguồn khác nhau có thể gây ra sự suy giảm chất lượng cũng như sự sai lệch thông
tin trong truyền tải dữ liệu. Để khắc phục tình trạng này, việc sử dụng các cấu trúc che
chắn hoặc các vật liệu hấp thụ sóng điện từ là một giải pháp.
Sóng điện về cơ bản từ là quá trình lan truyền điện từ trường trong không gian theo thời
gian. Sóng điện từ lan có thể truyền được trong các môi trường rắn, lỏng, khí và chân không,
là sóng duy nhất lan truyền được trong chân không. Sóng điện từ là sóng ngang, là sự lan
truyền của các dao động liên quan đến tính chất có hướng (cường độ điện trường và cường độ
từ trường) của các phần tử mà hướng dao động vuông góc với hướng lan truyền sóng. Tốc độ
8

lan truyền sóng điện từ trong chân không là lớn nhất và bằng c = 3.10 m/s. Dao động của
điện trường và từ trường tại một vị trí luôn luôn đồng pha với nhau. Sóng điện từ cũng có các
tính chất của sóng cơ như: Phản xạ, khúc xạ, giao thoa, ... Và cũng tuân theo các quy luật
truyền thẳng, giao thoa, khúc xạ. Sóng điện từ mang năng lượng. Năng lượng của hạt photon
có bước sóng λ là hc/λ, với h là hằng số Planck và c là vận tốc ánh sáng trong chân không.
Bước sóng càng dài có nghĩa là năng lượng photon càng nhỏ. Sóng điện từ có bước sóng từ
vài mét đến vài ki-lo-met được dùng trong thông tin liên lạc được gọi là sóng vô tuyến, các
thiết bị điện tử hay các hệ thống điện tử hoạt động tại vùng tần số cao thường cho hiệu suất
và độ chính xác cao hơn so với các thiết bị sử dụng kỹ thuật tần số thấp thông thường [10].
Hơn nữa, tần số cộng hưởng của rất nhiều các nguyên tử, phân tử và hạt nhân nằm trong vùng
tần số sóng điện từ. Điều này dẫn đến các ứng dụng tiềm năng của sóng điện từ trong các lĩnh
vực công nghệ kỹ thuật khác nhau như cảm biến từ xa, chẩn đoán trong y học,... Mặt khác,
sóng điện từ không bị uốn cong bởi tầng điện ly, do đó

3


trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, thông tin liên lạc giữa các vệ tinh được truyền tải
bằng sóng điện từ.
Bảng 1.1. Các dải tần số sóng điện từ và ứng dụng tương ứng [13]
Tên dải

Tần số

Ứng dụng điển hình

UHF

300-1000 MHz

Hệ thống giám sát tầm rất xa

L

1-2 GHz

Hệ thống giám sát tầm xa

S

2-4 GHz

Kiểm soát lưu lượng thiết bị đầu cuối
Hệ thống giám sát tầm trung

C

4-8 GHz

Hệ thống theo dõi tầm xa
Radar dự báo thời tiết

X

8-12 GHz

Hệ thống theo dõi tầm ngắn
Điều khiển tên lửa
Lập bản đồ, hệ thống radar hàng hải
Rào chắn trên không

Ku

12-18 GHz

Đo độ cao vệ tinh

K

18-27 GHz

Hấp thụ hơi nước (ít sử dụng)

Ka

27-40 GHz

Lập bản đồ với độ phân giải rất cao
Hệ thống giám sát sân bay

Milimet

40-100 GHz

Thực nghiệm

Ngoài ra, sóng điện từ được sử dụng nhiều trong các ứng dụng hàng ngày như hệ
thống radar kiểm soát không lưu, radar theo dõi tên lửa, radar điểu khiển hỏa lực, radar dự
báo thời tiết, các mạng lưới truyền thông đường dài và thông tin liên lạc trong quân sự.
Tùy theo các ứng dụng đưa ra bởi tiêu chuẩn IEEE 521-2002, vùng tần số điện từ được
phân tách thành các dải tần số khác nhau và được biểu diễn trong bảng 1.

4


1.2. Cơ sở lý thuyết của sóng điện từ
Sự tán xạ và phản xạ
Tán xạ là quá trình phân tán năng lượng và phương truyền sóng của điện từ
(Electromagnetic-EM) khi truyền tới vật liệu. Khi đó, một phần năng lượng của sóng điện
bị phân tán (hoặc phản xạ), thay đổi hướng, pha hoặc thay đổi bước sóng so với sóng tới.
Nguyên nhân được giải thích bởi sự tương tác giữa sóng điện từ với các điện tử và ion
trong vật liệu. Trường tán xạ được xác định bởi các thông số đặc trưng như hệ số điện
thẩm, từ thẩm, độ dẫn, kích thước, hình dạng của vật thể và kích thước sóng tới.
Xét trường hợp tần số vô tuyến, kim loại coi như một vật dẫn hoàn hảo và có rất
nhiều các điện tử tự do, các điện từ này dễ dàng bị kích ứng và tạo cộng hưởng với tần số
của sóng tới và tạo ra một trường điện từ mới (trường tán xạ) có cùng tần số, biên độ với
sóng tới. Kim loại không những phản xạ hoàn hảo các sóng có tần số nằm trong vùng khả
kiến mà còn phản xạ rất tốt sóng điện từ, điều này có thể được hiểu rằng kim loại gần như
không tiêu hao năng lượng của sóng tới.
Trong trường hợp vật liệu không dẫn điện, chúng không chứa các điện tử tự do nên
không xảy ra sự truyền dao động từ điện tử này sang điện tử khác bên trong cấu trúc vật
liệu. Tuy nhiên, hiện tượng cộng sinh vẫn có thể xảy ra trong trường hợp sóng điện từ
tương tác với mô-men spin hoặc mô-men lưỡng cực của các ion vào nguyên tử trong vật
liệu. Đây là nguyên nhân chính cho các hiện tượng tổn hao từ và tổn hao điện môi được
khai thác chủ yếu trong các vật liệu hấp thụ sóng điện từ [13].
Sóng điện từ bị phản xạ tạo mặt phân cách giữa 2 môi trường có trở kháng khác nhau,
các thông số của sóng điện từ có thể thu được bằng cách giải phương trình Maxwell với
điều kiện biên tại bề mặt phân cách giữa 2 môi trường qua biểu thức về chiết suất [27]:
n=

(1.1)

r r

Trong đó n là chiết suất của vật liệu và

r

,

r

lần lượt là độ thẩm điện và độ thẩm từ

tương đối, cả hai đại lượng này đều là số phức và có biểu thức lần lượt như sau:
r

r

=

'

=

'

r

−i

''
r

(1.2)

r

−i

''
r

(1.3)

Trở kháng nội (Z) của môi trường được xác định bằng biểu thức:
5


r

Z =

(1.4)

r

Như vậy các biểu thức tính chỉ số khúc xạ và trở kháng đều chứa cả hai thành phần
điện và từ.
Từ phương trình vật lý mô tả quá trình phản xạ sóng khi gặp mặt phân cách giữa hai
môi trường, các điều kiện phản xạ tối thiểu được xem xét và đưa ra. Đầu tiên, xét biểu
thức mô tả hệ số phản xạ của sóng điện từ tại bề mặt phân cách:
=

Trong đó

0


+

0

=z − z0
z+z0

là hệ số phản xạ; ,

0

(1.5)
lần lượt là các đại lượng đặc trưng cho môi trường

truyền sóng tới (trường hợp này là không khí) và vật liệu. Ở đây,
có thể thay thế bằng
1
đại lượng Z =
, gọi là trở kháng nội của vật liệu. Hệ số phản xạ giảm về 0 khi = 0 ,
nói cách khác, vật liệu này phải có trở kháng phù hợp với trở kháng của môi trường sóng
tới. Trở kháng nội của mô trường chân không được xác định bởi phương trình:


Z =E
0



H

Trong đó



0

=

0

377Ohms



(1.6)

là véc-tơ điện trường và từ trường của sóng điện từ,
E, H

0



0

là độ từ

thẩm và điện thẩm của môi trường chân không
Mặt khác, hiện tượng phù hợp trở kháng lý tưởng cũng có thể xảy ra khi vật liệu có
độ từ thẩm và điện thẩm bằng nhau. Đây chính là điều kiện thứ hai để thu được sự phản
xạ tối thiểu. Trong trường hợp này phương trình (1.1) được viết lại như sau:
=

Z
Zo


7)

(1.
8)


6


r

Trong đó

=' − i ''

,

o

= ' − i ''
r

là các thành phần của độ điện thẩm và độ từ thẩm

o

phức. Theo (1.8), nếu môi trường tới không gian tự do, thành phần thực và ảo của độ từ
thẩm và điện thẩm bằng nhau, tương ứng r = r , khi do hệ số phản xạ bằng không, ta không
quan sát thấy thành phần phản xạ trở lại môi trường tới của sóng điện từ.
Điều kiên thứ ba, trường hợp đặc biệt xảy ra khi vật liệu hấp thụ được phủ lên đế kim
loại. Ta thấy, có sự tổn hao sóng điện từ khi truyền trong môi trường hấp thụ. Công suất
tổn hao của sóng tỉ lệ với độ dày truyền sóng (d) theo hàm số e − d , là hệ số tổn hao của
vật liệu và được tính bởi biểu thức sau:
=−

Trong đó
dày nhỏ thì

a=(

r

r

' '

(a 2 + b 2 ) 14 sin( 1 ) tan −1 ( − a )

o o

− r r ) và b = (
''

''

phải lớn, có nghĩa

'

,

''

2b
r

r

' ''

'

,


''

r
''

r
'

(1.9)

) . Để công suất tổn hao lớn trong khi độ

phải lớn. Lưu ý rằng điều kiện này phải phù

,

hợp với điều kiện đầu tiên (phương trình 1.1). Ở đây, giá trị của độ từ thẩm và điện thẩm
lớn thì làm tăng khả năng khử phản xạ.
Cuối cùng, để thu được hệ số phản xạ bằng không, sóng phản xạ tại hai mặt của lớp vật
liệu hấp thụ phải tự triệt tiêu lẫn nhau, tức là chúng ngược pha với nhau. Đây chính là điều
kiện phối hợp pha hay điều kiện phối hợp một phần tư bước sóng. Điều này chỉ xảy ra khi

độ dày lớp vật liệu hấp thụ thỏa mãn điều kiện d = (2 n + 1) c/ (4 f

r

r

), n = 0,1, 2,...

Các kỹ thuật khử phản xạ
Có bốn kỹ thuật cơ bản để giảm thiểu thành phần phản xạ khi có sóng điện từ chiếu
tới bề mặt của một vật thể, đó là: khử phản xạ chủ động, khử phản xạ bằng cấu trúc hình
dạng, khử phản xạ sử dụng vật liệu hấp thụ, khử phản xạ bị động. Trong đó, hai kỹ thuật
thường được sử dụng nhiều nhất là khử phản xạ bằng cấu trúc, hình dạng và sử dụng vật
liệu hấp thụ [4].
a, Khử phản xạ chủ động
Trong kỹ thuật khử phản xạ chủ động, ta sử dụng máy phát sóng điện từ cao tần (làm
bằng các vật liệu áp điện đặc biệt, ví dụ như thạch anh, khi đặt trong một điện trường ngoài
chúng sẽ dao động cơ học ở tần số cao) gắn trên bề mặt vật thể, phát ra sóng có tần số bằng

7


tần số sóng chiếu tới nhưng ngược pha. Khi hai sóng này gặp nhau sẽ giao thoa và triệt
tiêu lẫn nhau. Theo đó, có thể dùng những máy phát radar gắn sẵn trên vật thể rồi phát ra
sóng có tần số đúng bằng tần số của sóng radar chiếu tới để triệt tiêu sóng radar tới,
nhưng điều này rất khó thực hiện và gần như không khả thi.
b, Khử phản xạ bị động
Giống như trong quang học, ánh sáng chỉ phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi
trường có chiết suất khác nhau, sóng điện từ chỉ phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi
trường vật chất có trở kháng khác nhau.
Hệ số phản xạ được tính theo công thức:
=


+

và Z

(1.10)

0
0

Trong đó: Zr là trở kháng của vật liệu
Zo là trở kháng của môi trường truyền sóng
r

là độ thẩm từ tương đối r

là độ điện thẩm tương đối
Từ công thức (1.10) ta thấy, nếu sử dụng các vật liệu có cùng trở kháng với môi trường
truyền sóng ( thường là môi trường không khí ), Zr = Zo ≈ 377Ω, về nguyên tắc sẽ không

có phản xạ sóng điện từ. Ðiều kiện này cũng có thể đạt được bằng phương pháp phối hợp
trở kháng đơn lớp khi vật liệu hấp thụ có r = r . Hoặc thiết kế độ dày lớp hấp thụ
d = (2 n +1)

để thỏa mãn điều kiện sóng tới và sóng phản xạ ngược pha và triệt tiêu
4

r r

lẫn nhau.
c, Khử phản xạ bằng cấu trúc hình dạng
Trong kỹ thuật khử phản xạ bằng cấu trúc hình dạng dựa theo nguyên tắc sóng điện từ bị
phản xạ tại mặt tiếp xúc giữa hai môi trường có trở kháng khác nhau Z 0 Zr . Việc giảm sự
khác biệt trở kháng tại mặt tiếp xúc giữa hai môi trường (môi trường truyền sóng và môi
trường vật liệu) sẽ làm giảm hiện tượng phản xạ này. Ðể giảm sự khác biệt trở kháng giữa các
môi trường nói trên, ta có thể sử dụng cấu trúc đa lớp được tạo thành bằng cách ghép

8


các lớp chống phản xạ có các giá trị trở kháng Z khác nhau. Ngoài ra, việc thiết kế các vật
r

thể gồm các mặt phẳng sao cho có thể làm lệch các tia phản xạ không theo hướng của
sóng tới hoặc sóng tới có thể bị phản xạ nhiều lần trên các mặt phẳng của vật thể (cấu trúc
dạng kim tự tháp, cấu trúc có nhiều góc cạnh)
d, Khử phản xạ bằng vật liệu hấp thụ
Với nguyên tắc chung là hấp thụ và chuyển hóa năng lượng sóng điện từ thành năng
lượng nhiệt. Ðể khử phản xạ, ta sử dụng các tấm vật liệu hấp thụ gắn trên bề mặt vật thể
nhằm hấp thụ năng lượng sóng điện từ và chuyển hóa thành năng lượng nhiệt thông qua
các cơ chế tổn hao [3]. Các vật liệu có thể hấp thụ sóng điện từ theo nhiều cơ chế khác
nhau nhưng trong thực tế vật liệu hấp thụ sóng điện từ nói chung, vật liệu hấp thụ sóng
radar chỉ được cấu thành từ 3 vật liệu cơ bản đó là vật liệu dẫn, vật liệu điện môi và vật
liệu từ tính. Vì vậy, các cơ chế hấp thụ sóng điện từ của vật liệu cũng sẽ được trình bày
trên cơ sở các cơ chế hấp thụ xảy ra trong ba loại vật liệu trên và được chúng tôi giới
thiệu cụ thể trong phần dưới đây.
1.3. Các cơ chế hấp thụ sóng điện từ
Vật liệu có khả năng hấp thụ sóng điện từ theo các cơ chế khác nhau dựa trên đặc tính
của từng loại vật liệu. Thực tế, đa phần các vật liệu hấp thụ sóng điện từ được thiết kế dựa
trên các cơ chế hấp thụ cơ bản: tổn hao xoáy, tổn hao điện môi và tổn hao từ [14].
Tổn hao dòng xoáy (dòng Foucault) là cơ chế hấp thụ cơ bản của vật liệu dẫn điện.
Ðiện trở của vật dẫn chính là yếu tố tổn hao và chuyển đổi năng lượng của dòng Foucault
thành nhiệt năng [7].
Vật liệu điện môi hấp thụ sóng điện từ bởi tính phân cực ở tần số cao của các dipole
lưỡng cực điện. Do đó năng lượng sóng điện từ được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt,
hiện tượng này được gọi là hiện tượng đốt nóng điện môi (dielectric heating). Ðây cũng là
nguyên lý hoạt động của lò vi sóng [9].
Hiện tượng đốt nóng từ (magnetic heating) cũng xảy ra tương tự với đốt nóng điện môi
khi vật liệu từ được đặt trong môi trường sóng điện từ: các mô-men spin bị phân cực ở tần dải
số cao, gây tổn hao và chuyển háo thành nhiệt. Với hai loại vật liệu từ và điện môi, giả sử 0 là
thời gian hồi phục vi mô (thời gian cần thiết cho việc đảo chiều của vector phân

9


cực), hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra khi sóng điện từ có tần số

f

0

1/

0

và tại đó hấp

thụ sẽ đạt cực đại. Ðiều này có nghĩa rằng, để đạt được hiệu suất hấp thụ cao nhất, vật liệu
cần phải được chế tạo sao cho hiệu ứng cộng hưởng phải xảy ra trong vùng tần số quan
tâm. Ngoài yêu cầu về khả năng hấp thụ cao, các MAM và RAM còn phải thỏa mãn điều
kiện có hệ số phản xạ sóng điện từ thấp [8].
Cơ chế tổn hao điện môi
Vật liệu điện môi được coi là vật liệu cách điện, dễ bị phân cực khi đặt trong điện
trường và là nguồn gốc của hiện tượng tổn hao điện môi. Phân cực xảy ra do sự quay
lưỡng cực điện, dịch chuyển điện tử, ion hóa và các hiệu ứng nhiệt [5]. Hình 1.1 mô tả các
sự ảnh hưởng của tần số tác động lên các cơ chế phân cực điện. Quá trình xoay của các
lưỡng cực điện làm cho các nguyên tử và ion dao động qua lại, gây tổn hao và sinh nhiệt.
Tuy nhiên, sự xoay của lưỡng cực điện không thay đổi tự do mà cần phải thắng được lực
ma sát, năng lượng bị tổn hao trong quá trình ma sát và va chạm giữa các phân tử với
nhau. Nhiệt lượng tổng cộng được tạo ra bởi quá trình này liên quan trực tiếp đến khả
năng liên kết của chính bản thân các phân tử và liên quan tới tần số của điện trường bên
ngoài. Tại vùng tần số rất cao (dải siêu cao tần), lưỡng cực không kịp định hướng theo
điện trường bên ngoài, do đó hiệu ứng tổn hao và đốt nóng không xảy ra.

Hình 1.1. Hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số.
Hằng số điện môi (

r

) là tỉ số giữa mật độ thông lượng điện (D) và cường độ điện

trường (E): Hằng số điện môi cho biết khả năng phân cực của vật liệu theo cường độ điện
trường.
10


D= E

(1.11)
r

Hằng số điện môi tương đối

) (đối với không gian tự do là

0

= −8,85.10

−12

F/m

( được định nghĩa là:
r

(1.12)

0

= /

Một trong những thông số quan trọng của một chất điện môi là thời gian hồi phục của
các lưỡng cực điện. Hiện tượng cộng hưởng chỉ xảy ra khi tần số của điện trường ngoài
bằng với tần số hồi phục của lưỡng cực. Ðối với chất điện môi đồng nhất, thời gian hồi
phục bao gồm thời gian định hướng của lưỡng cực điện và đảo hướng lưỡng cực điện khi
thay đổi hướng tần số của điện trường ngoài.
Hằng số điện môi ε đạt tới giới hạn trong quá trình tần số tăng dần và sẽ vượt qua giới
hạn ở tần số cao, hằng số điện môi gần như không thay đổi do các lưỡng cực điện rơi vào
trạng thái đóng băng. Trong khi phần thực của hằng số điện môi phức ( r ) đại diện cho mức
'

độ khả năng lưu trữ năng lượng, phần ảo ( '' ) đặc trưng cho công suất tổn hao. Tổn hao điện
r

môi (tanδ) được xác định bằng tỉ số

''
r

/

'
r

, cho biết công suất tổn hao của năng lượng lưu

trữ bên trong lòng vật liệu [6]. Sự thay đổi phức tạp của tính chất điện môi được thấy trong đồ
thị hằng số điện môi (hình 1.1). Tổn hao điện môi được gây ra bởi sự phân cực điện tử, phân
cực nguyên tử, phân cực tự phát (phân cực lưỡng cực) và phân cực bề mặt (ion dẫn).

Như vậy, vật liệu điện môi hấp thụ sóng điện từ thông qua sự phân cực tần số cao của
các lưỡng cực điện làm cho các phân tử và ion dao động, gây tổn hao và sinh nhiệt. Hiện
tượng này còn gọi là hiện tượng đốt nóng điện môi. Ðây cũng chính là nguyên tắc hoạt
động của các lò vi sóng.
Công suất hấp thụ sóng điện từ của một chất điện môi được tính theo công thức:
P=2

Trong đó:
trường. f và

''

E

''

(f)

0

fE 2

r

tan ( f )

(1.13)

là phần ảo của độ điện thẩm phức của vật liệu,

là tần số và cường độ điện trường của sóng tới,

đối và tan ( f ) là hệ số tổn hao phụ thuộc vào tần số.

11

0

là độ điện thẩm của môi
r

là độ điện thẩm tương


Cơ chế tổn hao từ
Sóng điện từ gồm các thành phần điện trường và từ trường. Thành phần điện trường của
sóng tương tác với các vật liệu điện môi trong khi thành phần từ lại tương tác với vật liệu từ
tính. Xét một khía cạnh nào đó, hiện tượng vật lý xảy ra trong cơ chế tổn hao từ cũng tương
tự như sự tổn hao gây bởi sự phân cực tần số cao của các lưỡng cực điện [7]. Khi tác dụng
một từ trường ngoài biến thiên vào vật liệu từ tính, mô-men từ có xu hướng quay và định
hướng theo hướng của từ trường ngoài. Sự quay của các lưỡng cực từ cũng là nguồn


gốc của hiện tượng tổn hao từ. Cảm ứng từ B của một vật liệu dưới tác dụng của từ trường


ngoài H được thể hiện bởi biểu thức sau:




(1.14)

=

Trong đó

là độ từ thẩm của vật liệu,

r

(với không gian tự do là

0

=4 10

−7

H/m

) là độ từ thẩm tương đối
r

0

= /

(1.15)
Ðộ từ thẩm phụ thuộc tần số là một đại lượng phức giống như độ điện thẩm và được
biểu diễn dưới dạng:
=
'

r

− j " =( − j
0

r

''
r

)

(1.16)

Năng lượng lưu trữ trong quá trình từ hóa được thể hiện bởi phần thực ' của độ từ
thẩm phức , trong đó phần ảo " thể hiện công suất tổn hao. Vật liệu sắt từ hoặc ferrite từ
cũng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ che chắn, hấp thụ và chống nhiễu điện từ
(EMI). Một chất sắt từ (hay ferit từ) có khả năng hấp thụ và chuyển hóa sóng điện từ
thành năng lượng nhiệt theo nhiều cơ chế khác nhau. Tùy thuộc vào bản chất của vật liệu
và vùng tần số của sóng điện từ mà cơ chế hấp thụ nào sẽ trở nên trội hơn. Các hạt nano
từ hấp thụ sóng điện từ và giải phóng nhiệt năng theo các cơ chế cơ bản sau:
Cơ chế tổn hao từ trễ:
Năng lượng theo tổn hao từ trễ được ước lượng theo diện tích lớp từ trễ
=∫

. Khi được đặt trong một sóng điện từ xoay chiều có tần số kích thích

f

, công

12


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×