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打造高精度测量的吸波利器

来源:科普中国
发布时间:2021-03-13
浏览次数:52

      指南针何以指向南北?候鸟何以长距离迁徙?这些都离不开自然界中无处不在的地磁场,但这同样也干扰了高精度的测量测控,要消除这些“噪声”干扰,就需要具有优异微波吸收特性的材料。

  北京航空航天大学教授单光存团队经过多年的攻关,研发了一种具有微波吸收特性的复合纳米材料,并成功申请国家专利,该材料的制备成本低、产量高、微波吸收性能优异,对实现高精度微波谐振测控技术有关键作用。

  另辟蹊径探寻更优性能

  微波吸收材料是一种能够吸收微波、电磁能而反射和散射较小的材料。“目前以复合纳米材料、纳米尺度的复合材料为主,尤其是二维过渡金属硫化物和二维MXene材料。”单光存解释道。

  “微波谐振测控技术是指依靠微波谐振腔的高灵敏度来进行高精度测量测控,由于微波谐振腔具有很高的品质因数,因而灵敏度很高,可以用来微波谐振测量测控。”他进一步解释道。

  值得一提的是,谐振频率是谐振腔最重要的参数,通过对谐振腔谐振频率的测量是目前最快速、最有效的测量方法。

  在单光存看来,微波吸收特性的复合纳米材料是实现高精度微波谐振测控技术的关键。

  他告诉记者,为了研发性价比更高的微波吸收材料,研究团队另辟蹊径,采用镁粉、二氧化硅纳米粉、二硫化碳为前驱体,真空管式炉为实验装置,利用汽-固反应,制备了含有碳、硅、氧三种元素的纳米材料。

  “这种复合纳米材料不仅微波吸收性能好,而且原材料廉价易得,易于加工制造,如果改进炉膛尺寸还可以进一步提高单次实验的产量。”单光存说。

  十年专注微波吸收特性材料

  实际上,单光存早在2011年攻读博士学位期间就开始专注于微波吸收特性的材料,“随着4G时代的广泛应用和5G时代的到来,人们对电磁波污染越来越重视,微波吸收特性的材料逐渐被关注。”

  2015年,单光存通过人才计划加盟北京航空航天大学,之后还参与了国家重大科学仪器设备开发专项,并承担了“十三五”战略性国际科技创新合作专项“极低温区国际基准级温度测量研究”,集中攻关微波吸收特性的复合纳米材料及微波谐振测控技术的研究。

  研发过程并非一帆风顺,复合材料界面调控成为摆在单光存团队面前的难题,“界面问题是很多研究要面对的既基本又复杂的问题,只是不同的研究关注的点不同,这项研究需要解决界面之间的耦合问题以及对电磁信号的影响。”单光存说。

  为了解决这一难题,他带领团队开展了大量实验,通过近一年的反复调试,不断优化参数做对照试验,终于解决了材料的界面问题。“这种特别的二维过渡金属硫化物构建异质结界面更有利于大规模电磁波能耗散,此外,我们还通过磁性材料与其构建异质结引入了磁损耗。”

  伴随着这一复合纳米材料的研发,单光存团队还发表了多篇SCI论文,其中以“二维材料:构建超薄高效微波屏蔽和吸收的新兴工具箱”为题的论文还荣获了《物理学前沿英文版》 2019[s1] 最佳论文奖。

  不久前,他还荣获了中国电子学会2020年“最美科技工作者”称号和民建北京市委 “抗击新冠肺炎疫情先进个人”称号,“随着国家对科技的投入,广大科研工作者迎来更多的机遇,我们必须加倍努力才能抓住机遇,勇攀科研高峰。”

  相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147052

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()年,单光存通过人才计划加盟北京航空航天大学。
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