Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tàng hình từ conducting polyme

127 T¹p chÝ Hãa häc, T. 41, sè §B, Tr. 127 - 131, 2003 Nghiªn cøu tÝnh chÊt hÊp thô sãng rada cña vËt liÖu tµng h×nh tõ CONDUCTING polyme §Õn Tßa so¹n 21-4-2003 NguyÔn §øc NghÜa ViÖn Hãa häc, Trung t©m KHTN&CNQG Summary In this paper, the rada absorption characteristics of conducting polymer nanocomposite were investigated. The complex permittivity and Rada attenuation values of nanocomposite were obtained using a network analyzer in the frequency ranges from 50 MHz to 50 GHz. Reflection loss strongly depends on thickness and complex permitivity and volume faction of conducting polymer of materials. I - Më ®Çu Theo nguyªn lý Maxwell khi ¸nh s¸ng chiÕu vo vËt thÓ th× sÏ x¶y ra ba kh¶ n¨ng l ph¶n x¹, hÊp thô v truyÒn qua. VËt liÖu tng h×nh l vËt liÖu hÊp thô phÇn lín sãng rada ®i vo v h¹n chÕ møc thÊp nhÊt sãng rada ph¶n x¹ l¹i. Nh7 vËy tng h×nh l qu¸ tr×nh gi¶m thiÓu h×nh d¹ng cña vËt thÓ cÇn trinh s¸t trªn mn h×nh rada. ViÖc t¹o ®7îc tng h×nh cho m¸y bay, tu chiÕn ®7îc thùc hiÖn qua nhiÒu gi¶i ph¸p c«ng nghÖ. H×nh d¹ng bÒ ngoi lm sao gi¶m diÖn tÝch tiÕp xóc sãng rada, ®éng c¬, m¸y mãc khÝ ti v cuèi cïng l líp s¬n phñ hÊp thô sãng rada. Lo¹i m¸y bay, tu chiÕn tng h×nh ®D ®7îc chÕ t¹o nh7 m¸y bay F117, B2 ... HiÖn t¹i vËt liÖu tng h×nh ®ang ®7îc nhiÒu n7íc nh7 Mü, Nga, NhËt B¶n, Trung Quèc tËp trung nghiªn cøu. VËt liÖu tng h×nh trªn c¬ së conducting polyme lÇn ®Çu tiªn ®7îc hDng m¸y bay Lockheed ph¸t hiÖn vo n¨m 1986. Tõ ®ã c¸c phßng thÝ nghiÖm cña c¸c viÖn nghiªn cøu hng ®Çu trªn thÕ giíi còng nh7 cña c¸c c¬ së nghiªn cøu qu©n sù cña Nato, phßng thÝ nghiÖm LosAlamos cña Mü, phßng thÝ nghiÖm DSTO cña óc (Defence Science and Technology Organisation), c¸c phßng thÝ nghiÖm cña Ch©u ¢u, Nga, NhËt, Trung Quèc, Hn Quèc tËp trung nghiªn cøu vÒ lo¹i vËt liÖu míi ®Çy hÊp dÉn ny. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu Ýt ®7îc c«ng bè hoÆc c«ng bè mét c¸ch s¬ l7îc [1 - 3]. Conducting polyme l vËt liÖu cã kh¶ n¨ng hÊp thô sãng ®iÖn tõ, rada v× trong cÊu tróc ph©n tö cã liªn kÕt ®«i liªn hîp chøa c¸c ®iÖn tö
tù do. Khi cã bøc x¹ sãng ®iÖn tõ, c¸c ®iÖn tö
linh ®éng nhËn n¨ng l7îng sãng ®7îc ho¹t hãa lªn tr¹ng th¸i kÝch ®éng theo nguyªn lý cña Jablonsky. Qu¸ tr×nh ny lm thay ®æi tæng trë, thay ®æi h»ng sè ®iÖn m«i, ®é tõ thÈm cña vËt liÖu. Tõ tr¹ng th¸i kÝch ®éng ®iÖn tö
trë vÒ tr¹ng th¸i c¬ b¶n v gi¶i táa n¨ng l7îng. N¨ng l7îng ny lm nãng vËt liÖu hÊp thô. Nh7 vËy vÒ vËt lý qu¸ tr×nh tng h×nh l qu¸ tr×nh chuyÓn hãa n¨ng l7îng sãng rada sang n¨ng l7îng nhiÖt. Víi nh÷ng ®Æc tÝnh 7u viÖt nh7 ®é dÉn cao cã thÓ thay ®æi, cïng víi sù dÔ dng trong s¶n xuÊt víi hm l7îng nhá trong thnh phÇn tæ hîp compozit, ph7¬ng ph¸p phñ ®¬n gi¶n v nhÊt l cã thÓ phñ ®7îc nhiÒu líp cña conducting polyme nªn polyme dÉn ®D ®7îc nghiªn cøu nhiÒu ®Ó lm vËt liÖu tng h×nh ë d¶i sãng rada réng tõ 500 MHz ®Õn 100 GHz [4]. 128 Er Ei ZoSãng rada Ea Za §Õ d II - Nguyªn liÖu v thÝ nghiÖm 1. Nguyªn liÖu VËt liÖu tng h×nh hÊp thô sãng rada ®7îc chÕ t¹o tõ conducting polyme ®7îc ph©n t¸n ®Òu trong polyme nÒn t¹o thnh vËt liÖu composit. C¸c tÊm tng h×nh thÝ nghiÖm hÊp thô sãng rada ®7îc chÕ t¹o trªn ®Õ v¶i polyeste, v¶i thñy tinh hoÆc tÊm kim lo¹i cã ®é réng 23 ×30 (cm) ®7îc phñ vËt liÖu conducting polyme compozit. §é dy cña tÊm phñ tõ 0,2 - 1 mm [5]. 2. C¸c thiÕt bÞ ®o §é hÊp thô sãng rada ®7îc ®o b»ng m¸y Hewlett - Packard 8510 B Network Analyzer. Bé dông cô ®o h»ng sè ®iÖn m«i HP 85070 B. C¸c loa thu ph¸t ë d¶i b¨ng tÇn S.C v X v c¸c ®Çu chuyÓn ®æi. 3. C¸c gi¸ trÞ cÇn ®o §D tiÕn hnh ®o c¸c tham sè ®iÖn cña mÉu vËt liÖu ë d¶i sãng tõ 500 MHz ®Õn 50 GHz. §o h»ng sè ®iÖn m«i ( v ”) v tæn hao tangent (tg) Tæn hao ph¶n håi tÊm tng h×nh (Reflection loss): R. Tæn hao hÊp thô tÊm tng h×nh (Absorption loss): A. §o trë kh¸ng cña vËt liÖu sö dông ®å thÞ SMITH th«ng qua hÖ thèng sãng ®øng. III - KÕt qu¶ v th¶o luËn 1. C¬ së lý thuyÕt tÝnh to¸n VËt liÖu tng h×nh khi cã sãng rada ®i qua nã lm tæn hao n¨ng l7îng bøc x¹ th«ng qua qu¸ tr×nh thay ®æi tÝnh chÊt vËt lý c¬ b¶n cña vËt liÖu. §ã l sù thay ®æi tæng trë, thay ®æi ®é tõ thÈm, thay ®æi h»ng sè ®iÖn m«i. VËt liÖu ny cã kh¶ n¨ng dn ®Òu n¨ng l7îng bøc x¹ trªn bÒ mÆt tÊm ch¾n sãng ®ång thêi kh«ng cã kh¶ n¨ng ph¶n x¹ l¹i. H×nh 1 l s¬ ®å tÊm mn ch¾n b»ng vËt liÖu tng h×nh hÊp thô sãng rada. Trong s¬ ®å ny nÕu ta gi¶ ®Þnh tia bøc x¹ sãng rada ®Õn th¼ng gãc víi mn ch¾n víi c7êng ®é l Ein. Mét phÇn sãng ph¶n håi trë l¹i víi c7êng ®é l ER v tæn hao ph¶n håi (Reflection loss) l R, mét phÇn bÞ hÊp thô khi ®i qua vËt liÖu víi c7êng ®é hÊp thô EA v tæn hao hÊp thô (Absorption loss) A, cuèi cïng míi ®Õn vËt ®7îc che ch¾n. Kh¶ n¨ng tng h×nh cña vËt liÖu hay l hiÖu qu¶ che ch¾n (shielding effective) SE cña nã ®7îc tÝnh b»ng tæng tæn hao ph¶n håi v tæn hao hÊp thô theo c«ng thøc: dAR d E E E EdBSE in A in R ++= +  +  = lg20lg20)( (1) ë ®©y d l sè hiÖu chØnh (trong tr7êng hîp vËt liÖu cã ®é hÊp thô cao th× d = 0). HiÖu qu¶ che ch¾n SE cña vËt liÖu cßn phô thuéc vo ®é dy d, tÝnh chÊt ®iÖn nh7 h»ng sè ®iÖn m«i (), ®é tõ thÈm (µ) cña vËt liÖu tng h×nh v tÇn sè lm viÖc (f) cña sãng rada [6, 7]. VËt liÖu tng h×nh ho¹t ®éng cã hiÖu qu¶ khi tæn hao ph¶n håi R v tæn hao hÊp thô A ph¶i lín. Trªn thùc tÕ nÕu tæn hao ph¶n håi kho¶ng  -20 dB, tæn hao hÊp thô A  -9 dB th× hiÖu qu¶ tng h×nh cña vËt thÓ ®¹t trªn 99% hay ®é ph¶n x¹ trë l¹i trªn mn h×nh rada cßn d7íi 1%. Trong c«ng tr×nh ny chóng t«i nghiªn cøu tÝnh chÊt hÊp thô sãng rada cña vËt liÖu tng h×nh qua tæn hao hÊp thô , tæn hao ph¶n håi v mèi quan hÖ víi ®é dy, tÝnh chÊt ®iÖn tõ cña mng trong d¶i tÇn tõ 500 MHz ®Õn 20 GHz. H×nh 1: S¬ ®å thÝ nghiÖm ®o tÝnh chÊt hÊp thô sãng rada cña vËt liÖu tng h×nh 129 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 .6 1 .6 5 1 .7 1 .7 5 1 .8 1 .8 5 1 .9 1 .9 5 2 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 3 3.5 4 4.5 5 5.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 H »n g sè ®i Ön m «i ph Çn th ùc H »n g sè ®i Ön m «i ph Çn ¶o H »n g sè ®i Ön m «i ph Çn th ùc H »n g sè ®i Ön m «i ph Çn ¶o 2. KÕt qu¶ v$ th¶o luËn a) ¶nh h>ëng ®é dBy líp phñ tBng h×nh ®Õn tÝnh chÊt hÊp thô sãng rada TÊm phñ tng h×nh ®7îc chÕ t¹o trªn nÒn ®Õ v¶i b¹t polyeste cã ®é réng 25 ×25 cm lÇn l7ît phñ mng máng trªn tÊm ®Õ v¶i. C¸c mÉu phñ mét líp, phñ hai líp, phñ ba líp, mçi líp ®é dy kho¶ng 0,2 mm. Sau ®ã tiÕn hnh ®o sù thay ®æi h»ng sè ®iÖn m«i trong d¶i tÇn tõ 50 MHz - 20 GHz. KÕt qu¶ nh7 ®å thÞ h×nh 2, 3 v 4. (a) TÇn sè, GHz (b) TÇn sè, GHz H×nh 2: §å thÞ biÓu diÔn sù phô thuéc cña h»ng sè ®iÖn m«i vo tÇn sè bøc x¹ (phñ mét líp vËt liÖu tng h×nh) (a) TÇn sè, GHz (b) TÇn sè, GHz H×nh 3: §å thÞ biÓu diÔn sù phô thuéc cña h»ng sè ®iÖn m«i vo tÇn sè bøc x¹ (phñ hai líp vËt liÖu tng h×nh) (a) TÇn sè, GHz (b) TÇn sè, GHz H×nh 4: §å thÞ biÓu diÔn sù phô thuéc cña h»ng sè ®iÖn m«i vo tÇn sè bøc x¹ (phñ ba líp vËt liÖu tng h×nh) 130 Tõ kÕt qu¶ ny cho thÊy mçi tÊm v¶i cã phñ líp CP cã sù biÕn thiªn cña h¾ng sè ®iÖn m«i theo tÇn sè sãng rada bøc x¹. H×nh 2a l biÕn thiªn cña ’ cã cùc tiÓu ë tÇn sè 6 - 7 GHz v 13 - 14 GHz. TÊm thø hai cã ®é dy gÊp hai lÇn tÊm thø nhÊt. Sù biÕn ®æi cña ’ thÊy râ nÐt víi ®iÓm cùc tiÓu ë 3 - 4 GHz v ë 11 - 12 GHz (h×nh 3a). TÊm thø ba cã ®é dy gÊp 3 lÇn. Sù biÕn thiªn h»ng sè ®iÖn m«i cã cùc tiÓu ë kho¶ng 3 GHz v 10 GHz (h×nh 4a). B»ng nh÷ng mÉu ny còng biÓu hiÖn râ sù biÕn thiªn h»ng sè ®iÖn m«i phÇn ¶o (”) trong d¶i sãng 500 MHz - 20 GHz. Ng7îc víi phÇn ®å thÞ h»ng sè ®iÖn m«i phÇn thùc (’), phÇn h»ng sè ®iÖn m«i phÇn ¶o (”) biÓu hiÖn qu¸ tr×nh hÊp thô sãng ®iÖn tõ cã ®iÓm cùc ®¹i trong d¶i tÇn kh¸c nhau: ë tÊm phñ 1 líp ®iÓm cùc ®¹i ë d¶i tÇn 5 - 6 GHz v 14 - 15 GHz (h×nh 2b), ë tÊm phñ 2 líp ®iÓm cùc ®¹i ë d¶i tÇn 7 - 8 - 9 GHz v 14 - 15 - 16 GHz (h×nh 3b), ë tÊm phñ 3 líp ®iÓm cùc ®¹i ë d¶i tÇn 7 - 8 - 9 GHz v 15 - 16 - 17 GHz (h×nh 4b). Nh7 vËy víi tÊm phñ cng dy sù thay ®æi cña complex permeability cã ®iÓm céng h7ëng chuyÓn dÞch vÒ khu vùc cã tÇn sè thÊp. TÊm phñ cng dy th× ®iÓm céng h7ëng chuyÓn dÞch vÒ khu vùc tÇn sè cao h¬n. b) X¸c ®Þnh kh¶ n¨ng tBng h×nh cña vËt liÖu tBng h×nh (SE) qua tæn hao ph¶n håi R vB tæn hao hÊp thô A Kh¶ n¨ng tng h×nh cña vËt liÖu hay hiÖu qu¶ che h÷u ch¾n (shielding effective: SE) cña nã ®7îc tÝnh b»ng tæng tæn hao ph¶n håi v tæn hao hÊp thô theo c«ng thøc: SE (dB) = R + A VËt liÖu tng h×nh ho¹t ®éng cã hiÖu qu¶ khi tæn hao ph¶n håi R v tæn hao hÊp thô A ph¶i lín. Trªn thùc tÕ nÕu gi¸ trÞ SE {2} dB th× hiÖu qu¶ tng h×nh ®¹t 99% hay ®é ph¶n x¹ trë l¹i mn h×nh rada cßn 1%. H×nh 5 l kÕt qu¶ kh¶o s¸t ®é che ch¾n cña vËt liÖu tng h×nh phñ trªn líp polyeste víi ®é dy kh¸c nhau. §é che ch¾n hay kh¶ n¨ng tng h×nh cña líp v¶i ngôy trang phñ 1 líp vËt liÖu tng h×nh trªn h×nh 5a. D¶i tÇn sè, GHz §é che ch¾n, dB Kh¶ n¨ng tng h×nh, % 6 - 7 5 30 - 40 11 - 12 4,2 30 - 40 §é che ch¾n hay kh¶ n¨ng tng h×nh cña líp v¶i ngôy trang phñ 2 líp vËt liÖu tng h×nh trªn h×nh 5b. D¶i tÇn sè, GHz §é che ch¾n, dB Kh¶ n¨ng tng h×nh, % 8 - 9 9,5 60 - 70 15 - 16 9,2 60 - 70 §é che ch¾n hay kh¶ n¨ng tng h×nh cña líp v¶i ngôy trang phñ 3 líp vËt liÖu tng h×nh trªn h×nh 5c. D¶i tÇn sè, GHz §é che ch¾n, dB Kh¶ n¨ng tng h×nh,% 7 - 10 21,0 99 15 - 16, 17 19,5 98 §é che ch¾n ë líp v¶i phñ 1 lÇn vËt liÖu tng h×nh. §é che ch¾n ®¹t cùc ®¹i ë d¶i sãng 6 - 7 GHz víi c7êng ®é l 5 dB v ë 12 GHz ®¹t 4,2 dB ®7îc tr×nh by trªn h×nh 5a. §é che ch¾n ë líp v¶i phñ 2 lÇn vËt liÖu tng h×nh, ®é che ch¾n ®¹t cùc ®¹i ë 8 - 9 GHz víi ®é che ch¾n 9,5 dB, ë 16 GHz ®¹t 9,2 dB ®7îc tr×nh by trªn h×nh 5b. §é che ch¾n ë líp v¶i 3 lÇn phñ vËt liÖu tng h×nh, ®é che ch¾n ®¹t cùc ®¹i ë 8 - 9 GHz víi ®é che ch¾n ®¹t cùc ®¹i ë 8 - 9 GHz víi ®é che ch¾n 21 dB v ë 16 GHz ®é che ch¾n ®¹t 19,5 dB ®7îc tr×nh by trªn h×nh 5c. Víi kÕt qu¶ ny cho phÐp chÕ thö v thö nghiÖm tÊm phñ tng h×nh hoÆc khÝ ti tng h×nh víi ®é ph¶n x¹ d7íi 1%. IV - KÕt luËn VËt liÖu tng h×nh l vËt liÖu kü thuËt cao ®7îc sö dông trong nhiÒu lÜnh vùc khoa häc, th«ng tin v quèc phßng. B7íc ®Çu ®Ò ti ®D thnh c«ng trong viÖc: 131 -7 -6.5 -6 -5.5 -5 -4.5 -4 -3.5 -3 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 -25 -20 -15 -10 -5 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 K h¶ n¨ ng t ng h× nh K h¶ n¨ ng t ng h× nh K h¶ n¨ ng t ng h× nh H×nh thnh c«ng nghÖ chÕ t¹o vËt liÖu tng h×nh ®Ó lm tÊm phñ ngôy trang. §D nghiªn cøu tÝnh chÊt cña vËt liÖu tng h×nh qua sù biÕn ®æi h»ng sè ®iÖn m«i, ®é tæn hao c7êng ®é sãng rada trong c¸c d¶i tÇn kh¸c nhau tõ 500 MHz ®Õn 20 GHz. T¹o ®7îc tÊm tng h×nh cã ®é che ch¾n SE >{20}dB. VËt liÖu ny cã thÓ triÓn khai thö nghiÖm ë quy m« lín. TÇn sè, GHz TÇn sè, GHz H×nh 5a: Kh¶ n¨ng tng h×nh cña mÉu phñ 1 líp vËt liÖu tng h×nh H×nh 5b: Kh¶ n¨ng tng h×nh cña mÉu phñ 1 líp vËt liÖu tng h×nh TÇn sè, GHz H×nh 5c: Kh¶ n¨ng tng h×nh cña mÉu phñ 3 líp vËt liÖu tng h×nh Lêi c¶m ¬n: §Ò tBi khoa häc nBy ®>îc sù gióp ®ì vÒ kinh phÝ vB chØ ®¹o trùc tiÕp cña Ban chñ nhiÖm ch>¬ng tr×nh vËt liÖu - Trung t©m KHTN&CNQG, ch>¬ng tr×nh nghiªn cøu c¬ b¶n cña NhB n>íc. Chóng t«i xin ch©n thBnh c¶m ¬n Gi¸o s>, ViÖn sü NguyÔn V¨n HiÖu vB Ban chñ nhiÖm ch>¬ng tr×nh, ph©n viÖn Rada bé Quèc phßng ®_ gióp ®ì chóng t«i hoBn thBnh c«ng tr×nh nBy. Ti liÖu tham kh¶o 1. A. Feldblume and et al. J. Polym. Sci. Polym. Phys. Ed - 19, P. 173 - 179 (1981). 2. P. T. C. Wong, B. Chauber, Electronics Lett., 28, P. 1651 - 1655 (1992). 3. Van Tan Truong, SPIE. Vol. 3241, P. 98 - 125 (1997). 4. Hans. H. Kuhn and et al. Eletrically Conducting Textiles. 5. NguyÔn §øc NghÜa v nnk. Héi nghÞ VËt lý chÊt r¾n ton quèc - Nha Trang (2001). 6. Hyung Do Choi and et al. Polyme (Korea), Vol. 20, No. 4, P. 658 - 663 (1996). 7. Carl Maggiore and et al. J. Mater. Chem,. Vol. 3 No. 6, P. 563 - 569 (1993). -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 132