Trong nghiên cứu này, công nghệ khắc tia laser pico giây UV đã được sử dụng để chế tạo các cấu trúc vi mô tuần hoàn trên bề mặt lớp phủ hấp thụ vi sóng tổng hợp ống nano cacbon/bột sắt cacbonyl (CNTs/CIP)-, đạt được sự tối ưu hóa tổng hợp của hiệu suất hấp thụ siêu kỵ nước và vi sóng. Việc khắc laser các cấu trúc vi mô dạng cột đã tăng góc tiếp xúc với nước của lớp phủ từ 71,5 độ lên 151,2 độ và mang lại băng thông hấp thụ hiệu quả (EAB) là 5,3 GHz ở độ dày 1,3 mm, mang lại chiến lược kỹ thuật linh hoạt và hiệu quả để nâng cao khả năng thích ứng với môi trường của lớp phủ hấp thụ vi sóng.
Lớp phủ-hấp thụ vi sóng đóng vai trò không thể thiếu trong việc triệt tiêu tín hiệu radar, chống nhiễu liên lạc và giảm thiểu ô nhiễm điện từ, khiến chúng được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và quốc phòng. Khả năng thích ứng với môi trường của các lớp phủ này là rất quan trọng đối với sự-ổn định lâu dài của hiệu suất hấp thụ vi sóng-và đã trở thành nút thắt chính hạn chế ứng dụng kỹ thuật của chúng. Đạt được sự cân bằng giữa khả năng hấp thụ vi sóng vượt trội và khả năng chống chịu thời tiết vẫn là một thách thức quan trọng trong lĩnh vực này. Nghiên cứu gần đây chủ yếu tập trung vào việc điều chỉnh-các chất hấp thụ vi sóng với điều kiện môi trường-chẳng hạn như bằng cách thay thế một phần chất sắt từ truyền thống bằng vật liệu có độ ổn định hóa lý cao hơn-hoặc bằng cách tạo ra các bề mặt kỵ nước để nâng cao khả năng chống chịu thời tiết tổng thể của lớp phủ. Tuy nhiên, các phương pháp thông thường thường gặp khó khăn trong việc tối ưu hóa đồng thời sự hấp thụ vi sóng và tính kỵ nước, đồng thời phải đối mặt với các vấn đề liên quan đến quá trình xử lý phức tạp và chi phí cao. Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu hiện tại sử dụng một cách đổi mới phương pháp khắc laser cực tím cực tím để chế tạo chính xác các cấu trúc vi mô định kỳ trên bề mặt của lớp phủ hấp thụ{11}}vi sóng tổng hợp CNTs/CIP, từ đó đạt được sự tăng cường tổng hợp cả hiệu suất hấp thụ siêu kỵ nước và vi sóng{12}}.
1. Đặc tính của chất hấp thụ vi sóng-và tính chất điện từ của lớp phủ tổng hợp
Trong nghiên cứu này, các ống nano cacbon có cấu trúc dị thể (CNT) có hình thái xoắn ốc được điều chế từ CO₂ bằng phương pháp muối{0}}nóng chảy và được sử dụng để thay thế một phần bột sắt cacbonyl (CIP) trong chế tạo lớp phủ hấp thụ vi sóng tổng hợp-. Việc kết hợp CNT không chỉ làm giảm hàm lượng chất độn mà còn duy trì khả năng mất từ tính do tính chất sắt từ vốn có của ống nano. Hơn nữa, sự hình thành của một mạng dẫn điện liên tục, sự phân cực giao thoa dồi dào và sự tán xạ nhiều sóng điện từ gây ra bởi cấu trúc xoắn ốc đã tối ưu hóa chung các đặc tính điện môi, từ đó giảm bớt các vấn đề không khớp trở kháng thường gây ra bởi hằng số điện môi cao của CIP thuần túy. Các phép đo thông số điện từ đã chứng minh rằng lớp phủ hỗn hợp CNTs/CIP thể hiện các đặc tính điện môi và từ tính cân bằng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết hợp trở kháng và suy giảm sóng điện từ hiệu quả. Ở độ dày 1,3 mm, lớp phủ đạt được băng thông hấp thụ hiệu quả (EAB) là 4,12 GHz và suy hao phản xạ tối thiểu (RLₘᵢₙ) là −15,1 dB, thể hiện hiệu suất hấp thụ vi sóng tuyệt vời.
2. Thiết kế mô phỏng điện từ của vi cấu trúc
Để nghiên cứu ảnh hưởng của các cấu trúc vi mô đến hiệu suất lớp phủ, nghiên cứu này đã sử dụng phần mềm CST Studio Suite để tiến hành mô phỏng điện từ trên hai loại cấu trúc vi mô tuần hoàn: dạng cột và dạng tổ ong. Kết quả chỉ ra rằng độ sâu ăn mòn ảnh hưởng đáng kể đến độ phản xạ của lớp phủ, trong khi kích thước bên của các cấu trúc vi mô (chẳng hạn như bán kính trụ và khoảng cách) có tác động tương đối nhỏ đến hiệu suất hấp thụ sóng. Điều này là do kích thước cấu trúc vi mô nhỏ hơn nhiều so với bước sóng điện từ trong dải tần số 2–18 GHz, ngăn chặn sự hình thành các hiệu ứng giao thoa mạnh. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc tăng độ sâu khắc sẽ dịch chuyển cả đỉnh hấp thụ và băng thông hấp thụ hiệu quả (EAB) về phía tần số cao hơn mà không làm thay đổi đáng kể bản thân băng thông. Những phát hiện này cung cấp hướng dẫn quan trọng để tối ưu hóa các thông số quy trình ăn mòn thực tế: bằng cách kiểm soát độ sâu ăn mòn một cách thích hợp, có thể đạt được các đặc tính siêu kỵ nước trong khi vẫn duy trì hiệu suất hấp thụ sóng-xuất sắc ban đầu của lớp phủ.
3. Ảnh hưởng của việc khắc laze lên đặc tính kỵ nước và vi sóng-Tính chất hấp thụ của lớp phủ
Các cấu trúc vi mô-như trụ và tổ ong-định kỳ được chế tạo chính xác trên bề mặt lớp phủ bằng máy đánh dấu tia laser cực tím cực tím. Đặc tính hóa thông qua kính hiển vi SEM và 3D đã xác nhận rằng phương pháp khắc laser có thể xây dựng chính xác các cấu trúc vi mô được thiết kế; các phần nhô ra được khắc có chiều cao đồng đều và các cấu trúc định kỳ vẫn còn nguyên vẹn. Các thử nghiệm về độ ẩm cho thấy góc tiếp xúc với nước của bề mặt lớp phủ nguyên sơ chỉ là 71,5 độ, trong khi góc tiếp xúc với nước trên bề mặt của mẫu A1 đạt tới 151,2 độ sau khi có cấu trúc giống như cột khắc laser-, chứng tỏ khả năng siêu kỵ nước tuyệt vời. Phân tích các thông số cấu trúc chỉ ra rằng các cấu trúc giống như cột trụ{10}}có khả năng kỵ nước vượt trội so với các cấu trúc giống như tổ ong{11}}; trạng thái Cassie ổn định-và do đó tính siêu kỵ nước đáng tin cậy-có thể đạt được khi tỷ lệ d/c dưới 0,15 và chiều cao nằm trong phạm vi 100–180 μm. Đáng chú ý là tác động của việc khắc laser đến hiệu suất hấp thụ vi sóng là không đáng kể. Ngoại trừ mẫu B4 có độ lệch đáng kể do{21}ăn mòn quá mức, tất cả các mẫu khác đều duy trì đặc tính hấp thụ vi sóng tốt. Băng thông hấp thụ hiệu quả (EAB) của mẫu A4 và B4 lần lượt đạt 5,2 GHz và 5,3 GHz, vượt trội so với các lớp phủ hấp thụ vi sóng{28}}được báo cáo khác có độ dày dưới 1,5 mm. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp khắc laser cho phép chế tạo các vi cấu trúc kỵ nước một cách hiệu quả và chính xác trong khi vẫn duy trì hiệu suất hấp thụ vi sóng.
Nghiên cứu này đã phát triển một chiến lược đơn giản và có thể kiểm soát bằng cách sử dụng phương pháp khắc laser cực tím cực tím để chế tạo chính xác các cấu trúc vi mô định kỳ trên bề mặt lớp phủ polyurethane được gia cố CNTs/CIP{0}}, từ đó đạt được sự tối ưu hóa tổng hợp về tính kỵ nước bề mặt và hiệu suất hấp thụ vi sóng. Những phát hiện chính như sau: (1) Cấu trúc vi mô dạng cột được khắc bằng laser- đã tăng góc tiếp xúc với nước từ 71,5 độ lên 151,2 độ, cho phép khả năng siêu kỵ nước mà không cần thêm fluor hóa; (2) Ở độ dày 1,3 mm, lớp phủ vi cấu trúc được tối ưu hóa đã đạt được băng thông hấp thụ hiệu quả (EAB) là 5,3 GHz-mức rộng nhất được báo cáo cho độ dày này-trong khi vẫn duy trì hoàn toàn khả năng hấp thụ vi sóng nội tại của nó; (3) Chiến lược này được đặc trưng bởi tính linh hoạt, tính độc lập về vật liệu và độ chính xác cao, mang lại triển vọng đầy hứa hẹn cho việc nâng cấp các hệ thống hấp thụ vi sóng hiện có và chế tạo các thiết bị tích hợp đa chức năng cho môi trường có độ ẩm cao, ăn mòn. Nghiên cứu trong tương lai có thể khám phá thêm việc tối ưu hóa các thông số khắc laser cho các hệ thống đệm hấp thụ vi sóng{14}}khác nhau và mở rộng ứng dụng của công nghệ này sang các lớp phủ tích hợp đa chức năng để tàng hình thông minh và bảo vệ điện từ.
