铁磁性非晶丝及其复合材料电磁行为的原位磁场和电流可调性
发布时间：2021-07-27 06:55
铁磁性非晶丝（简称非晶丝）一方面具有优异的软磁和独特的高频电磁性能,研究表明非晶丝可作为谐振单元在特定的电磁波频段内实现左手传输特性,且对外部激励的改变有明显的响应;另一方面,非晶丝具有微米级尺寸和良好的力学性能,常用作几何尺寸匹配的功能相嵌入到结构复合材料中。综合两方面特点,采用非晶丝阵列再配以合适的树脂体系而构建的复合材料,有望成为集优异电磁和机械特性于一体的多功能复合材料,在高精度成像、电磁隐身等领域具有广阔的应用前景。目前,这类复合材料的研究挑战主要是如何提高其对外场的响应灵敏度和拓宽特征频段,本研究从非晶丝的本征结构及其阵列的排布设计入手,重点围绕“非晶丝的磁结构与电磁行为的关联”、“非晶丝间的偶极相互作用”、“外加磁场/电流对频段可调性探究”等问题展开;在此基础上进一步设计和制备非晶丝复合材料,探究不同介观结构下外场对其电磁性能的调控,并阐明复合材料的整体电磁行为、界面控制和非晶丝局部特性等要素之间关系的物理本质,摸索并优化固化工艺,为设计和制备高灵敏、宽频谱、强响应的非晶丝复合材料提供理论和技术支持。研究表明,非晶丝的高频电磁行为由铁磁共振主导,通过控制合金成分和几何尺寸...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
非晶丝的阻抗测试示意图
第一章绪论5现出对电磁波的吸收，但物理过程不同，FMR是一种共振现象，满足Lamor方程才能发生，而GMI是一种传统的电磁现象，发生的频率和磁场范围广[37]。1.2.4铁磁性非晶丝的左手电磁特性电磁波由同向振荡且互相垂直的电场和磁场组成，当物质与电磁波相互作用时，通常用介电常数ε和磁导率μ分别描述电场和磁场与物质的相互作用，根据ε和μ的不同取值可将物质分为四类（如图1.2），其中双正材料在自然界中是普遍存在的，单负材料也能找到个例，唯独不存在第三象限所示的具有“双负”特性的天然材料，然而从数学角度分析ε<0且μ<0时，二者乘积大于零，电磁波可以在这种介质中传输但只是麦克斯韦旋度方程发生改变而符合左手定则，表现出负相移、负折射效应、逆多普勒效应等新物理效应,因此称其为“左手材料”[38]。图1.2磁导率和介电常数分类及其对应的材料[38]Fig.1.2Classificationofpermeabilityandpermittivitywithcorrespondingmaterials[38]早在1967年前苏联科学家Veselago即理论预言了左手材料的存在，但由于其冲击了传统学科又限于物理条件无法验证而饱受质疑[39]；直到上世纪90年代末出现转折，帝国理工大学的Pendry教授先后证明周期性排列的金属丝类似于金属等离子体，在电磁波频率小于等离子体频率时其介电常数为负值，以及周期性开口谐振环（SRRs）的磁导率在谐振频率附近为负值[40]；2001年Smith利用上述两种结构组合（如图1.3），首次利用实验真正实现了微波段的负折射率，验证了左手材料的存在[41]，从此开启了材料领域的新纪元，标志着一种崭新的材料设计理念的产生，昭示着人类可以在不违背基本物理学规律的前提下，在认识和改造现有材料的基础上，通过高新技术、尖端设备等手段，按照自己的意志设计制备新型
浙江大学硕士学位论文6功能的极限，为发展新型功能材料提供了新的途径[42-43]，现在基于这种设计思想已经发展出一个庞大的材料体系，统称为“超材料”，泛指所有“通过人为设计和加工所得的具有自然材料所不具备的超常物理性质的材料”，这些材料从本质上具有三个重要的特征：一是其往往具有人工制造的周期性几何结构；二是其具有异于常规材料的物理性质；三是其性质往往决定于其中的人工结构而非构成该结构的材料本征属性。图1.3周期排列的（a）金属棒阵列；（b）开路环谐振器（SRR）阵列[41]Fig.1.3Periodic(a)metalarrayand(b)split-ringresonator[41]随着研究的深入，人们发现通过调整谐振单元的几何参数，能够实现ε和μ的任意调控，为各种新型功能器件的设计提供了更广泛的材料基础和设计灵活度；但由于基本单元的尺寸微孝结构复杂且精细，涉及制备的微纳尺寸加工技术尚不成熟，制备成本极高，不利于工业化批量生产，成为限制其发展的关键瓶颈之一。Cabonell等人于2009年发现周期性排布的非晶丝阵列在特定的微波频段内具有左手传输行为，并初步证明这种电磁特性是由非晶丝的铁磁共振（FMR）和铁磁反共振（FMAR）引起的[44]。根据相对磁导率的实部和虚部模拟曲线可见，在铁磁共振频率附近，非晶丝磁导率的实部由正值变为负值，虚部达到最大值，这意味着在FMR和FMAR两特征频率之间其磁导率为负（如图1.4）；同时共振并不影响非晶丝的导电性，在该范围内同时具有介电常数为负的特点，因此实现了左手材料的典型双负特性，这种基于非晶丝的左手材料最显著的优点是制备工艺简单，结构设计完成后通过目前的铺丝工艺即可获得。在成功验证非晶丝阵列的左手行为基础上，Cabonell等人相继又在2010年和2012年初步证明了利用外加磁尝直流电
【参考文献】：
期刊论文
[1]耐高温陶瓷基结构吸波复合材料研究进展[J]. 胡悦,黄大庆,史有强,张昳,何山,丁鹤雁. 航空材料学报. 2019(05)
[2]Graphene Fibers: Advancing Applications in Sensor, Energy Storage and Conversion[J]. Guan-Hang Yu,Qing Han,Liang-Ti Qu. Chinese Journal of Polymer Science. 2019(06)
[3]耐高温吸波材料的研究进展[J]. 梁彩云,王志江. 航空材料学报. 2018(03)
[4]磁场退火对Co基熔体抽拉丝巨磁阻抗效应的影响[J]. 张树玲,孙剑飞,邢大伟. 物理学报. 2010(03)
[5]不同磁场退火方式FeZrBCu薄膜巨磁阻抗效应比较[J]. 邵先亦,陈卫平. 磁性材料及器件. 2008(02)
[6]氮化物高温透波材料及其应用研究进展[J]. 王东,刘永胜,成来飞,张立同,徐永东. 航空制造技术. 2008(03)
[7]不同直径玻璃包覆非晶微丝的制备及其磁性能[J]. 邸永江,江建军,何华辉. 无机材料学报. 2007(06)
[8]外周期驱动场作用下介观铁磁畴的共振运动(英文)[J]. 朱开成,刘铁楠,唐慧琴. 低温物理学报. 2003(02)
[9]航空航天用树脂基复合材料[J]. 马宏林. 宇航材料工艺. 1996(02)
本文编号：3305319
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
非晶丝的阻抗测试示意图
第一章绪论5现出对电磁波的吸收，但物理过程不同，FMR是一种共振现象，满足Lamor方程才能发生，而GMI是一种传统的电磁现象，发生的频率和磁场范围广[37]。1.2.4铁磁性非晶丝的左手电磁特性电磁波由同向振荡且互相垂直的电场和磁场组成，当物质与电磁波相互作用时，通常用介电常数ε和磁导率μ分别描述电场和磁场与物质的相互作用，根据ε和μ的不同取值可将物质分为四类（如图1.2），其中双正材料在自然界中是普遍存在的，单负材料也能找到个例，唯独不存在第三象限所示的具有“双负”特性的天然材料，然而从数学角度分析ε<0且μ<0时，二者乘积大于零，电磁波可以在这种介质中传输但只是麦克斯韦旋度方程发生改变而符合左手定则，表现出负相移、负折射效应、逆多普勒效应等新物理效应,因此称其为“左手材料”[38]。图1.2磁导率和介电常数分类及其对应的材料[38]Fig.1.2Classificationofpermeabilityandpermittivitywithcorrespondingmaterials[38]早在1967年前苏联科学家Veselago即理论预言了左手材料的存在，但由于其冲击了传统学科又限于物理条件无法验证而饱受质疑[39]；直到上世纪90年代末出现转折，帝国理工大学的Pendry教授先后证明周期性排列的金属丝类似于金属等离子体，在电磁波频率小于等离子体频率时其介电常数为负值，以及周期性开口谐振环（SRRs）的磁导率在谐振频率附近为负值[40]；2001年Smith利用上述两种结构组合（如图1.3），首次利用实验真正实现了微波段的负折射率，验证了左手材料的存在[41]，从此开启了材料领域的新纪元，标志着一种崭新的材料设计理念的产生，昭示着人类可以在不违背基本物理学规律的前提下，在认识和改造现有材料的基础上，通过高新技术、尖端设备等手段，按照自己的意志设计制备新型
浙江大学硕士学位论文6功能的极限，为发展新型功能材料提供了新的途径[42-43]，现在基于这种设计思想已经发展出一个庞大的材料体系，统称为“超材料”，泛指所有“通过人为设计和加工所得的具有自然材料所不具备的超常物理性质的材料”，这些材料从本质上具有三个重要的特征：一是其往往具有人工制造的周期性几何结构；二是其具有异于常规材料的物理性质；三是其性质往往决定于其中的人工结构而非构成该结构的材料本征属性。图1.3周期排列的（a）金属棒阵列；（b）开路环谐振器（SRR）阵列[41]Fig.1.3Periodic(a)metalarrayand(b)split-ringresonator[41]随着研究的深入，人们发现通过调整谐振单元的几何参数，能够实现ε和μ的任意调控，为各种新型功能器件的设计提供了更广泛的材料基础和设计灵活度；但由于基本单元的尺寸微孝结构复杂且精细，涉及制备的微纳尺寸加工技术尚不成熟，制备成本极高，不利于工业化批量生产，成为限制其发展的关键瓶颈之一。Cabonell等人于2009年发现周期性排布的非晶丝阵列在特定的微波频段内具有左手传输行为，并初步证明这种电磁特性是由非晶丝的铁磁共振（FMR）和铁磁反共振（FMAR）引起的[44]。根据相对磁导率的实部和虚部模拟曲线可见，在铁磁共振频率附近，非晶丝磁导率的实部由正值变为负值，虚部达到最大值，这意味着在FMR和FMAR两特征频率之间其磁导率为负（如图1.4）；同时共振并不影响非晶丝的导电性，在该范围内同时具有介电常数为负的特点，因此实现了左手材料的典型双负特性，这种基于非晶丝的左手材料最显著的优点是制备工艺简单，结构设计完成后通过目前的铺丝工艺即可获得。在成功验证非晶丝阵列的左手行为基础上，Cabonell等人相继又在2010年和2012年初步证明了利用外加磁尝直流电
【参考文献】：
期刊论文
[1]耐高温陶瓷基结构吸波复合材料研究进展[J]. 胡悦,黄大庆,史有强,张昳,何山,丁鹤雁. 航空材料学报. 2019(05)
[2]Graphene Fibers: Advancing Applications in Sensor, Energy Storage and Conversion[J]. Guan-Hang Yu,Qing Han,Liang-Ti Qu. Chinese Journal of Polymer Science. 2019(06)
[3]耐高温吸波材料的研究进展[J]. 梁彩云,王志江. 航空材料学报. 2018(03)
[4]磁场退火对Co基熔体抽拉丝巨磁阻抗效应的影响[J]. 张树玲,孙剑飞,邢大伟. 物理学报. 2010(03)
[5]不同磁场退火方式FeZrBCu薄膜巨磁阻抗效应比较[J]. 邵先亦,陈卫平. 磁性材料及器件. 2008(02)
[6]氮化物高温透波材料及其应用研究进展[J]. 王东,刘永胜,成来飞,张立同,徐永东. 航空制造技术. 2008(03)
[7]不同直径玻璃包覆非晶微丝的制备及其磁性能[J]. 邸永江,江建军,何华辉. 无机材料学报. 2007(06)
[8]外周期驱动场作用下介观铁磁畴的共振运动(英文)[J]. 朱开成,刘铁楠,唐慧琴. 低温物理学报. 2003(02)
[9]航空航天用树脂基复合材料[J]. 马宏林. 宇航材料工艺. 1996(02)
本文编号：3305319
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