[論文レビュー] Field and stress tunable microwave composite materials based on ferromagnetic microwires

D. P. Makhnovskiy, Л. В. Панина|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2004

Advanced Antenna and Metasurface TechnologiesEngineering参考文献 11被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、誘電体マトリックスに短いフェロ磁性マイクロワイヤを埋め込んだ新規なマイクロ波複合材料のクラスを提案する。外部のdc磁場または引張応力によって有効誘電率を可変可能である。可変性は磁気インピーダンス効果に起因し、ワイヤの表面インピーダンスを変化させることで誘導される電気双極子応答を制御し、結果として有効誘電率における共鳴または緩和分散の動的制御を可能にする。これは、可変マイクロ波被膜および構造健全性モニタリングへの応用に適している。

ABSTRACT

New types of tunable composite materials are considered, the effective microwave permittivity of which may depend on an external dc magnetic field or tensile stress. The composites consist of short pieces of conductive ferromagnetic microwires embedded into a dielectric matrix. The short wire inclusions play a role of the elementary scatterers, when the electromagnetic wave irradiates the composite and induces a longitudinal current distribution and electrical dipole moment in each inclusion. These induced dipole moments form the dipole response, which can be characterized by some complex effective permittivity. The later may have a resonance or relaxation dispersion caused by the strong current distribution along a wire, which depends on the wire high frequency surface impedance. In the vicinity of the resonance frequency any variations in the wire surface impedance result in a large change of the current distribution, and hence in the dipole moment of each inclusion and the effective permittivity on the whole. For a ferromagnetic conductive microwire, the surface impedance may depend not only on its conductivity but also on the dc external magnetic field and tension through the so-called magneto-impedance effect (MI). Therefore, the dispersion of the effective permittivity can be tuned from a resonance type to a relaxation type, when a sufficient magnetic field or tensile stress is applied to the composite sample. A number of applications can be proposed, including the stress-sensitive media for remote non-destructive health monitoring of different structures, and selective microwave coatings with field-dependent reflection/transmission coefficients.

研究の動機と目的

• フェロ磁性マイクロワイヤを用いて、電磁特性が可変可能なマイクロ波複合材料を開発すること。
• 適応的およびセンシング応用に向けた材料におけるマイクロ波応答の動的制御のニーズに対応すること。
• マイクロワイヤにおける磁気インピーダンス効果を活用し、外部磁場および応力による有効誘電率の可変制御を実現すること。
• 有効誘電率における共鳴型分散と緩和型分散の間のスイッチングメカニズムを実証すること。

提案手法

• 導電性フェロ磁性マイクロワイヤを短くして誘電体マトリックスに埋め込み、複合材料を形成すること。
• 各マイクロワイヤを、マイクロ波照射下で誘導された縦方向電流および電気双極子モーメントを発生する基本的散乱体としてモデル化すること。
• 有効誘電率の複素数表現を用いて、ワイヤの表面インピーダンスに依存する集団的双極子応答を特徴付けること。
• 磁気インピーダンス効果を活用し、表面インピーダンスが外部dc磁場および引張応力に応じて変化することにより、マイクロワイヤ内の電流分布を制御すること。
• 有効誘電率の分散を分析し、外部磁場または応力の印加によって共鳴から緩和への遷移を示すこと。
• 複合系の電磁応答を理論的モデリングすることで、可変性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場または機械的応力によって、複合材料の有効マイクロ波誘電率を制御できるか？
• RQ2 フェロ磁性マイクロワイヤにおける磁気インピーダンス効果が、複合材料内の集団的双極子応答にどのように影響するか？
• RQ3 外部磁場または引張応力が、有効誘電率の分散型（共鳴対緩和）をどのように変化させるメカニズムか？
• RQ4 マイクロ波応答がセンシングまたはフィルタリング応用のためにどれほど動的に制御可能か？
• RQ5 このような複合材料は、遠隔的かつ非破壊的な構造健全性モニタリングのための機能材料として利用可能か？

主な発見

• 外部dc磁場または引張応力の印加により、複合材料の有効誘電率が共鳴型から緩和型への分散挙動に変化する。
• 磁気インピーダンス効果により、ワイヤの表面インピーダンスが強く変調され、各マイクロワイヤ内の誘導電流分布および双極子モーメントに直接的な影響を与える。
• 外部磁場と機械的応力は、複合材料のマイクロ波応答を調整する独立した制御パrameterとして機能する。
• 理論的モデリングにより、磁場または応力による表面インピーダンスの変化が、共鳴周波数における有効誘電率に顕著な変化をもたらすことが確認された。
• 本複合材料系は、反射率／透過率を調整可能な磁場可変マイクロ波被膜の応用をサポートする。
• 応力に敏感な電磁的応答を有するため、本材料は遠隔的かつ非破壊的な構造健全性モニタリングに適している。