Analysis and design of structures with electromagnetic radiation absorption properties for electromagnetic compatibility applications

Abstract

The exponential growth of electronic and communication technologies in recent decades has brought increased challenges in maintaining electromagnetic compatibility (EMC) across a wide range of civil, industrial, and defense applications. As systems become more compact and interconnected, the threat posed by electromagnetic interference (EMI) becomes more pronounced, necessitating the development of advanced materials and structures that can effectively absorb or shield electromagnetic (EM) radiation. Addressing this need is central to ensuring the safe and efficient operation of sensitive electronic equipment in environments prone to EM disturbance, such as aerospace platforms, military systems, and high-frequency communication devices. Among the various solutions explored for EMI mitigation, carbon-based nanocomposite materials—notably carbon nanotubes (CNTs)—have garnered significant attention due to their superior electrical, mechanical, and morphological properties. Since their discovery in 1991 [1], CNTs have been proposed for a range of novel EMC applications, owing to their ability to alter the transmission and scattering characteristics of composite surfaces when organized into arrays. The interaction between carbon nanotubes (CNTs) and electromagnetic waves has been extensively investigated through both theoretical analyses and experimental studies. It is shown that CNTs, when treated as finite dipole elements, can be incorporated into surfaces to create engineered materials capable of EM radiation manipulation. Such arrangements hold potential as effective shielding surfaces, particularly when their geometrical configuration is tuned for specific frequencies. In this work, initial investigations into CNT-based scatterers demonstrate that the geometry and spacing of CNT elements significantly influence their scattering profiles under plane wave illumination. It is also shown that CNT arrays can produce markedly different scattering patterns compared to traditional perfect electric conductor (PEC) structures, especially at higher frequencies (in the THz range). This behavior was further investigated as a function of frequency, where it was observed that CNT structures maintain a comparable magnitude of scattered fields to PECs only at lower frequencies, while at higher frequencies the scattered fields decrease, which may be beneficial for absorption-focused EMC applications. Building on these foundational insights, subsequent study turn attention toward multi-layered CNT-based composite structures, particularly in the X-band (8.2–12.4 GHz), where many military and aerospace radar systems operate. In this context, single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) dispersed in polymeric matrices like epoxy resin and polyurethane are shown to deliver enhanced electromagnetic interference (EMI) shielding and radiation absorption due to their high electrical permittivity, loss tangent, and impedance-matching capabilities. Moreover, reflection coefficient (RC) and transmission coefficient (TC) emerge as key parameters for evaluating the suitability of these materials in EMC applications, as they directly quantify the extent of incident power reflected, transmitted, or absorbed. Optimization methodologies, implemented in simulation tools like FEKO, have been used to fine-tune layer thicknesses in these composite structures to achieve minimum RC and maximum absorption, with and without PEC backings. Further experimental developments included the integration of CNT thin films within glass fiber polymer matrices, where the ultra-thin nature of the CNT layers (e.g., ~70 µm) necessitated embedding within thicker host materials for effective dielectric characterization using waveguide and free-space measurement techniques. These composite samples are tested in WR-90 waveguides and with Vector Network Analyzers (VNAs), with dielectric parameters extracted via the Nicolson–Ross–Weir (NRW) algorithm. Results from both simulation and measurement showed that even with micrometer-scale CNT films, high levels of absorption and shielding effectiveness (SE > 30 dB) could be achieved—underscoring their viability for lightweight, thin, and highly efficient shielding solutions. These findings are further developed in subsequent studies, where electrically large planar composite structures composed of multi-walled CNT (MWCNT) films were fabricated using polyvinylpyrrolidone (PVP) as a binder and embedded into laminates. Two-layer configurations, one with a mid-plane CNT film and another with dual films near the outer faces, were explored. Measurements in free-space setups, using both spot-focusing lens antennas and rectangular horn antennas, demonstrated that these scalable, lightweight CNT composites can be designed to achieve targeted EMI shielding and absorption, validated against simulation results from Ansys HFSS. This work highlights the evolution from idealized scattering analysis of CNT arrays to practical, multilayer absorbing and shielding structures optimized for real-world EMC requirements. It underscores the importance of understanding not only the material composition but also the electromagnetic behavior across frequency bands, structural design parameters, and integration within functional systems.

Η αυξανόμενη εξάρτηση από ηλεκτρονικά και τηλεπικοινωνιακά συστήματα υψηλής απόδοσης, σε τομείς όπως η αεροδιαστημική, οι στρατιωτικές εφαρμογές και τα συστήματα ραντάρ, έχει δημιουργήσει επιτακτική ανάγκη για αποτελεσματική προστασία έναντι ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών. Η διασφάλιση της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας αποτελεί βασική προϋπόθεση για την αξιόπιστη λειτουργία αυτών των συστημάτων, καθιστώντας αναγκαία την ανάπτυξη νέων, προηγμένων υλικών με υψηλή απορροφητικότητα και δυνατότητες θωράκισης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον συγκεντρώνουν τα νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα, και πιο συγκεκριμένα οι νανοσωλήνες άνθρακα (Carbon Nanotubes – CNTs), οι οποίοι, λόγω της εξαιρετικής τους ηλεκτρικής αγωγιμότητας, της μηχανικής τους αντοχής και της μοναδικής μορφολογίας τους, προσφέρουν καινοτόμες δυνατότητες σχεδίασης υλικών απορρόφησης και θωράκισης έναντι της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε υψηλές συχνότητες. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στη θεωρητική και πειραματική μελέτη της ηλεκτρομαγνητικής απόκρισης διατάξεων με βάση τους CNTs, καλύπτοντας τόσο την ανάλυση σκέδασης συστοιχιών αποτελούμενες από νανοσωλήνες άνθρακα όσο και την απορροφητική συμπεριφορά πολυστρωματικών σύνθετων υλικών. Ειδικότερα, στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται μια λεπτομερής μελέτη της σκέδασης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από συστοιχίες νανοσωλήνων άνθρακα στη περιοχή συχνοτήτων των THz. Οι νανοσωλήνες άνθρακα μελετώνται με αντιστοιχία διπόλου με ακτίνα της τάξης νανόμετρων και μήκους μικρόμετρων. Ως διέγερση χρησιμοποιείται προσπίπτον κύμα υπό γωνία πρόσπτωσης θ, φ. Χρησιμοποιείται μια ολοκληρωτική εξίσωση τύπου Hallén/Pocklington η οποία επιλύεται με τη Μέθοδο των Ροπών (Method of Moments – MoM) για την εκτίμηση των επαγόμενων ρευμάτων και των παραγόμενων σκεδαζόμενων πεδίων. Διεξάγονται συγκρίσεις με υπάρχουσες διατάξεις στη βιβλιογραφία παρατηρώντας άριστη συμφωνία μεταξύ των αποτελεσμάτων. Διάφορες γεωμετρίες διάταξης των νανοσωλήνων άνθρακα μελετώνται ως συστοιχίες, διαφοροποιώντας είτε την απόσταση των νανοσωλήνων άνθρακα μεταξύ τους, είτε τη γωνία πρόσπτωσης του κύματος. Η προσομοίωση των διατάξεων πραγματοποιείται με κώδικα αλγορίθμου σε Fortran καθώς και με το ηλεκτρομαγνητικό λογισμικό προσομοίωσης FEKO. Η σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων Fortran – FEKO δείχνουν άριστη συμφωνία. Διεξάγεται ηλεκτρομαγνητική ανάλυση του σκεδαζόμενου ηλεκτρικού πεδίου στην περίπτωση που οι συστοιχίες θεωρούνται είτε ως νανοσωλήνες άνθρακα με συγκεκριμένη αγωγιμότητα είτε ως τέλειος αγωγός. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι, λόγω της περιορισμένης και εξαρτώμενης από τη συχνότητα αγωγιμότητάς τους, οι CNT συστοιχίες εμφανίζουν σημαντικά μειωμένη σκέδαση – ιδιαίτερα προς την οπίσθια διεύθυνση – σε σχέση με αντίστοιχες συστοιχίες από τέλειο αγωγό (PEC), ενισχύοντας τη δυνατότητα εφαρμογής τους σε τεχνολογίες χαμηλής παρατηρησιμότητας και θωράκισης. Στο Κεφάλαιο 3, η μελέτη επικεντρώνεται στην εξέταση της ηλεκτρομαγνητικής απόδοσης πολυστρωματικών σύνθετων δομών με ενσωματωμένους μονοτοιχωματικούς νανοσωλήνες άνθρακα (SWCNTs) σε πολυμερικές μήτρες (εποξικής ρητίνης και πολυουρεθάνης). Σχεδιάζονται πολυστρωματικές διατάξεις με τα ανωτέρω υλικά, στο ηλεκτρομαγνητικό λογισμικό FEKO, λαμβάνοντας τις τιμές των διηλεκτρικών χαρακτηριστικών από τη βιβλιογραφία. Η βελτιστοποίηση του συντελεστή ανάκλασης, μετάδοσης και απορρόφησης με σκοπό το ελάχιστο πάχος πραγματοποιείται μέσω αλγορίθμων βελτιστοποίησης και πλήρους κυματικής προσομοίωσης σε εύρος συχνοτήτων X-band (8.2–12.4 GHz) και 1–5 GHz. Εξετάζονται διάφορες αρχιτεκτονικές στρώσεων, με και χωρίς υπόστρωμα τέλειου αγωγού, προκειμένου να εκτιμηθεί η ηλεκτρομαγνητική απόκριση υπό διάφορες γωνίες πρόσπτωσης κύματος, το εύρος συχνοτήτων της ηλεκτρομαγνητικής απορρόφησης και θωράκισης. Σύγκριση γίνεται επίσης μεταξύ υλικών νανοσωλήνων άνθρακα και γραφίτη, δείχνοντας τη αυξημένη απόδοση σε απορρόφηση των νανοσωλήνων άνθρακα έναντι του γραφίτη. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ενσωμάτωση SWCNTs προσφέρει αυξημένη απορρόφηση με μειωμένο πάχος και βάρος υλικού, γεγονός που καθιστά τα συγκεκριμένα νανοϋλικά κατάλληλα για προηγμένες εφαρμογές θωράκισης και απορροφητικών υλικών ραντάρ (Radar Absorbing Materials – RAM). Στο Κεφάλαιο 4, παρουσιάζεται η πειραματική απόδοση λεπτών φιλμ από νανοσωλήνες άνθρακα (πολυτοιχωματικού τύπου ΜWCNTs), πάχους (~70 μm), για χρήση σε διατάξεις απορρόφησης και θωράκισης στη ζώνη συχνοτήτων X (8.2–12.4 GHz). Κατασκευάζονται δείγματα υλικών ενός επιπέδου, (εποξική ρητίνη, CNTs σε μήτρα εποξικής ρητίνης και γραφενίου σε μήτρα εποξικής ρητίνης) πάχους 9.8 mm. Τα δείγματα των ανωτέρω υλικών θεωρούνται ομοιογενή. Κατασκευάζονται επίσης δείγματα υλικών δύο επιπέδων είτε εποξικής ρητίνης και ινών υάλου (Resin – Glass Fiber), είτε εποξικής ρητίνης και ινών υάλου με ενσωματωμένα φιλμ CNT (Resin – Glass Fiber Film). Το συνολικό πάχος και στις δύο περιπτώσεις των δειγμάτων είναι 9.8mm. Πραγματοποιούνται μετρήσεις S Παραμέτρων σε κυματοδηγούς WR90 με τη χρήση Διανυσματικού Αναλυτή Δικτύου (Vector Network Analyzer – VNA) για τον προσδιορισμό των διηλεκτρικών χαρακτηριστικών των υλικών τόσο του ενός επιπέδου (Εποξική ρητίνη, CNTs, γραφένιο), όσο και των υλικών δύο επιπέδων (Resin GF, Resin GFF). Γίνεται προσδιορισμός των διηλεκτρικών χαρακτηριστικών (ε, μ) με τη μέθοδο Nicolson-Ross-Weir (NRW). Πραγματοποιείται σχεδίαση στο ηλεκτρομαγνητικό λογισμικό HFSS της διάταξης κυματοδηγού με τα υλικά και γίνεται σύγκριση των S-Παραμέτρων ανάμεσα στις μετρήσεις και την προσομοίωση για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων των μετρήσεων. Γίνεται σύγκριση των S-Παραμέτρων μεταξύ των ανωτέρω υλικών και πραγματοποιείται υπολογισμός του ποσοστού απωλειών – απορρόφησης καθώς και της συνολικής ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης των υλικών. Σχεδιάζονται με το λογισμικό HFSS μονοστρωματικές και διστρωματικές διατάξεις χρησιμοποιώντας περιοδικές συνθήκες για προσομοίωση επιφανειών απείρων διαστάσεων. Εξετάζονται και συγκρίνονται οι S-Παράμετροι καθώς και το ποσοστό απορρόφησης στις ανωτέρω διατάξεις για κάθε ένα από τα υλικά που κατασκευάστηκαν. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι με την παρουσία φιλμ CNT σε πάχος μικρομέτρων, ο συντελεστής διάδοσης μειώνεται σημαντικά (άνω των 20 dB) και η αποτελεσματικότητα θωράκισης ενισχύεται έως και 40 dB. Κατόπιν βελτιστοποίησης για ελάχιστο συντελεστή ανάκλασης και διάδοσης και συνεπώς μέγιστη απορρόφηση παρουσιάζονται διατάξεις δομής τόσο ενός επιπέδου υλικού GFF (πάχους 2.7 mm) για εφαρμογές θωράκισης όσο και διπλού επιπέδου υλικών CNT – GFF (πάχους 5.7 mm) για εφαρμογές απορρόφησης έως και 95% στην περιοχή συχνοτήτων κοντά στα 10 GHz.Στο Κεφάλαιο 5, εξετάζονται ηλεκτρικά μεγάλες πολυστρωματικές δομές φύλλων με ενσωματωμένα φιλμ CNT για απορρόφηση και θωράκιση στη ζώνη συχνοτήτων X (8.2–12.4 GHz). Κατασκευάζονται δείγματα υλικών διαστάσεων 21εκ X 21 εκ, από στρώματα με ίνες υάλου (ορίζεται ως Glass Fiber) πάχους 1.5mm, δείγματα υλικών από στρώματα με ίνες υάλου με ενσωματωμένo 1 φιλμ CNT (πάχος φιλμ ~70 μm, ορίζεται ως GFF I), πάχους 1.65mm καθώς και δείγματα υλικών από στρώματα με ίνες υάλου με ενσωματωμένα 2 φιλμ CNT (~70 μm το κάθε film, ορίζεται ως GFF II) πάχους 1.8mm. Πραγματοποιούνται μετρήσεις S-Παραμέτρων σε συνθήκες ελευθέρου χώρου με τη χρήση χοανοκεραιών και κεραιών εστίασης φακού κατόπιν βαθμονόμησης (calibration) των κεραιών χρησιμοποιώντας τεχνική χρονικής αποκοπής (time gating). Με τη χρήση της μεθόδου Nicolson-Ross-Weir προσδιορίζονται τα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά (ε,μ) των ανωτέρω υλικών και εξετάζεται η ηλεκτρομαγνητική απορρόφηση και η θωράκιση τους. Τόσο οι χοανοκεραίες όσο και οι κεραίες εστίασης φακού, προσομοιώνονται στο λογισμικό HFSS ώστε να εκτελεστεί προσομοίωση της πειραματικής διάταξης. Τα αποτελέσματα για τις S Παραμέτρους από τις προσομοιώσεις και τις πειραματικές μετρήσεις παρουσιάζουν ικανοποιητική συμφωνία, επαληθεύοντας την ορθότητα των μετρήσεων. Παρουσιάζεται ότι φιλμ CNT με πάχος μικρομέτρων μπορούν να προσφέρουν σημαντική εξασθένιση των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων σε συνθήκες ελευθέρου χώρου. Για παράδειγμα, διάταξη ενός φιλμ με πάχος 1.65mm παρέχει θωράκιση ~25 dB ενώ διάταξη με 2 φιλμ και πάχος 1.8mm παρουσιάζει θωράκιση περί τα 37 dB. Χρησιμοποιώντας τα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά των ανωτέρω υλικών καθώς και τα υλικά που κατασκευάστηκαν και μετρήθηκαν με τη χρήση κυματοδηγών στο Κεφάλαιο 4, σχεδιάζονται στο λογισμικό HFSS, διστρωματικές διατάξεις εφαρμόζοντας περιοδικές συνθήκες για προσομοίωση επιφανειών απείρων διαστάσεων. Για εφαρμογές απορρόφησης και θωράκισης, προτείνεται διάταξη δύο επιπέδων υλικών (CNT για το πάνω επίπεδο και GFF ΙΙ για το κάτω επίπεδο) με συνολικό πάχος 4.65 mm, η οποία παρουσιάζει απορρόφηση άνω του 90%.Η εργασία αυτή συμβάλλει ουσιαστικά στην κατανόηση της αλληλεπίδρασης νανοδομημένων υλικών με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και καταδεικνύει τη δυνατότητα αξιοποίησης των CNTs σε προηγμένα υλικά χαμηλού βάρους, υψηλής απόδοσης για εφαρμογές ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας και θωράκισης. Ο συνδυασμός θεωρητικής μοντελοποίησης, προσομοιώσεων και πειραματικής επιβεβαίωσης προσφέρει ένα πλήρες πλαίσιο σχεδίασης σύνθετων πολυστρωματικών διατάξεων, κατάλληλων για σύγχρονα απαιτητικά τεχνολογικά περιβάλλοντα.