In dit onderzoek werd UV-picoseconde-laseretstechnologie gebruikt om periodieke microstructuren te vervaardigen op het oppervlak van koolstofnanobuisjes/carbonylijzerpoeder (CNT's/CIP) composiet microgolf{0}}absorberende coatings, waardoor de synergetische optimalisatie van superhydrofobiciteit en microgolfabsorptieprestaties werd bereikt. Laseretsen van kolomvormige microstructuren verhoogde de watercontacthoek van de coating van 71,5 graden naar 151,2 graden en resulteerde in een effectieve absorptiebandbreedte (EAB) van 5,3 GHz bij een dikte van 1,3 mm, wat een veelzijdige en efficiënte technische strategie opleverde voor het verbeteren van het aanpassingsvermogen aan de omgeving van microgolfabsorberende coatings.
Microgolf-absorberende coatings spelen een onmisbare rol bij het onderdrukken van radarsignaturen, het weerstaan van communicatie-interferentie en het verminderen van elektromagnetische vervuiling, waardoor ze breed toepasbaar zijn in de lucht- en ruimtevaart- en defensiesector. Het aanpassingsvermogen van deze coatings aan de omgeving is van cruciaal belang voor de lange-stabiliteit van hun microgolf-absorberende prestaties en is een belangrijk knelpunt geworden dat hun technische toepassing beperkt. Het bereiken van een evenwicht tussen superieure microgolfabsorptie en weersbestendigheid blijft een cruciale uitdaging in het veld. Recent onderzoek heeft zich vooral gericht op het aanpassen van microgolf-absorberende middelen aan omgevingsomstandigheden-zoals door het gedeeltelijk vervangen van traditionele ferromagnetische middelen door materialen met een grotere fysisch-chemische stabiliteit-of door het creëren van hydrofobe oppervlakken om de algehele weersbestendigheid van de coating te verbeteren. Conventionele methoden hebben echter vaak moeite om tegelijkertijd de microgolfabsorptie en hydrofobiciteit te optimaliseren, terwijl ze ook worden geconfronteerd met problemen die verband houden met complexe verwerking en hoge kosten. Om dit aan te pakken, maakt de huidige studie op innovatieve wijze gebruik van UV-picoseconde-laseretsen om periodieke microstructuren nauwkeurig te fabriceren op het oppervlak van CNT's/CIP-composiet microgolfabsorberende coatings, waardoor een synergetische verbetering van zowel superhydrofobiciteit als microgolfabsorberende prestaties wordt bereikt.
1. Karakterisering van microgolf-absorberende stoffen en elektromagnetische eigenschappen van composietcoatings
In deze studie werden heterogestructureerde koolstofnanobuisjes (CNT's) met een spiraalvormige morfologie bereid uit CO₂ met behulp van een gesmolten-zoutmethode en gebruikt om carbonylijzerpoeder (CIP) gedeeltelijk te vervangen bij de vervaardiging van samengestelde microgolf-absorberende coatings. De integratie van CNT's verminderde niet alleen het vulstofgehalte, maar handhaafde ook het magnetische verliesvermogen als gevolg van het inherente ferromagnetisme van de nanobuisjes. Bovendien optimaliseerden de vorming van een continu geleidend netwerk, overvloedige grensvlakpolarisatie en meervoudige elektromagnetische golfverstrooiing geïnduceerd door de spiraalvormige structuur gezamenlijk de diëlektrische eigenschappen, waardoor de problemen met impedantie-mismatch werden verlicht die doorgaans worden veroorzaakt door de hoge diëlektrische constante van pure CIP. Elektromagnetische parametermetingen toonden aan dat de CNT's/CIP-composietcoatings gebalanceerde diëlektrische en magnetische eigenschappen vertoonden, wat effectieve impedantie-aanpassing en elektromagnetische golfverzwakking mogelijk maakte. Bij een dikte van 1,3 mm bereikte de coating een effectieve absorptiebandbreedte (EAB) van 4,12 GHz en een minimaal reflectieverlies (RLₘᵢₙ) van −15,1 dB, wat uitstekende microgolfabsorptieprestaties aantoont.
2. Elektromagnetisch simulatieontwerp van microstructuren
Om de invloed van microstructuren op de coatingprestaties te onderzoeken, werd in dit onderzoek gebruik gemaakt van CST Studio Suite-software om elektromagnetische simulaties uit te voeren op twee soorten periodieke microstructuren: kolomvormig en honingraat. De resultaten geven aan dat de etsdiepte de reflectiviteit van de coating aanzienlijk beïnvloedt, terwijl de laterale afmetingen van de microstructuren (zoals de straal en de afstand van de pijlers) een relatief kleine invloed hebben op de golfabsorberende prestaties. Dit komt doordat de afmetingen van de microstructuur veel kleiner zijn dan de elektromagnetische golflengten in het frequentiebereik van 2–18 GHz, waardoor de vorming van sterke interferentie-effecten wordt voorkomen. Simulatieresultaten laten zien dat het vergroten van de etsdiepte zowel de absorptiepiek als de effectieve absorptiebandbreedte (EAB) naar hogere frequenties verschuift zonder de bandbreedte zelf significant te veranderen. Deze bevindingen bieden belangrijke richtlijnen voor het optimaliseren van praktische etsprocesparameters: door de etsdiepte op de juiste manier te regelen, is het mogelijk om superhydrofobe eigenschappen te bereiken terwijl de oorspronkelijke, uitstekende golfabsorberende prestaties van de coating behouden blijven.
3. Effect van laseretsen op de hydrofobe en microgolfabsorberende eigenschappen van de coating
Periodieke pilaar{0}}achtige en honingraat-achtige microstructuren werden nauwkeurig op het coatingoppervlak vervaardigd met behulp van een UV-picoseconde-lasermarkeermachine. Karakterisering via SEM en 3D-microscopie bevestigde dat laseretsen de ontworpen microstructuren nauwkeurig kon construeren; de geëtste uitsteeksels vertoonden uniforme hoogten en de periodieke structuren bleven intact. Bevochtigbaarheidstests lieten zien dat de watercontacthoek van het ongerepte coatingoppervlak slechts 71,5 graden was, terwijl de watercontacthoek op het oppervlak van monster A1 151,2 graden bereikte na het laseretsen van pijler{8}}achtige structuren, wat een uitstekende superhydrofobiciteit aantoont. Analyse van structurele parameters gaf aan dat de pijler-achtige structuren superieure hydrofobiciteit boden vergeleken met de honingraat-achtige structuren; een stabiele Cassie-toestand-en dus betrouwbare superhydrofobiciteit-zou kunnen worden bereikt als de d/c-verhouding lager was dan 0,15 en de hoogte binnen het bereik van 100–180 μm viel. Met name de impact van laseretsen op de microgolfabsorptie-was verwaarloosbaar. Met uitzondering van monster B4, dat aanzienlijke afwijkingen vertoonde als gevolg van over{21}}etsen, behielden alle andere monsters goede microgolfabsorberende eigenschappen-. De effectieve absorptiebandbreedte (EAB) van monsters A4 en B4 bereikten respectievelijk 5,2 GHz en 5,3 GHz, wat beter presteert dan andere gerapporteerde microgolfabsorberende coatings met een dikte van minder dan 1,5 mm. Dit toont aan dat laseretsen de efficiënte en nauwkeurige fabricage van hydrofobe microstructuren mogelijk maakt, terwijl de microgolfabsorberende prestaties behouden blijven.
Deze studie ontwikkelde een eenvoudige en controleerbare strategie waarbij gebruik werd gemaakt van UV-picoseconde-laseretsen om periodieke microstructuren nauwkeurig te fabriceren op het oppervlak van CNT's/CIP-versterkte polyurethaancoatings, waardoor de synergetische optimalisatie van de hydrofobiciteit van het oppervlak en de microgolfabsorptieprestaties werd bereikt. De belangrijkste bevindingen zijn als volgt: (1) Laser-geëtste kolomvormige microstructuren vergrootten de watercontacthoek van 71,5 graden naar 151,2 graden, waardoor superhydrofobiciteit mogelijk werd zonder de noodzaak van extra fluorering; (2) Bij een dikte van 1,3 mm bereikte de geoptimaliseerde microstructuurcoating een effectieve absorptiebandbreedte (EAB) van 5,3 GHz-de breedste gerapporteerd voor deze dikte-terwijl het intrinsieke microgolfabsorptievermogen volledig behouden bleef; (3) Deze strategie wordt gekenmerkt door zijn veelzijdigheid, materiaalonafhankelijkheid en hoge precisie, en biedt veelbelovende perspectieven voor het upgraden van bestaande microgolfabsorptiesystemen en het vervaardigen van multifunctionele geïntegreerde apparaten voor-hoge vochtigheid, corrosieve omgevingen. Toekomstig onderzoek zou de optimalisatie van laseretsparameters voor diverse microgolfabsorberende vulsystemen verder kunnen onderzoeken en de toepassing van de technologie kunnen uitbreiden naar multifunctionele geïntegreerde coatings voor slimme stealth- en elektromagnetische bescherming.
