[论文解读] 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 18

一句话总结

本文提出了一类新型微波复合材料，采用短程铁磁性微线嵌入介电基质中，通过外加直流磁场或拉伸应力实现有效介电常数的可调性。可调性源于磁阻抗效应，该效应调节微线的表面阻抗，从而调控感应偶极响应，实现对有效介电常数中共振或松弛色散特性的动态控制，适用于可调谐微波涂层和结构健康监测。

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.

研究动机与目标

• 开发一种利用铁磁性微线实现可调电磁特性的微波复合材料。
• 解决在自适应和传感应用中对材料微波响应实现动态控制的需求。
• 利用微线中的磁阻抗效应，实现对外部磁场和应力的调控，以调节有效介电常数。
• 展示在复合介电常数中实现共振与松弛型色散之间切换的机制。

提出的方法

• 将短程导电铁磁性微线嵌入介电基质中，形成复合材料。
• 将每根微线建模为一个基本散射体，在微波辐照下产生感应纵向电流和电偶极矩。
• 利用复合材料的复有效介电常数表征集体偶极响应，其依赖于微线表面阻抗。
• 利用磁阻抗效应，即表面阻抗随外加直流磁场和拉伸应力而变化，从而调节微线中的电流分布。
• 分析有效介电常数的色散特性，表明在施加磁场或应力时，其行为从共振过渡为松弛。
• 通过复合系统电磁响应的理论建模验证可调性。

实验结果

研究问题

• RQ1 复合材料的有效微波介电常数是否可通过外部磁场或机械应力实现调节？
• RQ2 铁磁性微线中的磁阻抗效应如何影响复合材料中的集体偶极响应？
• RQ3 施加的磁场或拉伸应力通过何种机制改变有效介电常数的色散类型（共振与松弛）？
• RQ4 此类复合材料的微波响应在传感或滤波应用中可实现多大程度的动态调控？
• RQ5 此类复合材料能否作为功能材料用于远程、无损结构健康监测？

主要发现

• 复合材料的有效介电常数表现出可调色散行为，在施加直流磁场或拉伸应力时，其色散特性由共振型转变为松弛型。
• 磁阻抗效应可显著调制微线表面阻抗，直接影响每根微线中的感应电流分布和偶极矩。
• 外部磁场和机械应力为调节复合材料的微波响应提供了独立的调控参数。
• 理论建模证实，由于磁场或应力引起的表面阻抗变化，会在共振频率处显著改变有效介电常数。
• 该复合系统支持诸如可调谐微波涂层等应用，其反射/透射系数可调节。
• 由于其对应力敏感的电磁响应，所提出的材料适用于远程、无损结构健康监测。