En aquest estudi, es va emprar la tecnologia de gravat làser de picosegon UV per fabricar microestructures periòdiques a la superfície de recobriments d'absorció de microones compostos de nanotubs/ferro carbonílic (CNTs/CIP) -, aconseguint l'optimització sinèrgica de la superhidrofobicitat i el rendiment d'absorció de microones. El gravat làser de les microestructures columnars va augmentar l'angle de contacte amb l'aigua del recobriment de 71,5 graus a 151,2 graus i va donar com a resultat un ample de banda d'absorció efectiu (EAB) de 5,3 GHz amb un gruix d'1,3 mm, oferint una estratègia tècnica versàtil i eficient per millorar l'adaptabilitat ambiental dels recobriments d'absorció de microones{6}.
Els recobriments -absorbents de microones tenen un paper indispensable per suprimir les signatures del radar, resistir les interferències de comunicació i mitigar la contaminació electromagnètica, fent-los àmpliament aplicables als sectors aeroespacial i de defensa. L'adaptabilitat ambiental d'aquests recobriments és crucial per a l'-estabilitat a llarg termini del seu rendiment d'absorció de microones- i s'ha convertit en un coll d'ampolla clau que limita la seva aplicació d'enginyeria. Aconseguir un equilibri entre una absorció superior de microones i la resistència a la intempèrie continua sent un repte crític en el camp. Les investigacions recents s'han centrat principalment a adaptar els-agents absorbents de microones a les condicions ambientals-com substituir parcialment els agents ferromagnètics tradicionals per materials que posseeixen una estabilitat fisicoquímica més gran-o creant superfícies hidròfobes per millorar la resistència a la intempèrie general del recobriment. Tanmateix, els mètodes convencionals sovint lluiten per optimitzar simultàniament l'absorció de microones i la hidrofobicitat, alhora que s'enfronten a problemes relacionats amb un processament complex i costos elevats. Per solucionar-ho, el present estudi utilitza de manera innovadora el gravat làser de picosegons UV per fabricar amb precisió microestructures periòdiques a la superfície de recobriments compostos CNT/CIP que absorbeixen microones-, aconseguint així una millora sinèrgica tant de la superhidrofobicitat com del rendiment d'absorció de microones-.
1. Caracterització dels-agents absorbents de microones i propietats electromagnètiques dels recobriments compostos
En aquest estudi, es van preparar nanotubs de carboni heteroestructurats (CNT) amb una morfologia helicoïdal a partir de CO₂ mitjançant un mètode de sal-fosa i es van utilitzar per substituir parcialment la pols de ferro carbonil (CIP) en la fabricació de recobriments compostos que absorbeixen microones-. La incorporació de CNT no només va reduir el contingut de farciment, sinó que també va mantenir les capacitats de pèrdua magnètica a causa del ferromagnetisme inherent dels nanotubs. A més, la formació d'una xarxa conductora contínua, la polarització interfacial abundant i la dispersió d'ones electromagnètiques múltiples induïdes per l'estructura helicoïdal van optimitzar col·lectivament les propietats dielèctriques, alleujant així els problemes de desajust d'impedància causats normalment per l'alta constant dielèctrica del CIP pur. Les mesures de paràmetres electromagnètics van demostrar que els recobriments compostos CNTs/CIP presentaven propietats dielèctriques i magnètiques equilibrades, facilitant la concordança efectiva d'impedància i l'atenuació de les ones electromagnètiques. Amb un gruix d'1,3 mm, el recobriment va aconseguir una amplada de banda d'absorció efectiva (EAB) de 4,12 GHz i una pèrdua de reflexió mínima (RLₘᵢₙ) de -15,1 dB, demostrant un excel·lent rendiment d'absorció de microones.
2. Disseny de simulació electromagnètica de microestructures
Per investigar la influència de les microestructures en el rendiment del recobriment, aquest estudi va utilitzar el programari CST Studio Suite per dur a terme simulacions electromagnètiques en dos tipus de microestructures periòdiques: columnar i bresca. Els resultats indiquen que la profunditat de gravat afecta significativament la reflectivitat del recobriment, mentre que les dimensions laterals de les microestructures (com el radi del pilar i l'espaiat) tenen un impacte relativament menor en el rendiment d'absorció d'ona-. Això es deu al fet que les dimensions de la microestructura són molt més petites que les longituds d'ona electromagnètiques en el rang de freqüències de 2 a 18 GHz, evitant la formació de forts efectes d'interferència. Els resultats de la simulació mostren que augmentar la profunditat de gravat desplaça tant el pic d'absorció com l'amplada de banda d'absorció efectiva (EAB) cap a freqüències més altes sense alterar significativament l'ample de banda. Aquestes troballes proporcionen una guia important per optimitzar els paràmetres pràctics del procés de gravat: controlant adequadament la profunditat de gravat, és possible aconseguir propietats superhidrofòbiques mantenint l'excel·lent rendiment d'absorció d'ona-original del recobriment.
3. Efecte del gravat làser sobre les propietats d'absorció hidrofòbica i de microones-del recobriment
Les microestructures periòdiques de tipus pilar-i bresca-es van fabricar amb precisió a la superfície del recobriment mitjançant una màquina de marcatge làser de picosegons UV. La caracterització mitjançant SEM i microscòpia 3D va confirmar que el gravat làser podria construir amb precisió les microestructures dissenyades; els sortints gravats presentaven alçades uniformes i les estructures periòdiques romanien intactes. Les proves d'humectabilitat van revelar que l'angle de contacte amb l'aigua de la superfície del recobriment verge era només de 71,5 graus, mentre que l'angle de contacte amb l'aigua a la superfície de la mostra A1 va arribar als 151,2 graus després d'estructures semblants a pilars de gravat làser-, demostrant una excel·lent superhidrofobicitat. L'anàlisi dels paràmetres estructurals va indicar que les estructures semblants a pilar{10}}oferien una hidrofobicitat superior en comparació amb les estructures tipus bresca-; Es podria aconseguir un estat de Cassie estable-i, per tant, una superhidrofobicitat fiable- quan la relació d/c era per sota de 0,15 i l'alçada es trobava dins del rang 100-180 μm. En particular, l'impacte del gravat làser en el rendiment d'absorció-de microones va ser insignificant. Amb l'excepció de la mostra B4, que va mostrar una desviació significativa a causa del sobre-gravat, totes les altres mostres van mantenir bones propietats d'absorció-de microones. L'amplada de banda d'absorció efectiva (EAB) de les mostres A4 i B4 va arribar a 5,2 GHz i 5,3 GHz, respectivament, superant altres recobriments absorbents de microones-con gruixos inferiors a 1,5 mm. Això demostra que el gravat làser permet la fabricació eficient i precisa de microestructures hidrofòbiques alhora que es preserva el rendiment d'absorció-de microones.
Aquest estudi va desenvolupar una estratègia senzilla i controlable que utilitza gravat làser de picosegons UV per fabricar amb precisió microestructures periòdiques a la superfície de recobriments de poliuretà reforçats CNTs/CIP{0}}, aconseguint així l'optimització sinèrgica de la hidrofobicitat superficial i el rendiment d'absorció de microones. Les troballes clau són les següents: (1) Les microestructures columnars gravades amb làser-augmenten l'angle de contacte amb l'aigua de 71,5 graus a 151,2 graus, permetent la superhidrofobicitat sense necessitat de fluoració addicional; (2) Amb un gruix d'1,3 mm, el recobriment de microestructura optimitzat va aconseguir un ample de banda d'absorció efectiu (EAB) de 5,3 GHz-el més ampli reportat per a aquest gruix-, tot conservant la seva capacitat intrínseca d'absorció de microones; (3) Aquesta estratègia es caracteritza per la seva versatilitat, independència del material i alta precisió, que ofereix perspectives prometedores per actualitzar els sistemes d'absorció de microones existents i fabricar dispositius integrats multifuncionals per a entorns corrosius i d'alta-humitat. La investigació futura podria explorar encara més l'optimització dels paràmetres de gravat làser per a diversos sistemes de farciment que absorbeixen -microones i ampliar l'aplicació de la tecnologia als recobriments integrats multifuncionals per a la protecció intel·ligent i electromagnètica.
