Šiame tyrime UV pikosekundės lazerinio ėsdinimo technologija buvo naudojama periodinėms mikrostruktūroms gaminti ant anglies nanovamzdelių / karbonilo geležies miltelių (CNT / CIP) sudėtinių mikrobangas sugeriančių dangų paviršiaus, kad būtų pasiektas sinerginis superhidrofobiškumo ir mikrobangų sugerties efektyvumo optimizavimas. Lazerinis stulpelių mikrostruktūrų ėsdinimas padidino dangos sąlyčio su vandeniu kampą nuo 71,5 laipsnio iki 151,2 laipsnio, o efektyvusis 5,3 GHz sugerties dažnių juostos plotis (EAB), esant 1,3 mm storiui, siūlo universalią ir efektyvią techninę strategiją, didinančią mikrobangų krosnelės prisitaikymą prie aplinkos.
Mikrobangų krosnelės{0}}sugeriančios dangos atlieka nepakeičiamą vaidmenį slopindamos radaro signalus, atsispirdamos ryšio trukdžiams ir mažindamos elektromagnetinę taršą, todėl jos plačiai naudojamos aviacijos ir gynybos sektoriuose. Šių dangų prisitaikymas prie aplinkos yra labai svarbus ilgalaikiam -mikrosbangų sugerties-stabilumui ir tapo pagrindine kliūtimi, ribojančia jų inžinerinį pritaikymą. Puikus mikrobangų sugerties ir atsparumo oro sąlygoms balansas tebėra svarbus iššūkis šioje srityje. Naujausi tyrimai daugiausia buvo skirti mikrobangų -absorbuojančių medžiagų pritaikymui prie aplinkos sąlygų-, pvz., iš dalies pakeičiant tradicines feromagnetines medžiagas medžiagomis, turinčiomis didesnį fizikinį ir cheminį stabilumą- arba sukuriant hidrofobinius paviršius, kad padidėtų bendras dangos atsparumas oro sąlygoms. Tačiau įprastiniai metodai dažnai stengiasi tuo pačiu metu optimizuoti mikrobangų absorbciją ir hidrofobiškumą, o taip pat susiduria su problemomis, susijusiomis su sudėtingu apdorojimu ir didelėmis išlaidomis. Siekiant išspręsti šią problemą, šiame tyrime naujoviškai naudojamas UV pikosekundinis lazerinis ėsdinimas, kad būtų tiksliai sudarytos periodinės mikrostruktūros ant CNT / CIP sudėtinių mikrobangą sugeriančių dangų paviršiaus, taip padidinant superhidrofobiškumą ir mikrobangų sugerties efektyvumą.
1. Mikrobangų krosnelę sugeriančių medžiagų{1}}apibūdinimas ir kompozitinių dangų elektromagnetinės savybės
Šiame tyrime heterostruktūriniai anglies nanovamzdeliai (CNT), turintys spiralinę morfologiją, buvo pagaminti iš CO₂, naudojant išlydytos druskos metodą, ir naudojami dalinai pakeisti karbonilo geležies miltelius (CIP) gaminant kompozicines mikrobangas sugeriančias dangas. CNT įtraukimas ne tik sumažino užpildo kiekį, bet ir išlaikė magnetinio praradimo galimybes dėl nanovamzdelių būdingo feromagnetizmo. Be to, ištisinio laidžio tinklo formavimas, gausi sąsajų poliarizacija ir daugialypė elektromagnetinių bangų sklaida, kurią sukelia spiralinė struktūra, kartu optimizavo dielektrines savybes, taip sumažinant varžos neatitikimo problemas, kurias paprastai sukelia didelė gryno CIP dielektrinė konstanta. Elektromagnetinių parametrų matavimai parodė, kad CNT / CIP kompozicinės dangos pasižymi subalansuotomis dielektrinėmis ir magnetinėmis savybėmis, palengvinančiomis efektyvų impedanso suderinimą ir elektromagnetinių bangų slopinimą. 1,3 mm storio danga pasiekė efektyvų 4,12 GHz sugerties dažnių juostos plotį (EAB), o minimalų atspindžio nuostolį (RLₘᵢₙ) –15,1 dB, o tai rodo puikų mikrobangų sugerties našumą.
2. Mikrostruktūrų elektromagnetinis modeliavimas
Norint ištirti mikrostruktūrų įtaką dangos veikimui, šiame tyrime buvo naudojama CST Studio Suite programinė įranga, skirta atlikti dviejų tipų periodinių mikrostruktūrų elektromagnetinį modeliavimą: stulpelinę ir korio struktūrą. Rezultatai rodo, kad ėsdinimo gylis labai paveikia dangos atspindį, o šoniniai mikrostruktūrų matmenys (pvz., stulpelio spindulys ir atstumas) turi santykinai nedidelę įtaką bangų sugerčiai. Taip yra todėl, kad mikrostruktūros matmenys yra daug mažesni nei elektromagnetinių bangų ilgiai 2–18 GHz dažnių diapazone, todėl neleidžia susidaryti stipriems trukdžių efektams. Modeliavimo rezultatai rodo, kad padidinus ėsdinimo gylį, absorbcijos smailė ir efektyvusis absorbcijos dažnių juostos plotis (EAB) perkeliami į aukštesnius dažnius, nekeičiant paties dažnių juostos pločio. Šios išvados yra svarbios gairės, kaip optimizuoti praktinio ėsdinimo proceso parametrus: tinkamai kontroliuojant ėsdinimo gylį, galima pasiekti superhidrofobines savybes, kartu išlaikant originalias, puikias bangas{7}}sugeriančias dangos savybes.
3. Lazerinio ėsdinimo įtaka dangos hidrofobinėms ir mikrobangų savybėms{1}}
Periodinės stulpelio-ir korio-panašios mikrostruktūros buvo tiksliai pagamintos ant dangos paviršiaus naudojant UV pikosekundžių lazerinio žymėjimo mašiną. Apibūdinimas naudojant SEM ir 3D mikroskopiją patvirtino, kad lazerinis ėsdinimas gali tiksliai sukonstruoti suprojektuotas mikrostruktūras; išgraviruotos iškyšos buvo vienodos aukščių, o periodinės struktūros liko nepažeistos. Drėkinamumo bandymai atskleidė, kad nesugadinto dangos paviršiaus sąlyčio su vandeniu kampas buvo tik 71,5 laipsnio, o vandens sąlyčio kampas A1 mėginio paviršiuje siekė 151,2 laipsnio po lazerinio ėsdinimo į koloną{8}} panašių struktūrų, o tai rodo puikų superhidrofobiškumą. Struktūrinių parametrų analizė parodė, kad kolonos{10}}panašios struktūros turi didesnį hidrofobiškumą, palyginti su korio tipo struktūromis; stabilią Cassie būseną{12}}ir todėl patikimą superhidrofobiškumą{13}}galima pasiekti, kai d/c santykis buvo mažesnis nei 0,15, o aukštis patenka į 100–180 μm diapazoną. Pažymėtina, kad lazerinio ėsdinimo įtaka mikrobangų sugerties našumui buvo nereikšminga. Išskyrus B4 pavyzdį, kuris parodė didelį nuokrypį dėl per didelio ėsdinimo, visi kiti mėginiai išlaikė geras mikrobangų{22}}absorbcijos savybes. A4 ir B4 pavyzdžių efektyvusis sugerties dažnių juostos plotis (EAB) siekė atitinkamai 5,2 GHz ir 5,3 GHz, pralenkdamas kitas nurodytas mikrobangas -sugeriančias dangas, kurių storis mažesnis nei 1,5 mm. Tai rodo, kad ėsdinimas lazeriu leidžia efektyviai ir tiksliai sukurti hidrofobines mikrostruktūras, kartu išsaugant mikrobangų sugėrimo našumą.
Šiame tyrime buvo sukurta paprasta ir kontroliuojama strategija, naudojant UV pikosekundinį lazerinį ėsdinimą, kad būtų tiksliai pagamintos periodinės mikrostruktūros ant CNT/CIP{0}}sustiprintų poliuretano dangų paviršiaus ir taip būtų pasiektas sinerginis paviršiaus hidrofobiškumo ir mikrobangų sugerties efektyvumo optimizavimas. Pagrindinės išvados yra šios: (1) lazeriu-išgraviruotos koloninės mikrostruktūros padidino sąlyčio su vandeniu kampą nuo 71,5 laipsnio iki 151,2 laipsnio, suteikdamos superhidrofobiškumą be papildomo fluorinimo; (2) 1,3 mm storio optimizuotos mikrostruktūros dangos efektyvusis sugerties dažnių juostos plotis (EAB) – 5,3 GHz (-plačiausias praneštas šiam storiui{10}}), visiškai išlaikant vidinę mikrobangų sugerties galimybę; (3) Ši strategija pasižymi universalumu, medžiagų nepriklausomumu ir dideliu tikslumu, todėl siūlo daug žadančių galimybių atnaujinti esamas mikrobangų sugerties sistemas ir gaminti daugiafunkcius integruotus įrenginius, skirtus didelės-drėgmės, ėsdinančioms aplinkoms. Būsimi tyrimai galėtų toliau tirti lazerinio ėsdinimo parametrų optimizavimą įvairiose mikrobangų krosnelę{14}}sugeriančiose užpildų sistemose ir išplėsti technologijos taikymą daugiafunkcėms integruotoms dangoms, užtikrinančioms išmaniąją slaptą ir elektromagnetinę apsaugą.
