نانوکامپوزیت‌های پلیمری جاذب امواج الکترومغناطیسی و رادار

۱. مقدمه

فناوری رادار به بخشی جدایی‌ناپذیر از زندگی مدرن تبدیل شده و کاربردهای آن بسیار فراتر از حوزه‌های دفاعی و نظامی است. هوانوردی غیرنظامی برای کنترل ترافیک هوایی و پیشگیری از برخورد، به رادار متکی است، صنایع خودروسازی از آن برای سیستم‌های کروز کنترل تطبیقی و رانندگی خودکار بهره می‌برند، سازمان‌های هواشناسی برای پایش طوفان‌ها و بارش‌ها از رادار استفاده می‌کنند و ناوبری دریایی نیز برای حفظ ایمنی در شرایط دید محدود به رادار وابسته است. این کاربردهای گسترده، تقاضای فزاینده برای مواد جاذب امواج الکترومغناطیسی را برجسته می‌سازند؛ موادی که بازتاب‌های ناخواسته را به حداقل رسانده و تداخل الکترومغناطیسی را در محیط‌های عملیاتی گوناگون کاهش می‌دهند. طی دو دهه گذشته، تحقیقات در زمینه مواد جاذب امواج الکترومغناطیسی به‌سرعت گسترش یافته است، به‌طوری که بر اساس داده‌های پایگاه اطلاعاتی اسکوپوس (Scopus)، بیش از ۱۵۰۰ مقاله در مورد مواد جاذب امواج الکترومغناطیسی منتشر شده است (شکل ۱). این مطلب، هم کنجکاوی علمی و هم نیاز صنعتی به طراحی موادی را نشان می‌دهد که عملکرد بالا در جاذب امواج الکترومغناطیسی را همراه با وزن نهایی سبک، انعطاف‌پذیری و در عین حال مقیاس‌پذیری، ترکیب می‌کنند [1-3].

با وجود این رشد سریع، یک چالش علمی حیاتی همچنان پابرجاست: دستیابی همزمان به جذب بالا، تطبیق امپدانس کافی، انعطاف‌پذیری مکانیکی و فرآیندپذیری کم‌هزینه در یک سیستم تک جزئی همچنان دست‌نیافتنی است. مواد جاذب امواج الکترومغناطیسی تک جزئی، چه دی‌الکتریک و چه مغناطیسی، همواره در برآورده کردن همزمان همه این الزامات شکست می‌خورند. پرکننده‌های مبتنی بر کربن، تلفات دی‌الکتریک و رسانایی الکتریکی بالایی دارند، اما به دلیل گذردهی بیش از حد بالا، از عدم تطابق امپدانس رنج می‌برند که باعث انعکاس به جای جذب می‌شود. حفظ این توازن میان تلفات بازتابی و تطبیق امپدانس، بیانگر مسئله اصلی و حل‌نشده‌ای است که به پژوهش‌های جاری در زمینه کامپوزیت‌های جاذب امواج الکترومغناطیسی پایه پلیمری انگیزه می‌بخشد [4]. مواد جاذب امواج الکترومغناطیسی برپایه پلیمر به دلایل متعددی جذابیت ویژه‌ای دارند؛ چرا که می‌توانند میزبان نانوفیلرهای متنوعی باشند و ضمن حفظ یکپارچگی ساختاری و سهولت در فرآیند تولید، خواص دی‌الکتریک و مغناطیسی قابل‌تنظیمی را ارائه دهند. شاخص‌های کلیدی عملکرد این مواد شامل دستیابی به تلفات بازتابی کمتر از ۱۰- دسی بل (معادل بیش از ۹۰ درصد جذب)، پهنای باند مؤثر جذب وسیع (Effective Absorption Bandwidth, EAB)، ضخامت حداقلی، دوام مکانیکی و امکان‌پذیری اجرای اقتصادی است.

۲. سازوکار جذب امواج الکترومغناطیسی در نانوکامپوزیت‌های پلیمری حاوی نانوفیلرهای کربنی

برهم‌کنش امواج الکترومغناطیسی با یک ماده تحت تأثیر گذردهی الکتریکی مختلط و تراوایی مغناطیسی مختلط آن ماده قرار دارد؛ کمیت‌هایی که به ترتیب تعیین‌کننده ذخیره‌سازی و اتلاف انرژی الکتریکی و مغناطیسی هستند. هدف اصلی مواد جاذب امواج الکترومغناطیسی به حداکثر رساندن اتلاف انرژی الکترومغناطیسی فرودی از طریق تبدیل آن به گرماست، به‌گونه‌ای که به جای بازتاب به سمت منبع، مستهلک شود و سطح مقطع راداری آن هدف کاهش یابد [3]. این امر در نانوکامپوزیت‌های پلیمری جاذب امواج الکترومغناطیسی حاوی نانوفیلرهای کربنی (پرمخاطب‌ترین دسته از مواد سبک جاذب امواج الکترومغناطیسی) از طریق سازوکارهای اتلاف دی‌الکتریک تحقق می‌یابد.

به طور کلی اتلاف دی‌الکتریک وقتی روی می‌دهد که بارهای الکتریکی و مولکول‌های قطبی داخل ماده، سرعت تغییرات میدان الکترومغناطیسی (امواج راداری) را ندارند و از آن عقب می‌مانند. مکانیزم اتلاف دی‌الکتریک در نانوکامپوزیت‌های پلیمری جاذب امواج الکترومغناطیسی می‌تواند از طریق سه زیرمکانیزم اصلی منتج شود. باید توجه داشت که بازده عملکردی هر یک از این سه زیرمکانیزم به نوع نانوذرات، مقدار مصرف آن‌ها و میزان پخش‌شدن یکنواخت‌ آن ذرات در داخل ماتریس پلیمری بستگی دارد. در ادامه هر یک از این سه زیرمکانیزم در نانوکامپوزیت‌های پلیمری جاذب امواج الکترومغناطیسی به اختصار معرفی می‌شوند:

• ۱- قطبش بین سطحی (Interfacial Polarization): در فصل مشترک ماتریس و پرکننده، بارهای الکتریکی جمع می‌شوند که این اثر در فرکانس‌های پایین‌تر محدوده گیگاهرتز خیلی قوی است.
• ۲- قطبش دوقطبی (Dipolar Polarization): وجود گروه‌های شیمیایی مختلف (مثل گروه‌های اپوکسی، هیدروکسیل و کربونیل) روی سطح نانوذرات (مانند گرافیت)، که در تمام محدوده‌های فرکانسی گیگاهرتز به جذب موج کمک می‌کند.
• ۳- اتلاف هدایتی (Conduction Loss): وقتی مقدار نانوذرات کربنی از یک حد مشخص (آستانه اتصال یا پرکولاسیون) بیشتر می‌شود، شبکه‌ای از راه‌های رسانا در داخل پلیمر تشکیل می‌شود که الکترون‌ها با حرکت در امتداد آن‌ها انرژی موج را تلف می‌کنند. باید توجه شود که سایر قطبش‌های الکترونی و یونی هم در فرکانس‌های بالا تأثیر کمی دارند [5 و 3].

نانوفیلرهای کربنی مانند گرافن، اکسید گرافن احیاشده (reduced Graphene Oxide, rGO) و نانولوله‌های کربنی، سطح تماس بسیار بالا، رسانایی قابل‌تنظیم و قطبش بین‌سطحی قوی ایجاد می‌کنند. قرارگیری هدفمند این مواد در ماتریس‌های پلیمری، نشان داده است که می‌تواند یک شبکه رسانای مبتنی بر پرکولاسیون دوگانه (Dual-Percolation Conductive Network) ایجاد کند. شبکه‌ای که در آن ذرات رسانا ابتدا درون یکی از فازهای یک آمیخته‌ی پلیمری چندفازی متمرکز شده و سپس با پیوستگی خود آن فاز در کل ماده، مسیر پیوسته‌ای برای عبور جریان ایجاد می‌شود. این کار باعث می‌شود به مقدار کمتری از نانوذرات برای رسیدن به نتیجه مطلوب نیاز باشد؛ که نتیجه آن کاهش هزینه و ساده‌تر شدن فرآیند تولید است، بدون اینکه قدرت جذب محصول کم شود [3 و 5]. البته همان‌طور که در بخش مقدمه نیز گفته شد، میزان گذردهی بالای مواد کربنی، باعث ایجاد مشکل در تطابق امپدانس می‌شود. تطابق امپدانس، حیاتی‌ترین محدودیت در طراحی است. برای نفوذ حداکثری امواج فرودی به درون ماده‌ی جاذب امواج الکترومغناطیسی و بازتاب سطحی حداقلی، امپدانس ورودی جاذب امواج الکترومغناطیسی باید به امپدانس فضای آزاد نزدیک شود. تطابق امپدانس ضعیف منجر به بازتاب سطحی شدیدی می‌شود که صرف‌نظر از قابلیت تلفات ذاتی ماده، آن را ناکارآمد می‌سازد [3].

با ترکیب اجزای مغناطیسی در کنار پرکننده‌های کربنی، این کامپوزیت‌های هیبریدی جاذب امواج الکترومغناطیسی به مکانیزم‌های اتلاف مکمل دست می‌یابند و نسبت گذردهی به تراوایی را متعادل‌تر می‌کنند. در نتیجه این ترکیب، هم‌زمان باعث افزایش پهنای باند جذب و بهبود تطابق امپدانس می‌شود [3 و 6]. در طراحی این کامپوزیت‌های هیبریدی باید توازن مناسبی میان چهار مشخصه مهم: عملکرد جذب الکترومغناطیسی، استحکام مکانیکی، حداقل ضخامت و اقتصادی بودن برقرار شود.

شاخص اصلی برای ارزیابی عملکرد مواد جاذب امواج الکترومغناطیسی، تلفات بازتابی (RL) است که بر حسب دسی‌بل (dB) بیان می‌شود؛ در این معیار، مقادیر منفی بزرگ‌تر نشان‌دهنده بازده جذب بالاتر هستند. در کاربردهای عملی، مقدار تلفات بازتابی کمتر از dB ۱۰- (معادل جذب ۹۰ درصدی امواج) معمولاً به عنوان آستانه اثربخشی در نظر گرفته می‌شود، در حالی که مقادیر کمتر از dB ۲۰- (جذب ۹۹ درصدی) عالی تلقی می‌شوند. نکته حائز اهمیت این است که تلفات بازتابی یک ویژگی ذاتی ماده محسوب نمی‌شود، بلکه حاصل ترکیبی از تأثیر گذردهی الکتریکی مختلط و تراوایی مغناطیسی مختلط ماده، به همراه ضخامت نمونه (d) و فرکانس (f) موج الکترومغناطیسی فرودی است [3]. ضخامت و وزن از مشخصه‌های مهم و محدودیت‌های حیاتی است؛ به‌طوری که دستیابی به جذب قوی با حداقل ضخامت لایه، به یک تمرکز تحقیقاتی قابل توجه تبدیل شده است. مواد هیبریدی جاذب‌ امواج الکترومغناطیسی از مواد مغناطیسی و دی‌الکتریک عملکرد برتری را نشان داده‌اند؛ به‌طوری‌که به تلفات بازتابی قوی با ضخامت‌های نازک‌تر در مقایسه با همتایان تک جزئی دست می‌یابند. قابلیت عملیاتی شدن و بکارگیری نانوکامپوزیت‌های پلیمری جاذب امواج الکترومغناطیسی تابع هزینه و قابلیت مقیاس‌پذیری فرایندهای سنتز و ساخت است. به‌منظور تضمین تولید اقتصادی و قابل‌اعتماد، تکنیک‌های ساخت ساده‌ای نظیر اختلاط مکانیکی به‌طور گسترده مورد استفاده قرار ‌گرفته‌اند.

۳. نقش نانو مواد کربنی در نانوکامپوزیت‌های پلیمری جاذب امواج الکترومغناطیسی

نانوکامپوزیت‌های پلیمری به دلیل انعطاف‌پذیری ذاتی، مقاومت در برابر خوردگی، سهولت فرآیندپذیری و ساخت، از جایگاه کاربردی ویژه‌ای در حوزه توسعه مواد جاذب امواج الکترومغناطیسی برخوردار شده‌اند. در حقیقت ترکیب پرکننده‌های نانومقیاس در ماتریس‌های پلیمری و بهره‌گیری از ویژگی‌های الکتریکی و مغناطیسی منحصر به فرد این نانومواد موجب پیشرفت‌های چشمگیری در زمینه دستیابی به مواد پیشرفته با خواص و رفتار جذب امواج الکترومغناطیسی ویژه شده است. اثربخشی این نانوکامپوزیت‌ها به شدت به توزیع پرکننده، غلظت، نسبت منظر و سازگاری بین سطحی با ماتریس پلیمری بستگی دارد که همگی بر خواص الکترومغناطیسی حاصل تأثیر می‌گذارند [3 و 7]. از طریق طراحی و بهینه‌سازی دقیق، کامپوزیت‌های پلیمری مبتنی بر نانوفیلرها می‌توانند به ویژگی‌های جذب قابل تنظیم در باندهای فرکانسی متعدد دست یابند؛ و در عین حال الزامات مکانیکی و حرارتی کاربردهای عملی را نیز برآورده کنند.

نانومواد پایه کربنی به دلیل برخورداری از خواص الکتریکی منحصربه‌فرد، سطح ویژه بالا و ویژگی‌های مورفولوژیکی متنوع، به عنوان گزینه‌هایی شاخص برای کاربردهای جذب امواج الکترومغناطیسی مطرح شده‌اند. قابلیت تنظیم هدایت الکتریکی این مواد از وضعیت نیمه‌رسانا تا رسانا، از طریق اصلاحات ساختاری یا فرایند دوپینگ، آن‌ها را برای طراحی مواد جاذب‌ امواج الکترومغناطیسی پهن‌باند با قابلیت تنظیم تلفات دی‌الکتریک، بسیار ارزشمند ساخته است. در حقیقت در این نانومواد، اتلاف انرژی از طریق شبکه‌های رسانا و قطبش بین‌سطحی صورت می‌گیرد، هرچند که عدم تطابق امپدانس در مقادیر بارگذاری بالا، عملکرد را با محدودیت مواجه می‌سازد. در مقیاس نانو، نواحی گسترده بین سطحی اثرات قطبش را تقویت می‌کنند و راندمان تضعیف را افزایش می‌دهند [3].

از دیدگاه تاثیر بر خواص مکانیکی نیز، نانوفیلرهای ‌کربنی از طریق انتقال تنش در مقیاس نانو، سختی، چقرمگی و مقاومت در برابر خستگی را افزایش می‌دهند. پرکننده‌های کربنی تک‌بعدی مانند نانولوله‌های کربنی (CNT) از طریق انتقال تنش برشی موثر در طول ساختار استوانه‌ای خود موجب تقویت‌کنندگی می‌شوند، در حالی که پرکننده‌های کربنی دوبعدی (صفحه‌ای) مانند گرافن، با ایجاد نسبت منظری بسیار بالا و تشکیل مناطق بین‌فازی گسترده، حرکت زنجیره‌های پلیمری را به شدت محدود کرده و مسیر انتشار ترک‌ها را منحرف می‌کنند. پرکننده‌های کربنی صفر بعدی مانند دوده رسانا به عنوان مراکز متمرکزکننده تنش و اتصال‌دهنده ترک عمل می‌کنند؛ در همین حال، حضور هم‌زمان این نانوپرکننده‌ها در ساختارهای هیبریدی می‌تواند به واسطه هم‌افزایی مکانیکی، چقرمگی شکست و مدول الاستیک کامپوزیت را به طور چشمگیری بهبود بخشد. به عنوان مثال، افزودن ۰/۵ درصد وزنی نانو لوله کربنی چند دیواره عامل‌دار شده به ماتریس پلی‌آمیدی، مقاومت خمشی و مدول را ۱۲ تا ۱۴ درصد بهبود ‌می‌بخشد، در عین حال اتلاف دی‌الکتریک را نیز افزایش می‌دهد [3 و 8].

در ادامه به بررسی سه دسته اصلی نانومواد پایه کربنی، شامل نانولوله‌های کربنی (CNTs)، گرافن و گرافیت/دوده رسانا پرداخته می‌شود و مزایا، چالش‌ها و پیشرفت‌های اخیر آن‌ها در حوزه کامپوزیت‌های پلیمری جاذب امواج الکترومغناطیسی مورد بحث قرار می‌گیرد.

۱.۳. نانولوله‌های کربنی: رسانایی بالا و جذب پهن‌باند

نانولوله‌های کربنی به دلیل نسبت منظر استثنایی (معمولاً بیش از ۱۰۰۰)، هدایت الکتریکی بالا (تا محدوده S/m 106 برای نوع چنددیواره) و ساختار لوله‌ای یک‌بعدی که انتقال بار و اثرات قطبش بین‌سطحی را تسهیل می‌کند، توجه گسترده‌ای را در پژوهش‌های جاذب امواج الکترومغناطیسی به خود جلب کرده‌اند. مکانیزم جذب امواج الکترومغناطیسی در کامپوزیت‌های مبتنی بر نانولوله کربنی عمدتاً شامل اتلاف هدایتی از طریق تشکیل شبکه‌های رسانا در ماتریس پلیمری و تلفات دی‌الکتریک مرتبط با پدیده‌های قطبش دوقطبی است [3 و 9].

عملکرد جذب امواج الکترومغناطیس توسط نانوذرات CNT به وضعیت پخش، نسبت منظر، عامل شیمیایی سطحی و محتوای بارگذاری بستگی دارد. آتای و همکارانش [7] وابستگی به اندازه را در پژوهش خود بررسی کردند و به نتایج قابل توجهی رسیدند. آن‌ها مشاهده کردند که افزودن یک درصد وزنی نانولوله‌های کربنی با ابعاد ۴۸-۷۸ نانومتری به ماتریس رزین پلی استر، موجب شد تا تلفات بازتابی در فرکانس GHz 10/27 برابر با dB 9/38- شود، در حالی‌که با بارگذاری همان درصد وزنی از CNT با ابعاد ۸ نانومتر، مقدار تلفات بازتابی برابر dB 6/5- به دست آمد. نانولوله‌های بلندتر شبکه‌های رسانای گسترده‌تری را تشکیل می‌دهند و قطبش سطحی قوی‌تری ایجاد می‌کنند. نسبت منظر بالاتر همچنین آستانه نفوذ را کاهش می‌دهد و باعث جذب موثر و افزایش تلفات بازتابی در بارگذاری‌های پایین نانوذرات می‌شود.

علی‌رغم این نتایج امیدوارکننده، چالش‌های متعددی در بهینه‌سازی کامپوزیت‌های مبتنی بر CNT باقی مانده است. تمایل ذاتی آن‌ها به تجمع به دلیل نیروهای قوی واندروالس اغلب منجر به پراکندگی ناهمگن در ماتریس‌های پلیمری می‌شود که منجر به خواص مکانیکی ضعیف و عملکرد الکترومغناطیسی غیربهینه می‌شود. علاوه بر این، رسانایی الکتریکی بالای نانولوله‌های کربنی می‌تواند باعث عدم تطابق امپدانس در فصل مشترک هوا و ماده شود که منجر به افزایش بازتاب سطح به جای جذب می‌شود. برای رفع این محدودیت‌ها، محققان استراتژی‌های مختلفی از جمله عامل‌دار کردن شیمیایی سطح CNT با گروه‌های عاملی و ترکیبات آلی، اصلاح غیرکووالانسی با سورفکتانت‌ها و رویکردهای مبتنی بر استفاده از پرکننده هیبریدی (نانولوله‌های کربنی با مواد دی‌الکتریک یا مغناطیسی ترکیب می‌کنند تا به خواص الکترومغناطیسی متعادل دست یابند) توسعه داده‌اند. همانطور که توسط چوی و همکاران گزارش شده است، نانوکامپوزیت‌های متشکل از نانوکامپوزیت‌های الیاف شیشه /اپوکسی که به ترتیب حاوی ۳ درصد وزنی دوده رسانا، ۲/۵ درصد وزنی نانولوله کربنی (CM-95)، ۳ درصد وزنی نانولوله کربنی (CM-95) یا ۰/۳ درصد وزنی نانولوله کربنی (CM-250) پراکنده شده در بستر بودند، مورد ارزیابی قرار گرفتند. از آنجا که در تمامی نمونه‌ها، حداکثر و میانگین جاذب امواج الکترومغناطیسی در محدوده فرکانسی باند X (GHz 12-8) به ترتیب بیش از ۹۵ و ۹۰ درصد بود، نتیجه گرفته شد که نانوکامپوزیت‌ها برای جذب موج با عملکرد بالا، مناسب هستند.

۲.۳. گرافن: کاربردها و چالش‌های فیلم نازک

گرافن، به عنوان یک شبکه لانه‌زنبوری دوبعدی از اتم‌های کربن با هیبریداسیون sp²، خواص استثنایی برای کاربردهای جاذب امواج الکترومغناطیسی ارائه می‌دهد؛ که شامل تحرک‌پذیری بالای حامل‌های بار (بیش از cm²/V·s ۲۰۰,۰۰۰)، سطح ویژه بزرگ (مقدار تئوریکی m²/g ۲۶۳۰) و خواص الکتریکی قابل تنظیم از طریق دوپینگ شیمیایی یا عامل‌دار کردن است. این ویژگی‌ها، گرافن را برای ایجاد سازه‌های جاذب امواج الکترومغناطیسی فوق‌نازک و انعطاف‌پذیر با عملکرد پهن‌باند بسیار مناسب می‌سازد [3]. مکانیزم‌های اصلی جذب در کامپوزیت‌های مبتنی بر گرافن شامل تلفات هدایتی از طریق سیستم الکترون‌ پای گسترده (extensive π-electron system)، قطبش دوقطبی و قطبش بین‌سطحی در مرزهای گرافن-پلیمر است.

علی‌رغم این توانمندی‌های چشمگیر، چالش‌های مهمی مانع پیاده‌سازی گسترده مواد جاذب‌ امواج الکترومغناطیسی بر پایه گرافن می‌شوند. تمایل لایه‌های گرافن به انباشت مجدد به دلیل برهم‌کنش‌های قوی پای-پای (π-π)، سطح ویژه موثر را کاهش داده و هدایت الکتریکی را افزایش می‌دهد؛ که این امر منجر به بازتاب سطحی نامطلوب می‌شود. به‌علاوه، فقدان خواص مغناطیسی ذاتی در گرافن خالص، کارایی جذب آن را صرفاً به مکانیزم‌های دی‌الکتریک محدود کرده و اغلب منجر به پهنای باند جذب باریک می‌شود. برای رفع این محدودیت‌ها، پژوهشگران ساختارهای مختلف گرافنی اصلاح‌شده از جمله گرافن اکساید (GO)، گرافن اکساید کاهش یافته (rGO) و کامپوزیت‌های هیبریدی حاوی نانوذرات مغناطیسی را توسعه داده‌اند. برای نمونه، نانوکامپوزیت‌های CoFe₂O₄/rGO که از طریق روش سولووترمال درجا (In Situ Solvothermal Method) سنتز شدند، پهنای باند مؤثر GHz 5/8 (محدوده ۸/۳ تا ۱۴/۱ گیگاهرتز) را به همراه جذب قوی امواج مایکروویو در فرکانس ۱۰ گیگاهرتز نشان دادند. به همین ترتیب، کامپوزیت‌های FeCoNiOx و PDA-rGO توانستند در ضخامت ۶/۵ میلی‌متر، حداکثر میزان تضعیف dB 36/28 با پهنای باند مؤثر GHz 3/2 را محقق سازند. توسعه آتی مواد جاذب‌ امواج الکترومغناطیسی پایه گرافنی، مسیرهای نویدبخشی را مبتنی بر سطوح گرافنی الگودار و طراحی‌های فراماده با استفاده از المان‌های گرافنی ارائه می‌دهد تا بتوان به ویژگی‌های جذب قابل‌تنظیم و پهن‌باند که متناسب با نیازهای کاربردی خاص هستند، دست یافت. در حقیقت چشم‌انداز آینده‌ی مواد جاذب‌ امواج الکترومغناطیسی تطبیق‌پذیر با عملکرد بالا حاوی گرافن، تنها به ویژگی‌های ذاتی ماده وابسته نیست؛ بلکه در گرو معماری‌های هوشمند در سطح ادوات و منوط به تلفیق آن در درون یک ساختار تشدیدگر الکترومغناطیسی است که کنترل پویای جاذب امواج الکترومغناطیسی را میسر می‌سازد [3].

۳.۳. گرافیت/دوده رسانا: مقرون‌به‌صرفه بودن در مقابل عملکرد

مواد کربنی مرسوم شامل دوده رسانا و گرافیت، علی‌رغم ظهور نانومواد پیشرفته‌تر مانند CNT و گرافن، همچنان نقش‌های مهمی در کاربردهای جاذب امواج الکترومغناطیسی ایفا می‌کنند. این پرکننده‌های سنتی از نظر مقرون‌به‌صرفه بودن، مقیاس‌پذیری تولید و سادگی پردازش، مزایای قابل توجهی ارائه می‌دهند و آن‌ها را به ویژه برای کاربردهای در مقیاس بزرگ که در آن‌ها ویژگی‌های عملکردی ممتاز مورد نیاز نیست، مناسب می‌کنند. مکانیزم‌های جذب در این کامپوزیت‌ها در درجه اول شامل اتلاف رسانایی از طریق تشکیل شبکه‌های نفوذی و قطبش دوقطبی در نقص‌های ساختاری و گروه‌های عاملی است [3].

دوده رسانا، متشکل از ذرات کربن شبه‌بلوری با نسبت سطح به حجم بالا، هنگام ترکیب مناسب در ماتریس‌های پلیمری، عملکرد جاذب امواج الکترومغناطیسی بسیار مطلوبی را از خود نشان داده است. پژوهش‌ها اثبات کرده‌اند که نانوکامپوزیت‌های الیاف شیشه/اپوکسی حاوی ۳ درصد وزنی دوده رسانا، به حداقل تلفات بازتابی dB ۳۵- در فرکانس GHz 10/5 با پهنای باند جذب GHz 4/5 در محدوده باند ایکس (X) دست یافته‌اند. به همین ترتیب، کامپوزیت‌های بر پایه پلی‌آنیلین با ۳۰ درصد وزنی دوده رسانا، حداکثر جذب dB ۴۰- را در محدوده فرکانسی GHz ۹ تا GHz ۱۳ نشان داده‌اند [3]. این شاخص‌های عملکردی چشمگیر به توانایی دوده رسانا در ایجاد شبکه‌های رسانای گسترده درون ماتریس پلیمری در سطوح بارگذاری نسبتاً پایین مربوط است که موجب تسهیل اتلاف انرژی الکترومغناطیسی فرودی از طریق تلفات اهمی می‌شود.

گرافیت و مشتقات آن، به‌ویژه گرافیت انبساط یافته و نانوصفحات گرافیت، در مقایسه با دوده رسانا هدایت الکتریکی بالاتری ارائه می‌دهند، اما به‌دلیل برهم‌کنش‌های قوی‌تر بین‌ذراتی و نسبت‌های منظر بزرگ‌تر، دستیابی به توزیع یکنواخت آن‌ها با چالش‌های بیشتری همراه است. با این حال، در صورت لایه لایه شدن و عامل‌دار شدن بهینه، کامپوزیت‌های مبتنی بر گرافیت می‌توانند به عملکرد جذبی رقابتی دست یابند. برای نمونه، کامپوزیت‌های حاوی نانوصفحات گرافیت، به‌واسطه ویژگی‌های مطلوب تطبیق امپدانس جذب مؤثری را در محدوده‌های فرکانسی پایین‌تر (باندهای L و S) نشان داده‌اند؛ حوزه‌ای که بسیاری از نانومواد پیشرفته در آن با دشواری عملکرد مواجه هستند [3]. به‌طور معمول، کامپوزیت‌های مبتنی بر دوده رسانا برای دستیابی به عملکردی قابل‌مقایسه با کامپوزیت‌های حاوی نانولوله‌های کربنی (CNT) یا گرافن، به سطوح بارگذاری بسیار بالاتری (۲۰ تا ۳۰ درصد وزنی) نیاز دارند، در حالی که نانومواد مذکور در سطوح بارگذاری به‌مراتب پایین‌تری (۱ تا ۱۰ درصد وزنی) همان عملکرد را ارائه می‌دهند. این مقادیر بارگذاری بالاتر، اغلب منجر به افزایش چگالی کامپوزیت، کاهش انعطاف‌پذیری مکانیکی و دشواری در فرایندهای ساخت به دلیل ویسکوزیته بالاتر می‌شود. علاوه بر این، دوده رسانا و گرافیت معمولاً در مقایسه با نانومواد مشابه خود، پهنای باند جذبی محدودتری دارند که کاربرد آن‌ها را در سناریوهای جذب پهن‌باند محدود می‌کند.

وانگ و همکاران نشان دادند که یک ساختار چهارلایه دوده رسانا/ LLDPE با غلظت متغیر دوده رسانا (که از سطح به سمت صفحه فلزی پشتی افزایش می‌یابد)، به عملکرد پهن‌باند مطلوبی منجر می‌شود که به‌طور معناداری از عملکرد هر نمونه تک‌لایه مشابه‌ای وسیع‌تر است. این روند یک انتقال تدریجی در گذردهی الکتریکی ایجاد می‌کند که موجب بهبود تطبیق امپدانس سطحی و همزمان افزایش مسیر انتشار موج داخلی می‌شود. این اصل (دستیابی به عملکرد پهن‌باند از طریق طراحی ساختاری به‌جای تلفات ذاتی) مستقیماً برای کامپوزیت‌های گرافنی با بارگذاری متفاوت نیز قابل‌تعمیم است. با ساخت سازه‌های چندلایه با گرادیان بارگذاری گرافن، می‌توان پروفایل گذردهی الکتریکی را به‌دقت مهندسی کرد تا از ساختار همگن تک‌لایه پیشی گرفته و به جذب فوق‌عریض با استفاده از یک نانوماده واحد و قابل‌تنظیم دست یافت [3].

۴. نتیجه‌گیری

این مقاله به بررسی مواد کامپوزیتی جاذب امواج الکترومغناطیسی بر پایه پلیمر و نانوفیلرهای کربنی پرداخته و آن‌ها را بر اساس تلفات بازتابی بیشینه، پهنای باند جذب مؤثر، ضخامت، میزان بارگذاری پرکننده و مقیاس‌پذیری هزینه، ارزیابی می‌کند. سیستم‌های پایه کربنی بیشترین پهنای باند جذب مؤثر و کمترین چگالی را ارائه می‌دهند، اما بالاتر از آستانه تجمع با عدم تطبیق امپدانس مواجه می‌شوند. بنابراین یافته اصلی این است که هیچ‌یک از انواع فیلرها و نانوفیلرهای کربنی به‌تنهایی نمی‌توانند تمام الزامات عملیاتی را به طور هم‌زمان برآورده کنند.

جهت‌گیری‌های پژوهشی آینده برای مواد کربنی متداول، احتمالاً بر رویکردهای هیبریدی متمرکز خواهد بود که دوده رسانا یا گرافیت را با مقادیر اندکی از نانومواد پیشرفته ترکیب می‌کنند تا ضمن حفظ توجیه‌پذیری اقتصادی، ارتقای عملکرد حاصل شود. افزون بر این، بهینه‌سازی مورفولوژیکی از طریق تکنیک‌های سنتز و فرایندسازی کنترل‌شده می‌تواند سطح ویژه و نسبت‌های منظر این مواد سنتی را بهبود بخشد و کارایی جذب آن‌ها را در سطوح بارگذاری کمتر ارتقا دهد. توسعه ساختارهای سلسله‌مراتبی که دوده رسانا یا گرافیت را با مواد دی‌الکتریک یا مغناطیسی تلفیق می‌کنند، رویکردی نویدبخش برای دستیابی به خواص الکترومغناطیسی متوازن با لحاظ کردن ملاحظات اقتصادی مطلوب محسوب می‌شود.

مراجع