رنگ ها و پوشش های ضد امواج الکترومغناطیس

در چند دهه ی اخیر، به علت پیشرفت صنعت الکترونیک، نیاز به مواد جدید در زمینه ی حفاظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی به طور چشمگیری افزایش پیدا کرده است. برای رفع این نیازهای فزاینده، مواد جدید بسیاری مورد بررسی قرار گرفته اند تا جایگزین ورق های فلزی شوند. بعضی از مواد مناسب مورد تحقیق، کامپوزیت های پایه پلیمری هستند که به خاطر وزن مخصوص پایین، سهولت تولید و قیمت پایین مورد توجه قرار گرفته اند. همچنین توجه برخی محققین به اصلاح و سنتز مواد محافظ جدید بر پایه فلز معطوف شده است. یکی از معایب عمده ی مواد فلزی اصلاح کننده، کاهش هدایت الکتریکی آن هاست که بر روی کارایی محافظت تأثیر منفی می گذارد. بنابراین، اصلاحات انجام شده باید در حالیکه محدودیت های ورق های فلزی را رفع می کنند، قادر به حفظ کارایی حفاظت در مقادیر بالا باشند.

پیشرفت های اخیر در صنعت الکترونیک منجر به کوچک سازی و رشد سریع دستگاه های الکترونیکی مصرفی شده است. قرار گرفتن طولانی مدت در معرض برخی از این دستگاه ها می تواند باعث آسیب غیرعمدی به انسان شود. نگرانی اصلی در رابطه با این دستگاه ها، انتشار امواج الکترومغناطیسی[1] (EMW)است که همچنین می تواند در کارکرد دستگاه های الکترونیکی دیگر مداخله کند. پدیده ی قطع کارکرد یک دستگاه الکترونیکی دیگر توسط EMW تحت عنوان تداخل الکترومغناطیسی[2] (EMI) شناخته شده است. مفهوم EMI جدید نیست همچنانکه گزارش های بسیاری از خاموشی های ناشی از EMI در شبکه های برق به علت رعد و برق[3] و اختلالات کارکرد ماهواره هایی که دور زمین می چرخند به علت طوفان های خورشیدی[4] وجود دارد. تحقیقات گسترده انجام شده در اروپا نشان می دهد که قرار گرفتن در معرض EMWs به مدت طولانی می تواند باعث آثار منفی روی رشد مغز نوزادان و در برخی نمونه ها منجر به شرایط ایجاد سرطان گردد. ابزارهای پزشکی شامل ضربان ساز های قلبی به سوء عملکرد ناشی از EMI معروف هستند، که ممکن است حتی منجر به فوت فردی که آنرا دربر دارد، گردد. یک EMI نگران کننده دیگر در حال حاضر با منفجر شدن دستگاه هسته ای ایجاد شده است که می تواند تمامی مدار الکترونیکی را بسوزاند و عملکرد سیستم های الکترونیکی چندگانه را متوقف کند. افراد بدخواه حتی ممکن است از EMWs نشر شده توسط دستگاه های الکترونیکی مانند کامپیوترها استفاده کنند تا اطلاعات را در قالب الکترونیک بربایند. بنابراین، بدون توجه به اینکه آیا EMI به طور طبیعی یا عمدی ایجاد شده است، ضروری است که دستگاه های الکترونیکی حساس در برابر آثار مضر آن محافظت گردند.

بهترین راه برای محافظت از دستگاه های الکترونیکی در برابر EMI، محصور کردن آن با مواد محافظ است. متداول ترین مواد استفاده شده برای محافظت EMI، فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، فولاد ضدزنگ و غیره هستند. همچنانکه این فلزات، محافظت کافی را در برابر EMI فراهم می آورند، حساسیت آنها به خوردگی، حجیم بودن و دشواری در ایجاد شکل مورد نیاز، مشکلاتی را ایجاد می کند همچنانکه این مواد باید در دستگاه های الکترونیکی مدرن استفاده شوند. درحالیکه ابزارهایی ماند کامپیوترها می توانند درون اتاق محافظ[5] جای گیرند، دستگاه های کوچک مانند گوشی موبایل و ضرب سازهای قلب به محافظت EMI درون دستگاه احتیاج دارند. این نیازها، باعث انجام تحقیقات در زمینه مواد محافظی که می توانند نیازهای مدرن را رفع کنند شده است. درحالیکه برخی از این تحقیقات روی توسعه ی مواد کاملاً جدید مانند کامپوزیت های پلیمری تمرکز کرده اند، دیگر تحقیقات در تلاش هستند تا مواد فلزی موجود را بهبود بخشند تا آنها را با نیازهای محافظت EMI متناسب گردانند. این مقاله، مواد جدید پایه فلزی را که برای کارایی محافظت EMI شان و دیگر خواص مهم مورد بررسی قرار گرفته اند، آنالیز می کند.

برخلاف مطالعات متعدد بر روی مواد جایگزین برای محافظت EMI، استفاده صرف از ورق های فلزی به خاطر [6]SE (کارایی محافظت) بالای آنها ادامه پیدا کرده است. اگرچه فلزات، مواد محافظت EMI عالی ای هستند، تحقیق روی مواد جایگزین انجام شده است تا محدودیت های متعدد فلزات رفع گردد. درهرحال، بسیاری از این مواد جدید قادر به تطابق با تمامی ویژگی های مفید فلزات نیستند. این مقاله بر روی برخی مواد پایه فلزی بدیع و غیرمرسوم که برای کاربردهای محافظت EMI مورد تحقیق قرار گرفته اند، تحقیق کرده است.

با نیاز روز افزون به کاربردهای محافظت EMI، توجه روزافزونی به این مواد جدید ایجاد شده است. درحالیکه بیشتر تحقیقات بر روی تولید مواد محافظ بر پایه پلیمر تمرکز کرده اند، برخی تلاش می کنند تا مواد فلزی موجود را با ترکیب آنها با مواد دیگر، یا با تغییر مورفولوژی آنها توسعه دهند. این مقاله برخی از این مواد پایه فلزی غیر مرسوم را که برای محافظت EMI مورد بررسی قرار گرفته اند، مرور کرده است. برخی از این تحقیقات برای ساخت کامپوزیت با ترکیب ذرات یا الیاف یا فلزات و غیرفلزات تلاش کرده اند تا به SE مورد نیاز برسند. موادی که در این مقاله مورد بحث قرار گرفته اند نیازهای محافظت را تا حدی برآورده می کنند همچنانکه نمی توانند SE بالا را در کل محدوده ی فرکانس حفظ کنند. این نشان می دهد که افزودن مواد ثانویه به فلزات کافی نیست و باعث می شود که برخی EMW ها انتقال یابند. چندین ماده فومی همچنین در این مقاله مرور شده اند، و کامپوزیت متخلخل CNT/Cu-Ni (نانولوله کربنی/مس-نیکل) قادر به رسیدن به سطوح متوسطی از SE برای ماده ای است که نسبت به هوا نفوذپذیر است. یکی از بهترین مواد محافظ مورد بحث در این مقاله، پوشش Zn-Al (زینک-آلومینیوم) است که با استفاده از روش پاشش قوس حرارتی[7] اعمال شده است. درحالیکه ماده، جدید نیست، فرآیند تولید و ضخامت ماده که قادر به ایجاد چنین SE بالایی هستند، مهم ترین فاکتورهای این تحقیق هستند.

کامپوزیت های تولید شده با خاکستر دودکش[8] (FA) شامل پوشش روی سطح خود، نتایج امیدوارکننده ای در محافظت EMI نشان داده اند. علاوه بر این، ثابت شده که این کامپوزیت ها از نظر وزنی سبک هستند چراکه ماتریس استفاده شده آلومینیوم است. تمامی کامپوزیت های آنالیز شده در این خلاصه شامل ذرات FA، در فرکانش های پایین تر SE های بالاتر نشان داده اند اما نتوانسته اند که سطح مشابهی از محافظت را در فرکانس های بالاتر ایجاد کنند. در قالب کامپوزیت های ماتریس فلزی بر پایه ذره، SE در زمانی که ذرات با یک ماده هادی مانند Ag پوشانده شده اند، افزایش یافته است. بسیاری از کامپوزیت های بر پایه الیاف خواص محافظت ناکافی را در زمانیکه الیاف به تنهایی استفاده شده است، نشان داده اند. در هرحال، اگر آنها با مواد با هدایت بالا پوشانده شوند یا با الیاف هادی دیگری جفت شوند، سپس SE کلی کامپوزیت افزایش چشمگیری را نشان می دهد.

جدا از تمامی موادی که در این خلاصه تحلیل شده اند، یک کامپوزیت شامل MXenes (کربایدهای دوبعدی فلزات انتقالی[9])، بهترین SE را در فرکانس های بالا ایجاد کرده است. هدایت الکتریکی بالا و ساختار لایه ای آن، MXenes را یک ماده ایده ال برای محافظت EMI می گرداند. علاوه بر این، قرارگیری MXenes می تواند کامپوزیتی را ایجاد کند که از مواد محافظ موجود نازکتر است و احتمالاً SE بالاتری دارد. بخاطر اینکه MXenes هنوز مواد جدیدی هستند، هنوز تحقیقات زیادی روی آنها انجام نشده است. درهرحال، این کربایدهای دوبعدی فلزات انتقالی نتایج امیدوارکننده ای را در آزمایشات انجام شده تاکنون نشان می دهند و می توانند در آینده در تحقیقات مواد محافظ در برابر EMI بسیار مهم باشند. جدا از این مواد بسیار هادی، تحقیقات جدیدی با هدف اصلی داشتن SE بالا همراه با هدف ثانویه ای مانند شفافیت نسبت به امواج نور مرئی، خود ترمیم کنندگی[10] و مخصوصاً هدایت الکتریکی و گرمایی بالا وجود دارد.

[1] Emission of electromagnetic waves

[2] Electromagnetic interference

[3] Lightning

[4] Solar storms

[5] Shielding room

[6] Shielding effectiveness

[7] Arc thermal spraying technique

[8] Fly ash

[9] 2D transition metal carbides

[10] Self-healing