I denne undersøgelse blev UV picosecond-laserætsningsteknologi brugt til at fremstille periodiske mikrostrukturer på overfladen af carbonnanorør/carbonyljernpulver (CNTs/CIP) kompositmikrobølgeabsorberende-belægninger, for at opnå den synergistiske optimering af superhydrofobicitet og mikrobølgeabsorptionsydelse. Laserætsning af søjleformede mikrostrukturer øgede belægningens vandkontaktvinkel fra 71,5 grader til 151,2 grader og resulterede i en effektiv absorptionsbåndbredde (EAB) på 5,3 GHz ved en tykkelse på 1,3 mm, hvilket tilbyder en alsidig og effektiv teknisk strategi til at forbedre mikrobølgeabsorberende belægningers miljøtilpasningsevne-.
Mikrobølgeabsorberende-belægninger spiller en uundværlig rolle i at undertrykke radarsignaturer, modstå kommunikationsinterferens og afbøde elektromagnetisk forurening, hvilket gør dem bredt anvendelige i rumfarts- og forsvarssektoren. Disse belægningers miljøtilpasningsevne er afgørende for den langsigtede-stabilitet af deres mikrobølgeabsorberende ydeevne- og er blevet en vigtig flaskehals, der begrænser deres tekniske anvendelse. At opnå en balance mellem overlegen mikrobølgeabsorption og vejrbestandighed er fortsat en kritisk udfordring i marken. Nyere forskning har primært fokuseret på at tilpasse mikrobølge--absorberende midler til miljøforhold-såsom ved delvist at erstatte traditionelle ferromagnetiske midler med materialer, der har større fysisk-kemisk stabilitet-eller ved at skabe hydrofobe overflader for at forbedre belægningens generelle vejrbestandighed. Konventionelle metoder kæmper dog ofte for samtidig at optimere mikrobølgeabsorption og hydrofobicitet, mens de også står over for problemer relateret til kompleks behandling og høje omkostninger. For at løse dette anvender denne undersøgelse innovativt UV-picosecond-laserætsning til præcist at fremstille periodiske mikrostrukturer på overfladen af CNT'er/CIP-kompositmikrobølgeabsorberende-belægninger, hvorved der opnås en synergistisk forbedring af både superhydrofobicitet og mikrobølgeabsorberende ydeevne.
1. Karakterisering af mikrobølge-absorberende midler og elektromagnetiske egenskaber af kompositbelægninger
I denne undersøgelse blev heterostrukturerede carbonnanorør (CNT'er) med en spiralformet morfologi fremstillet ud fra CO₂ ved hjælp af en smeltet -saltmetode og brugt til delvist at erstatte carbonyljernpulver (CIP) i fremstillingen af sammensatte mikrobølgeabsorberende-belægninger. Inkorporeringen af CNT'er reducerede ikke kun fyldstofindholdet, men bibeholdt også magnetiske tabsevner på grund af nanorørets iboende ferromagnetisme. Ydermere optimerede dannelsen af et kontinuerligt ledende netværk, rigelig grænsefladepolarisering og multipel elektromagnetisk bølgespredning induceret af den spiralformede struktur kollektivt de dielektriske egenskaber, og derved lindrede impedansmismatch-problemerne typisk forårsaget af den høje dielektriske konstant af ren CIP. Elektromagnetiske parametermålinger viste, at CNT'er/CIP-kompositbelægningerne udviste afbalancerede dielektriske og magnetiske egenskaber, hvilket letter effektiv impedanstilpasning og elektromagnetisk bølgedæmpning. Ved en tykkelse på 1,3 mm opnåede belægningen en effektiv absorptionsbåndbredde (EAB) på 4,12 GHz og et minimumsrefleksionstab (RLₘᵢₙ) på -15,1 dB, hvilket viser fremragende mikrobølgeabsorptionsydelse.
2. Elektromagnetisk simuleringsdesign af mikrostrukturer
For at undersøge mikrostrukturers indflydelse på belægningsydelsen brugte denne undersøgelse CST Studio Suite-software til at udføre elektromagnetiske simuleringer på to typer periodiske mikrostrukturer: søjleformet og honeycomb. Resultaterne indikerer, at ætsningsdybden signifikant påvirker belægningens reflektivitet, hvorimod de laterale dimensioner af mikrostrukturerne (såsom søjleradius og afstand) har en relativt lille indvirkning på bølgeabsorberende ydeevne. Dette skyldes, at mikrostrukturdimensionerne er langt mindre end de elektromagnetiske bølgelængder i frekvensområdet 2-18 GHz, hvilket forhindrer dannelsen af stærke interferenseffekter. Simuleringsresultater viser, at forøgelse af ætsningsdybden forskyder både absorptionstoppen og den effektive absorptionsbåndbredde (EAB) mod højere frekvenser uden at ændre selve båndbredden væsentligt. Disse resultater giver vigtig vejledning til optimering af praktiske ætsningsprocesparametre: Ved passende styring af ætsningsdybden er det muligt at opnå superhydrofobe egenskaber, samtidig med at belægningens originale, fremragende bølgeabsorberende ydeevne bibeholdes.
3. Effekt af laserætsning på belægningens hydrofobe og mikrobølge--absorberende egenskaber
Periodiske søjle--lignende og honeycomb-lignende mikrostrukturer blev præcist fremstillet på belægningsoverfladen ved hjælp af en UV-picosecond lasermarkeringsmaskine. Karakterisering via SEM og 3D mikroskopi bekræftede, at laserætsning nøjagtigt kunne konstruere de designede mikrostrukturer; de ætsede fremspring udviste ensartede højder, og de periodiske strukturer forblev intakte. Befugtningstest afslørede, at vandkontaktvinklen for den uberørte belægningsoverflade kun var 71,5 grader, hvorimod vandkontaktvinklen på overfladen af prøve A1 nåede 151,2 grader efter laserætsning af søjle--lignende strukturer, hvilket viste fremragende superhydrofobicitet. Analyse af strukturelle parametre viste, at de søjle-lignende strukturer tilbød overlegen hydrofobicitet sammenlignet med de bikagelignende{11}}strukturer; en stabil Cassie-tilstand-og dermed pålidelig superhydrofobicitet-kunne opnås, når d/c-forholdet var under 0,15, og højden faldt inden for 100-180 μm-området. Navnlig var virkningen af laserætsning på mikrobølgeabsorberende ydeevne ubetydelig. Med undtagelse af prøve B4, som viste signifikant afvigelse på grund af over-ætsning, bibeholdt alle andre prøver gode mikrobølgeabsorberende egenskaber. De effektive absorptionsbåndbredder (EAB) for prøverne A4 og B4 nåede henholdsvis 5,2 GHz og 5,3 GHz, hvilket overgik andre rapporterede mikrobølge--absorberende belægninger med tykkelser under 1,5 mm. Dette viser, at laserætsning muliggør effektiv og præcis fremstilling af hydrofobe mikrostrukturer, samtidig med at mikrobølgeabsorberende ydeevne bevares.
Denne undersøgelse udviklede en enkel og kontrollerbar strategi, der anvender UV-picosecond-laserætsning til præcist at fremstille periodiske mikrostrukturer på overfladen af CNT'er/CIP-forstærkede polyurethanbelægninger, og derved opnå den synergistiske optimering af overfladehydrofobicitet og mikrobølgeabsorptionsydelse. Nøgleresultaterne er som følger: (1) Laser-ætsede søjleformede mikrostrukturer øgede vandkontaktvinklen fra 71,5 grader til 151,2 grader, hvilket muliggjorde superhydrofobicitet uden behov for yderligere fluorering; (2) Ved en tykkelse på 1,3 mm opnåede den optimerede mikrostrukturbelægning en effektiv absorptionsbåndbredde (EAB) på 5,3 GHz-den bredeste rapporterede for denne tykkelse-og samtidig bevarede dens iboende mikrobølgeabsorptionsevne fuldt ud; (3) Denne strategi er kendetegnet ved dens alsidighed, materialeuafhængighed og høje præcision, der giver lovende muligheder for at opgradere eksisterende mikrobølgeabsorptionssystemer og fremstille multifunktionelle integrerede enheder til høj-fugtighed, korrosive miljøer. Fremtidig forskning kan yderligere udforske optimeringen af laserætsningsparametre for forskellige mikrobølgeabsorberende-fyldstofsystemer og udvide teknologiens anvendelse til multifunktionelle integrerede belægninger til smart stealth og elektromagnetisk beskyttelse.
