W tym badaniu zastosowano technologię trawienia laserem pikosekundowym UV do wytworzenia okresowych mikrostruktur na powierzchni kompozytowych powłok absorbujących mikrofale{{0}nanorurka węglowa/proszek karbonylożelaza (CNT/CIP), uzyskując synergistyczną optymalizację superhydrofobowości i wydajności absorpcji mikrofal. Trawienie laserowe mikrostruktur kolumnowych zwiększyło kąt zwilżania powłoki wodą z 71,5 stopnia do 151,2 stopnia i umożliwiło uzyskanie efektywnej szerokości pasma absorpcji (EAB) wynoszącej 5,3 GHz przy grubości 1,3 mm, co stanowi wszechstronną i skuteczną strategię techniczną mającą na celu zwiększenie zdolności adaptacji powłok pochłaniających mikrofale- do środowiska.
Powłoki-pochłaniające mikrofale odgrywają niezastąpioną rolę w tłumieniu sygnatur radarowych, przeciwdziałaniu zakłóceniom komunikacyjnym i łagodzeniu zanieczyszczeń elektromagnetycznych, dzięki czemu są szeroko stosowane w sektorach lotniczym i obronnym. Przystosowanie tych powłok do środowiska ma kluczowe znaczenie dla-długoterminowej stabilności ich właściwości pochłaniania mikrofal-i stała się kluczowym wąskim gardłem ograniczającym ich zastosowanie inżynieryjne. Osiągnięcie równowagi pomiędzy doskonałą absorpcją mikrofal a odpornością na warunki atmosferyczne pozostaje kluczowym wyzwaniem w tej dziedzinie. Ostatnie badania skupiały się głównie na dostosowaniu-środków pochłaniających mikrofale do warunków środowiskowych-, na przykład poprzez częściowe zastąpienie tradycyjnych środków ferromagnetycznych materiałami o większej stabilności fizykochemicznej-lub utworzenie powierzchni hydrofobowych w celu zwiększenia ogólnej odporności powłoki na warunki atmosferyczne. Jednak konwencjonalne metody często mają trudności z jednoczesną optymalizacją absorpcji mikrofal i hydrofobowości, a jednocześnie borykają się z problemami związanymi ze złożonym przetwarzaniem i wysokimi kosztami. Aby rozwiązać ten problem, w niniejszym badaniu w innowacyjny sposób zastosowano trawienie laserem pikosekundowym UV do precyzyjnego wytwarzania okresowych mikrostruktur na powierzchni kompozytowych powłok-absorbujących mikrofale CNT/CIP, uzyskując w ten sposób synergiczne zwiększenie zarówno superhydrofobowości, jak i-absorpcji mikrofal.
1. Charakterystyka środków-absorbujących mikrofale i właściwości elektromagnetyczne powłok kompozytowych
W tym badaniu heterostrukturalne nanorurki węglowe (CNT) o morfologii helikalnej przygotowano z CO₂ metodą-roztopionej soli i zastosowano je do częściowego zastąpienia proszku karbonylożelaza (CIP) w wytwarzaniu kompozytowych powłok-absorbujących mikrofale. Włączenie nanorurek CNT nie tylko zmniejszyło zawartość wypełniacza, ale także utrzymało zdolność do utraty magnetycznej ze względu na nieodłączny ferromagnetyzm nanorurek. Co więcej, utworzenie ciągłej sieci przewodzącej, obfita polaryzacja międzyfazowa i wielokrotne rozpraszanie fal elektromagnetycznych indukowane przez strukturę helikalną łącznie zoptymalizowały właściwości dielektryczne, łagodząc w ten sposób problemy z niedopasowaniem impedancji zwykle powodowane przez wysoką stałą dielektryczną czystego CIP. Pomiary parametrów elektromagnetycznych wykazały, że powłoki kompozytowe CNT/CIP wykazywały zrównoważone właściwości dielektryczne i magnetyczne, ułatwiając efektywne dopasowanie impedancji i tłumienie fal elektromagnetycznych. Przy grubości 1,3 mm powłoka osiągnęła efektywną szerokość pasma absorpcji (EAB) wynoszącą 4,12 GHz i minimalną utratę odbicia (RLₘᵢₙ) wynoszącą -15,1 dB, co świadczy o doskonałej absorpcji mikrofal.
2. Projektowanie symulacyjne elektromagnetyczne mikrostruktur
Aby zbadać wpływ mikrostruktur na wydajność powłoki, w badaniu wykorzystano oprogramowanie CST Studio Suite do przeprowadzenia symulacji elektromagnetycznych dwóch typów mikrostruktur okresowych: kolumnowej i o strukturze plastra miodu. Wyniki wskazują, że głębokość trawienia znacząco wpływa na współczynnik odbicia powłoki, podczas gdy boczne wymiary mikrostruktur (takie jak promień filarów i odstępy) mają stosunkowo niewielki wpływ na skuteczność pochłaniania-fal. Dzieje się tak dlatego, że wymiary mikrostruktury są znacznie mniejsze niż długości fal elektromagnetycznych w zakresie częstotliwości 2–18 GHz, co zapobiega powstawaniu silnych efektów zakłócających. Wyniki symulacji pokazują, że zwiększenie głębokości trawienia przesuwa zarówno pik absorpcji, jak i efektywną szerokość pasma absorpcji (EAB) w kierunku wyższych częstotliwości bez znaczącej zmiany samej szerokości pasma. Odkrycia te dostarczają ważnych wskazówek dotyczących optymalizacji praktycznych parametrów procesu trawienia: odpowiednio kontrolując głębokość trawienia, możliwe jest osiągnięcie właściwości superhydrofobowych przy jednoczesnym zachowaniu pierwotnej, doskonałej zdolności powłoki do-absorbowania fal.
3. Wpływ trawienia laserowego na właściwości hydrofobowe i mikrofalowe-absorpcyjne powłoki
Okresowe mikrostruktury-podobne do słupków i plastra miodu- zostały precyzyjnie wytworzone na powierzchni powłoki za pomocą pikosekundowej maszyny do znakowania laserowego UV. Charakterystyka za pomocą SEM i mikroskopii 3D potwierdziła, że trawienie laserowe może dokładnie skonstruować zaprojektowane mikrostruktury; wytrawione wypukłości miały jednakową wysokość, a struktury okresowe pozostały nienaruszone. Testy zwilżalności wykazały, że kąt zwilżania nieskazitelnej powierzchni powłoki wynosił zaledwie 71,5 stopnia, podczas gdy kąt zwilżania wody na powierzchni próbki A1 osiągnął 151,2 stopnia po wytrawieniu laserowym struktur przypominających filary-, co wykazało doskonałą superhydrofobowość. Analiza parametrów strukturalnych wykazała, że struktury-podobne do filarów charakteryzują się lepszą hydrofobowością w porównaniu ze strukturami-podobnymi do plastra miodu; stabilny stan Cassie'ego,-a tym samym niezawodną superhydrofobowość-można było osiągnąć, gdy stosunek d/c był poniżej 0,15, a wysokość mieściła się w zakresie 100–180 μm. Warto zauważyć, że wpływ trawienia laserowego na skuteczność pochłaniania mikrofal-był znikomy. Z wyjątkiem próbki B4, która wykazała znaczne odchylenie z powodu nadmiernego-trawienia, wszystkie pozostałe próbki zachowały dobre właściwości-absorbowania mikrofal. Efektywne szerokości pasma absorpcji (EAB) próbek A4 i B4 osiągnęły odpowiednio 5,2 GHz i 5,3 GHz, co przewyższa inne zgłoszone powłoki-absorbujące mikrofale o grubości poniżej 1,5 mm. To pokazuje, że trawienie laserowe umożliwia wydajne i precyzyjne wytwarzanie mikrostruktur hydrofobowych przy jednoczesnym zachowaniu zdolności pochłaniania mikrofal.
W ramach tego badania opracowano prostą i możliwą do kontrolowania strategię wykorzystującą trawienie laserem pikosekundowym UV do precyzyjnego wytwarzania okresowych mikrostruktur na powierzchni powłok poliuretanowych wzmocnionych CNT/CIP-, osiągając w ten sposób synergistyczną optymalizację hydrofobowości powierzchni i wydajności absorpcji mikrofal. Najważniejsze ustalenia są następujące: (1) Mikrostruktury kolumnowe-trawione laserem zwiększyły kąt zwilżania wody z 71,5 stopnia do 151,2 stopnia, umożliwiając superhydrofobowość bez potrzeby dodatkowego fluorowania; (2) Przy grubości 1,3 mm zoptymalizowana powłoka mikrostrukturalna osiągnęła efektywną szerokość pasma absorpcji (EAB) wynoszącą 5,3 GHz-najszerszą odnotowaną dla tej grubości-przy pełnym zachowaniu swojej wewnętrznej zdolności absorpcji mikrofal; (3) Strategię tę charakteryzuje wszechstronność, niezależność materiałowa i wysoka precyzja, oferując obiecujące perspektywy modernizacji istniejących systemów absorpcji mikrofal i wytwarzania wielofunkcyjnych zintegrowanych urządzeń do stosowania w środowiskach o wysokiej{{12}wilgotności i korozyjności. Przyszłe badania mogłyby dalej badać optymalizację parametrów trawienia laserowego dla różnych systemów wypełniaczy-absorbujących mikrofale i rozszerzać zastosowanie tej technologii na wielofunkcyjne zintegrowane powłoki zapewniające inteligentną niewidzialność i ochronę elektromagnetyczną.
