În acest studiu, tehnologia de gravare cu laser în picosecunde UV a fost folosită pentru a fabrica microstructuri periodice pe suprafața acoperirilor compozite cu nanotuburi de carbon/pulbere de fier carbonil (CNTs/CIP) care absorb microunde-, obținând optimizarea sinergică a superhidrofobicității și a performanței de absorbție a microundelor. Gravarea cu laser a microstructurilor coloane a crescut unghiul de contact cu apa al acoperirii de la 71,5 grade la 151,2 grade și a dus la o lățime de bandă de absorbție efectivă (EAB) de 5,3 GHz la o grosime de 1,3 mm, oferind o strategie tehnică versatilă și eficientă pentru îmbunătățirea adaptabilității la mediu a straturilor de absorbție cu microunde{6}.
Acoperirile care absorb-microundele joacă un rol indispensabil în suprimarea semnăturilor radar, rezistența interferențelor de comunicare și atenuarea poluării electromagnetice, făcându-le aplicabile pe scară largă în sectoarele aerospațial și de apărare. Adaptabilitatea la mediu a acestor acoperiri este crucială pentru-stabilitatea pe termen lung a performanței lor de absorbție a microundelor-și a devenit un blocaj cheie care limitează aplicațiile lor de inginerie. Obținerea unui echilibru între absorbția superioară a microundelor și rezistența la intemperii rămâne o provocare critică în domeniu. Cercetările recente s-au concentrat în primul rând pe adaptarea-agenților de absorbție a microundelor la condițiile de mediu-cum ar fi înlocuirea parțială a agenților feromagnetici tradiționali cu materiale care posedă o stabilitate fizico-chimică mai mare-sau prin crearea de suprafețe hidrofobe pentru a spori rezistența generală a acoperirii la intemperii. Cu toate acestea, metodele convenționale se luptă adesea să optimizeze simultan absorbția cu microunde și hidrofobicitatea, înfruntând în același timp probleme legate de procesarea complexă și costurile ridicate. Pentru a rezolva acest lucru, prezentul studiu folosește în mod inovator gravarea cu laser cu picosecunde UV pentru a fabrica cu precizie microstructuri periodice pe suprafața acoperirilor compozite CNT/CIP absorbante cu microunde-, obținând astfel o îmbunătățire sinergică atât a superhidrofobicității, cât și a performanței de absorbție-de microunde.
1. Caracterizarea agenților de absorbție-cu microunde și a proprietăților electromagnetice ale acoperirilor compozite
În acest studiu, nanotuburi de carbon heterostructurate (CNT) cu o morfologie elicoidală au fost preparate din CO₂ utilizând o metodă de-sare topită și utilizate pentru a înlocui parțial pulberea de fier carbonil (CIP) în fabricarea acoperirilor compozite care absorb-microundele. Încorporarea CNT nu numai că a redus conținutul de umplutură, dar a menținut și capacitățile de pierdere magnetică datorită feromagnetismului inerent al nanotuburilor. În plus, formarea unei rețele conductoare continue, polarizarea interfacială abundentă și împrăștierea undelor electromagnetice multiple induse de structura elicoidală au optimizat colectiv proprietățile dielectrice, atenuând astfel problemele de nepotrivire a impedanței cauzate de obicei de constanta dielectrică ridicată a CIP pur. Măsurătorile parametrilor electromagnetici au demonstrat că acoperirile compozite CNT/CIP au prezentat proprietăți dielectrice și magnetice echilibrate, facilitând potrivirea eficientă a impedanței și atenuarea undelor electromagnetice. La o grosime de 1,3 mm, acoperirea a obținut o lățime de bandă de absorbție efectivă (EAB) de 4,12 GHz și o pierdere minimă de reflexie (RLₘᵢₙ) de -15,1 dB, demonstrând o performanță excelentă de absorbție a microundelor.
2. Simularea Electromagnetică Proiectarea Microstructurilor
Pentru a investiga influența microstructurilor asupra performanței acoperirii, acest studiu a folosit software-ul CST Studio Suite pentru a efectua simulări electromagnetice pe două tipuri de microstructuri periodice: columnare și fagure. Rezultatele indică faptul că adâncimea de gravare afectează în mod semnificativ reflectivitatea acoperirii, în timp ce dimensiunile laterale ale microstructurilor (cum ar fi raza stâlpilor și distanța) au un impact relativ minor asupra performanței de absorbție a undelor-. Acest lucru se datorează faptului că dimensiunile microstructurii sunt mult mai mici decât lungimile de undă electromagnetice în intervalul de frecvență 2-18 GHz, prevenind formarea de efecte de interferență puternice. Rezultatele simulării arată că creșterea adâncimii de gravare modifică atât vârful de absorbție, cât și lățimea de bandă de absorbție efectivă (EAB) către frecvențe mai mari, fără a modifica semnificativ lățimea de bandă în sine. Aceste constatări oferă îndrumări importante pentru optimizarea parametrilor practici ai procesului de gravare: prin controlul adecvat al adâncimii de gravare, este posibil să se obțină proprietăți superhidrofobe, menținând în același timp performanța originală, excelentă de absorbție a undelor-a acoperirii.
3. Efectul gravării cu laser asupra proprietăților hidrofobe și cu microunde-de absorbție ale acoperirii
Microstructurile periodice de tip stâlp-și fagure-au fost fabricate cu precizie pe suprafața de acoperire folosind o mașină de marcat cu laser cu picosecundă UV. Caracterizarea prin SEM și microscopie 3D a confirmat că gravarea cu laser ar putea construi cu precizie microstructurile proiectate; proeminențele gravate au prezentat înălțimi uniforme, iar structurile periodice au rămas intacte. Testele de umectare au arătat că unghiul de contact cu apa al suprafeței de acoperire curată a fost de numai 71,5 grade, în timp ce unghiul de contact cu apa de pe suprafața probei A1 a atins 151,2 grade după gravarea cu laser a structurilor asemănătoare stâlpilor-, demonstrând o excelentă superhidrofobicitate. Analiza parametrilor structurali a indicat că structurile de tip stâlp-au oferit hidrofobicitate superioară în comparație cu structurile de tip-fagure; o stare Cassie stabilă-și, prin urmare, superhidrofobicitate de încredere-ar putea fi atinsă atunci când raportul d/c era sub 0,15 și înălțimea se încadra în intervalul 100-180 μm. În special, impactul gravării cu laser asupra performanței de absorbție-de microunde a fost neglijabil. Cu excepția eșantionului B4, care a prezentat o abatere semnificativă din cauza supra-gravării, toate celelalte probe și-au păstrat proprietăți bune de absorbție-de microunde. Lățimile de bandă de absorbție efectivă (EAB) ale mostrelor A4 și B4 au atins 5,2 GHz și, respectiv, 5,3 GHz, depășind alte acoperiri de absorbție-de microunde raportate cu grosimi sub 1,5 mm. Acest lucru demonstrează că gravarea cu laser permite fabricarea eficientă și precisă a microstructurilor hidrofobe, păstrând în același timp performanța de absorbție-de microunde.
Acest studiu a dezvoltat o strategie simplă și controlabilă utilizând gravarea cu laser cu picosecunde UV pentru a fabrica cu precizie microstructuri periodice pe suprafața acoperirilor de poliuretan armat CNT/CIP-, obținând astfel optimizarea sinergică a hidrofobicității suprafeței și a performanței de absorbție a microundelor. Constatările cheie sunt următoarele: (1) Microstructurile colonare gravate cu laser-au crescut unghiul de contact cu apa de la 71,5 grade la 151,2 grade, permițând superhidrofobicitatea fără a fi nevoie de fluorurare suplimentară; (2) La o grosime de 1,3 mm, stratul de microstructură optimizat a atins o lățime de bandă de absorbție efectivă (EAB) de 5,3 GHz-cea mai largă raportată pentru această grosime-, păstrând în același timp capacitatea intrinsecă de absorbție a microundelor; (3) Această strategie se caracterizează prin versatilitate, independență materială și precizie ridicată, oferind perspective promițătoare pentru modernizarea sistemelor existente de absorbție cu microunde și fabricarea de dispozitive integrate multifuncționale pentru medii corozive cu umiditate ridicată-. Cercetările viitoare ar putea explora în continuare optimizarea parametrilor de gravare cu laser pentru diferite sisteme de umplere cu absorbție-de microunde și ar putea extinde aplicarea tehnologiei la acoperiri integrate multifuncționale pentru ascundere inteligentă și protecție electromagnetică.
