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納米材料對電磁波的吸收機製

2020-1-18 13:40:36      點擊:
      納米技術(nanotechnology)是用單個原子、分子製造物質的科學技術,研究結構尺寸在1至100納米範圍內材料的性質和應用。1981年掃描隧道顯微鏡發明後,誕生了一門以1到100納米長度為研究分子世界,它的最終目標是直接以原子或分子來構造具有特定功能的產品。因此,納米技術其實就是一種用單個原子、分子製造物質的技術。
納米材料是指在三維空間中至少有一維處於納米尺寸(0.1-100 nm)或由它們作為基本單元構成的材料,這大約相當於10~100個原子緊密排列在一起的尺度。

     近20年來,納米材料和納米技術在吸收電磁波材料的製備和開發中的應用得到了越來越多的重視。部分納米材料如納米磁性顆粒、單層膜和多層膜等具備較優異的吸收電磁波效果,還有可能同時具備頻帶寬、兼容性強、密度小和厚度薄等優點。納米材料的顯著特點是:尺寸小、表麵積大、往往會呈現量子效應,導致它產生許多不同於常規材料的特異性能。美國、俄羅斯、法國、德國、日本等國家都把納米材料作為新一代隱身材料加以研究和探索。當今世界軍事力量強大的國家正投入巨資研究能夠包括厘米波、毫米波、紅外等電磁波頻段的複合納米吸波材料

       納米材料對電磁波的吸收機製通常認為是電子或晶胞體係的自由度有限和比表麵積較大而導致的,主要表現在下述方麵。
首先是納米材料的表麵效應,因為納米粒子的尺寸很小,比表麵積較大,粒子表麵懸掛鍵增多,表麵活性極大,加上晶粒內部晶格震動波的連續性被破壞,使得粒子的電、磁、表麵性質以及對電磁波發散和衰減性與大尺寸物質截然不同。電子和原子在微波場的輻照下,運動速度較快,磁化、極化和傳導行為被極大地促進,電磁能被轉化為熱能,增強了吸收電磁波的效果;粒子的界麵極化弛豫和多重散射也會使吸波性能得到提升;而且納米材料高的比表麵積使得表層平均配位數下降,不飽和鍵和懸掛鍵增多,與一般的大塊材料相比,缺失了擇優鍵振動模,但存在較寬的化學鍵振動模分布,有利於拓寬吸收的電磁波的頻率範圍。
      第二是量子尺寸效應,當金屬粒徑小到一定尺寸時,費米能級附近的電子能級可以從準連續變為不連續,出現了非連續的最高占據軌道以及最低未被占據軌道,於是能隙變寬,電子能級被裂開,能級帶寬間隔恰好位於微波的能量範圍(10-2-10-5 eV),可以形成新的吸波機製。塊體金屬材料中自由電子的平均自由程一般要比金屬納米粒子的直徑大, 這種平均自由程可能被粒子中原子核和納米粒子壁所限製,導電能力大為降低,出現了納米粒子的電子自旋、電磁吸收和散射等異常的有利於電磁波吸收的現象。還有一種觀點認為, 納米粒子的等離子體共振頻移受量子尺寸影響,可以調整顆粒尺寸來對吸收峰頻率的位移進行控製,對特定頻帶的電磁波進行吸收。也有觀點認為,小尺寸顆粒的矯頑力較高,容易發生強磁滯損耗,有利於對電磁波進行吸收。一些納米材料在吸收微波的同時還可以吸收紅外線,容易實現對寬頻帶電磁波的吸收。納米複合材料由晶相和非晶相組成,可視為雙相材料。對於雙相軟磁材料在材料內部將出現不利於疇壁運動的雜散磁化,這也使磁損耗增加,宏觀反映出材料的電磁參量複磁導率虛部增大。
在納米吸波材料的眾多研究對象中,金屬尤其是鐵磁性金屬結構具有較高的磁損耗而成為一個重要的研究領域。由於塊體金屬在電磁波的輻照下表麵會產生渦流,嚴重阻礙了電磁波由自由空間進入到金屬材料內部,而且會在金屬材料表麵形成強烈的反射,不利於對電磁波的吸收。若是通過調整實驗條件,將金屬材料的尺寸降低到納米級,不僅可以有效地減少渦流的產生,還可以控製微結構促進對電磁波的吸收。