Metamaterial eletromagnético à base de nitreto de silício com potencial industrial desenvolvido

Metamateriais eletromagnéticos com parâmetros físicos negativos, como constante dielétrica negativa e permeabilidade magnética negativa, atraíram atenção generalizada na comunidade acadêmica. Em 2010, eles foram elogiados por Materiais hoje Como um dos dez principais avanços na ciência dos materiais nos últimos 50 anos.

Diferentes dos materiais eletromagnéticos tradicionais, eles exibem Índice de Refração negativaimagem perfeita e tremendous absorção, e são amplamente utilizados em furtividade óptica, comunicação sem fio, absorção de ondas eletromagnéticas e blindagem. A introdução de fases condutivas de carbono ou steel distribuído aleatoriamente na matriz isolante é um dos métodos importantes para a preparação de metamateriais.

A cerâmica de nitreto de silício é considerada uma matriz perfect para a preparação de metamateriais devido ao seu alto isolamento, alta condutividade térmicaresistência a alta temperatura, resistência à corrosão e excelentes propriedades mecânicas abrangentes. No entanto, a preparação de metamateriais à base de nitreto de silício está atualmente limitada a processos de sinterização assistida por pressão e processos de impregnação da matriz porosa.

A sinterização assistida por pressão, como sinterização por plasma de faísca e sinterização a quente, tem baixa eficiência de produção, e a forma e o tamanho do produto também são bastante restritos. Não é adequado para expansão industrial, e a resistência é ruim devido à incapacidade dos grãos de nitreto de silício a serem totalmente desenvolvidos.

O processo de impregnação porosa exige que a matriz tenha uma alta porosidade para facilitar a infiltração complete da segunda fase, o que afeta seriamente as propriedades mecânicas do materials, enfraquece a alta resistência e as vantagens de tenacidade da cerâmica de nitreto de silício e limita seu potencial de aplicação em alguns condições duras de serviço, como ambientes de alta carga, oxidação, corrosão e desgaste.

Recentemente, uma equipe de cientistas materiais do Instituto de Física Química de Lanzhou, a Academia Chinesa de Ciências usou partículas de tungstênio como a segunda fase e propôs um novo metamaterial à base de nitreto de silício que pode ser densificado sem pressão mecânica. Esse materials não apenas possui um alto grau de densificação e o processo de preparação é adequado para expansão industrial, mas também os grãos de nitreto de silício crescem e se desenvolvem, mantendo a vantagem de alta tenacidade. Isso tem importante significado orientador para a preparação e aplicação industrial de metamateriais de alto desempenho.

A equipe publicado o trabalho deles Jornal de Cerâmica Avançada.

“Estudos anteriores descobriram que o tungstênio metálico é uma segunda fase que corresponde à expansão térmica da cerâmica de nitreto de silício. Embora reagirá quimicamente com nitreto de silício a altas temperaturas, nossa pesquisa descobriu que a pressão de nitrogênio apropriada pode inibir efetivamente a reação química, criando condições para a introdução do tungstênio metálico.

“Com a assistência da pressão do gás, introduzimos com sucesso o tungstênio na cerâmica de nitreto de silício e descobrimos que a introdução do tungstênio teve um efeito positivo nas propriedades mecânicas e tribológicas da cerâmica de nitreto de silício. alto.

“Após a introdução, não produzirá aglomeração derretida durante o processo de sinterização do nitreto de silício e não tem um impacto negativo significativo na atividade de sinterização do nitreto de silício, como os materiais de carbono. Isso torna possível alcançar a preparação de densificação do nitreto de silício Metamateriais sem a assistência da pressão mecânica introduzindo o tungstênio.

“Com base no trabalho anterior, este trabalho propôs primeiro o uso de tungstênio metálico como uma fase de steel condutora para estudar a preparação de metamateriais à base de nitreto de silício de alto desempenho, analisou e resolveu o problema da diminuição da densificação da cerâmica de nitreto de silício em tungstênio alto conteúdo e observou o comportamento constante dielétrico negativo do materials quando o conteúdo de tungstênio de steel atingiu 20vol%.

“Pela primeira vez, a preparação de densificação de metamateriais à base de nitreto de silício foi alcançada sem a assistência da pressão mecânica”, disse Lujie Wang, pesquisadora associada do Instituto de Física Química de Lanzhou, Academia Chinesa de Ciências, um especialista cuja pesquisa interesses foco no campo da cerâmica de nitreto de silício.

Após o conteúdo de 20% em quantity de tungstênio, as partículas de tungstênio se interconectam para formar vias condutoras e o composto se torna condutor. Além disso, a distribuição aleatória de tungstênio As partículas alteram significativamente a permissividade dos compósitos e um comportamento negativo de permissividade foi observado na faixa de frequência de 40 a 50 MHz. Um denso nitreto de silício-O metamaterial baseado em potencial industrial foi proposto e preparado, orientando a exploração industrial e a aplicação de metamateriais de alto desempenho.

“Os metamateriais têm um grande potencial para aplicação em furtividade óptica, e esperamos que nossos materiais possam ser usados ​​nesse sentido. Nosso próximo passo será continuar a otimizar a composição e estrutura e explorar a realização de suas características constantes dielétricas em uma frequência mais ampla Vary “, disse Lujie Wang.

Outros colaboradores incluem Zhuhui Qiao, do Instituto de Física Química de Lanzhou, Academia Chinesa de Ciências em Lanzhou, China; Xuejian Liu, Dewei Ni, Hui Zhang, Jie Yin, Zhengren Huang, do Instituto de Cerâmica de Xangai, Academia de Ciências Chinesas em Xangai, China; Qian Qi pela Universidade de Ciência e Tecnologia de Shandong em Qingdao, China.