[논문 리뷰] Field and stress tunable microwave composite materials based on ferromagnetic microwires

D. P. Makhnovskiy, Л. В. Панина|arXiv (Cornell University)|2004. 04. 28.

Advanced Antenna and Metasurface TechnologiesEngineering참고 문헌 11인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 유전체 기반 매트릭스에 짧은 페로자성 마이크로와이어를 삽입하여, 외부의 일정자속 또는 인장응력에 의해 조절 가능한 효과적 허용도를 갖는 새로운 종류의 마이크로파 복합재료를 제안한다. 조절 가능성은 표면 임피던스를 조절하는 자기임피던스 효과에 기인하며, 이는 와이어의 표면 임피던스를 변화시켜 유도된 드라이브 반응을 조절함으로써 효과적 허용도의 공진 또는 리아케이션 분산을 동적으로 제어할 수 있게 한다. 이는 가변 마이크로파 코팅 및 구조물 건강 모니터링 응용 분야에 유용하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 페로자성 마이크로와이어를 이용하여 가변 전자기적 특성을 갖는 마이크로파 복합재료를 개발한다.
• 적응형 및 센서 응용을 위한 재료에서 마이크로파 반응의 동적 제어가 필요한 문제를 해결한다.
• 마이크로와이어의 자기임피던스 효과를 활용하여 효과적 허용도의 외부 자기장 및 응력 조절을 가능하게 한다.
• 복합재료의 허용도에서 공진과 리아케이션 유형의 분산 간 전환 메커니즘을 제시한다.

제안 방법

• 마이크로파 조사에 의해 유도된 종방향 전류 및 전기 dipole 모멘트를 갖는 기본 산란체로 간주되는 단단한 도전성 페로자성 마이크로와이어를 유전체 매트릭스에 삽입하여 복합재료를 형성한다.
• 각 마이크로와이어를 복합재료의 효과적 복합 허용도를 특성화하는 데 사용되는 집단적 드라이브 반응에 기여하는 기본 산란체로 모델링한다.
• 와이어 표면 임피던스에 의존하는 집단적 드라이브 반응을 특성화하기 위해 복합재료의 복소 효과적 허용도를 사용한다.
• 표면 임피던스가 외부 일정자속 및 인장응력에 따라 변화하는 자기임피던스 효과를 활용하여 마이크로와이어 내 전류 분포를 조절한다.
• 외부 자기장 또는 응력 작용 하에서 공진에서 리아케이션 행동으로의 전이를 보여주기 위해 효과적 허용도의 분산을 분석한다.
• 복합 시스템의 전자기적 반응에 대한 이론적 모델링을 통해 조절 가능성의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장 또는 기계적 응력에 의해 복합재료의 효과적 마이크로파 허용도를 조절할 수 있는가?
• RQ2 페로자성 마이크로와이어의 자기임피던스 효과가 복합재료 내 집단적 드라이브 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 외부 자기장 또는 인장응력이 효과적 허용도의 분산 유형(공진 대 리아케이션)을 어떻게 변화시키는가?
• RQ4 이러한 복합재료의 마이크로파 반응은 센서 또는 필터링 응용을 위해 얼마나 동적으로 제어될 수 있는가?
• RQ5 이러한 복합재료는 원격 비파괴적 구조물 건강 모니터링을 위한 기능성 재료로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 외부 일정자속 또는 인장응력 작용 시 복합재료의 효과적 허용도는 공진에서 리아케이션 유형으로의 분산 행동을 조절 가능하게 변화한다.
• 자기임피던스 효과는 와이어 표면 임피던스를 강하게 조절하여 각 마이크로와이어의 유도 전류 분포 및 드라이브 모멘트에 직접적인 영향을 미친다.
• 외부 자기장과 기계적 응력은 복합재료의 마이크로파 반응을 조절하기 위한 독립적인 제어 수단을 제공한다.
• 이론적 모델링은 자기장 또는 응력에 의해 표면 임피던스가 변화할 경우 공진 주파수에서 효과적 허용도에 상당한 변화가 발생함을 확인한다.
• 이 복합재료 시스템은 조절 가능한 반사/투과 계수를 갖는 자기조절 마이크로파 코팅 응용을 지원한다.
• 자기장 및 응력에 민감한 전자기적 반응 덕분에 제안된 재료는 원격 비파괴적 구조물 건강 모니터링에 적합하다.