В этом исследовании технология УФ-пикосекундного лазерного травления использовалась для изготовления периодических микроструктур на поверхности композитных покрытий, поглощающих микроволновое излучение-, из углеродных нанотрубок и порошка карбонильного железа (УНТ/CIP), что позволило добиться синергетической оптимизации супергидрофобности и характеристик поглощения микроволнового излучения. Лазерное травление столбчатых микроструктур увеличило угол контакта покрытия с водой с 71,5 до 151,2 градуса и привело к получению эффективной полосы поглощения (EAB) 5,3 ГГц при толщине 1,3 мм, предлагая универсальную и эффективную техническую стратегию для повышения устойчивости к окружающей среде покрытий, поглощающих микроволновое излучение.
Покрытия,-поглощающие микроволновое излучение, играют незаменимую роль в подавлении радиолокационных сигнатур, противодействии помехам связи и уменьшению электромагнитного загрязнения, что делает их широко применимыми в аэрокосмической и оборонной отраслях. Адаптируемость этих покрытий к окружающей среде имеет решающее значение для долгосрочной -стабильности их характеристик поглощения микроволнового излучения-и стала ключевым узким местом, ограничивающим их инженерное применение. Достижение баланса между превосходным поглощением микроволнового излучения и устойчивостью к атмосферным воздействиям остается важнейшей задачей в этой области. Недавние исследования в основном были сосредоточены на адаптации-поглощающих микроволны веществ к условиям окружающей среды-например, путем частичной замены традиционных ферромагнитных веществ материалами, обладающими большей физико-химической стабильностью-или созданием гидрофобных поверхностей для повышения общей устойчивости покрытия к атмосферным воздействиям. Однако традиционные методы часто не могут одновременно оптимизировать поглощение микроволнового излучения и гидрофобность, а также сталкиваются с проблемами, связанными со сложной обработкой и высокими затратами. Чтобы решить эту проблему, в настоящем исследовании инновационно используется УФ-пикосекундное лазерное травление для точного изготовления периодических микроструктур на поверхности композитных покрытий УНТ/CIP, поглощающих микроволновое излучение, тем самым достигается синергетическое улучшение как супергидрофобности, так и характеристик поглощения микроволнового излучения.
1. Характеристика микроволновых-поглощающих агентов и электромагнитных свойств композиционных покрытий.
В этом исследовании гетероструктурированные углеродные нанотрубки (УНТ) со спиральной морфологией были получены из CO₂ методом расплавленной -соли и использованы для частичной замены порошка карбонильного железа (CIP) при изготовлении композиционных микроволновых-поглощающих покрытий. Введение УНТ не только уменьшило содержание наполнителя, но и сохранило магнитные потери благодаря присущему нанотрубкам ферромагнетизму. Кроме того, формирование непрерывной проводящей сети, сильная межфазная поляризация и многократное рассеяние электромагнитных волн, вызванное спиральной структурой, в совокупности оптимизировали диэлектрические свойства, тем самым облегчая проблемы несоответствия импедансов, обычно вызываемые высокой диэлектрической проницаемостью чистого CIP. Измерения электромагнитных параметров показали, что композитные покрытия УНТ/CIP обладают сбалансированными диэлектрическими и магнитными свойствами, что способствует эффективному согласованию импедансов и ослаблению электромагнитных волн. При толщине 1,3 мм покрытие достигло эффективной полосы поглощения (EAB) 4,12 ГГц и минимальных потерь на отражение (RLₘᵢₙ) −15,1 дБ, продемонстрировав превосходные характеристики поглощения микроволнового излучения.
2. Электромагнитное моделирование микроструктур.
Чтобы изучить влияние микроструктур на характеристики покрытия, в этом исследовании использовалось программное обеспечение CST Studio Suite для проведения электромагнитного моделирования двух типов периодических микроструктур: столбчатых и сотовых. Результаты показывают, что глубина травления существенно влияет на отражательную способность покрытия, тогда как поперечные размеры микроструктур (такие как радиус и расстояние между столбиками) оказывают относительно незначительное влияние на характеристики поглощения волн. Это связано с тем, что размеры микроструктуры намного меньше длин волн электромагнитного излучения в диапазоне частот 2–18 ГГц, что предотвращает образование сильных интерференционных эффектов. Результаты моделирования показывают, что увеличение глубины травления смещает как пик поглощения, так и эффективную полосу поглощения (EAB) в сторону более высоких частот без существенного изменения самой полосы пропускания. Эти результаты служат важным руководством для оптимизации практических параметров процесса травления: путем надлежащего контроля глубины травления можно достичь супергидрофобных свойств, сохраняя при этом первоначальные, превосходные характеристики поглощения волн-покрытия.
3. Влияние лазерного травления на гидрофобные и микроволновопоглощающие свойства покрытия.
Периодические столбчатые-и сотовые-микроструктуры были точно изготовлены на поверхности покрытия с помощью УФ-пикосекундной лазерной маркировочной машины. Характеристика с помощью SEM и 3D-микроскопии подтвердила, что лазерное травление позволяет точно построить спроектированные микроструктуры; протравленные выступы имели одинаковую высоту, а периодические структуры оставались неповрежденными. Испытания на смачиваемость показали, что угол контакта воды с поверхностью первоначального покрытия составлял всего 71,5 градуса, тогда как угол контакта с водой на поверхности образца А1 достиг 151,2 градуса после лазерного травления столбчатых структур, демонстрируя превосходную супергидрофобность. Анализ структурных параметров показал, что столбчатые-структуры обладают более высокой гидрофобностью по сравнению с сотовыми-структурами; стабильное состояние Кэсси-и, следовательно, надежная супергидрофобность-может быть достигнуто, когда отношение d/c будет ниже 0,15, а высота находится в диапазоне 100–180 мкм. Примечательно, что влияние лазерного травления на характеристики поглощения микроволнового излучения было незначительным. За исключением образца B4, который показал значительное отклонение из-за чрезмерного -травления, все остальные образцы сохранили хорошие свойства поглощения микроволнового излучения. Эффективная полоса поглощения (EAB) образцов A4 и B4 достигла 5,2 ГГц и 5,3 ГГц соответственно, превосходя другие зарегистрированные покрытия, поглощающие микроволновое излучение, толщиной менее 1,5 мм. Это демонстрирует, что лазерное травление позволяет эффективно и точно изготавливать гидрофобные микроструктуры, сохраняя при этом характеристики поглощения микроволнового излучения.
В этом исследовании была разработана простая и контролируемая стратегия с использованием УФ-пикосекундного лазерного травления для точного изготовления периодических микроструктур на поверхности полиуретановых покрытий, армированных УНТ/CIP-, тем самым достигая синергетической оптимизации гидрофобности поверхности и характеристик поглощения микроволнового излучения. Основные результаты заключаются в следующем: (1) столбчатые микроструктуры, вытравленные лазером-, увеличили угол контакта с водой с 71,5 градусов до 151,2 градусов, обеспечивая супергидрофобность без необходимости дополнительного фторирования; (2) При толщине 1,3 мм оптимизированное микроструктурное покрытие достигло эффективной полосы поглощения (EAB) 5,3 ГГц-самой широкой из зарегистрированных для этой толщины-, полностью сохраняя при этом свою собственную способность поглощения микроволнового излучения; (3) Эта стратегия характеризуется своей универсальностью, независимостью от материалов и высокой точностью, предлагая многообещающие перспективы для модернизации существующих систем поглощения микроволнового излучения и изготовления многофункциональных интегрированных устройств для высокой -влажности и агрессивных сред. Будущие исследования могут дополнительно изучить оптимизацию параметров лазерного травления для различных систем наполнителей, поглощающих микроволновое излучение, и расширить применение этой технологии для создания многофункциональных интегрированных покрытий для интеллектуальной скрытности и электромагнитной защиты.
