Σε αυτήν τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκε τεχνολογία χάραξης με λέιζερ UV picosecond για την κατασκευή περιοδικών μικροδομών στην επιφάνεια σύνθετων επιστρώσεων απορρόφησης μικροκυμάτων{0}} νανοσωλήνων άνθρακα/καρβονυλικού σιδήρου (CNTs/CIP), επιτυγχάνοντας τη συνεργική βελτιστοποίηση της υπερυδροφοβίας και της απόδοσης απορρόφησης μικροκυμάτων. Η χάραξη με λέιζερ των στηλών μικροδομών αύξησε τη γωνία επαφής του νερού της επίστρωσης από 71,5 μοίρες σε 151,2 μοίρες και οδήγησε σε αποτελεσματικό εύρος ζώνης απορρόφησης (EAB) 5,3 GHz σε πάχος 1,3 mm, προσφέροντας μια ευέλικτη και αποτελεσματική τεχνική στρατηγική για την ενίσχυση της περιβαλλοντικής προσαρμοστικότητας των μικροκυμάτων.
Οι επιστρώσεις απορρόφησης μικροκυμάτων-διαδραματίζουν απαραίτητο ρόλο στην καταστολή των υπογραφών του ραντάρ, στην αντίσταση στις παρεμβολές επικοινωνίας και στον μετριασμό της ηλεκτρομαγνητικής ρύπανσης, καθιστώντας τις ευρέως εφαρμόσιμες στους τομείς της αεροδιαστημικής και της άμυνας. Η περιβαλλοντική προσαρμοστικότητα αυτών των επικαλύψεων είναι ζωτικής σημασίας για τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα της απόδοσης απορρόφησης μικροκυμάτων-και έχει καταστεί βασικό σημείο συμφόρησης που περιορίζει την εφαρμοσμένη μηχανική τους. Η επίτευξη ισορροπίας μεταξύ της ανώτερης απορρόφησης μικροκυμάτων και της αντοχής στις καιρικές συνθήκες παραμένει μια κρίσιμη πρόκληση στον τομέα. Η πρόσφατη έρευνα έχει επικεντρωθεί κυρίως στην προσαρμογή των παραγόντων που απορροφούν τα μικροκύματα σε περιβαλλοντικές συνθήκες-όπως με τη μερική αντικατάσταση των παραδοσιακών σιδηρομαγνητικών παραγόντων με υλικά που διαθέτουν μεγαλύτερη φυσικοχημική σταθερότητα-ή με τη δημιουργία υδρόφοβων επιφανειών για την ενίσχυση της συνολικής αντοχής της επίστρωσης στις καιρικές συνθήκες. Ωστόσο, οι συμβατικές μέθοδοι συχνά αγωνίζονται να βελτιστοποιήσουν ταυτόχρονα την απορρόφηση μικροκυμάτων και την υδροφοβικότητα, ενώ αντιμετωπίζουν επίσης ζητήματα που σχετίζονται με πολύπλοκη επεξεργασία και υψηλό κόστος. Για να αντιμετωπιστεί αυτό, η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί καινοτόμα χάραξη με λέιζερ UV picosecond για να κατασκευάσει με ακρίβεια περιοδικές μικροδομές στην επιφάνεια σύνθετων επικαλύψεων μικροκυμάτων CNTs/CIP{11}}απορροφώντας, επιτυγχάνοντας έτσι μια συνεργική ενίσχυση τόσο της υπερυδρόφοβης όσο και της απόδοσης μικροκυμάτων{12}.
1. Χαρακτηρισμός μικροκυμάτων-Απορροφητικών παραγόντων και ηλεκτρομαγνητικών ιδιοτήτων σύνθετων επιστρώσεων
Σε αυτή τη μελέτη, ετεροδομημένοι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) με ελικοειδή μορφολογία παρασκευάστηκαν από CO2 χρησιμοποιώντας μια μέθοδο τηγμένου-αλατιού και χρησιμοποιήθηκαν για να αντικαταστήσουν εν μέρει τη σκόνη καρβονυλοσιδήρου (CIP) στην κατασκευή σύνθετων επικαλύψεων που απορροφούν τα μικροκύματα{{1}. Η ενσωμάτωση CNT όχι μόνο μείωσε την περιεκτικότητα του πληρωτικού υλικού, αλλά διατήρησε επίσης τις δυνατότητες μαγνητικής απώλειας λόγω του εγγενούς σιδηρομαγνητισμού των νανοσωλήνων. Επιπλέον, ο σχηματισμός ενός συνεχούς αγώγιμου δικτύου, η άφθονη διεπιφανειακή πόλωση και η πολλαπλή σκέδαση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που προκαλούνται από την ελικοειδή δομή βελτιστοποίησαν συλλογικά τις διηλεκτρικές ιδιότητες, μειώνοντας έτσι τα προβλήματα ασυμφωνίας σύνθετης αντίστασης που συνήθως προκαλούνται από την υψηλή διηλεκτρική σταθερά του καθαρού CIP. Οι μετρήσεις ηλεκτρομαγνητικών παραμέτρων έδειξαν ότι οι σύνθετες επικαλύψεις CNTs/CIP εμφάνισαν ισορροπημένες διηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες, διευκολύνοντας την αποτελεσματική αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης και την εξασθένηση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Σε πάχος 1,3 mm, η επίστρωση πέτυχε αποτελεσματικό εύρος ζώνης απορρόφησης (EAB) 4,12 GHz και ελάχιστη απώλεια ανάκλασης (RLₘᵢₙ) −15,1 dB, επιδεικνύοντας εξαιρετική απόδοση απορρόφησης μικροκυμάτων.
2. Σχεδιασμός Ηλεκτρομαγνητικής Προσομοίωσης Μικροδομών
Για τη διερεύνηση της επίδρασης των μικροδομών στην απόδοση της επίστρωσης, αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε το λογισμικό CST Studio Suite για τη διεξαγωγή ηλεκτρομαγνητικών προσομοιώσεων σε δύο τύπους περιοδικών μικροδομών: τη στήλη και την κηρήθρα. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι το βάθος χάραξης επηρεάζει σημαντικά την ανακλαστικότητα της επίστρωσης, ενώ οι πλευρικές διαστάσεις των μικροδομών (όπως η ακτίνα και η απόσταση των πυλώνων) έχουν σχετικά μικρό αντίκτυπο στην απόδοση απορρόφησης κυμάτων-. Αυτό συμβαίνει επειδή οι διαστάσεις της μικροδομής είναι πολύ μικρότερες από τα ηλεκτρομαγνητικά μήκη κύματος στην περιοχή συχνοτήτων 2–18 GHz, αποτρέποντας το σχηματισμό ισχυρών παρεμβολών. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν ότι η αύξηση του βάθους χάραξης μετατοπίζει τόσο την κορυφή απορρόφησης όσο και το εύρος ζώνης αποτελεσματικής απορρόφησης (EAB) προς υψηλότερες συχνότητες χωρίς να μεταβάλλει σημαντικά το ίδιο το εύρος ζώνης. Αυτά τα ευρήματα παρέχουν σημαντική καθοδήγηση για τη βελτιστοποίηση των πρακτικών παραμέτρων της διαδικασίας χάραξης: ελέγχοντας κατάλληλα το βάθος χάραξης, είναι δυνατό να επιτευχθούν υπερυδρόφοβες ιδιότητες διατηρώντας παράλληλα την αρχική, εξαιρετική απόδοση απορρόφησης κυμάτων-της επίστρωσης.
3. Επίδραση της χάραξης με λέιζερ στις υδροφοβικές και μικροκυμάτων-Απορροφητικές ιδιότητες της επικάλυψης
Περιοδικές μικροδομές-όπως πυλώνων και κηρήθρας-κατασκευάστηκαν με ακρίβεια στην επιφάνεια της επικάλυψης χρησιμοποιώντας μια μηχανή σήμανσης με λέιζερ UV picosecond. Ο χαρακτηρισμός μέσω SEM και τρισδιάστατης μικροσκοπίας επιβεβαίωσε ότι η χάραξη με λέιζερ μπορούσε να κατασκευάσει με ακρίβεια τις σχεδιασμένες μικροδομές. οι χαραγμένες προεξοχές παρουσίαζαν ομοιόμορφα ύψη και οι περιοδικές δομές παρέμειναν ανέπαφες. Οι δοκιμές διαβρεξιμότητας αποκάλυψαν ότι η γωνία επαφής με το νερό της παρθένας επιφάνειας επικάλυψης ήταν μόνο 71,5 μοίρες, ενώ η γωνία επαφής του νερού στην επιφάνεια του δείγματος Α1 έφτασε τις 151,2 μοίρες μετά από δομές που μοιάζουν με κολώνες χαρακτικής λέιζερ, επιδεικνύοντας εξαιρετική υπερυδροφοβία. Η ανάλυση των δομικών παραμέτρων έδειξε ότι οι δομές που μοιάζουν με πυλώνες προσέφεραν ανώτερη υδροφοβικότητα σε σύγκριση με τις δομές που μοιάζουν με κηρήθρα. μια σταθερή κατάσταση Cassie-και επομένως αξιόπιστη υπερυδοφοβία-θα μπορούσε να επιτευχθεί όταν η αναλογία d/c ήταν κάτω από 0,15 και το ύψος ήταν εντός της περιοχής 100–180 μm. Συγκεκριμένα, ο αντίκτυπος της χάραξης με λέιζερ στην απόδοση απορρόφησης μικροκυμάτων-ήταν αμελητέα. Με εξαίρεση το δείγμα Β4, το οποίο εμφάνισε σημαντική απόκλιση λόγω υπερβολικής-εγχάραξης, όλα τα άλλα δείγματα διατήρησαν καλές ιδιότητες απορρόφησης μικροκυμάτων-. Τα εύρη ζώνης αποτελεσματικής απορρόφησης (EAB) των δειγμάτων Α4 και Β4 έφθασαν τα 5,2 GHz και τα 5,3 GHz, αντίστοιχα, ξεπερνώντας άλλες αναφερόμενες επικαλύψεις απορρόφησης μικροκυμάτων με πάχος μικρότερο από 1,5 mm. Αυτό αποδεικνύει ότι η χάραξη με λέιζερ επιτρέπει την αποτελεσματική και ακριβή κατασκευή υδρόφοβων μικροδομών διατηρώντας παράλληλα την απόδοση απορρόφησης μικροκυμάτων-.
Αυτή η μελέτη ανέπτυξε μια απλή και ελεγχόμενη στρατηγική χρησιμοποιώντας χάραξη με λέιζερ UV picosecond για την ακριβή κατασκευή περιοδικών μικροδομών στην επιφάνεια CNTs/CIP{0}}ενισχυμένων επικαλύψεων πολυουρεθάνης, επιτυγχάνοντας έτσι τη συνεργική βελτιστοποίηση της υδροφοβικότητας της επιφάνειας και της απόδοσης απορρόφησης μικροκυμάτων. Τα βασικά ευρήματα είναι τα εξής: (1) Οι χαραγμένες με λέιζερ-στηλοειδείς μικροδομές αύξησαν τη γωνία επαφής του νερού από 71,5 μοίρες σε 151,2 μοίρες, επιτρέποντας την υπερυδροφοβία χωρίς την ανάγκη πρόσθετης φθορίωσης. (2) Σε πάχος 1,3 mm, η βελτιστοποιημένη επίστρωση μικροδομής πέτυχε αποτελεσματικό εύρος ζώνης απορρόφησης (EAB) 5,3 GHz-το μεγαλύτερο που αναφέρθηκε για αυτό το πάχος{10}}διατηρώντας παράλληλα πλήρως την εγγενή ικανότητα απορρόφησης μικροκυμάτων. (3) Αυτή η στρατηγική χαρακτηρίζεται από την ευελιξία, την ανεξαρτησία υλικού και την υψηλή ακρίβεια, προσφέροντας ελπιδοφόρες προοπτικές για την αναβάθμιση των υφιστάμενων συστημάτων απορρόφησης μικροκυμάτων και την κατασκευή πολυλειτουργικών ενσωματωμένων συσκευών για περιβάλλοντα υψηλής υγρασίας και διάβρωσης. Η μελλοντική έρευνα θα μπορούσε να διερευνήσει περαιτέρω τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων χάραξης λέιζερ για διάφορα συστήματα πλήρωσης{14}απορροφώντας μικροκυμάτων και να επεκτείνει την εφαρμογή της τεχνολογίας σε πολυλειτουργικές ενσωματωμένες επικαλύψεις για έξυπνη μυστικότητα και ηλεκτρομαγνητική προστασία.
