V této studii byla použita technologie UV pikosekundového laserového leptání k výrobě periodických mikrostruktur na povrchu kompozitních mikrovlnných-absorpčních povlaků uhlíkové nanotrubice/prášek karbonylového železa (CNTs/CIP), čímž bylo dosaženo synergické optimalizace superhydrofobicity a mikrovlnné absorpce. Laserové leptání sloupcových mikrostruktur zvýšilo kontaktní úhel s vodou povlaku ze 71,5 stupně na 151,2 stupně a vedlo k efektivní šířce absorpčního pásma (EAB) 5,3 GHz při tloušťce 1,3 mm, což nabízí všestrannou a účinnou technickou strategii pro zlepšení přizpůsobivosti mikrovlnných-potahů k životnímu prostředí.
Mikrovlnné-vrstvy pohlcující mikrovlny hrají nepostradatelnou roli při potlačování radarových signatur, odolnosti vůči rušení komunikace a zmírňování elektromagnetického znečištění, díky čemuž jsou široce použitelné v leteckém a obranném průmyslu. Adaptabilita těchto povlaků na životní prostředí je zásadní pro dlouhodobou -stabilitu jejich mikrovlnného-absorpčního výkonu a stala se klíčovým problémem omezujícím jejich technické použití. Dosažení rovnováhy mezi vynikající absorpcí mikrovln a odolností vůči povětrnostním vlivům zůstává kritickou výzvou v této oblasti. Nedávný výzkum se primárně soustředil na přizpůsobení mikrovlnných-činidel pohlcujících záření okolním podmínkám-, jako je částečné nahrazení tradičních feromagnetických činidel materiály s větší fyzikálně-chemickou stabilitou-nebo vytvořením hydrofobních povrchů ke zvýšení celkové odolnosti povlaku vůči povětrnostním vlivům. Konvenční metody se však často potýkají se současnou optimalizací mikrovlnné absorpce a hydrofobnosti, přičemž také čelí problémům souvisejícím se složitým zpracováním a vysokými náklady. K vyřešení tohoto problému tato studie inovativně využívá UV pikosekundové laserové leptání k přesné výrobě periodických mikrostruktur na povrchu kompozitních mikrovlnných -potahů CNTs/CIP, čímž se dosahuje synergického zvýšení jak superhydrofobicity, tak{12}}absorpce mikrovln.
1. Charakterizace mikrovlnných-absorpčních činidel a elektromagnetické vlastnosti kompozitních povlaků
V této studii byly heterostrukturované uhlíkové nanotrubice (CNT) se šroubovicovou morfologií připraveny z CO₂ pomocí metody roztavené-soli a použity k částečnému nahrazení prášku karbonylového železa (CIP) při výrobě kompozitních mikrovlnných-potahů absorbujících mikrovlny. Začlenění CNT nejen snížilo obsah plniva, ale také udrželo schopnost magnetické ztráty v důsledku inherentního feromagnetismu nanotrubiček. Kromě toho vytvoření kontinuální vodivé sítě, hojná mezifázová polarizace a mnohonásobný rozptyl elektromagnetických vln indukovaný spirálovou strukturou společně optimalizovaly dielektrické vlastnosti, čímž se zmírnily problémy s impedančním nesouladem typicky způsobeným vysokou dielektrickou konstantou čistého CIP. Měření elektromagnetických parametrů prokázalo, že kompozitní povlaky CNTs/CIP vykazují vyvážené dielektrické a magnetické vlastnosti, což umožňuje efektivní přizpůsobení impedance a útlum elektromagnetických vln. Při tloušťce 1,3 mm dosáhl povlak efektivní šířky absorpčního pásma (EAB) 4,12 GHz a minimální ztráty odrazem (RLₘᵢₙ) −15,1 dB, což prokazuje vynikající mikrovlnný absorpční výkon.
2. Návrh mikrostruktur elektromagnetické simulace
Ke zkoumání vlivu mikrostruktur na výkon povlaku byla v této studii použita software CST Studio Suite k provádění elektromagnetických simulací na dvou typech periodických mikrostruktur: sloupcové a voštinové. Výsledky naznačují, že hloubka leptání významně ovlivňuje odrazivost povlaku, zatímco boční rozměry mikrostruktur (jako je poloměr sloupků a rozteč) mají relativně malý vliv na účinnost pohlcování vln-. Je to proto, že rozměry mikrostruktury jsou mnohem menší než elektromagnetické vlnové délky ve frekvenčním rozsahu 2–18 GHz, což zabraňuje vzniku silných rušivých efektů. Výsledky simulace ukazují, že zvýšení hloubky leptání posouvá jak absorpční vrchol, tak efektivní šířku pásma absorpce (EAB) směrem k vyšším frekvencím, aniž by se výrazně změnila samotná šířka pásma. Tato zjištění poskytují důležité vodítko pro optimalizaci parametrů praktického procesu leptání: vhodným řízením hloubky leptání je možné dosáhnout superhydrofobních vlastností při zachování původního, vynikajícího výkonu pohlcování vln-potahu.
3. Vliv laserového leptání na hydrofobní a mikrovlnné-absorpční vlastnosti povlaku
Periodické sloupovité-mikrostruktury a voštinové-mikrostruktury byly přesně vyrobeny na povrchu povlaku pomocí UV pikosekundového laserového značkovacího stroje. Charakterizace pomocí SEM a 3D mikroskopie potvrdila, že laserové leptání mohlo přesně zkonstruovat navržené mikrostruktury; leptané výčnělky vykazovaly jednotné výšky a periodické struktury zůstaly nedotčeny. Testy smáčivosti odhalily, že úhel kontaktu s vodou na nedotčeném povrchu povlaku byl pouze 71,5 stupně, zatímco úhel kontaktu s vodou na povrchu vzorku A1 dosáhl po laserovém leptání struktur podobných pilířům 151,2 stupňů, což prokázalo vynikající superhydrofobicitu. Analýza strukturálních parametrů ukázala, že struktury podobné sloupům nabízejí lepší hydrofobnost ve srovnání se strukturami podobnými plástům; stabilního Cassieho stavu-a tedy spolehlivé superhydrofobicity-bylo možné dosáhnout, když byl poměr d/c nižší než 0,15 a výška spadala do rozsahu 100–180 μm. Je pozoruhodné, že dopad laserového leptání na mikrovlnnou-absorpci byl zanedbatelný. S výjimkou vzorku B4, který vykazoval významnou odchylku v důsledku nadměrného-leptání, si všechny ostatní vzorky zachovaly dobré mikrovlnné-absorpční vlastnosti. Efektivní šířky absorpčního pásma (EAB) vzorků A4 a B4 dosáhly 5,2 GHz a 5,3 GHz, čímž předčily ostatní uváděné mikrovlnné-potahy s tloušťkou pod 1,5 mm. To dokazuje, že laserové leptání umožňuje efektivní a přesnou výrobu hydrofobních mikrostruktur při zachování mikrovlnné-absorpce.
Tato studie vyvinula jednoduchou a ovladatelnou strategii využívající UV pikosekundové laserové leptání k přesné výrobě periodických mikrostruktur na povrchu polyuretanových povlaků vyztužených CNTs/CIP-, čímž bylo dosaženo synergické optimalizace povrchové hydrofobnosti a mikrovlnné absorpce. Klíčová zjištění jsou následující: (1) Laserem-leptané sloupcové mikrostruktury zvýšily kontaktní úhel vody ze 71,5 stupně na 151,2 stupně, což umožnilo superhydrofobicitu bez potřeby další fluorace; (2) Při tloušťce 1,3 mm dosáhl optimalizovaný mikrostrukturní povlak efektivní šířky absorpčního pásma (EAB) 5,3 GHz-nejširší udávané pro tuto tloušťku-při plném zachování své vlastní schopnosti mikrovlnné absorpce; (3) Tato strategie se vyznačuje všestranností, nezávislostí na materiálu a vysokou přesností a nabízí slibné vyhlídky na modernizaci stávajících systémů mikrovlnné absorpce a výrobu multifunkčních integrovaných zařízení pro prostředí s vysokou vlhkostí a korozí. Budoucí výzkum by mohl dále prozkoumat optimalizaci parametrů laserového leptání pro různé mikrovlnné{14}}absorbující výplňové systémy a rozšířit aplikaci této technologie na multifunkční integrované povlaky pro inteligentní stealth a elektromagnetickou ochranu.
