Υλικά για θωράκιση Ηλεκτρομαγνητικών Παρεμβολών – Ακτινοπροστασία
Επισκόπηση των υλικών για προστασία από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές * (Electromagnetic Interference – EMI) και ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες.
*Οι ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI), που ονομάζονται επίσης παρεμβολές ραδιοσυχνοτήτων (RFI) όταν βρίσκονται στο φάσμα ραδιοσυχνοτήτων, είναι διαταραχή που παράγεται από παρεμβολές από μια εξωτερική πηγή που επηρεάζει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα με ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, ηλεκτροστατική σύζευξη ή αγωγιμότητα.
Καλύπτει λειτουργικά και πολύ-λειτουργικά υλικά δομικής θωράκισης.
Τα υλικά περιλαμβάνουν μέταλλα, άνθρακες, κεραμικά, τσιμέντο, πολυμερή, υβρίδια και σύνθετα υλικά.
Τα κεραμικά, το τσιμέντο και τα πολυμερή συνήθως δεν είναι πολύ αποτελεσματικά, εκτός εάν συνδυάζονται με ένα λειτουργικό υλικό.
Τα μέταλλα και οι άνθρακες είναι τα κύρια λειτουργικά υλικά.
Λόγω της διαθεσιμότητας πολλών τύπων μικροανθράκων και νανοανθράκων, προστατευτικά υλικά με τη μορφή συνδυασμών μετάλλων-άνθρακα, κεραμικών-άνθρακα, τσιμέντου-άνθρακα και πολυμερούς-άνθρακα έχουν λάβει μεγάλη προσοχή.
Τα συνεκτικά σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα και υλικά με βάση το τσιμέντο κυριαρχούν μεταξύ των δομικών προστατευτικών υλικών. Καλύπτονται οι αρχές σχεδιασμού υλικών θωράκισης, λαμβάνοντας υπόψη την επιστημονική βάση και τη δομή των υλικών.
Αντιμετωπίζονται επίσης οι κοινές παγίδες/αποτυχίες στην έρευνα υλικών ακτινοπροστασίας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
Λέξεις-κλειδιά:
Ηλεκτρομαγνητική θωράκιση – ΕΜΙ – Ραδιοκύματα – Μικροκύματα – Απορρόφηση Ακτινοβολίας – Ακτινοπροστασία – Θωράκιση Ακτινοβολιών
- Εισαγωγή
Η θωράκιση ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI) αναφέρεται στην θωράκιση ακτινοβολίας ραδιοκυμάτων ή μικροκυμάτων έτσι ώστε η ακτινοβολία ουσιαστικά να μην μπορεί να διεισδύσει στην ασπίδα, η οποία χρησιμεύει ως φράγμα ακτινοβολίας.
Η θωράκιση EMI πρέπει να διακρίνεται από τη μαγνητική θωράκιση. Η μαγνητική θωράκιση αναφέρεται στην θωράκιση του μαγνητικού πεδίου και συνήθως περιλαμβάνει χαμηλές συχνότητες, όπως 60 Hz (η συχνότητα χρησιμότητας των ΗΠΑ).
Η ακτινοβολία ραδιοκυμάτων και μικροκυμάτων εκπέμπεται από όλες τις ηλεκτρονικές συσκευές, ιδιαίτερα εκείνες που λειτουργούν στο εύρος συχνοτήτων ραδιοκυμάτων και μικροκυμάτων (π.χ. κινητά τηλέφωνα). Μεγάλη ανησυχία είναι ότι η ακτινοβολία παρεμβαίνει στα ηλεκτρονικά, λόγω της αλληλεπίδρασης των ηλεκτρονίων στους μεταλλικούς αγωγούς με το ηλεκτρικό πεδίο στην ακτινοβολία. Η παρεμβολή μπορεί να προκαλέσει δυσλειτουργία στα ηλεκτρονικά. Καθώς οι συσκευές που περιλαμβάνουν ραδιοκύματα και φούρνο μικροκυμάτων αυξάνονται ολοένα και περισσότερο, απαιτούνται όλο και περισσότερο προστατευτικά υλικά τόσο για πηγές ακτινοβολίας όσο και για ηλεκτρονικά. Ως εκ τούτου, η έρευνα για την ανάπτυξη υλικών θωράκισης EMI έχει αναπτυχθεί ραγδαία τις τελευταίες δύο δεκαετίες.
Αυτή η εργασία παρέχει μια μη εξαντλητική αλλά ολοκληρωμένη ανασκόπηση της έρευνας EMI προστατευτικών υλικών. Καλύπτει τις εφαρμογές (Κεφ. 2), βασικές αρχές (Κεφ. 3), τύπους υλικών θωράκισης EMI (Κεφ. 4) και παγίδες στην έρευνα υλικών θωράκισης EMI (Κεφ. 5). Συγκεκριμένα, οι τύποι υλικών θωράκισης περιλαμβάνουν λειτουργικά και πολυλειτουργικά υλικά με τη μορφή μετάλλων, άνθρακα, κεραμικών, υλικών με βάση τσιμέντο και πολυμερών. Τα πολυλειτουργικά υλικά είναι δομικά υλικά που παρουσιάζουν αποτελεσματικότητα θωράκισης.
- Εφαρμογές
Η ακτινοβολία ραδιοκυμάτων ή μικροκυμάτων είναι σημαντική για τις τηλεπικοινωνίες και την ασύρματη τεχνολογία, όπως ραδιόφωνο, κεραίες, κινητά τηλέφωνα, Global Positioning System (GPS), Bluetooth (ένα ασύρματο πρότυπο για την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ κινητών και σταθερών συσκευών σε μικρές αποστάσεις), Wi-Fi ( Τεχνολογίες ασύρματης δικτύωσης με βάση IEEE-802.11) και συσκευές μικροκυμάτων.
Τα υλικά για θωράκιση EMI σχετίζονται στενά με υλικά για θωράκιση ηλεκτρομαγνητικού παλμού (EMP). Το EMP αναφέρεται σε μια μικρή έκρηξη ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας, όπως σε κεραυνούς και πυρηνικές εκρήξεις.
Υψηλά αγώγιμα υλικά που είναι τυπικά από υλικά θωράκισης EMI είναι επίσης σχετικά με τις κεραίες, οι οποίες λειτουργούν επίσης στα συστήματα ραδιοκυμάτων και μικροκυμάτων. Απαιτούνται κρίσιμες κεραίες για ασύρματη επικοινωνία, η οποία σχετίζεται με το Διαδίκτυο των πραγμάτων, τις ετικέτες συσκευής αναγνώρισης ραδιοσυχνοτήτων (RFID), τα αυτόνομα οχήματα, τα φορετά (εφελκυστικά) ηλεκτρονικά και την εικονική / επαυξημένη πραγματικότητα.
Το συμβατικό σκυρόδεμα δεν μπορεί να αντανακλά ραδιοκύματα. Ωστόσο, το σκυρόδεμα μπορεί να αποδοθεί σε αυτήν την ικανότητα με την προσθήκη αγώγιμου συστατικού (όπως ανθρακονήματα) στο μείγμα σκυροδέματος [1]. Αυτή η ικανότητα είναι χρήσιμη για την πλευρική καθοδήγηση των οχημάτων σε αυτοκινητόδρομους [2]. Για παράδειγμα, ανοίγοντας το κεντρικό τμήμα μιας λωρίδας κυκλοφορίας με σκυρόδεμα που αντανακλά ραδιοκύματα και εγκαθιστώντας πομπό και δέκτη ραδιοκυμάτων σε κάθε όχημα, το όχημα θα γνωρίζει αν δεν ταξιδεύει κατά μήκος του κέντρου της λωρίδας. Χρησιμοποιώντας τον έλεγχο ανατροφοδότησης, το όχημα διατηρείται κατά μήκος του κέντρου της λωρίδας κυκλοφορίας, επιτυγχάνοντας έτσι αυτόματη οδήγηση. Αυτή η προσέγγιση είναι λιγότερο δαπανηρή από την εναλλακτική προσέγγιση της ενσωμάτωσης μαγνητών κατά μήκος μιας λωρίδας κυκλοφορίας και καθοδήγησης του οχήματος μέσω της ανίχνευσης του μαγνητικού πεδίου.
- Βασικές αρχές
Το καθεστώς ραδιοκυμάτων περιλαμβάνει συχνότητες που κυμαίνονται από 104 έως 1010 Hz (δηλαδή, μήκη κύματος που κυμαίνονται από 10-1 έως 104 m). Το σύστημα μικροκυμάτων περιλαμβάνει συχνότητες που κυμαίνονται από 109 έως 1012 Hz (δηλαδή, μήκη κύματος που κυμαίνονται από 10-3 έως 100 m). Τα δύο καθεστώτα αλληλεπικαλύπτονται. Οι πιο σημαντικές συχνότητες βρίσκονται στην περιοχή GHz. Για παράδειγμα, η συχνότητα 1 GHz αντιστοιχεί στο μήκος κύματος 0,30 m. Αυτά τα μήκη κύματος είναι μεγάλα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι ασπίδες μπορούν να έχουν τη μορφή μεταλλικού συρμάτινου πλέγματος ή μεταλλικού φύλλου με τρύπες που είναι τόσο μεγάλες που μπορεί κανείς να δει μέσα από το φύλλο, όπως και για την πόρτα ενός φούρνου μικροκυμάτων. Λόγω του μεγάλου μήκους κύματος, τα υλικά για θωράκιση EMI θα πρέπει να σχεδιαστούν λαμβάνοντας υπόψη τη μακροσκοπική δομή, αν και οι περισσότερες έρευνες σε υλικά θωράκισης EMI έχουν επικεντρωθεί στη μικροδομή ή τη νανοδομή.
Η προστασία περιλαμβάνει κυρίως απορρόφηση και ανάκλαση της ακτινοβολίας. Ο μηχανισμός ανάκλασης οδηγεί στην ακτινοβολία που αναπηδά από το υλικό θωράκισης. Η ανακλώμενη ακτινοβολία μπορεί να είναι ανεπιθύμητη για το περιβάλλον, ιδιαίτερα για τους ανθρώπους που είναι παρόντες. Επομένως, από την άποψη της ασφάλειας, ο μηχανισμός απορρόφησης προτιμάται για θωράκιση. Για χαμηλή παρατηρησιμότητα (Stealth), η αντανάκλαση δεν είναι επίσης επιθυμητή, εάν η ανακλώμενη ακτινοβολία φτάσει στο ραντάρ και ως εκ τούτου ανιχνευθεί.
Η μείωση της αναντιστοιχίας σύνθετης αντίστασης μεταξύ του υλικού και του περιβάλλοντος μέσου είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για τη μείωση της ανάκλασης. Ωστόσο, τα υλικά θωράκισης είναι συνήθως αγώγιμα υλικά (π.χ. μέταλλα και άνθρακες), για τα οποία η αναντιστοιχία αντίστασης τείνει να είναι σημαντική. Η νανοδομή υλικού μέσω της επίστρωσης στη νανοκλίμακα παρέχει έναν τρόπο για την προσαρμογή ενός υλικού για τη μείωση της αντανάκλασης [3].
Η απώλεια ισχύος αναφέρεται στην απώλεια ισχύος λόγω της αλληλεπίδρασης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας με το προστατευτικό υλικό. Αποτελείται από την απώλεια ηλεκτρικής ενέργειας και τη μαγνητική απώλεια ισχύος. Η σχετική σημασία αυτών των δύο τύπων απώλειας ισχύος εξαρτάται από τον ηλεκτρικό και μαγνητικό χαρακτήρα του υλικού. Για παράδειγμα, η απώλεια μαγνητικής ισχύος είναι σημαντική για ένα μαγνητικό υλικό, αλλά ασήμαντο για ένα μη μαγνητικό υλικό. Επιπλέον, η σχετική σημασία των δύο τύπων απώλειας ισχύος εξαρτάται από τα σχετικά πλάτη του ηλεκτρικού πεδίου και του μαγνητικού πεδίου στην προσπίπτουσα ακτινοβολία.
Η απώλεια ισχύος λόγω θωράκισης εκφράζεται σε ντεσιμπέλ (dB) και αναφέρεται ως η αποτελεσματικότητα θωράκισης ή η συνολική αποτελεσματικότητα θωράκισης (SET). Το μέρος αυτής της απώλειας λόγω απορρόφησης είναι γνωστό ως απώλεια απορρόφησης (SEA). Το μέρος αυτής της απώλειας λόγω αντανάκλασης είναι γνωστό ως απώλεια ανάκλασης (SER). Αυτές οι ποσότητες ορίζονται μαθηματικά παρακάτω.
Οι παράμετροι σκέδασης (συντετμημένες παράμετροι S) περιγράφουν την απόκριση ενός δικτύου με θύρες Ν σε σήματα (ες) συμβάν σε μία ή περισσότερες από τις θύρες. Στη συντομογραφία για τις παραμέτρους S, ο πρώτος αριθμός στη συνδρομή καθορίζει τη θύρα απόκρισης, ενώ ο δεύτερος αριθμός καθορίζει τη θύρα συμβάντος. Ως εκ τούτου, η συντομογραφία S21 αναφέρεται στην απόκριση στη θύρα 2 που προκύπτει από ένα σήμα στη θύρα 1.
Η κατανόηση του τρόπου αλληλεπίδρασης ενός υλικού θωράκισης με τα μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία στην ακτινοβολία είναι το κλειδί για την ανάπτυξη υλικών για θωράκιση EMI. Ο μαγνητικός χαρακτήρας προάγει την απορρόφηση της ακτινοβολίας, λόγω της αλληλεπίδρασης των μαγνητικών διπόλων στο υλικό με το μαγνητικό πεδίο στην ακτινοβολία. Οι σχετικές πτυχές του μαγνητικού χαρακτήρα περιλαμβάνουν τη μαγνητική τριβή διπόλου (η οποία αυξάνεται με την αύξηση της συχνότητας και εξαρτάται από το μέγεθος των μαγνητικών περιοχών και την κινητικότητα των ορίων της περιοχής), την αλληλεπίδραση διπόλου-διπόλου, τη μαγνητική ευαισθησία και τη μαγνητική συνέχεια. Η ηλεκτρική πολικότητα ενός υλικού προάγει επίσης την απορρόφηση, λόγω της αλληλεπίδρασης των ηλεκτρικών διπόλων στο υλικό με το ηλεκτρικό πεδίο στην ακτινοβολία. Οι σχετικές πτυχές του διηλεκτρικού χαρακτήρα περιλαμβάνουν την ηλεκτρική τριβή διπόλου (η οποία αυξάνεται με την αύξηση της συχνότητας), την αλληλεπίδραση διπόλων-διπόλων, τη διηλεκτρική συνδεσιμότητα και την ηλεκτρική ευαισθησία.
Η διηλεκτρική συμπεριφορά σχετίζεται με τη συμπεριφορά αγωγιμότητας μέσω της σχέσης Kramers-Kronig. Για παράδειγμα, μεταξύ των υλικών άνθρακα που λαμβάνονται με θερμική επεξεργασία σε διαφορετικές θερμοκρασίες, η αγωγιμότητα και τα πραγματικά και φανταστικά μέρη της διαπερατότητας αυξάνονται όλα με την αύξηση της θερμοκρασίας θερμικής επεξεργασίας (δηλαδή, με αυξανόμενο βαθμό κρυσταλλογραφικής σειράς) [4]. Η συμπεριφορά αγωγιμότητας συμβάλλει επίσης στη διηλεκτρική απώλεια, η οποία υποδεικνύεται από το φανταστικό μέρος της σύνθετης διαπερατότητας.
Μεταξύ υλικών που δεν είναι μαγνητικά, η υψηλή αγωγιμότητα θεωρείται συνήθως στη βιομηχανία ως το βασικό κλειδί για την απόκτηση υψηλής θωράκισης. Αυτή η έμφαση στην αγωγιμότητα οφείλεται εν μέρει στην ευκολία μέτρησης της αγωγιμότητας. Ωστόσο, η υψηλή αγωγιμότητα δεν είναι απαραίτητα το πρωταρχικό κριτήριο για την προστασία μεταξύ μη μαγνητικών υλικών. Υπάρχουν και άλλοι παράγοντες, όπως συζητείται παρακάτω.
Ένας παράγοντας σχετίζεται με την επιφάνεια του υλικού θωράκισης ή την περιοχή διεπαφής στο υλικό θωράκισης. Λόγω του Skin Effect, μια υψηλή ειδική επιφάνεια / επιφάνεια διασύνδεσης (δηλαδή, περιοχή ανά μονάδα όγκου) προάγει τον όγκο του τμήματος του δείγματος που αλληλεπιδρά με την ακτινοβολία, ενισχύοντας έτσι την αποτελεσματικότητα θωράκισης. Η διεπαφή αναφέρεται σε εκείνη μεταξύ του εξαρτήματος θωράκισης (π.χ., ενός πληρωτικού) και του μη προστατευτικού στοιχείου (π.χ., της μήτρας) στο υλικό. Το μη προστατευτικό στοιχείο είναι σχετικά διαφανές στην ακτινοβολία, λόγω του χαμηλού βαθμού αλληλεπίδρασης με την ακτινοβολία. Για ένα δεδομένο πορώδες σε ένα πορώδες υλικό, ένα μικρότερο μέγεθος χαρακτηριστικού της πορώδους μικροδομής δίνει υψηλότερη ειδική επιφάνεια, και επομένως μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα θωράκισης. Για ένα δεδομένο κλάσμα όγκου πλήρωσης σε ένα σύνθετο, ένα μικρότερο μέγεθος μονάδας του πληρωτικού δίνει μια υψηλότερη ειδική περιοχή διεπαφής, προωθώντας έτσι την θωράκιση. Αυτός είναι εν μέρει ο λόγος για τον οποίο τα νανοπληρωτικά είναι ελκυστικά για σύνθετα υλικά για θωράκιση.
Ένας άλλος παράγοντας σχετίζεται με την ηλεκτρική συνδεσιμότητα, η οποία προάγει την θωράκιση, λόγω της συνέχειας των γραμμών ηλεκτρικού πεδίου στο υλικό. Αυτή η συνέχεια επιτρέπει επίσης τη ροή του ρεύματος που προκαλείται από το μαγνητικό πεδίο, προωθώντας έτσι τη μαγνητική απώλεια ισχύος. Επομένως, η ηλεκτρική διήθηση (ηλεκτρική συνδεσιμότητα) σε σύνθετο υλικό με αγώγιμο πληρωτικό και μη αγώγιμη μήτρα είναι πλεονεκτική για θωράκιση. Το κατώφλι διήθησης είναι χαμηλότερο όταν ο λόγος διαστάσεων του πληρωτικού είναι υψηλότερος. Ένα nanofiber τείνει να έχει υψηλότερο λόγο διαστάσεων από ένα microfiber. Αυτός είναι ένας άλλος λόγος για την ελκυστικότητα των νανοπληρωτών.
Για ένα προστατευτικό υλικό που είναι μαγνητικό, απαιτείται η μαγνητική συνέχεια του μαγνητικού συστατικού, επειδή οι γραμμές μαγνητικού πεδίου είναι απαραίτητα συνεχείς. Έτσι, η μαγνητική διήθηση σε σύνθετο υλικό με μαγνητικό πληρωτικό και μη μαγνητική μήτρα είναι σημαντική για θωράκιση.
Η μαγνητική, διηλεκτρική και συμπεριφορά αγωγιμότητας και η συγκεκριμένη επιφάνεια / επιφάνεια διασύνδεσης συμβάλλουν στη ρύθμιση της αποτελεσματικότητας της θωράκισης. Επιπλέον, κάθε συμπεριφορά εξαρτάται από τη συχνότητα και τη θερμοκρασία. Τα αποτελέσματα της συχνότητας και της θερμοκρασίας δεν σχετίζονται μόνο με τις εφαρμογές, αλλά ρίχνουν φως στους μηχανισμούς της θωράκισης. Είναι πιθανό, για ένα δεδομένο υλικό, ο κυρίαρχος μηχανισμός θωράκισης να εξαρτάται από το συνδυασμό συχνότητας και θερμοκρασίας. Παρά τον μεγάλο αριθμό δημοσιεύσεων σχετικά με τη συμπεριφορά θωράκισης EMI πολλών υλικών, μια συστηματική μελέτη των επιδράσεων της μαγνητικής, διηλεκτρικής και συμπεριφοράς αγωγιμότητας και της συγκεκριμένης περιοχής επιφάνειας / διασύνδεσης στην αποτελεσματικότητα θωράκισης σε διάφορους συνδυασμούς συχνότητας και θερμοκρασίας είναι σοβαρά ανεπαρκές. Ο Πίνακας 1 (Κεφ. 4.2) δείχνει ένα παράδειγμα μιας περιορισμένης μορφής μιας τέτοιας συστηματικής μελέτης. Η επίδραση της συχνότητας έχει λάβει πολύ περισσότερη προσοχή από την επίδραση της θερμοκρασίας. Προηγούμενες εργασίες τόνισαν την ανάπτυξη υλικών σκευασμάτων για βελτιωμένη θωράκιση, χωρίς επαρκή προσοχή στην επιστημονική βάση για την ανάπτυξη υλικών.
Πίνακας 1. Συσχέτιση της αποτελεσματικότητας θωράκισης EMI με μαγνητικά, ηλεκτρικά και μικροδομικά χαρακτηριστικά
Η εξάρτηση συχνότητας τείνει να είναι ιδιαίτερα σημαντική σε συχνότητες γύρω από τις οποίες αλλάζει ορισμένος μηχανισμός απορρόφησης (π.χ. αλλαγή από διπολική πόλωση σε χαμηλές συχνότητες σε ηλεκτρονική πόλωση σε υψηλές συχνότητες). Τα κεραμικά τείνουν να έχουν ισχυρότερη εξάρτηση από τη συχνότητα από τους άνθρακες και τα μέταλλα, λόγω της μερικώς ιοντικής φύσης των κεραμικών και της βραδύτητας της ιοντικής κίνησης σε σύγκριση με την ηλεκτρονική κίνηση. Για τυπικές πρακτικές εφαρμογές, δεν απαιτείται ισχυρή παραλλαγή της θωράκισης με συχνότητα. Η επίτευξη υψηλής αποτελεσματικότητας θωράκισης σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων είναι κοινός στόχος σε μεγάλο μέρος της έρευνας σχετικά με τα υλικά θωράκισης EMI.
Η χαμηλή αντανάκλαση είναι ελκυστική από την άποψη της ασφάλειας. Μαγνητικά υλικά που είναι αγώγιμα (π.χ. μεταλλικά μαγνητικά υλικά) τείνουν να αντανακλούν ουσιαστικά, λόγω της αναντιστοιχίας υψηλής αντίστασης. Έτσι, μαγνητικά υλικά που είναι χαμηλά στην αγωγιμότητα (π.χ. κεραμικά μαγνητικά υλικά) προτιμώνται για τη μείωση της ανάκλασης. Ομοίως, τα διηλεκτρικά (πολώσιμα) υλικά που είναι αγώγιμα τείνουν να αντανακλούν ουσιαστικά. Ωστόσο, η αντανάκλαση μπορεί να είναι σημαντική ενώ η απορρόφηση είναι ακόμη πιο σημαντική. Επομένως, είναι σημαντικό να μετρηθεί τόσο η απώλεια απορρόφησης όσο και η απώλεια ανάκλασης προκειμένου να κατανοηθεί ο μηχανισμός της θωράκισης.
Η απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας έχει ως αποτέλεσμα τη θέρμανση, δηλαδή τη μετατροπή της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας σε θερμική ενέργεια. Η αλλαγή θερμοκρασίας μπορεί να επηρεάσει την έκταση της απορρόφησης και της ανάκλασης. Με την ενίσχυση της απορρόφησης μέσω κατάλληλης αύξησης της θερμοκρασίας, η θωράκιση προωθείται, όπως φαίνεται στο γραφένιο
-
Τύποι υλικών για θωράκιση ακτινοβολίας και ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών
Τα υλικά για θωράκιση EMI περιλαμβάνουν μέταλλα, άνθρακες, κεραμικά, τσιμέντο (ή σκυρόδεμα), αγώγιμα πολυμερή και συναφή σύνθετα υλικά. Τα σύνθετα υλικά (συνδυασμοί υλικών) αποτελούν τον κύριο δρόμο για την ανάπτυξη υλικού θωράκισης EMI.
Τα μέταλλα και οι άνθρακες κυριαρχούν, λόγω της υψηλής αγωγιμότητάς τους και της σχετικής διαθεσιμότητας κινητών ηλεκτρονίων για αλληλεπίδραση με το ηλεκτρικό πεδίο στην ακτινοβολία. Τα κεραμικά και το τσιμέντο είναι λιγότερο αποτελεσματικά, αλλά τα ιόντα σε αυτά μπορούν να αλληλεπιδράσουν με το ηλεκτρικό πεδίο της ακτινοβολίας. Τα πολυμερή είναι ακόμη λιγότερο αποτελεσματικά, εκτός αν είναι του τύπου που είναι αγώγιμο. Για κάθε τύπο υλικού, η παρουσία ενός μαγνητικού συστατικού ενισχύει τη συμβολή απορρόφησης στην θωράκιση, λόγω της αλληλεπίδρασης του μαγνητικού συστατικού με το μαγνητικό πεδίο στην ακτινοβολία.
Για τα λειτουργικά και τα πολυλειτουργικά υλικά θωράκισης, είναι απαραίτητη η δυνατότητα κατασκευής με οικονομικά αποδοτικό υλικό θωράκισης με τις απαιτούμενες διαστάσεις και σχήμα. Τα σύνθετα υλικά παρέχουν μια αποτελεσματική οδό για την επίτευξη της κατασκευαστικότητας. Τα σύνθετα υλικά είναι κυρίως σύνθετα υλικά μήτρας πολυμερούς και μήτρας τσιμέντου, τα οποία συνεπάγονται πολύ χαμηλότερο κόστος κατασκευής από τα σύνθετα υλικά άνθρακα-μήτρας, κεραμικής μήτρας και μεταλλικής μήτρας. Μια προσέγγιση που δεν περιλαμβάνει σύνθετα υλικά περιλαμβάνει τη συμπύκνωση σωματιδίων που μπορούν να αλληλοσυνδέονται μηχανικά μεταξύ τους. Ένα παράδειγμα αυτής της προσέγγισης σχετίζεται με τον απολεπισμένο γραφίτη, η συμπύκνωση του οποίου ελλείψει συνδετικού οδηγεί σε ένα φύλλο (γνωστό ως εύκαμπτος γραφίτης, Κεφ. 4.3).
4.1. Λειτουργικά υλικά έναντι δομικών υλικών για θωράκιση
Τα υλικά για θωράκιση EMI μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με το αν είναι δομικά υλικά ή όχι. Τα υλικά θωράκισης που δεν είναι δομικά λέγονται λειτουργικά υλικά. Ένα λειτουργικό υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως προστατευτικό στοιχείο σε μια συσκευή όπως ένα κινητό τηλέφωνο. Μπορεί επίσης να ενσωματωθεί σε ή σε μια δομή. Το μεγαλύτερο μέρος της έρευνας σχετικά με τα υλικά θωράκισης EMI αφορά λειτουργικά υλικά και όχι δομικά υλικά.
Τα δομικά υλικά είναι υλικά που μπορούν να εξυπηρετήσουν τη φέρουσα λειτουργία μιας κατασκευής. Ένα παράδειγμα δομικών υλικών είναι συνεχείς σύνθετες πολυμερείς μήτρες ανθρακονήματος, οι οποίες χρησιμοποιούνται για ελαφριές κατασκευές, όπως το πλαίσιο αέρα. Λόγω των ηλεκτρονικών στα αεροσκάφη, απαιτείται θωράκιση. Ένα άλλο παράδειγμα είναι τα υλικά με βάση το τσιμέντο, τα οποία είναι σημαντικά για την πολιτική υποδομή. Ένα παράδειγμα εφαρμογής πολιτικής υποδομής είναι το συγκεκριμένο κάλυμμα ενός μεγάλου θησαυρού μετασχηματιστή. Απαιτείται επίσης θωράκιση για ένα κτίριο για την αποφυγή ηλεκτρομαγνητικών μορφών κατασκοπείας και για την παροχή προστασίας EMP.
Τα δομικά υλικά που είναι ικανά για θωράκιση EMI είναι πολυλειτουργικά. Σε σύγκριση με την ενσωμάτωση ενός λειτουργικού υλικού μέσα σε μια δομή για να καταστήσει τη δομή ικανή θωράκισης, τα πολυλειτουργικά δομικά υλικά είναι ελκυστικά για το χαμηλό τους κόστος, την υψηλή αντοχή, τον μεγάλο λειτουργικό όγκο και την απουσία μείωσης μηχανικής ιδιότητας.
Λόγω του περιορισμένου όγκου σε μια συσκευή όπως ένα κινητό τηλέφωνο, τα λειτουργικά υλικά θωράκισης πρέπει να είναι αποτελεσματικά σε μικρό πάχος. Επιπλέον, για μείωση του βάρους της συσκευής, είναι επιθυμητά λειτουργικά υλικά θωράκισης χαμηλής πυκνότητας. Ωστόσο, η αποτελεσματικότητα σε χαμηλή πυκνότητα δεν έχει νόημα στην πράξη εκτός εάν υπάρχει επίσης αποτελεσματικότητα σε μικρό πάχος. Από την άλλη πλευρά, λόγω του μεγάλου μεγέθους των κατασκευών, τα πολυλειτουργικά υλικά θωράκισης δεν χρειάζεται να είναι αποτελεσματικά σε μικρό πάχος. Επιπλέον, εκτός από ελαφρές κατασκευές όπως αεροσκάφη, τα πολυλειτουργικά υλικά θωράκισης δεν χρειάζεται να είναι αποτελεσματικά σε χαμηλή πυκνότητα. Συγκεκριμένα, η χαμηλή πυκνότητα συνήθως δεν απαιτείται για την πολιτική υποδομή, για την οποία κυριαρχούν υλικά με βάση το τσιμέντο.
4.2. Μέταλλα – χρήση μετάλλων στη θωράκιση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και παρεμβολών
Τα μέταλλα σε μορφές χύδην και επικάλυψης έχουν χρησιμοποιηθεί από καιρό για θωράκιση EMI. Το πιο συνηθισμένο παράδειγμα ενός μετάλλου σε μαζική μορφή είναι το φύλλο αλουμινίου που χρησιμοποιείται για την κατασκευή ηλεκτρονικών περιβλημάτων. Για μέταλλα σε μορφή επικάλυψης, ένα κοινό παράδειγμα είναι το νικέλιο που εναποτίθεται με ηλεκτρολυτική επίστρωση. Το νικέλιο είναι σιδηρομαγνητικό και αγώγιμο.
Η μορφή επικάλυψης πάσχει από την τάση να γρατζουνίζεται η επίστρωση, αν και οι γρατσουνιές τείνουν να είναι αποδεκτές, λόγω του μεγάλου μήκους κύματος της ακτινοβολίας. Η μαζική μορφή υποφέρει από τον μεγάλο όγκο και τη μάζα της. Επιπλέον, τα περιβλήματα υποφέρουν από έλλειψη ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης στις αρθρώσεις (ραφές) εντός ενός περιβλήματος. Ένα παράδειγμα αρμού συνδέεται με την πόρτα ενός θωρακισμένου δωματίου EMI. Για την ανακούφιση του κοινού προβλήματος, απαιτούνται παρεμβύσματα EMI. Τα παρεμβύσματα EMI πρέπει να είναι ανθεκτικά (ελαστικά), εκτός από το ότι είναι αποτελεσματικά στην προστασία.
Τα μαγνητικά μέταλλα είναι εξαιρετικά για την προστασία από την απορρόφηση. Παραδείγματα μαγνητικών κραμάτων είναι το μέταλλο mu (μαλακό σιδηρομαγνητικό κράμα νικελίου-σιδήρου με σχετική μαγνητική διαπερατότητα 100.000 στα 1 kHz), permalloy (κράμα νικελίου-σιδήρου με περίπου 80% κ.β. 1 kHz), και ανοξείδωτο χάλυβα (αρ. 430, φερριτικό, με σχετική διαπερατότητα 500). Ωστόσο, αυτά τα κράματα είναι βαριά, λόγω της υψηλής πυκνότητάς τους. Το νικέλιο είναι επίσης μαγνητικό, αν και η σχετική διαπερατότητα (100) είναι χαμηλή. Ωστόσο, το νικέλιο είναι ελκυστικό επειδή μπορεί να εναποτεθεί με ηλεκτρολυτική επίστρωση για να σχηματίσει μια επικάλυψη.
Η συνεργιστική χρήση ενός μαγνητικού κράματος και ενός αγώγιμου μη μαγνητικού υλικού (άνθρακας) είναι αποτελεσματική. Για παράδειγμα, τα σωματίδια μαγνητικού κράματος (FeNi) επικαλυμμένα με νανοσωλήνες άνθρακα είναι πιο αποτελεσματικά από τα σωματίδια μαγνητικού κράματος μόνο ή νανοσωλήνες άνθρακα μόνο ως πληρωτικά σε ένα σύνθετο πολυμερές-μήτρα [6]. Σε ένα άλλο παράδειγμα, ένα μαγνητικό κράμα (mu-metal) και νιφάδα γραφίτη χρησιμοποιούνται μαζί σε ένα προστατευτικό υλικό. Με το μαγνητικό συστατικό σε πολύ χαμηλότερη αναλογία από το αγώγιμο συστατικό σε σύνθετο πολυμερές-μήτρα, η αποτελεσματικότητα θωράκισης είναι μεγαλύτερη από το σύνθετο είτε με το μαγνητικό συστατικό είτε με το αγώγιμο συστατικό ως το μοναδικό πληρωτικό [7]. Το μαγνητικό εξάρτημα είναι αποτελεσματικό για την ενίσχυση της θωράκισης υπό την προϋπόθεση ότι η ηλεκτρική αντίσταση του σύνθετου υλικού είναι κάτω από 10 Ω cm, όπως αποδίδεται κυρίως από το αγώγιμο εξάρτημα, το οποίο επιτρέπει διαδρομές για το ρεύμα της ροής [7].
Μια ευρέως αποδεκτή έννοια είναι ότι η υψηλή αγωγιμότητα οδηγεί σε μια κατάσταση στην οποία η θωράκιση οφείλεται κυρίως στην ανάκλαση και όχι στην απορρόφηση. Ωστόσο, αυτή η έννοια δεν είναι απαραίτητα σωστή, καθώς η υψηλή αγωγιμότητα μπορεί να συσχετιστεί με την θωράκιση που οφείλεται κυρίως στην απορρόφηση, όπως συζητείται παρακάτω σε σχέση με το αλουμίνιο [8], το οποίο είναι το κυρίαρχο μέταλλο για την θωράκιση EMI.
Για την κατανόηση των υλικών χαρακτηριστικών που διέπουν την θωράκιση, είναι σημαντικό να συσχετιστεί η αποτελεσματικότητα της θωράκισης με τις ηλεκτρικές, μαγνητικές, διαστατικές και μικροδομικές παραμέτρους του υλικού. Αυτός ο συσχετισμός πραγματοποιήθηκε για το νικέλιο, το οποίο είναι τόσο σιδηρομαγνητικό όσο και αγώγιμο. Η αποτελεσματικότητα θωράκισης [9], οι μαγνητικές ιδιότητες (υστέρηση μαγνητική απώλεια ενέργειας και μαγνητική καταναγκαστική δύναμη) [10], η ηλεκτρική αντίσταση [9] και η μικροδομή (μέγεθος κόκκων και αριθμός κόκκων νικελίου κατά τη διάμετρο του νηματώδους νικελίου) [10] φαίνονται στον Πίνακα 1 για νηματώδες νικέλιο τριών διαφορετικών διαμέτρων (0,4, 2 και 20 μm). Το νηματώδες νικέλιο διαμέτρου 0,4 μm είναι νανοΐνη άνθρακα επικαλυμμένο με νικέλιο με τον πυρήνα άνθρακα να έχει μόνο διάμετρο 0,1 μm. Αυτό το νανοΐνη είναι επίσης γνωστό ως νίκελ νανοϊνών ή νήμα νικελίου, δεδομένου ότι το νικέλιο ανέρχεται σε 94 vol% του νανοϊνών. Το νηματώδες νικέλιο διαμέτρου 2 μm είναι ίνες νικελίου. Το νηματώδες νικέλιο διαμέτρου 20 μm είναι επίσης μια ίνα νικελίου. Στο ίδιο περιεχόμενο πλήρωσης 19 vol% και για το ίδιο μη αγώγιμο πολυμερές πλέγμα (πολυαιθεροσουλφόνη), η αποτελεσματικότητα θωράκισης EMI (1-2 GHz), η απώλεια ενέργειας υστέρησης και η καταναγκαστική δύναμη μειώνονται μονοτονικά με την αύξηση της διαμέτρου του νηματώδους νικελίου. Ωστόσο, η αντίσταση DC είναι η χαμηλότερη στην ενδιάμεση διάμετρο των 2 μm, λόγω δύο ανταγωνιστικών παραγόντων, δηλαδή (i) η αντίσταση μειώνεται με την καλύτερη επαφή των νηματωδών μονάδων νικελίου, όπως ενεργοποιείται από μια μικρότερη διάμετρο (υψηλότερη αναλογία διαστάσεων) και (ii) η αντίσταση αυξάνεται με την παρουσία μεγαλύτερου αριθμού σημείων επαφής, όπως προκύπτει από μικρότερη διάμετρο. Για το ίδιο κλάσμα όγκου, μια μικρότερη διάμετρος, που αντιστοιχεί σε υψηλότερο λόγο διαστάσεων, ενισχύει την επαφή, αλλά επίσης αυξάνει τον αριθμό των σημείων επαφής, καθένα από τα οποία σχετίζεται με ηλεκτρική αντίσταση. Έτσι, ένας συμβιβασμός μεταξύ αυτών των δύο παραγόντων, όπως παρέχεται από την ενδιάμεση διάμετρο, δίνει τη χαμηλότερη αντίσταση. Το μέγεθος κόκκου είναι παρόμοιο για τις διαμέτρους 0,4 και 2 μm (μέγεθος κόκκου: 0,016 και 0,018 μm), αλλά είναι πολύ μεγαλύτερο (μέγεθος κόκκου: 2 μm) για τη διάμετρο των 20 μm. Ο αριθμός των κόκκων κατά μήκος της διαμέτρου είναι παρόμοιος για τις διαμέτρους 0,4 και 20 μm (αριθμός κόκκων: 9 και 10), αλλά είναι πολύ μεγαλύτερος για τη διάμετρο των 2 μm (αριθμός κόκκων: 110). Η αντίσταση δεν συσχετίζεται με τη διάμετρο, το μέγεθος κόκκων ή τον αριθμό κόκκων κατά μήκος της διαμέτρου. Τα συγκριτικά αποτελέσματα στον Πίνακα 1 αποκαλύπτουν ότι η υψηλή αποτελεσματικότητα θωράκισης EMI συσχετίζεται με υψηλές τιμές απώλειας ενέργειας υστέρησης και καταναγκαστικής δύναμης και με χαμηλή διάμετρο, αλλά η αποτελεσματικότητα θωράκισης δεν συσχετίζεται με την αντίσταση, το μέγεθος κόκκων ή τον αριθμό κόκκων κατά μήκος διάμετρος. Στο ίδιο κλάσμα όγκου πλήρωσης, μια μικρότερη διάμετρος αντιστοιχεί σε μια μεγαλύτερη ειδική περιοχή διασύνδεσης. Λόγω του Skin Effect, η αποτελεσματικότητα θωράκισης προωθείται από μια μεγαλύτερη συγκεκριμένη περιοχή διασύνδεσης. Η επίδραση του Skin Effect κυριαρχεί στην επίδραση της αγωγιμότητας στη ρύθμιση της αποτελεσματικότητας της θωράκισης. Παρομοίως, η απώλεια ενέργειας υστέρησης και η καταναγκαστική δύναμη προωθούνται από μια μεγαλύτερη συγκεκριμένη περιοχή διασύνδεσης.
Δεδομένου ότι η απορρόφηση συμβαίνει στο εσωτερικό ενός δείγματος, η συνεισφορά απορρόφησης αυξάνεται με την αύξηση του πάχους. Επιπλέον, η υψηλή αγωγιμότητα οδηγεί σε σημαντική αναντιστοιχία αντίστασης μεταξύ του δείγματος και του αέρα, με αποτέλεσμα την ουσιαστική ανάκλαση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η θωράκιση του αλουμινίου κυριαρχείται από την απορρόφηση [8]. Η απώλεια ανάκλασης SER είναι χαμηλή σε σύγκριση με τη SEA, π.χ. στα 1 GHz, η SEA είναι 43 dB, ενώ η SER είναι 5 dB (Εικ. 1). Η κυριαρχία απορρόφησης συμβαίνει παρά το μικρό πάχος και την υψηλή αγωγιμότητα του αλουμινίου που χρησιμοποιείται. Αυτή η κυριαρχία οφείλεται εν μέρει στην υψηλή τιμή της σχετικής ηλεκτρικής διαπερατότητας (54.800 στα 2 kHz) [11]. Η υψηλή διαπερατότητα οφείλεται στην αλληλεπίδραση ενός μικρού κλάσματος των ελεύθερων ηλεκτρονίων με τα άτομα. Η πόλωση που ενεργοποιείται από τη διαπερατότητα προάγει την απορρόφηση.
Σχ. 2. Αποτελέσματα θωράκισης για αλουμινόχαρτο. (a) SET, SEA και SER, το καθένα έναντι της συχνότητας f. (β) SEA / πάχος έναντι συχνότητας f, όπου το πάχος είναι το πάχος δείγματος [8].
4.3. Άνθρακες – χρήση ανθράκων στη θωράκιση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και παρεμβολών
Τα υλικά άνθρακα (π.χ. οπτάνθρακας, γραφίτης, γραφένιο, ίνες άνθρακα, νανοΐνες άνθρακα και νανοσωλήνας άνθρακα) δεν είναι μόνο αγώγιμα ηλεκτρικά, αλλά είναι καλοί απορροφητές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Διαφορετικοί τύποι άνθρακα διαφέρουν πολύ στην αγωγιμότητα, τη δομή, τη μορφολογία και το κόστος [12]. Οι νανοΐνες άνθρακα (που αναφέρονται παραπάνω) είναι αρχικά γνωστές ως ίνες άνθρακα.
Ένας ιδιαίτερα ελκυστικός τύπος γραφίτη είναι ο απολεπισμένος γραφίτης (Εικ. 2), ο οποίος λαμβάνεται με παρεμβολή νιφάδων γραφίτη, ακολουθούμενη από ταχεία θέρμανση που προκαλεί απολέπιση [13]. Κάθε κομμάτι απολεπισμένου γραφίτη είναι γνωστό ως σκουλήκι, λόγω της εκτεταμένης διαστολής κατά μήκος του άξονα c και του προκύπτοντος μεγάλου μήκους κατά μήκος αυτής της κατεύθυνσης. Κατά τη συμπίεση των σκουληκιών, συμβαίνει μηχανική αλληλοσύνδεση μεταξύ των γειτονικών σκουληκιών, με αποτέλεσμα ένα φύλλο απουσία συνδετικού. Λόγω της ευελιξίας του, το φύλλο είναι γνωστό ως «εύκαμπτος γραφίτης». Λόγω του υψηλού βαθμού συμπύκνωσης κατά την κατασκευή εύκαμπτου γραφίτη, το φύλλο παρουσιάζει ισχυρό κρυσταλλογραφικό προτιμώμενο προσανατολισμό των στιβάδων άνθρακα στο επίπεδο του φύλλου. Ως αποτέλεσμα του προτιμώμενου προσανατολισμού, το φύλλο είναι πολύ ανισότροπο, με την ηλεκτρική αγωγιμότητα να είναι πολύ υψηλότερη στο επίπεδο του φύλλου από την κάθετη κατεύθυνση. Επιπλέον, η διαδικασία απολέπισης οδηγεί σε βαθμό ανοικτού πορώδους (εκτός από το κλειστό πορώδες), έτσι ώστε η επιφάνεια να αυξάνεται. Η υψηλή επιφάνεια είναι ελκυστική για θωράκιση, λόγω του Skin Effect. Για τους λόγους αυτούς, ο εύκαμπτος γραφίτης παρουσιάζει αποτελεσματικότητα θωράκισης έως και 130 dB [14], το οποίο είναι ουσιαστικά το ανώτερο όριο της μέτρησης απώλειας ισχύος. Περαιτέρω, λόγω της κυτταρικής δομής και του προτιμώμενου προσανατολισμού, το φύλλο είναι ελαστικό στην κατεύθυνση κάθετα προς το επίπεδο του φύλλου. Η ελαστικότητα επιτρέπει στον εύκαμπτο γραφίτη να χρησιμεύει ως υλικό παρεμβύσματος EMI. Πρόσθετα αξιοθέατα του εύκαμπτου γραφίτη περιλαμβάνουν χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, υψηλή θερμική αγωγιμότητα και χημική αδράνεια, τα οποία είναι ιδιαίτερα πολύτιμα για μικροηλεκτρονικές εφαρμογές.
Λόγω της κυτταρικής δομής, υπάρχει σημαντικό πορώδες στον εύκαμπτο γραφίτη, όπως φαίνεται από την πυκνότητά του να είναι πολύ χαμηλότερη από αυτήν του ιδανικού γραφίτη. Στο Σχ. 3 (b), το πάχος άνθρακα αναφέρεται στο πάχος που συνεισφέρει το τμήμα άνθρακα του δείγματος, με εξαίρεση τους πόρους. Το πάχος SEA ανά μονάδα αυξάνεται με την αύξηση της συχνότητας, με την τιμή σε σχέση με το πάχος άνθρακα να υπερβαίνει εκείνη σε σχέση με το πάχος του δείγματος [8]. Αυτό καταδεικνύει τη σημασία της εξέτασης του πορώδους στο υλικό.
Το πάχος SEA ανά μονάδα είναι πολύ χαμηλότερο για εύκαμπτο γραφίτη (Εικ. 3) από το αλουμίνιο (Εικ. 1) [8]. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο πάχος του αλουμινίου από το εύκαμπτο γραφίτη. Επιπλέον, τόσο η αγωγιμότητα όσο και η διαπερατότητα του εύκαμπτου γραφίτη είναι χαμηλότερες από αυτές του αλουμινίου.
Η ενεργοποίηση του άνθρακα περιλαμβάνει μια χημική αντίδραση που έχει ως αποτέλεσμα το πορώδες της επιφάνειας. Λόγω της μεγάλης επιφάνειας και του Skin Effect, οι ίνες ενεργού άνθρακα είναι πιο αποτελεσματικές για την προστασία από τις αντίστοιχες ίνες άνθρακα που δεν έχουν υποστεί ενεργοποίηση [15]. Η ενεργοποίηση μειώνει την αντοχή και τον συντελεστή της ίνας, έτσι ώστε η μείωση να είναι πιο σημαντική εάν η έκταση της ενεργοποίησης είναι μεγαλύτερη. Επομένως, η ενεργοποίηση πρέπει να είναι ελαφριά εάν η ίνα άνθρακα προορίζεται για δομική χρήση. Ωστόσο, εάν η ίνα δεν προορίζεται για δομική χρήση, η έκταση της ενεργοποίησης δεν χρειάζεται να είναι περιορισμένη.
Εν μέρει λόγω της υψηλής επιφάνειας και του Skin Effect, οι νανοάνθρακες όπως το γραφένιο, οι νανοΐνες άνθρακα και ο νανοσωλήνας άνθρακα είναι αποτελεσματικοί για την προστασία. Αντί να διασκορπίζεται ο νανοάνθρακας σε μια συγκεκριμένη μήτρα, είναι δυνατόν να σχηματιστεί χαρτί νανοανθρακικού (όπως χαρτί νανοσωλήνων άνθρακα), το οποίο μπορεί να ενσωματωθεί σε ένα σύνθετο υλικό [16].
Οι υβριδικοί νανοάνθρακες (που περιλαμβάνουν άνθρακες διαφορετικών μεγεθών και σχημάτων) και πορώδεις νανοάνθρακες (συχνά γνωστοί ως αερογέλες) αναπτύσσονται για προστασία μέσω της ενίσχυσης της επιφάνειας και της μείωσης της ασυμφωνίας αντίστασης μεταξύ του υλικού και του αέρα γύρω από αυτό. Η μείωση της αναντιστοιχίας σύνθετης αντίστασης βοηθά στη μείωση της απώλειας ανάκλασης, αυξάνοντας έτσι την απώλεια απορρόφησης, η οποία είναι ο πρωταρχικός μηχανισμός για τη θωράκιση με τη χρήση άνθρακα. Η συνδυασμένη χρήση συνεχών ανθρακονημάτων και νανοσωλήνων άνθρακα έχει λάβει την προσοχή, συμπεριλαμβανομένης της κατάστασης στην οποία οι νανοσωλήνες ευθυγραμμίζονται κατά μήκος του άξονα της ίνας άνθρακα [17]. Τα υβρίδια μπορούν επίσης να περιλαμβάνουν άνθρακες και μέταλλα. Ένα παράδειγμα είναι ένα υβρίδιο που περιλαμβάνει ανθρακονήματα, νανοσωματίδια νικελίου και γραφένιο [18].
Για μια μήτρα που είναι ουσιαστικά διαφανής στην ακτινοβολία, ένα σύνθετο νανοϊνών είναι ανώτερο από ένα σύνθετο μικροϊνών στην θωράκιση, όταν οι νανοΐνες και οι μικροΐνες είναι στο ίδιο κλάσμα όγκου. Αυτό οφείλεται στο Skin Effect και στην υψηλότερη περιοχή διασύνδεσης (πιο συγκεκριμένα, μια υψηλότερη συγκεκριμένη περιοχή διασύνδεσης, η οποία αναφέρεται στην περιοχή διεπαφής ανά μονάδα όγκου ή ανά μονάδα μάζας) στο σύνθετο νανοϊνών.
Οι ίνες άνθρακα με επικάλυψη από μέταλλο είναι πιο αποτελεσματικές για τη θωράκιση από ό, τι οι μη επικαλυμμένες ίνες άνθρακα [19]. Λόγω του Skin Effect, οι νανοάνθρακες με επικάλυψη μετάλλων, όπως οι νανοΐνες άνθρακα με επικάλυψη νικελίου (αρχικά γνωστές ως νήμα άνθρακα με νικέλιο ή, πιο απλά, νήμα νικελίου), είναι ακόμα πιο αποτελεσματικοί [9] (Πίνακας 1). Η επικάλυψη νικελίου αποδίδει υψηλή αγωγιμότητα και μαγνητικό χαρακτήρα σε σύγκριση με τη μη επικάλυψη νανοϊνών άνθρακα. Η χρήση νανοϊνών άνθρακα με επικάλυψη νικελίου ως πληρωτικό σε ένα πολυμερές έχει ως αποτέλεσμα ένα σύνθετο υλικό που εμφανίζει αποτελεσματικότητα θωράκισης 87 dB (1-2 GHz) σε περιεκτικότητα πληρώματος 7 vol% [9].
Για τα παρεμβύσματα EMI, το περιεχόμενο πληρώματος πρέπει να διατηρείται χαμηλό, καθώς η ελαστικότητα προέρχεται από την πολυμερή μήτρα και μειώνεται με την αύξηση της περιεκτικότητας πλήρωσης [20]. Έτσι, για το παρέμβυσμα EMI, το πληρωτικό πρέπει να είναι αποτελεσματικό ακόμη και σε κλάσμα χαμηλού όγκου.
Τα συνεκτικά σύνθετα υλικά πολυμερούς μήτρας άνθρακα και μήτρας άνθρακα είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά για θωράκιση. Το τελευταίο είναι επίσης γνωστό ως σύνθετα άνθρακα-άνθρακα. Η αποτελεσματικότητα οφείλεται εν μέρει στη συνέχεια της ίνας άνθρακα και στα δύο σύνθετα. Η ηλεκτρική συνέχεια είναι πολύτιμη, παρόλο που η συχνότητα είναι υψηλή και η εκδρομή των φορτίων δεν είναι μεγάλη. Λόγω της αγωγιμότητας της μήτρας άνθρακα και της μη αγωγιμότητας της μήτρας πολυμερούς, το σύνθετο πλέγμα άνθρακα είναι πιο αποτελεσματικό από το αντίστοιχο σύνθετο πολυμερές-μήτρα για θωράκιση [21]. Η μήτρα άνθρακα ενισχύει την ηλεκτρική συνέχεια, επιπλέον συμβάλλει στην θωράκιση. Επίσης λόγω της ηλεκτρικής συνέχειας, οι συνεχείς ίνες άνθρακα είναι πιο αποτελεσματικές από τις ασυνεχείς ίνες άνθρακα για την παροχή θωράκισης [19].
Η επίπεδη διάταξη ινών [22] και η διάταξη στοίβαξης [23] στη μακρο κλίμακα μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την αποτελεσματικότητα της θωράκισης. Το Σχ. 4 δείχνει την αποτελεσματικότητα θωράκισης για τρεις επίπεδες διευθετήσεις ενός συνεχούς ρυμούλκησης ινών άνθρακα, με ένα ρυμουλκό που αποτελείται από 12.000 ίνες. Στην διάταξη 1, η ρυμούλκηση έχει τη μορφή επίπεδου πηνίου, έτσι ώστε η ρυμούλκηση να είναι συνεχής σε όλο το πηνίο. Στην διάταξη 2 (συμπεριλαμβανομένων των παραλλαγών 2Α και 2Β), η ρυμούλκηση έχει τη μορφή παράλληλων ευθειών γραμμών, έτσι ώστε η ρυμούλκηση να είναι συνεχής μεταξύ μιας γραμμής και της παρακείμενης αυτής. Οι διευθετήσεις 2Α και 2Β αντιστοιχούν στη διεύθυνση του ρυμουλκού, αντίστοιχα, μεταξύ τους 0 ° και 90 ° στις δύο αντίθετες πλευρές του χαρτιού εκτυπωτή στο οποίο είναι τοποθετημένο το ρυμουλκό. Έτσι, η διάταξη 2Α περιγράφεται ως μονοκατευθυντική και η διάταξη 2Β περιγράφεται ως εγκάρσια.
Εικ. 4. (α) Απώλεια απορρόφησης συνεχών ινών άνθρακα (χωρίς επικάλυψη) με τρεις ίνες ρυμούλκησης. (β) Απώλεια απορρόφησης συνεχών ινών άνθρακα (νικελίου) με τρεις ίνες ρυμούλκησης. (γ) Η οπτική φωτογραφία των δειγμάτων που αντιστοιχούν στις τρεις επίπεδες διευθετήσεις, μαζί με έναν χάρακα με μεγάλα τμήματα σε εκατοστά. Η πίσω πλευρά της διάταξης εγκάρσιας απόκρυψης είναι κρυμμένη από την προβολή στο (c), οπότε οι φωτογραφίες φαίνεται να είναι πανομοιότυπες για τις διασταυρώσεις (Διάταξη 2Β) και μονοκατευθυντικές (Διακανονισμός 2Α) στο (γ) [22,19].
Λόγω της αγωγιμότητας και του μαγνητισμού του, το νικέλιο είναι ένα αποτελεσματικό υλικό επικάλυψης για ίνες άνθρακα για την ενίσχυση της αποτελεσματικότητας της θωράκισης [24]. Οι συνεχείς ίνες άνθρακα χωρίς επίστρωση και νικέλιο συγκρίνονται σε σχέση με τις τρεις επίπεδες διευθετήσεις [22]. Όπως φαίνεται στο Σχ. 4 (a) και (b), το Arrangement 2B δίνει πολύ υψηλότερο SET από το Arrangement 2A, είτε η ίνα είναι επικαλυμμένη είτε όχι. Αυτό συμβαδίζει με το γεγονός ότι η ακτινοβολία δεν είναι πολωμένη. Η μη πολωμένη ακτινοβολία περιλαμβάνει το ηλεκτρικό πεδίο της ακτινοβολίας απευθείας ακτινικά και τυχαία στο επίπεδο του δείγματος. Χρησιμοποιείται πιο συχνά από την πολωμένη ακτινοβολία. Το Arrangement 1 δίνει χαμηλότερο SET από τα Arrangements 2A και 2B για τις μη επικαλυμμένες ίνες και δίνει παρόμοιο SET με το Arrangement 2A για τις ανθρακονήματα με επικάλυψη νικελίου. Η κατωτερότητα της διάταξης 1 προς της διάταξης 2 είναι σαφέστερη όταν απουσιάζει η επικάλυψη. Όπως αναμενόταν από την ηλεκτρομαγνητική θεωρία, η διαμόρφωση επίπεδου πηνίου (Διάταξη 1) είναι πιο αποτελεσματική από τη γραμμική διαμόρφωση (Διάταξη 2) για μαγνητική αλληλεπίδραση. Έτσι, η μαγνητική αλληλεπίδραση συμβάλλει λιγότερο στην προστασία από την ηλεκτρική αλληλεπίδραση, αν και η μαγνητική αλληλεπίδραση αυξάνεται όταν η ίνα επικαλύπτεται με νικέλιο.
Σε σχέση με το Arrangement 2A (unidirectional), το SET δείχνει ότι η αλληλεπίδραση με το ηλεκτρικό πεδίο είναι μεγαλύτερη από αυτήν με το μαγνητικό πεδίο. Έτσι, το Arrangement 2A παρέχει ανώτερη απόδοση θωράκισης από το Arrangement 1 για τις μη επικαλυμμένες ίνες. Το Arrangement 2B (crossply) δίνει μεγαλύτερη αλληλεπίδραση με το ηλεκτρικό πεδίο από το Arrangement 2A. Κατά συνέπεια, το Arrangement 2B δίνει πολύ υψηλότερα SET και SEA από το Arrangement 2A τόσο για τις μη επικαλυμμένες όσο και τις νικέλιες ίνες [22].
Τα υβριδικά σύνθετα που περιλαμβάνουν δύο ή περισσότερους τύπους πληρωτικών μπορούν να παρουσιάσουν ανώτερη θωράκιση από τα σύνθετα υλικά που περιλαμβάνουν έναν μόνο τύπο πληρωτικού. Για παράδειγμα, τα δύο πληρωτικά είναι σωματίδια και ίνες [25]. Λόγω του μεγάλου λόγου διαστάσεων των ινών σε σύγκριση με τα σωματίδια, η παρουσία των ινών ενισχύει την ηλεκτρική συνέχεια στο σύνθετο υλικό.
Πολλαπλής κλίμακας σύνθετα (ιεραρχικά σύνθετα) που περιλαμβάνουν το συνδυασμό πληρωτικών διαφορετικών κλιμάκων μπορεί να είναι ελκυστικά. Για παράδειγμα, τα πληρωτικά είναι μικροανθρακικός (π.χ. ανθρακονήματα) και νανοάνθρακας (π.χ., νανοσωλήνας άνθρακα). Σε περίπτωση που ο μικρο-άνθρακας είναι συνεχής ενώ ο νανο-άνθρακας είναι ασυνεχής, η προσθήκη του να-άνθρακα στον μικρο-άνθρακα ενδέχεται να μην έχει ως αποτέλεσμα σημαντικό κέρδος στην αποτελεσματικότητα θωράκισης [21,26]. Αυτό οφείλεται στην κυρίαρχη αποτελεσματικότητα θωράκισης του συνεχούς πληρωτικού. Δεδομένου ότι οι μηχανικές ιδιότητες είναι ανώτερες για τα συνεχή σύνθετα άνθρακα από τα ασυνεχή σύνθετα άνθρακα, η προσθήκη ενός ασυνεχούς νανοάνθρακα σε έναν συνεχή μικροάνθρακα τείνει να μειώσει το κλάσμα όγκου του συνεχούς μικροάνθρακα, μειώνοντας έτσι την ισχύ και τον συντελεστή του σύνθετου, και σε ορισμένες περιπτώσεις , μειώνοντας επίσης την προστατευτική αποτελεσματικότητα του σύνθετου υλικού [21]. Τόσο η θωράκιση όσο και τα μηχανικά εφέ πρέπει να ληφθούν υπόψη στο σχεδιασμό ενός πολυλειτουργικού δομικού σύνθετου υλικού.
4.4. Κεραμικά – χρήση κεραμικών υλικών στη θωράκιση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και παρεμβολών
Τα κεραμικά είναι λιγότερο κοινά για θωράκιση EMI από τα μέταλλα (Κεφ. 4.2) ή άνθρακες (Κεφ. 4.3). Αυτό οφείλεται κυρίως στη σχετικά χαμηλή αγωγιμότητά τους. Μεταξύ των κεραμικών, τα μεταλλικά καρβίδια (π.χ., καρβίδιο του πυριτίου και καρβίδιο του τιτανίου) είναι σχετικά ελκυστικά, λόγω του ότι παρουσιάζουν βαθμό αγωγιμότητας.
Από μαγνητικά μέταλλα, τα μαγνητικά κεραμικά είναι πολύ αποτελεσματικά για θωράκιση λόγω απορρόφησης. Παραδείγματα είναι ο φερρίτης (Fe3O4, επίσης γνωστός ως μαγνητίτης) [[27], [28], [29]] και ο φερρίτης νικελίου (NiFe2O4) [30], οι οποίοι είναι σιδηρομαγνητικοί. Ένα πόλο έλξης των μαγνητικών κεραμικών έναντι των μαγνητικών μετάλλων είναι ότι είναι ανθεκτικά στη διάβρωση. Ωστόσο, τα μαγνητικά κεραμικά δεν είναι αγώγιμα. Επομένως, η συνεργική χρήση του Fe3O4 και ενός αγώγιμου συστατικού είναι αποτελεσματική. Παραδείγματα αγώγιμου συστατικού είναι άνθρακες (π.χ. νανοσωλήνας άνθρακα και μειωμένο οξείδιο γραφενίου [27,28]) και εγγενώς αγώγιμα πολυμερή (π.χ. PEDOT: PSS [29]).
Τα τυπικά κεραμικά είναι αναποτελεσματικά για το EMI θωράκιση, λόγω της ανεπαρκούς αγωγιμότητας, της πολικότητας και του μαγνητικού χαρακτήρα τους. Ως εκ τούτου, η έρευνα για κεραμικά για θωράκιση περιλαμβάνει κυρίως κεραμικά-άνθρακα ή κεραμικά-μεταλλικά σύνθετα υλικά. Παραδείγματα περιλαμβάνουν συνδυασμούς άνθρακα-κεραμικών [[31], [32], [33]], κεραμικά σωματίδια με επίστρωση αργύρου [34], συνδυασμούς FeSiAl-κεραμικά [35] και συνδυασμούς μετάλλου-ΑΙ2Ο3 [35]. Από την άλλη πλευρά, λόγω της ικανότητάς τους να αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες, τα κεραμικά είναι πλεονεκτικά για την παροχή θωράκισης υψηλής θερμοκρασίας. Παραδείγματα τέτοιων κεραμικών περιλαμβάνουν τα σύνθετα Ti3AlC2 [36] και SiC – C [37]. Λόγω της μεγάλης διαπερατότητάς τους, τα κεραμικά του υπεροβσκίτη είναι ελκυστικά [[38], [39], [40], [41]]. Σε σχέση με δομικά υλικά για θωράκιση, έχουν αναφερθεί συνδυασμοί SiC – C [42], SiC nanowire SiC-matrix σύνθετα [43], SiC nanofiber ενισχυμένο Si3N4 [44] και SiC ενισχυμένο με ίνες SiCN [45].
Μια αναδυόμενη κατηγορία κεραμικών είναι τα MXenes, τα οποία είναι δισδιάστατες ανόργανες ενώσεις που αποτελούνται από στρώματα καρβιδίων μετάλλων μετάπτωσης, νιτρίδια ή καρβονιτρίδια, με κάθε στρώμα να έχει πάχος μερικών ατόμων. Η μεγάλη επιφάνεια, η πολικότητα και η αγωγιμότητα καθιστούν τα MXenes δυνητικά ελκυστικά για θωράκιση [46,47]. Τα αποτελέσματα αποτελεσματικότητας θωράκισης που αναφέρθηκαν για MXenes από διάφορες ερευνητικές ομάδες διαφέρουν, π.χ., ≤24 dB (κυριαρχεί η αντανάκλαση) [46], 50–75 dB (κυριαρχείται η απορρόφηση) [47], 70 dB (κυριαρχεί η απορρόφηση) [48] και 66– 69 dB [49] για το ίδιο εύρος συχνοτήτων 8,2–12,4 GHz. Η αποτελεσματικότητα θωράκισης συσχετίζεται θετικά με την αγωγιμότητα, η οποία φτάνει τα 4000 S / m (δηλ., Την αντίσταση 2,5 × 10−2 Ω cm, η οποία είναι υψηλότερη από αυτή των συμβατικών άνθρακα) για αποτελεσματικότητα θωράκισης 66-69 dB [49]. Οι περισσότερες από τις αναφερόμενες τιμές αποτελεσματικότητας θωράκισης είναι πάνω από 50 dB, αλλά δεν είναι πολύ υψηλές ενόψει των τιμών που έχουν ληφθεί σε ορισμένους άνθρακες (Κεφ. 4.3).
Οι συνεχείς γυάλινες ίνες είναι μη αγώγιμες και αναποτελεσματικές για το EMI θωράκιση, αλλά είναι λιγότερο ακριβές από τις ίνες άνθρακα. Ως εκ τούτου, τα σύνθετα πολυμερή μήτρα υάλινων ινών χρησιμοποιούνται ευρέως για κατασκευές που απαιτούν χαμηλό κόστος, όπως ανεμογεννήτριες, σκάφη, μετασκευές από σκυρόδεμα κ.λπ. Για να καταστεί δυνατή η θωράκιση σε συνεχείς συνθέσεις σύνθετων πολυμερών ινών υάλου, αγώγιμα συστατικά όπως νανοσωλήνας άνθρακα προστίθενται στη μήτρα πολυμερούς [50]. Μια σχετική προσέγγιση περιλαμβάνει την επικάλυψη των ινών γυαλιού με αγώγιμα συστατικά όπως το νικέλιο και το μειωμένο οξείδιο του γραφενίου [51]. Η προσέγγιση επικάλυψης έχει επίσης εφαρμοστεί σε κοίλες γυάλινες μικροσφαίρες [52]. Μια άλλη χρήση ινών γυαλιού είναι να παρέχει ένα στρώμα μετάδοσης ακτινοβολίας για τη μείωση της αναντιστοιχίας σύνθετης αντίστασης [53].
4.5. Υλικά με βάση το τσιμέντο
Το τσιμέντο απουσία αδρανών είναι γνωστό ως τσιμέντο πάστα (στερεό) μετά τη σκλήρυνση. Το κονίαμα είναι ένα υλικό με βάση το τσιμέντο που περιέχει λεπτά αδρανή, αλλά όχι χονδροειδή αδρανή. Το σκυρόδεμα είναι ένα υλικό με βάση το τσιμέντο που περιέχει τόσο λεπτά όσο και χονδροειδή αδρανή. Το λεπτό αδρανή είναι συνήθως άμμος, ενώ το χονδροειδές αδρανές είναι συνήθως πέτρες ή χαλίκι. Τα αδρανή είναι ενισχυτικά και επίσης βοηθούν στη μείωση της συρρίκνωσης της ξήρανσης.
Τα πρόσθετα αναφέρονται σε συστατικά εκτός του νερού, του τσιμέντου και των αδρανών που υπάρχουν σε ένα μείγμα τσιμέντου προκειμένου να ενισχυθούν ορισμένες ιδιότητες στο σκληρυμένο τσιμέντο με βάση το υλικό. Τα στερεά μίγματα είναι ασυνεχή, καθώς οι συνεχείς ίνες δεν μπορούν να ενσωματωθούν σε ένα τσιμέντο μείγμα χωρίς να σπάσουν ή να χάσουν την ευθυγράμμισή τους. Τα υλικά με βάση το τσιμέντο είναι αναποτελεσματικά για θωράκιση, εκτός εάν υπάρχουν πρόσθετα που μπορούν να ενισχύσουν την θωράκιση.
Τα μίγματα ενίσχυσης θωράκισης είναι κυρίως αγώγιμες βραχείες ίνες (π.χ. ίνες άνθρακα, νανοσωλήνες άνθρακα και ίνες χάλυβα) και αγώγιμα σωματίδια (π.χ. οπτάνθρακας, αιθάλη, γραφίτης, γραφένιο και νικέλιο). Ο άνθρακας έχει τη μορφή αδρανών νανοσωματιδίων και είναι πολύ λιγότερο ακριβός από τις ίνες άνθρακα ή τους νανοσωλήνες άνθρακα. Το χαμηλό κόστος είναι κρίσιμο για τη βιωσιμότητα οποιουδήποτε σκυροδέματος. Τα μίγματα που ενισχύουν τη θωράκιση κυριαρχούνται από άνθρακες, ιδίως ίνες άνθρακα [54], νανοσωλήνες άνθρακα [55], αιθάλη [56] και κοκ [57].
Ένας άλλος τύπος μίγματος ενίσχυσης θωράκισης είναι κεραμικά σωματίδια όπως ιπτάμενη τέφρα, η οποία είναι ένα απόβλητο χαμηλού κόστους που περιέχει Fe2O3. Ωστόσο, ο βαθμός ενίσχυσης της θωράκισης λόγω της ιπτάμενης τέφρας είναι πολύ μικρότερος από αυτόν που παρέχεται από τα αγώγιμα μίγματα [58].
Το άγγιγμα των ασυνεχών ινών ή σωματιδίων για το σχηματισμό μιας συνεχούς διαδρομής αγωγής βοηθά στην προστασία. Για το άγγιγμα, το κλάσμα όγκου του μίγματος πρέπει να είναι επαρκές. Η διασπορά των ινών ή σωματιδίων στο υλικό με βάση το τσιμέντο είναι ένα ζήτημα, ειδικά εάν οι ίνες ή τα σωματίδια βρίσκονται στη νανοκλίμακα. Για παράδειγμα, οι νανοΐνες άνθρακα τείνουν να είναι αλληλένδετες (Εικ. 5), έτσι ώστε η διασπορά τους να είναι πιο δύσκολη από τις διασπορές ινών άνθρακα.
Ένα μείγμα νανοκλίμακας τείνει να μειώσει την περιεκτικότητα σε κενό αέρα στο σκληρυμένο τσιμέντο με βάση το υλικό. Αν και η μείωση της περιεκτικότητας σε κενό αέρα είναι επιθυμητή για τις μηχανικές ιδιότητες, η χρήση ενός ακριβού νανοπληρωτή όπως ο νανοσωλήνας άνθρακα για το σκοπό αυτό δεν δικαιολογείται, λόγω του παρόμοιου αποτελέσματος της αιθάλης, η οποία είναι πολύ λιγότερο ακριβή από τον νανοσωλήνα άνθρακα. Η βελτίωση της θωράκισης λόγω της ενσωμάτωσης νανοπληρωτών μπορεί εν μέρει να οφείλεται στη μείωση της περιεκτικότητας σε κενό αέρα. Έτσι, η απόδοση της βελτίωσης της θωράκισης εντελώς στην αλληλεπίδραση του νανοπληρωτή με την ακτινοβολία πιθανότατα δεν είναι σωστή.
Το πρόβλημα διασποράς που αναφέρθηκε παραπάνω μπορεί να μετριαστεί με την ενσωμάτωση του πυριτίου καπνού (μέγεθος σωματιδίων περίπου 0,1 μm) στο τσιμέντο μείγμα. Το πυριτικό καπνό είναι απόβλητο υλικό, επομένως είναι φθηνό. Οι χαλύβδινες ίνες έχουν συνήθως μεγάλη διάμετρο, μοιάζουν με καρφιά. Λόγω της μεγάλης διαμέτρου, το άγγιγμα είναι δύσκολο. Από την άλλη πλευρά, οι χαλύβδινες μικροΐνες είναι πολύ αποτελεσματικές, με αποτέλεσμα 70 dB (1,5 GHz) αποτελεσματικότητα θωράκισης για ένα υλικό με βάση το τσιμέντο με τη μορφή πάστας τσιμέντου που περιέχει 0,72 vol% ίνες από ανοξείδωτο χάλυβα διαμέτρου 8 μm και μήκος 6 mm [59]. Η αποτελεσματικότητα θωράκισης ενός στερεού κομματιού από ανοξείδωτο ατσάλι 304 (πάχους 4,12 mm) είναι 78 dB στα 1,5 GHz [59]. Έτσι, το τσιμέντο από ίνες χάλυβα είναι κατώτερο από (αλλά όχι πολύ κατώτερο από) το στερεό ανοξείδωτο χάλυβα παρόμοιου πάχους για θωράκιση. Η υπεροχή των μικροϊνών χάλυβα έναντι των μικροϊνών άνθρακα για την ενίσχυση της αποτελεσματικότητας θωράκισης των υλικών με βάση τσιμέντο σχετίζεται με την υψηλή αγωγιμότητα των χαλύβδινων μικροϊνών σε σύγκριση με τις μικροΐνες άνθρακα [60].
Οι μικροΐνες άνθρακα είναι συνήθως μεγέθους, δηλαδή, επικαλυμμένες με οργανικό υλικό για τη βελτίωση της δυνατότητας χειρισμού. Για χρήση σε υλικό που βασίζεται σε τσιμέντο, προτιμώνται οι μικρές ίνες άνθρακα χωρίς μέγεθος [54]. Η αποτελεσματικότητα της θωράκισης αυξάνεται προφανώς με το αυξανόμενο κλάσμα όγκου ινών. Στο ίδιο κλάσμα όγκου ινών άνθρακα, η αποτελεσματικότητα θωράκισης είναι παρόμοια για τσιμεντοκονίαμα και κονίαμα [54].
4.6. Πολυμερή
Τα συμβατικά πολυμερή είναι μη αγώγιμα και ουσιαστικά διαφανή στην ακτινοβολία. Ωστόσο, οι πολυμερείς ίνες με επικάλυψη μετάλλου είναι αποτελεσματικές για θωράκιση, με την αποτελεσματικότητα ακόμη μεγαλύτερη από εκείνη των μη επικαλυμμένων ινών άνθρακα [19].
Τα ενδογενώς αγώγιμα πολυμερή διαφέρουν από τα συμβατικά πολυμερή στην αγωγιμότητά τους, επομένως είναι χρήσιμα για θωράκιση [61]. Παραδείγματα περιλαμβάνουν πολυακετυλένιο, πολυπυρόλη, πολυϊνδόλη, πολυανιλίνη και τα συμπολυμερή τους. Ωστόσο, τείνουν να υποφέρουν από μηχανικές ιδιότητες που είναι κατώτερες από εκείνες των συμβατικών πολυμερών. Επιπλέον, είναι πιο ακριβά.
Τα πολυμερή χρησιμοποιούνται κυρίως ως υλικά μήτρας σε σύνθετα υλικά για θωράκιση. Τα ενδογενώς αγώγιμα πολυμερή χρησιμοποιούνται ως υλικά μήτρας λόγω της αγωγιμότητάς τους ενισχύοντας την ηλεκτρική συνέχεια στα σύνθετα υλικά [62,63]. Επιπλέον, τα ενδογενώς αγώγιμα πολυμερή χρησιμοποιούνται ως επιπρόσθετα συστατικά σε κατά τα άλλα μη αγώγιμα σύνθετα υλικά για απόδοση ικανότητας θωράκισης [64]. Γενικά, η ικανότητα του πολυμερούς ή της ρητίνης του να επιτρέπει καλή διασπορά του πληρωτικού που ενισχύει τη θωράκιση είναι σημαντική για την αποτελεσματική χρήση του πληρωτικού. Η διασπορά επηρεάζει επίσης την αγωγιμότητα του σύνθετου. Για παρεμβύσματα EMI, απαιτούνται ελαστικά πολυμερή. ΠΗΓΗ: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0254058420309500
========
Υλικά Θωράκισης Ηλεκτρομαγνητικών Παρεμβολών και Ακτινοπροστασίας Ηλεκτρομαγνητικών Πεδίων
Τα Υλικά Θωράκισης Ηλεκτρομαγνητικών Παρεμβολών και Ακτινοπροστασίας Ηλεκτρομαγνητικών Πεδίων που παράγονται, με εκτεταμένη εφαρμογή στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, έχουν χρησιμοποιηθεί στα στρατιωτικά ραντάρ stealth, ηλεκτρομαγνητική θωράκιση προηγμένου ηλεκτρονικού εξοπλισμού, ηλεκτρομαγνητική ακτινοπροστασία και άλλα πεδία. Με τη γρήγορη ανάπτυξη του Διαδικτύου και των ηλεκτρονικών συσκευών, ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων πλημμυρίζει το περιβάλλον, επηρεάζοντας δυνητικά την ανθρώπινη ζωή και την υγεία.
Εν τω μεταξύ η περαιτέρω ανάπτυξη και εφαρμογές της τεχνολογίας ηλεκτρομαγνητικής ανίχνευσης Terahertz (THz), προκαλούν την ανάγκη έρευνας για Θωρακίσεις Ηλεκτρομαγνητικών Παρεμβολών (EMIS). Τα υλικά EMIS Θωράκισης Ηλεκτρομαγνητικών Παρεμβολών έχουν αναπτυχθεί προς την κατεύθυνση της υψηλής απόδοσης, κάλυψης μεγάλου εύρους ζώνης και του ελαφρού βάρους των χρησιμοποιούμενων υλικών θωράκισης. Ωστόσο, τα παραδοσιακά υλικά Θωράκισης Ηλεκτρομαγνητικών Παρεμβολών EMIS με βάση ένα μέταλλο ή πολυμερές υλικά δεν μπορούν να ικανοποιήσουν τη ζήτηση. Οι τρέχουσες μελέτες επιβεβαίωσαν ότι το Γραφένιο (Graphene), ειδικά τα υλικά Θωράκισης Ηλεκτρομαγνητικών Παρεμβολών EMIS με βάση τον Αφρό Γραφενίου, έχει γίνει ένα από τα πιο δυνατά υλικά Θωράκισης Ηλεκτρομαγνητικών Παρεμβολών EMIS στον τομέα της απώλειας και της απορρόφησης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων λόγω της μοναδικής φυσικής του δομής και των εξαιρετικών ηλεκτρικών και μηχανικών ιδιοτήτων του. Αφρός Γραφενίου (Graphene Foam): μια τρισδιάστατη δομή γραφενίου που παρασκευάζεται από γραφένιο και τα παράγωγά της, που όχι μόνο χρησιμοποιεί πλήρως τις μοναδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες του γραφενίου, αλλά επίσης μειώνει περαιτέρω την πυκνότητα των υλικών Θωράκισης Ηλεκτρομαγνητικών Παρεμβολών EMIS και βελτιώνει την απόδοση προστασίας και θωράκισης.
