Šajā pētījumā UV pikosekundes lāzera kodināšanas tehnoloģija tika izmantota, lai izveidotu periodiskas mikrostruktūras uz oglekļa nanocaurules/karbonildzelzs pulvera (CNTs/CIP) kompozītmateriālu mikroviļņus absorbējošu pārklājumu virsmas, panākot superhidrofobitātes un mikroviļņu absorbcijas veiktspējas sinerģisku optimizāciju. Kolonnu mikrostruktūru lāzera kodināšana palielināja pārklājuma saskares ar ūdeni leņķi no 71,5 grādiem līdz 151,2 grādiem, un rezultātā tika iegūts efektīvais absorbcijas joslas platums (EAB) 5,3 GHz pie 1,3 mm biezuma, piedāvājot daudzpusīgu un efektīvu tehnisko stratēģiju, lai uzlabotu mikroviļņu krāsns pielāgošanās spēju videi.
Mikroviļņu krāsnis{0}}absorbējošiem pārklājumiem ir neaizstājama nozīme radara signālu nomākšanā, sakaru traucējumu novēršanā un elektromagnētiskā piesārņojuma mazināšanā, padarot tos plaši izmantojamus aviācijas un aizsardzības nozarēs. Šo pārklājumu pielāgošanās videi ir ļoti svarīga to mikroviļņu absorbcijas veiktspējas-ilgtermiņa stabilitātei-, un tā ir kļuvusi par galveno vājo vietu, kas ierobežo to inženierijas pielietojumu. Līdzsvara sasniegšana starp izcilu mikroviļņu absorbciju un laikapstākļu izturību joprojām ir kritisks izaicinājums šajā jomā. Jaunākie pētījumi galvenokārt ir vērsti uz mikroviļņu -absorbējošu vielu pielāgošanu vides apstākļiem,-piemēram, daļēji aizstājot tradicionālos feromagnētiskos līdzekļus ar materiāliem, kam ir lielāka fizikāli ķīmiskā stabilitāte-vai izveidojot hidrofobas virsmas, lai uzlabotu pārklājuma vispārējo izturību pret laikapstākļiem. Tomēr tradicionālajām metodēm bieži vien ir grūti vienlaikus optimizēt mikroviļņu absorbciju un hidrofobitāti, vienlaikus saskaroties ar problēmām, kas saistītas ar sarežģītu apstrādi un augstām izmaksām. Lai to risinātu, šajā pētījumā novatoriski tiek izmantota UV pikosekundes lāzera kodināšana, lai precīzi izveidotu periodiskas mikrostruktūras uz CNT/CIP kompozītmateriālu mikroviļņus absorbējošu pārklājumu virsmas, tādējādi panākot sinerģisku gan superhidrofobitātes, gan mikroviļņu{12}}absorbcijas veiktspēju.
1. Mikroviļņu krāsnī{1}}absorbējošo vielu un kompozītmateriālu pārklājumu elektromagnētisko īpašību raksturojums
Šajā pētījumā heterostrukturētas oglekļa nanocaurules (CNT) ar spirālveida morfoloģiju tika sagatavotas no CO₂, izmantojot kausēta -sāls metodi, un izmantotas, lai daļēji aizstātu karbonildzelzs pulveri (CIP) kompozītu mikroviļņu-absorbējošu pārklājumu ražošanā. CNT iekļaušana ne tikai samazināja pildvielas saturu, bet arī saglabāja magnētisko zudumu iespējas nanocaurulēm raksturīgā feromagnētisma dēļ. Turklāt nepārtraukta vadoša tīkla veidošanās, bagātīga saskarnes polarizācija un vairāku elektromagnētisko viļņu izkliede, ko izraisīja spirālveida struktūra, kopīgi optimizēja dielektriskās īpašības, tādējādi mazinot pretestības neatbilstības problēmas, ko parasti izraisa tīra CIP augstā dielektriskā konstante. Elektromagnētisko parametru mērījumi parādīja, ka CNT / CIP kompozītmateriālu pārklājumiem bija līdzsvarotas dielektriskās un magnētiskās īpašības, veicinot efektīvu pretestības saskaņošanu un elektromagnētisko viļņu vājināšanos. 1,3 mm biezumā pārklājums sasniedza efektīvo absorbcijas joslas platumu (EAB) 4,12 GHz un minimālo atstarošanas zudumu (RLₘᵢₙ) –15,1 dB, demonstrējot izcilu mikroviļņu absorbcijas veiktspēju.
2. Mikrostruktūru elektromagnētiskās simulācijas projektēšana
Lai izpētītu mikrostruktūru ietekmi uz pārklājuma veiktspēju, šajā pētījumā tika izmantota programmatūra CST Studio Suite, lai veiktu elektromagnētiskās simulācijas divu veidu periodiskām mikrostruktūrām: kolonnveida un šūnveida. Rezultāti liecina, ka kodināšanas dziļums būtiski ietekmē pārklājuma atstarošanas spēju, turpretim mikrostruktūru sānu izmēriem (piemēram, statņa rādiusam un atstatumam) ir salīdzinoši neliela ietekme uz viļņu absorbcijas veiktspēju. Tas ir tāpēc, ka mikrostruktūras izmēri ir daudz mazāki par elektromagnētisko viļņu garumiem 2–18 GHz frekvenču diapazonā, novēršot spēcīgu traucējumu efektu veidošanos. Simulācijas rezultāti liecina, ka, palielinot kodināšanas dziļumu, tiek novirzīts gan absorbcijas maksimums, gan efektīvā absorbcijas joslas platums (EAB) uz augstākām frekvencēm, būtiski nemainot pašu joslas platumu. Šie atklājumi sniedz svarīgus norādījumus praktiskā kodināšanas procesa parametru optimizēšanai: atbilstoši kontrolējot kodināšanas dziļumu, ir iespējams sasniegt superhidrofobas īpašības, vienlaikus saglabājot pārklājuma sākotnējo, lielisko viļņu{7}absorbcijas veiktspēju.
3. Lāzera kodināšanas ietekme uz pārklājuma hidrofobajām un mikroviļņu{1}}absorbēšanas īpašībām
Periodiskas pīlāra- un šūnveida-līdzīgas mikrostruktūras tika precīzi izgatavotas uz pārklājuma virsmas, izmantojot UV pikosekundes lāzera marķēšanas iekārtu. Raksturojums, izmantojot SEM un 3D mikroskopiju, apstiprināja, ka lāzera kodināšana var precīzi konstruēt projektētās mikrostruktūras; iegravētie izvirzījumi bija vienādi augstumā, un periodiskās struktūras palika neskartas. Mitrināmības testi atklāja, ka neskartās pārklājuma virsmas saskares ar ūdeni leņķis bija tikai 71,5 grādi, savukārt ūdens saskares leņķis uz A1 parauga virsmas sasniedza 151,2 grādus pēc lāzera kodināšanas staba{8}}līdzīgām struktūrām, kas demonstrē izcilu superhidrofobitāti. Strukturālo parametru analīze liecināja, ka pīlāra{10}}līdzīgās struktūras piedāvā labāku hidrofobitāti salīdzinājumā ar šūnveida struktūrām; stabilu Kasijas stāvokli{12}}un līdz ar to drošu superhidrofobitāti{13}}varētu sasniegt, ja d/c attiecība bija mazāka par 0,15 un augstums ir 100–180 μm diapazonā. Jo īpaši lāzera kodināšanas ietekme uz mikroviļņu absorbcijas veiktspēju bija niecīga. Izņemot B4 paraugu, kas uzrādīja ievērojamas novirzes pārmērīgas kodināšanas dēļ, visi pārējie paraugi saglabāja labas mikroviļņu{22}}absorbcijas īpašības. Paraugu A4 un B4 efektīvās absorbcijas joslas platums (EAB) sasniedza attiecīgi 5,2 GHz un 5,3 GHz, pārspējot citus ziņotos mikroviļņus absorbējošus pārklājumus, kuru biezums ir mazāks par 1,5 mm. Tas parāda, ka lāzera kodināšana ļauj efektīvi un precīzi izveidot hidrofobas mikrostruktūras, vienlaikus saglabājot mikroviļņu absorbcijas veiktspēju.
Šajā pētījumā tika izstrādāta vienkārša un vadāma stratēģija, izmantojot UV pikosekundes lāzera kodināšanu, lai precīzi izveidotu periodiskas mikrostruktūras uz CNT/CIP{0}}pastiprinātu poliuretāna pārklājumu virsmas, tādējādi panākot sinerģisku virsmas hidrofobitātes un mikroviļņu absorbcijas veiktspējas optimizāciju. Galvenie atklājumi ir šādi: (1) ar lāzeru-iegravētās kolonnu mikrostruktūras palielināja ūdens saskares leņķi no 71,5 grādiem līdz 151,2 grādiem, nodrošinot superhidrofobitāti bez papildu fluorēšanas; (2) Pie 1,3 mm biezuma optimizētās mikrostruktūras pārklājuma efektīvās absorbcijas joslas platums (EAB) sasniedza 5,3 GHz -visplašāko ziņots šim biezumam{10}}, vienlaikus pilnībā saglabājot raksturīgo mikroviļņu absorbcijas spēju; (3) Šo stratēģiju raksturo tās daudzpusība, materiāla neatkarība un augsta precizitāte, piedāvājot daudzsološas iespējas modernizēt esošās mikroviļņu absorbcijas sistēmas un izgatavot daudzfunkcionālas integrētas ierīces augsta mitruma un korozīvām vidēm. Turpmākie pētījumi varētu turpināt pētīt lāzera kodināšanas parametru optimizāciju dažādām mikroviļņu{14}}absorbējošām pildvielu sistēmām un paplašināt tehnoloģijas pielietojumu daudzfunkcionāliem integrētiem pārklājumiem viedai slepenai un elektromagnētiskai aizsardzībai.
