Диссертация (1098006), страница 34

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 34)

Концентрация проводов p  0.01% , проницаемость матрицы =16. Длина провода равна 1 см. При увеличении концентрации, реальная частьэффективной проницаемости может принимать отрицательные значения.237Зависимость эффективной проницаемости от магнитного поля может бытьиспользованадлясозданияуправляемыхмикроволновыхпокрытий.Спектрыкоэффициентов отражения R() и прохождения T() показаны на Рисунке 20 дляплоских композитных материалов для нормального падения и для двух значениймагнитного поля H ex . Влияние магнитного поля на эти параметры достигает 15%.0.90.80.70.6Hex = 0 = 16Hex > HKp = 0.01%l = 10 ммh = 300 мT0.5R0.40.30.20.10.012345678f ( ГГц )Рисунок 20.

Спектры коэффициентов отражения и прохождения для тонкогокомпозитного слоя (толщина 300 микрон) для нормального падения в отсутствиимагнитного поля, и под действием поля, которое превышает поле анизотропии.Концентрация проводов p  0.01% , проницаемость матрицы = 16. Длина проводаравна 1 см.2386.4.4 Экспериментальные результаты по управляемым электродинамическимсвойствам композитов с короткими включениямиВ этом разделе обсуждаются экспериментальные результаты по влияниювнешнего магнитного поля и/или механического напряжения на спектры рассеяниякомпозитов с короткими отрезками магнитных проводов, которые ведут себя какрезонансные электрические диполи.Для реализации управления электромагнитным откликом с помощью внешнегомагнитного поля используются магнитные аморфные провода с анизотропией,близкой к циркулярной. Чтобы управлять спектрами рассеяния с помощью внешнихрастягивающих напряжений , нужна геликоидальная анизотропия, или использованиедополнительного магнитного поля смещения.

В обоих случаях перспективны аморфныепровода на основе кобальта с маленькой и отрицательной константой магнитострикции(например, состава Co68Fe4B14Si11Cr3 с магнитострикцией порядка  107 ).Для экспериментов в свободном пространстве изготавливались образцы размером50х50 см, содержащие преимущественно однонаправленные провода, как показано наРисунке 6.21a, или упорядоченные решетки коротких проводов (Рисунок 6.21b).Электрическое поле вРисунок 6.21. Структура композитов с короткими отрезками проводов.239падающей волне направлено вдоль проводов, и волна падает перпендикулярноплоскости образца.

В качестве матрицы использовался эластичный материал или бумага.Один слой материала смачивался силиконовым клеем, на котором закреплялись провода.Диэлектрическая проницаемость такой матрицы оказывается порядка 2.25, что можетбыть оценено из резонансной частоты.Рисунок 6.22. Эффект магнитного поля на коэффициент прохождения длякомпозитов толщиной 2 мм с однонаправленными магнитными проводами всиликоновом клее с диэлектрической проницаемостью 2.25 для различных планарныхконцентраций.

Длина проводов 5 см. Использовались провода в стеклянной оболочкесостава Co68Fe4B14Si11Cr3 с диаметром магнитной жилы 22 m и общим диаметром 35m. Провода подвергались отжигу при температуре 1602500 C в течении 1030 минут ипри воздействии растягивающих напряжений 20-30 кг/cм2, что позволяло установитьциркулярную анизотропию с небольшим разбросом осей анизотропии за счет частичнойрелаксации внутренних напряжений.На Рисунке 6.22 представленыспектрыпрохождения для композитов,изображенных на Рисунке 6.21а, для различных значений поверхностной концентрации,которая определялась как число центров проводов на квадратный сантиметр.

Видно, чтов окрестности антенного резонанса коэффициент прохождения имеет минимум, болеерезкий для композитов с большей концентрацией проводов. При воздействиимагнитного поля, превышающего поле анизотропии (порядка 3Э в данном случае), этотминимум значительно снижается (с -27 дБ до -12 дБ) и расплывается, что соответствует240увеличению импеданса. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются стеоретическими расчетами.Рисунок 6.23. Эффект растягивающих напряжений и магнитного поля накоэффициент прохождения для композитов толщиной 2 мм с однонаправленнымимагнитными проводами в силиконовом клее с диэлектрической проницаемостью 2.25.Длина проводов 5 см, планарная концентрация – 0.5 центров/см2.Использовалисьпровода в стеклянной оболочке состава Co68Fe4B14Si11Cr3 с диаметром магнитной жилы15 m и общим диаметром 20.3 м. Провода подвергались отжигу при температуре 2500C в течении 30 минут и при воздействии растягивающих напряжений 50-70 кг/cм2 споследующем медленным охлаждением также под нагрузкой, что позволяло установитьгеликоидальную анизотропию.На Рисунке 6.23 представлены спектры прохождения композитов, к которымприкладывалось растягивающее напряжение.

С этой целью образцы вставлялись вдеревянную рамку, верхний край которой фиксировался, а к нижнему подвешивалисьразличные грузы. Нагрузка порядка 0.1 МПа вызывает значительные растяжения вкомпозитной матрице, которые передаются магнитным проводам и соответствуютнагрузке в них порядка ГПа, что вызывает значительные изменения их импеданса.

Длятакихэкспериментовиспользовалисьпроводаснаведеннойгеликоидальнойанизотропией. Под действием нагрузки минимум в спектрах прохождения становитсяболее глубоким (с – 12 дБ до -17.5 дБ), так как под действием растягивающихнапряжений в проводах с отрицательной магнитострикцией легкая ось анизотропии241сновасоответствуетциркулярномуположению.Вэтомслучае,равновеснаянамагниченность будет следовать за осью анизотропии даже в отсутствии внешнегомагнитного поля ( = 0), что приведет к уменьшению импеданса и возрастаниюрассеяния от них под действием в нулевом поле. Интересно отметить, что еслитеперь приложить магнитное поле, то коэффициент прохождения увеличивается до – 8dB, так как магнитное поле отворачивает намагниченность от циркулярного положения.Это приведет к обратному росту импеданса и уменьшению рассеяния (ростукоэффициента прохождения), что и наблюдалось в эксперименте.Следует отметить, что стресс, передаваемый индивидуальным проволочнымвключениям, зависит от растяжения матрицы композита и от адгезии междупроволоками и матрицей.

Эти характеристики не были непосредственно измерены,поэтому реальный стресс, действующий на проволоки, мы оценили из измененияспектров прохождения. После снятия нагрузки композит возвращался в прежнеесостояние, о чем свидетельствовала дисперсионная зависимость коэффициентапрохождения. Таким образом, прикладываемое растяжение было строго эластическим и,следовательно, обратимым, а изменение спектров рассеяния под действием нагрузкиможет использоваться для определения внутренних напряжений и передаче напряженийволокнам композита, что является очень важной практической задачей.Возникает также вопрос, насколько принципиальна ориентация проволок в композите?Любой вид внешнего воздействия является векторным, будь то магнитное поле илистресс. Очевидно, что образцы с преимущественно упорядоченными включениямидолжны демонстрировать более сильный эффект управляемости, если их направлениесовпадает с вектором воздействия.

Однако в виду того, что измеряется усредненныйотклик от большого числа проволок, то при хаотической ориентации всегда найдетсядостаточное их количество, которое будет ориентировано преимущество по векторувоздействия. Совокупность этих проволок будет определять управляемость композита вцелом. Более того, в частном случае композита, управляемого магнитным полем, «valve»зависимость магнитного импеданса от магнитного поля (( )~ 2 ) будетгарантировать, что при достаточно сильном , большинство проволок переключится вновое состояние с высоким импедансом, независимо от их ориентации.Интересно исследовать спектры рассеяния композитов, содержащих магнитные проводаразных длин, которые будут иметь антенные резонансы на разных частотах.

Для этойцели использовались упорядоченные композиты, как показано на Рисунке 6.21 b242(расстояние между проводами и между отдельными рядами составляло 1 см), которыеполучались на бумажной основе (проницаемость матрицы равна 1). Использовалисьпровода с длиной 4 см, 2 см и 1см, для которых резонансные частоты составляют 3.65ГГц, 6.27 ГГц и 11.4 ГГц, соответственно. Спектры рассеяния (отражения ипропускания) от таких материалов показаны на Рисунке 6.24. Спектры имеютрезонансный характер, как обсуждалось выше, с резко выраженным минимумомвкоэффициенте прохождения около резонансной частоты.

В области резонансанаблюдается значительное изменение спектров под действием магнитного поля дляболее длинных проводов. Для проводов с длиной порядка 1 см зависимость спектроврассеяния от магнитного поля оказывается очень слабой, так как на высоких частотахпорядка 10 ГГц магнитная проницаемость провода уже мало отличается от единицы.Наблюдаемая зависимость оказывается также более слабой, чем в случае Рисунка 6.22,что может быть связано с меньшей планарной концентрацией (для проводов с длиной 4см концентрация равна 0.2 центров/см2).Рисунок 6.24. Эффект магнитного поля на спектры рассеяния: отражения (a) ипрохождения (б) для упорядоченных композитов с короткими магнитными проводамисостава Co66Fe3.5B16Si11Cr3.5 с диаметром магнитной жилы 40 м. Использовалисьпровода с длиной 4 см, 2 см, и 1 см.Используя спектры рассеяния, можно рассчитать эффективную диэлектрическуюпроницаемость.

Для этого применялся коммерческий пакет программ (Reflection/TransmissionEpsilonFastModel).Спектрыпроницаемости представлены на Рисунке 6.25.эффективнойдиэлектрической243Таким образом, экспериментально продемонстрирована возможность управленияэлектромагнитными спектрами композитов с короткими магнитными проводами, вкоторых наблюдается магнитоимпедансный эффект. Наибольший эффект управляемостимикроволновыми свойствами проволочного композита достигается на резонанснойчастоте, где распределение индуцированного тока на проволоке становится чрезвычайночувствительным к изменениям ее проводящих и магнитных свойств, а также крадиационным потерям.Рисунок6.25.Спектрыэффективнойдиэлектрическойпроницаемостиупорядоченных композитов с короткими проводами (длиной 4 см, 2 см, и 1 см),рассчитанные по спектрам рассеяния, представленным на Рисунке 6.24.6.

5 ПримененияПроведенные исследования открывают огромные возможности по созданиюуправляемых микроволновых поверхностей. Композиты с короткими включениями,помимо управляемых свойств, также являются селективными частотными фильтрами сминимумом пропускания (максимумом отражения) на частоте антенного резонанса.244Поскольку планарные катушки с большой площадью могут быть сделаны гибкими, тотакими материалами можно покрывать поверхности сложного профиля. Планарнаякатушка может быть легко изготовлена как единое целое вместе с композитнымобразцом сколь угодно больших размеров.

Характеристики

Список файлов диссертации