Conception de nanofibres ternaires à structure cœur-coquille pour antenne furtive électromagnétique
Contexte académique
À l’ère de l’information, l’utilisation généralisée des ondes électromagnétiques (EMW) a permis des avancées révolutionnaires dans divers domaines tels que les communications, la médecine et la navigation. Cependant, avec la prolifération des appareils électroniques, les problèmes d’interférence électromagnétique (EMI) sont devenus de plus en plus préoccupants, affectant non seulement le fonctionnement normal des équipements de précision, mais aussi posant des risques potentiels pour la santé humaine. Par conséquent, le développement de matériaux absorbant efficacement les ondes électromagnétiques est devenu un sujet de recherche brûlant. Les matériaux traditionnels d’absorption des ondes électromagnétiques souffrent souvent d’une bande passante d’absorption étroite et d’une perte par réflexion élevée, ce qui les rend inadaptés aux besoins des équipements de communication modernes en matière de furtivité électromagnétique et de transmission de signaux efficaces.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont commencé à concevoir de nouveaux matériaux absorbant les ondes électromagnétiques en se basant sur des composites multicomposants et l’ingénierie de microstructures. Parmi ces matériaux, les structures cœur-coquille (core-shell) ont attiré l’attention en raison de leur capacité à combiner astucieusement les avantages de différents matériaux et à augmenter de manière significative la surface de contact entre les matériaux. En sélectionnant judicieusement les composants et en optimisant les microstructures, les chercheurs espèrent réaliser un effet synergique entre l’adaptation d’impédance et la capacité d’atténuation, afin de développer des matériaux à haute performance pour l’absorption des ondes électromagnétiques.
Source de l’article
Cet article a été rédigé par Xiangwei Meng, Meijie Yu et Chengguo Wang, respectivement affiliés à l’École de science et d’ingénierie des matériaux de l’Université du Shandong et au Laboratoire clé de l’évolution et de la transformation des structures liquides-solides des matériaux du Ministère de l’Éducation. L’article a été publié le 7 octobre 2024 dans la revue Advanced Fiber Materials, sous le titre The Design of Ternary Nanofibers with Core–Shell Structure for Electromagnetic Stealthy Antenna.
Processus de recherche
1. Préparation des matériaux
L’étude a d’abord préparé des nanofibres ternaires Ni/C@ZrO₂ par électrofilage (electrospinning) et carbonisation. Les étapes spécifiques sont les suivantes :
- Électrofilage : Dissolution de polyvinylpyrrolidone (PVP), d’acétylacétonate de nickel (Ni(acac)₂) et de butoxyde de zirconium (Zr(OBu)₄) dans du N,N-diméthylformamide (DMF) pour former une solution homogène. La solution est ensuite filée en nanofibres à l’aide d’un équipement d’électrofilage et collectée sur une feuille d’aluminium.
- Pré-oxydation et carbonisation : Les nanofibres collectées sont pré-oxydées à 180°C, puis carbonisées à 700°C sous atmosphère d’azote, produisant finalement les nanofibres ternaires Ni/C@ZrO₂.
2. Caractérisation des matériaux
Les chercheurs ont caractérisé en détail les nanofibres préparées à l’aide de diverses techniques :
- Diffraction des rayons X (XRD) : Confirmation des structures cristallines de Ni et ZrO₂ dans le matériau.
- Spectroscopie Raman : Analyse du degré de graphitisation du matériau.
- Test d’adsorption-désorption d’azote (BET) : Mesure de la surface spécifique et de la taille moyenne des pores du matériau.
- Spectroscopie photoélectronique X (XPS) : Analyse des états chimiques et des propriétés électroniques de la surface du matériau.
- Microscopie électronique à balayage (SEM) et microscopie électronique en transmission (TEM) : Observation de la morphologie et de la microstructure interne du matériau.
3. Tests de performance électromagnétique
Les paramètres électromagnétiques du matériau, y compris la permittivité complexe et la perméabilité complexe, ont été mesurés dans la plage de fréquences de 2,0 à 18,0 GHz à l’aide d’un analyseur de réseau vectoriel (VNA). Les chercheurs ont également calculé la perte par réflexion (RL) et la bande passante d’absorption effective (EAB) du matériau, et ont simulé ses caractéristiques de section radar (RCS).
Résultats de la recherche
1. Structure et performance des matériaux
Les résultats de la XRD et de la TEM ont montré que les nanofibres ternaires Ni/C@ZrO₂ ont réussi à former une structure cœur-coquille, avec des particules de Ni uniformément réparties dans les nanofibres et une couche de ZrO₂ d’environ 7 nm d’épaisseur. La spectroscopie Raman a révélé que le matériau contenait une abondance de carbone amorphe et de sites de défauts, ce qui contribue à réguler la conductivité et les caractéristiques d’adaptation d’impédance du matériau.
2. Performance d’absorption des ondes électromagnétiques
Les nanofibres ternaires Ni/C@ZrO₂ ont atteint une perte par réflexion minimale (RL) de -60,1 dB à 11,0 GHz, avec une bande passante d’absorption effective (EAB) de 7,6 GHz. De plus, les résultats de simulation ont montré que le matériau présente des valeurs de section radar (RCS) inférieures à -20 dBm² pour la plupart des angles d’observation, démontrant ainsi d’excellentes performances de furtivité électromagnétique.
3. Conception de l’antenne
Les chercheurs ont utilisé les nanofibres ternaires Ni/C@ZrO₂ comme substrat diélectrique pour concevoir une antenne patch (patch antenna). Les résultats des tests ont montré que l’antenne présente un coefficient de réflexion (S11) inférieur à -10 dB dans la bande X, indiquant une capacité de transmission de signaux efficace.
Conclusion et signification
Cette étude a réussi à préparer des nanofibres ternaires Ni/C@ZrO₂ à structure cœur-coquille par électrofilage et carbonisation, et a démontré leurs performances exceptionnelles dans l’absorption des ondes électromagnétiques et la conception d’antennes. Ce matériau non seulement réalise une absorption efficace des ondes électromagnétiques, mais fournit également des orientations théoriques pour la conception future d’antennes furtives électromagnétiques. Les résultats de la recherche montrent qu’en utilisant des composites multicomposants et en concevant des microstructures, il est possible de réguler efficacement les paramètres électromagnétiques des matériaux, réalisant ainsi un effet synergique entre l’adaptation d’impédance et la capacité d’atténuation.
Points forts de la recherche
- Matériau haute performance pour l’absorption des ondes électromagnétiques : Les nanofibres ternaires Ni/C@ZrO₂ atteignent une perte par réflexion minimale de -60,1 dB à 11,0 GHz, avec une bande passante d’absorption effective de 7,6 GHz, démontrant d’excellentes performances d’absorption des ondes électromagnétiques.
- Conception de structure cœur-coquille : Grâce à la conception de la structure cœur-coquille, un effet synergique entre plusieurs mécanismes de perte, y compris la perte conductrice, la perte magnétique et la relaxation de polarisation, a été réalisé avec succès.
- Application dans la conception d’antennes : L’utilisation des nanofibres ternaires Ni/C@ZrO₂ dans la conception d’une antenne patch a démontré leur valeur potentielle dans les applications d’antennes furtives électromagnétiques.
Autres informations utiles
L’étude a également exploré l’effet de la température de carbonisation et de la charge de chargeur sur les performances électromagnétiques du matériau. Les résultats ont montré qu’une température de carbonisation de 700°C et une charge de chargeur de 15 % constituent les conditions optimales pour réaliser une absorption efficace des ondes électromagnétiques. De plus, l’étude a simulé la distribution du champ électromagnétique et la perte de puissance du matériau à l’aide du simulateur de structure haute fréquence (HFSS) et du logiciel CST Studio Suit 2019, validant ainsi davantage les performances exceptionnelles du matériau.
Résumé
Cette étude fournit non seulement de nouvelles idées pour le développement de matériaux absorbant efficacement les ondes électromagnétiques, mais pose également des bases théoriques pour la conception future d’antennes furtives électromagnétiques. En utilisant des composites multicomposants et l’ingénierie de microstructures, les chercheurs ont réussi à réaliser un effet synergique entre l’adaptation d’impédance et la capacité d’atténuation des matériaux, démontrant ainsi le vaste potentiel d’application des nanofibres ternaires à structure cœur-coquille dans l’absorption des ondes électromagnétiques et la conception d’antennes.