Mở đầu Ngày nay, việc sử dụng các thiết bịđiện tửvới mật độngày càng cao trên các phƣơng tiện quân sự, viễn thông đặc biệt là các tổ hợp thiết bị điện tử di động (nhƣ các hệ thống thông tin liên lạc cho vệ tinh, máy bay, tàu thủy, tàu ngầm, các hệ thống định vị, phát hiện và theo dõi mục tiêu bằng sóng radio) dẫn đến việc xửlý chống nhiễu điện từ [8,22] đang là một vấn đề rất đƣợc quan tâm.Một trong những giải pháp hiệu quả cho vấn đề này là sử dụng các vật hiệu hấp thụ sóng điện từ, đặc biệt trong vùng sóng vi ba (Microwave Absorbing Material - MAM) nhằm che chắn cho các thiết bị cần đƣợc chống nhiễu. Các vật liệu MAM trong vùng sóng radar (Radar Absorbing Material – RAM) còn là một yếu tố thiết yếu cho công nghệ vũ khí tàng hình radar trong quân sự [10,15]. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng vật liệu sắt từ là vật liệu có khả năng hấp thụ mạnh sóng điện từ. Một chất sắt từ (hay ferite từ) có khả năng hấp thụ và chuyển hóa sóng điện từ thành năng lƣợng 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 nhƣ tổn hao từ trễ, tổn hao do hiện tƣợng cộng hƣởng sắt từ, và tổn hao hồi phục. Nghiên cứu trên các vật liệu MAM, RAM trên thế giới đã có những thành tựu rất to lớn trong thời gian gần đây, một số vật liệu có khả năng hấp thụ gần nhƣ tuyệt đối sóng điện từ tại các tần số cộng hƣởng. Hệ số tổn hao phản xạ RL (reflection loss) có thể đạt tới -60dB hoặc thấp hơn [16,25,36].Các chất nhồi dạng hạt nano Fe thƣờng cho giá trị RL đỉnh hấp thụ vƣợt trội, điển hình nhƣ hỗn hợp các hạt -Fe/SmO trong epoxy đạt RL = -53 dB [29], hạt Fe bọc ZnO/nến (-57,1 dB [35] và -60,7 dB [36]), hay hỗn hợp carbonyl Fe với BaTiO3 trong epoxy (-64 dB) [25].
Các hạt nano hợp kim sắt từ nền Fe cũng là những vật liệu có khả năng hấp thụ mạnh sóng viba. Một vài thí dụ nhƣ hợp kim (Fe, Ni) bọc C trong paraffin cho RL = -47,9 dB [37], hạt micro Y2Fe17/paraffin (-59 dB) [34], nano hợp kim Fex(Co, Ni)1-x/nến (-59 dB) [27]. Có thể nhận thấy rằng hầu hết các vật liệu MAM/RAM có 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com khả năng hấp thụ mạnh sóng điện từ đều đƣợc chế tạo trên cơ sở nền sắt từ hoặc ferite từ. Ở Việt Nam, gần đâycác nhà khoa học thuộc Viện Hóa học-Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ quân sự) vừa nghiên cứu chế tạo thành công loại sơn hấp thụ sóng radar có ký hiệu PD/RAP-MEH đƣợc tổng hợp trên cơ sở composite của polypyrol và ferite bari.
Nhóm của chúng tôi tại Viện Khoa học Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam) cũng đã nghiên cứu, chế tạothành công một số vật liệu hấp thụ sóng viba dựa trên nền Fe, các công trình đƣợc đăng trên các tạp chíquốc tế và trong nƣớc[6,24]. Nhƣ chúng ta đã biết Fe kim loại là một chất sắt từ có sẵn nhiều trong tự nhiên, giá thành thấp và dễ gia công, chế tạo. Các hạt carbonyl Fe đã cho thấy khả năng hấp thụ mạnh sóng vi ba của vật liệu này [25,36]. Vì các lý do trên, nên tôi chọn đề tài “Nghiên cứu và chế tạo một số vật liệu hấp thụ sóng vi batrên cơ sở các hạt nano Fe” với mong muốn bƣớc đầu tìm hiểu về khả năng chế tạo và ứng dụng của vật liệu này trong thực tế.
Mục đích của luận văn: Mục đích của luận văn là chế tạo các hạt nano Fe từ đó tiến hành khảo sát các tính chất cơ bản và tính chất hấp thụ sóng điện từ của vật liệu, trong dải tần số 4-18 GHz. Tìm ra quy trình trải các tấm hấp thụ đồng nhất,khống chế tần số cộng hƣởng, mở rộng vùng hấp thụ, và tăng cƣờng khả năng hấp thụ của vật liệu thông qua các tham số cơ bản nhƣ , (hoặc Ms), trở kháng Z (nồng độ hạt nano, độ dày lớp hấp thụ), và các điều kiện công nghệ chế tạo. Phương pháp nghiên cứu Luận văn đƣợc thực hiện chủ yếu bằng các phƣơng pháp thực nghiệm.Để đánh giá chất lƣợng cũng nhƣ xác định các tính chất cơ bản của vật liệu chế tạo đƣợc tác giả đã sử dụng một số phƣơng pháp phân tích nhƣ:phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phƣơng pháptừ kế mẫu rung (VSM)và 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thiết bị phân tích Vector Network Analyzer (PNA 8326 – Agilent). Cấu trúc luận văn Chƣơng 1.
Trình bày một cách tổng quan về tƣơng tác của sóng vi ba với một số vật liệu, các cơ chế hấp thụ của vật liệu đó nhƣ: Cơ chế tổn hao điện môi,cơ chế tổn hao từ, tổn hao xoáy.Trình bày kỹ thuật thực nghiệm chế tạo hệ hạt nano Fe và các phƣơng pháp phân tích tính chất vật liệu nhƣ: Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X (XRD),ảnh hiển vi điện tử quét (SEM),phƣơng pháp từ kế mẫu rung (VSM), phép đo phản xạ, truyền qua và hấp thụ sóng vi ba. Trình bày kết quả thực nghiệm: Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X và chụp ảnh bề mặt SEM, phổ tán xạ năng lƣợng EDX, kết quả khảo sát tính chất từ của các hạt nano chế tạo, nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng vi ba của hạt nano tổng hợp Fe 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HIỆN TƢỢNG VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG VIBA 1. Hấp thụ sóng viba trong các chất dẫn điện Tổn hao xoáy xảy ra khi có sóng điện từ lan truyền trong một vật dẫn. Công suất tổn hao trong trƣờng hợp tổng quát có thể đƣợc viết.1) Trong đó,Bp là cƣờng độ vector từ trƣờng của sóng điện từ, d là kích thƣớc, k là tham số điều chỉnh hình dạng, là điện trở suất, và D là khối lƣợng riêng của vật liệu.
Tổn hao này rất đáng kể trong những mẫu có độ dẫn điện cao và kích thƣớc lớn. Với hệ các hạt nano rời rạc, tổn hao xoáy tổng cộng thƣờng bé, nhƣng mật độ (hay công suất) tổn hao lại lớn hơn so với vật liệu khối, và sẽ chỉ gây phản xạ yếu khi kích thƣớc các hạt rất bé hơn bƣớc sóng của sóng tới và bé hơn độ thấm sâu vào vật dẫn. Các vật liệu MAM/RAM trên cơ sở tổn hao xoáy thƣờng bao gồm các hạt kim loại hoặc carbon có độ dẫn điện cao (gọi là chất “nhồi” – filler) đƣợc trộn đều trong một chất mang nhƣ polymer, silicon, paraffin, cao su, sợi vải, … Với kích thƣớc các hạt bé (bé hơn độ thấm sâu vào vật dẫn), các hạt này hấp thụ hiệu quả sóng điện từ, nhƣng lại có hệ số phản xạ thấp. Ngoài việc làm cho sóng điện từ phản xạ qua lại nhiều lần giữa các hạt dẫn điện bên trong lớp MAM/RAM góp phần tăng cƣờng khả năng hấp thụ do tổn hao tán xạ, các hạt nano kim loại hình thành nên vô số các vi tụ điện trong lòng vật liệu và vì thế nâng cao hằng số điện môi (đây thực chất là một chất điện môi nhân tạo).
Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vật liệu có hằng số điện môi lớn cũng có khả năng hấp thụ mạnh sóng viba [7, 25]. Hấp thụ sóng viba trong các chất điện môi 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nhƣ chúng ta đã biết vật liệu điện môi đƣợc xác định là loại vật liệu cách điện và dễ bị phân cực khi đặt trong điện trƣờng [13]; đây chính là nguồn gốc tổn hao điện từ trong vật liệu điện môi. Hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số[17].1 chỉ ra rằng, hằng số điện môi là một đại lƣợng biến đổi theo tần số. Hằng số điện môi () đƣợc định nghĩa là tỉ số giữa mật độ thông lƣợng điện (D) và cƣờng độ điện trƣờng (E): Hằng số điện môiđặc trƣng cho khả năng phân cực của vật liệu theo cƣờng độ điện trƣờng.2) Hằng số điện môi tƣơng đối (r) (thông thƣờng đối với không gian tự do là 0= 8,85x10-12 F/m) đƣợc định nghĩa: 𝜀𝑟 = 𝜀/𝜀0 (1.3) Các ion dẫn, sự hồi phục lƣỡng cực, phân cực nguyên tử, phân cực điện tử là những cơ chế chính đóng góp vào hằng số điện môi của vật liệu.
Một trong những thông số quan trọng của một chất điện môi là thời gian hồi phục 𝜏 của các lƣỡng cực điện.Hiện tƣợng cộng hƣởng sẽ xảy ra khi tần số của điện trƣờng ngoài trùng với tần số hồi phục của lƣỡng cực.Đối với chất điện môi đồng nhất, thời gian hồi 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phục bao gồm thời gian định hƣớng của lƣỡng cực điện và đảo hƣớng lƣỡng cực điện khi thay đổi hƣớng của điện trƣờng ngoài [11]. Trong hằng số điện môi phức thì phần thựccủanó (𝜀𝑟′ ) đặc trƣng cho khả năng lƣu trữ năng lƣợng,phần ảo(r”)đặc trƣng cho công suất tổn hao.Tổn hao điện môi (tan) đƣợc xác định bằng tỉ số 𝜀 ′′ /𝜀′, cho biết công suất tổnhao của năng lƣợng lƣu trữ. Trong vùng tần số thấp ' đƣợc chi phối bởi ảnh hƣởng của ion dẫn. Sự biến đổi của hằng số điện môi trong vùng vi sóng đƣợc gây ra chính bởi sự hồi phục lƣỡng cực, và những đỉnh hấp thụ trong vùng hồng ngoại và vùng có tần số lớn hơn là do sự phân cực nguyên tử và điện tử gây ra.
Phân cực điện tử và nguyên tử Phân cực điện tử xảy ra trong các nguyên tử trung hòa, khi một điện trƣờng tác động lên hạt nhân với các điện tử xung quanh, mật độ điện tử có sự thay đổi tƣơng đối so vớihạt nhân, từ đó hình thành mộtlƣỡng cực điện. Với các nguyên tử có nhiều điện tử thì phân cực mạnh hơn. Phân cực nguyên tử xảy ra khi những ion dƣơng và ion âm liền kề bị kéo ra dƣới tác dụng của điện trƣờng, sự kéo nàygây ra sự thay đổi vị trí tƣơng đối củacác nguyên tử, từ đó hình thành một lƣỡng cực. Thực ra sự phân cực điện tử và nguyên tử cơ bản là giống nhau,chúngdiễn ra vô cùng nhanh nên chỉ xuất hiện trong vùng điện từ trƣờng có tần số caovàkhông thay đổi so với vùng sóng vi ba và đó làlý do tại saonó íthoạt độngở vùng tần sốvi ba [20].
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Trạng thái điện môi do phân cực điện tử hoặc nguyên tử.