V tejto štúdii sa použila technológia UV pikosekundového laserového leptania na výrobu periodických mikroštruktúr na povrchu kompozitných povlakov absorbujúcich mikrovlny -karbónové nanorúrky/prášok karbonylového železa (CNTs/CIP), čím sa dosiahla synergická optimalizácia superhydrofóbnosti a mikrovlnnej absorpcie. Laserové leptanie stĺpcových mikroštruktúr zvýšilo kontaktný uhol vody povlaku zo 71,5 stupňa na 151,2 stupňa a viedlo k efektívnej šírke absorpčného pásma (EAB) 5,3 GHz pri hrúbke 1,3 mm, čo ponúka všestrannú a efektívnu technickú stratégiu na zvýšenie prispôsobivosti mikrovlnných-poťahov k životnému prostrediu.
Mikrovlnné-vrstvy pohlcujúce mikrovlny zohrávajú nenahraditeľnú úlohu pri potláčaní radarových podpisov, odolnosti voči rušeniu komunikácie a zmierňovaní elektromagnetického znečistenia, vďaka čomu sú široko použiteľné v leteckom a obrannom sektore. Prispôsobivosť týchto povlakov životnému prostrediu je rozhodujúca pre dlhodobú-stabilitu ich mikrovlnného-absorpčného výkonu a stala sa kľúčovou prekážkou obmedzujúcou ich technické využitie. Dosiahnutie rovnováhy medzi vynikajúcou absorpciou mikrovĺn a odolnosťou voči poveternostným vplyvom zostáva kritickou výzvou v tejto oblasti. Nedávny výskum sa primárne zameral na prispôsobenie mikrovlnných -činidiel absorbujúcich životné prostredie-, napríklad čiastočným nahradením tradičných feromagnetických činidiel materiálmi s vyššou fyzikálno-chemickou stabilitou- alebo vytvorením hydrofóbnych povrchov na zvýšenie celkovej odolnosti povlaku voči poveternostným vplyvom. Konvenčné metódy však často bojujú so súčasnou optimalizáciou absorpcie a hydrofóbnosti mikrovĺn, pričom zároveň čelia problémom súvisiacim s komplexným spracovaním a vysokými nákladmi. Na vyriešenie tohto problému táto štúdia inovatívne využíva UV pikosekundové laserové leptanie na precízne zhotovenie periodických mikroštruktúr na povrchu kompozitných mikrovlnných{11} povlakov CNTs/CIP, čím sa dosahuje synergické zvýšenie superhydrofóbnosti aj mikrovlnného{12}absorpčného výkonu.
1. Charakterizácia mikrovlnných-absorpčných činidiel a elektromagnetických vlastností kompozitných povlakov
V tejto štúdii boli heteroštruktúrované uhlíkové nanorúrky (CNT) so špirálovou morfológiou pripravené z CO₂ pomocou metódy roztavenej{0}}soli a použité na čiastočnú náhradu prášku karbonylového železa (CIP) pri výrobe kompozitných mikrovlnných-poťahov absorbujúcich{1}}. Začlenenie CNT nielen znížilo obsah plniva, ale tiež udržalo schopnosť magnetickej straty v dôsledku inherentného feromagnetizmu nanorúrok. Okrem toho, vytvorenie kontinuálnej vodivej siete, bohatá medzipovrchová polarizácia a viacnásobný rozptyl elektromagnetických vĺn indukovaný špirálovou štruktúrou spoločne optimalizovali dielektrické vlastnosti, čím sa zmiernili problémy s nesúladom impedancie, ktoré sú zvyčajne spôsobené vysokou dielektrickou konštantou čistého CIP. Merania elektromagnetických parametrov ukázali, že kompozitné povlaky CNT/CIP vykazovali vyvážené dielektrické a magnetické vlastnosti, čo uľahčilo efektívne prispôsobenie impedancie a útlm elektromagnetických vĺn. Pri hrúbke 1,3 mm povlak dosiahol efektívnu šírku absorpčného pásma (EAB) 4,12 GHz a minimálnu stratu odrazom (RLₘᵢₙ) -15,1 dB, čo demonštruje vynikajúci mikrovlnný absorpčný výkon.
2. Elektromagnetický simulačný návrh mikroštruktúr
Na preskúmanie vplyvu mikroštruktúr na výkon povlaku sa v tejto štúdii použil softvér CST Studio Suite na vykonávanie elektromagnetických simulácií na dvoch typoch periodických mikroštruktúr: stĺpcových a voštinových. Výsledky naznačujú, že hĺbka leptania významne ovplyvňuje odrazivosť povlaku, zatiaľ čo bočné rozmery mikroštruktúr (ako je polomer stĺpikov a vzdialenosť medzi stĺpikmi) majú relatívne malý vplyv na výkonnosť pohlcovania vĺn-. Je to preto, že rozmery mikroštruktúry sú oveľa menšie ako elektromagnetické vlnové dĺžky vo frekvenčnom rozsahu 2–18 GHz, čo zabraňuje vzniku silných interferenčných efektov. Výsledky simulácie ukazujú, že zvýšenie hĺbky leptania posúva absorpčný vrchol aj efektívnu šírku pásma absorpcie (EAB) smerom k vyšším frekvenciám bez toho, aby sa výrazne zmenila samotná šírka pásma. Tieto zistenia poskytujú dôležitý návod na optimalizáciu parametrov praktického procesu leptania: vhodným riadením hĺbky leptania je možné dosiahnuť superhydrofóbne vlastnosti pri zachovaní pôvodného, vynikajúceho výkonu pohlcovania vĺn- povlaku.
3. Vplyv laserového leptania na hydrofóbne a mikrovlnné-absorpčné vlastnosti povlaku
Periodické stĺpovité-mikroštruktúry a voštinové{1}}štruktúry boli presne vyrobené na povrchu povlaku pomocou UV pikosekundového laserového značkovacieho stroja. Charakterizácia pomocou SEM a 3D mikroskopie potvrdila, že laserové leptanie môže presne zostaviť navrhnuté mikroštruktúry; leptané výčnelky vykazovali jednotné výšky a periodické štruktúry zostali nedotknuté. Testy zmáčavosti odhalili, že uhol kontaktu s vodou na nedotknutom povrchu povlaku bol iba 71,5 stupňa, zatiaľ čo uhol kontaktu s vodou na povrchu vzorky A1 dosiahol 151,2 stupňa po laserovom leptaní štruktúr podobných pilierom, čo demonštruje vynikajúcu superhydrofóbnosť. Analýza štrukturálnych parametrov ukázala, že štruktúry podobné stĺpom ponúkajú lepšiu hydrofóbnosť v porovnaní so štruktúrami podobnými plástom; Stabilný Cassie stav{12}}a teda spoľahlivá superhydrofóbnosť{13}}by sa dali dosiahnuť, keď pomer d/c bol nižší ako 0,15 a výška spadala do rozsahu 100–180 μm. Vplyv laserového leptania na mikrovlnnú-absorpciu bol zanedbateľný. S výnimkou vzorky B4, ktorá vykazovala významnú odchýlku v dôsledku nadmerného-leptania, si všetky ostatné vzorky zachovali dobré mikrovlnné-absorpčné vlastnosti. Efektívne šírky absorpčného pásma (EAB) vzoriek A4 a B4 dosiahli 5,2 GHz a 5,3 GHz, čím prekonali ostatné hlásené mikrovlnné absorbujúce povlaky s hrúbkou pod 1,5 mm. To dokazuje, že laserové leptanie umožňuje efektívnu a presnú výrobu hydrofóbnych mikroštruktúr pri zachovaní mikrovlnnej-absorpcie.
Táto štúdia vyvinula jednoduchú a kontrolovateľnú stratégiu využívajúcu UV pikosekundové laserové leptanie na presné zhotovenie periodických mikroštruktúr na povrchu CNT/CIP-vystužených polyuretánových povlakov, čím sa dosiahne synergická optimalizácia povrchovej hydrofóbnosti a mikrovlnnej absorpcie. Kľúčové zistenia sú nasledovné: (1) Laserom-leptané stĺpcové mikroštruktúry zvýšili kontaktný uhol vody zo 71,5 stupňa na 151,2 stupňa, čo umožnilo superhydrofóbnosť bez potreby ďalšej fluorácie; (2) Pri hrúbke 1,3 mm dosiahol optimalizovaný mikroštruktúrny povlak efektívnu šírku pásma absorpcie (EAB) 5,3 GHz-najširšiu udávanú pre túto hrúbku-, pričom si plne zachoval svoju vlastnú schopnosť absorpcie mikrovlnami; (3) Táto stratégia sa vyznačuje všestrannosťou, materiálovou nezávislosťou a vysokou presnosťou a ponúka sľubné vyhliadky na modernizáciu existujúcich mikrovlnných absorpčných systémov a výrobu multifunkčných integrovaných zariadení pre prostredie s vysokou vlhkosťou a koróziou. Budúci výskum by mohol ďalej skúmať optimalizáciu parametrov laserového leptania pre rôzne mikrovlnné-systémy absorbujúcich plnív a rozšíriť aplikáciu technológie na multifunkčné integrované povlaky pre inteligentné utajenie a elektromagnetickú ochranu.
