У цьому дослідженні технологію УФ-пікосекундного лазерного травлення було використано для виготовлення періодичних мікроструктур на поверхні композитних покриттів із вуглецевих нанотрубок/порошку карбонілового заліза (CNT/CIP), що поглинають -мікрохвилі, досягаючи синергічної оптимізації супергідрофобності та характеристик поглинання мікрохвиль. Лазерне травлення стовпчастих мікроструктур збільшило кут контакту з водою покриття з 71,5 градуса до 151,2 градуса та призвело до ефективної смуги поглинання (EAB) 5,3 ГГц при товщині 1,3 мм, пропонуючи універсальну та ефективну технічну стратегію для підвищення екологічної адаптованості покриттів, що поглинають -мікрохвилі.
Покриття,-що поглинають мікрохвилі, відіграють незамінну роль у придушенні радіолокаційних сигналів, протидії перешкодам зв’язку та зменшенні електромагнітного забруднення, що робить їх широко застосовними в аерокосмічній та оборонній галузях. Екологічна адаптованість цих покриттів має вирішальне значення для довгострокової -стабільності їх-поглинання мікрохвиль і стала ключовим вузьким місцем, що обмежує їх інженерне застосування. Досягнення балансу між чудовим поглинанням мікрохвиль і стійкістю до погодних умов залишається критичним завданням у цій галузі. Останні дослідження в основному зосереджені на адаптації агентів, що поглинають мікрохвилі-до умов навколишнього середовища-, наприклад, шляхом часткової заміни традиційних феромагнітних агентів матеріалами з більшою фізико-хімічною стабільністю-або шляхом створення гідрофобних поверхонь для підвищення загальної стійкості покриття до погодних умов. Однак звичайні методи часто не можуть одночасно оптимізувати мікрохвильове поглинання та гідрофобність, а також стикаються з проблемами, пов’язаними зі складною обробкою та високою вартістю. Щоб вирішити цю проблему, у цьому дослідженні інноваційно використовується УФ-пікосекундне лазерне травлення для точного виготовлення періодичних мікроструктур на поверхні ВНТ/CIP композитних покриттів,-поглинаючих мікрохвильове випромінювання, таким чином досягаючи синергічного підвищення як супергідрофобності, так і ефективності-поглинання мікрохвиль.
1. Характеристика -поглиначів мікрохвиль та електромагнітних властивостей композитних покриттів
У цьому дослідженні гетероструктуровані вуглецеві нанотрубки (ВНТ) зі спіральною морфологією були виготовлені з CO₂ методом розплавленої-солі та використані для часткової заміни порошку карбонілового заліза (CIP) у виготовленні композитних покриттів,-що поглинають мікрохвилі. Додавання ВНТ не тільки зменшило вміст наповнювача, але й зберегло здатність до магнітних втрат через властивий нанотрубкам феромагнетизм. Крім того, утворення безперервної провідної мережі, велика міжфазна поляризація та багаторазове розсіювання електромагнітних хвиль, викликане спіральною структурою, спільно оптимізували діелектричні властивості, тим самим пом’якшуючи проблеми невідповідності імпедансу, які зазвичай викликані високою діелектричною проникністю чистого CIP. Вимірювання електромагнітних параметрів показало, що композитні покриття CNT/CIP демонструють збалансовані діелектричні та магнітні властивості, сприяючи ефективному узгодженню імпедансу та ослабленню електромагнітних хвиль. При товщині 1,3 мм покриття досягло ефективної смуги поглинання (EAB) 4,12 ГГц і мінімальних втрат на відбиття (RLₘᵢₙ) –15,1 дБ, демонструючи відмінні характеристики мікрохвильового поглинання.
2. Електромагнітне моделювання дизайну мікроструктур
Щоб дослідити вплив мікроструктур на характеристики покриття, у цьому дослідженні використовувалося програмне забезпечення CST Studio Suite для проведення електромагнітного моделювання двох типів періодичних мікроструктур: стовпчастих і стільникових. Результати показують, що глибина травлення суттєво впливає на відбивну здатність покриття, тоді як бічні розміри мікроструктур (такі як радіус опори та відстань) мають відносно незначний вплив на хвиль-поглинання. Це пояснюється тим, що розміри мікроструктури набагато менші за довжини електромагнітних хвиль у діапазоні частот 2–18 ГГц, що запобігає утворенню сильних ефектів перешкод. Результати моделювання показують, що збільшення глибини травлення зміщує як пік поглинання, так і ефективну смугу поглинання (EAB) у бік вищих частот без істотної зміни самої смуги пропускання. Ці висновки дають важливе керівництво для оптимізації практичних параметрів процесу травлення: належним чином контролюючи глибину травлення, можна досягти супергідрофобних властивостей, зберігаючи оригінальні, чудові хвиль-поглинаючі характеристики покриття.
3. Вплив лазерного травлення на гідрофобні та мікрохвильові-поглинальні властивості покриття
Періодичні стовпчасті-та-стільникові мікроструктури були точно виготовлені на поверхні покриття за допомогою УФ-пікосекундної лазерної маркувальної машини. Характеристика за допомогою SEM і 3D мікроскопії підтвердила, що лазерне травлення може точно створити розроблені мікроструктури; витравлені виступи демонстрували однакову висоту, а періодичні структури залишалися недоторканими. Випробування на змочуваність показали, що кут контакту з водою на поверхні первинного покриття становив лише 71,5 градуса, тоді як кут контакту з водою на поверхні зразка A1 досяг 151,2 градуса після лазерного травлення стовпчастих -структур, демонструючи чудову супергідрофобність. Аналіз структурних параметрів показав, що конструкції,-подібні до стовпів, мають кращу гідрофобність порівняно зі структурами,-подібними до стільників; стабільний стан Кессі-і, отже, надійна супергідрофобність-можна досягти, коли співвідношення d/c було нижче 0,15, а висота була в діапазоні 100–180 мкм. Примітно, що вплив лазерного травлення на ефективність-поглинання мікрохвиль був незначним. За винятком зразка B4, який продемонстрував значні відхилення через надмірне-травлення, усі інші зразки зберігали хороші -поглинальні властивості мікрохвиль. Ефективна смуга поглинання (EAB) зразків A4 і B4 досягла 5,2 ГГц і 5,3 ГГц відповідно, перевершуючи інші зареєстровані мікрохвильові-поглинаючі покриття товщиною менше 1,5 мм. Це демонструє, що лазерне травлення забезпечує ефективне й точне виготовлення гідрофобних мікроструктур, зберігаючи при цьому ефективність-поглинання мікрохвиль.
У цьому дослідженні розроблено просту та керовану стратегію з використанням УФ-пікосекундного лазерного травлення для точного виготовлення періодичних мікроструктур на поверхні CNT/CIP-посилених поліуретанових покриттів, таким чином досягаючи синергічної оптимізації гідрофобності поверхні та ефективності мікрохвильового поглинання. Основні висновки такі: (1) Лазерно-витравлені стовпчасті мікроструктури збільшили кут контакту з водою з 71,5 градуса до 151,2 градуса, забезпечуючи супергідрофобність без необхідності додаткового фторування; (2) За товщини 1,3 мм оптимізоване мікроструктурне покриття досягло ефективної смуги поглинання (EAB) 5,3 ГГц-найширшої, як повідомляється, для цієї товщини-при цьому повністю зберігається його властива мікрохвильова здатність поглинати; (3) Ця стратегія характеризується своєю універсальністю, незалежністю від матеріалів і високою точністю, пропонуючи багатообіцяючі перспективи для модернізації існуючих систем мікрохвильового поглинання та виготовлення багатофункціональних інтегрованих пристроїв для -високої вологості та корозійних середовищ. Майбутні дослідження можуть продовжити вивчення оптимізації параметрів лазерного травлення для різних систем наповнювачів,-що поглинають мікрохвилі, і розширити застосування технології до багатофункціональних інтегрованих покриттів для інтелектуального скритного та електромагнітного захисту.
