در این مطالعه، فناوری حکاکی لیزری پیکوثانیه UV برای ساخت ریزساختارهای دوره‌ای بر روی سطح پوشش‌های جذب کننده مایکروویو کامپوزیت نانولوله کربنی/پودر آهن کربونیل (CNTs/CIP) مورد استفاده قرار گرفت و به بهینه‌سازی هم‌افزایی در جذب ابرآبگریز و عملکرد جذب مایکروویو دست یافت. حکاکی لیزری ریزساختارهای ستونی، زاویه تماس آب پوشش را از 71.5 درجه به 151.2 درجه افزایش داد و منجر به پهنای باند جذب مؤثر (EAB) 5.3 گیگاهرتز در ضخامت 1.3 میلی متر شد که یک استراتژی فنی همه کاره و کارآمد برای افزایش سازگاری محیطی سازگار با میکروویو ارائه می دهد.
پوشش‌های جذب‌کننده مایکروویو{0}}نقش ضروری در سرکوب امضاهای رادار، مقاومت در برابر تداخل ارتباطی، و کاهش آلودگی الکترومغناطیسی ایفا می‌کنند و به طور گسترده در بخش‌های هوافضا و دفاعی کاربرد دارند. سازگاری محیطی این پوشش‌ها برای-پایداری طولانی‌مدت عملکرد جذب مایکروویو{3}}آنها بسیار مهم است و به یک گلوگاه کلیدی تبدیل شده است که کاربرد مهندسی آنها را محدود می‌کند. دستیابی به تعادل بین جذب برتر مایکروویو و مقاومت در برابر آب و هوا همچنان یک چالش حیاتی در این زمینه است. تحقیقات اخیر عمدتاً بر روی تطبیق مواد جذب کننده مایکروویو با شرایط محیطی-مثل جایگزینی جزئی عوامل فرومغناطیسی سنتی با موادی که پایداری فیزیکوشیمیایی بیشتری دارند-یا ایجاد سطوح آبگریز برای افزایش مقاومت کلی پوشش در آب و هوا متمرکز شده است. با این حال، روش‌های مرسوم اغلب برای بهینه‌سازی جذب مایکروویو و آبگریزی به طور همزمان با مشکلاتی مرتبط با پردازش پیچیده و هزینه‌های بالا مواجه هستند. برای پرداختن به این موضوع، مطالعه حاضر به طور مبتکرانه ای از اچ لیزری پیکوثانیه UV برای ساخت دقیق ریزساختارهای دوره ای روی سطح پوشش های جذب کننده مایکروویو کامپوزیت CNTs/CIP استفاده می کند، در نتیجه به افزایش هم افزایی در عملکرد فوق آب گریزی و جذب مایکروویو{12} دست می یابد.
1. خصوصیات مایکروویو-عوامل جاذب و خواص الکترومغناطیسی پوشش های کامپوزیت
در این مطالعه، نانولوله‌های کربنی ناهمساختار (CNTs) با مورفولوژی مارپیچ از CO2 با استفاده از روش نمک مذاب تهیه شد و برای جایگزینی جزئی پودر آهن کربونیل (CIP) در ساخت پوشش‌های کامپوزیت جذب کننده مایکروویو استفاده شد. ترکیب نانولوله‌های کربنی نه تنها محتوای پرکننده را کاهش داد، بلکه قابلیت‌های تلفات مغناطیسی را به دلیل فرومغناطیس ذاتی نانولوله‌ها حفظ کرد. علاوه بر این، تشکیل یک شبکه رسانای پیوسته، پلاریزاسیون سطحی فراوان و پراکندگی امواج الکترومغناطیسی متعدد ناشی از ساختار مارپیچ به طور کلی خواص دی الکتریک را بهینه کرد، در نتیجه مشکلات عدم تطابق امپدانس را که معمولاً توسط ثابت دی الکتریک بالای CIP خالص ایجاد می شود، کاهش داد. اندازه‌گیری‌های پارامتر الکترومغناطیسی نشان داد که پوشش‌های کامپوزیت CNTs/CIP خواص دی‌الکتریک و مغناطیسی متعادلی از خود نشان می‌دهند که تطبیق امپدانس مؤثر و تضعیف امواج الکترومغناطیسی را تسهیل می‌کند. در ضخامت 1.3 میلی متر، پوشش به پهنای باند جذب موثر (EAB) 4.12 گیگاهرتز و حداقل افت بازتابی (RLₘᵢₙ) 15.1- دسی بل دست یافت که عملکرد جذب مایکروویو عالی را نشان می دهد.
2. طراحی شبیه سازی الکترومغناطیسی ریزساختارها
برای بررسی تأثیر ریزساختارها بر عملکرد پوشش، این مطالعه از نرم‌افزار CST Studio Suite برای انجام شبیه‌سازی الکترومغناطیسی بر روی دو نوع ریزساختار دوره‌ای استفاده کرد: ستونی و لانه زنبوری. نتایج نشان می‌دهد که عمق اچ به طور قابل‌توجهی بر بازتاب پوشش تأثیر می‌گذارد، در حالی که ابعاد جانبی ریزساختارها (مانند شعاع ستون و فاصله) تأثیر نسبتاً کمی بر عملکرد جذب موج دارند. این به این دلیل است که ابعاد ریزساختار بسیار کوچکتر از طول موج های الکترومغناطیسی در محدوده فرکانس 2 تا 18 گیگاهرتز است و از ایجاد اثرات تداخل قوی جلوگیری می کند. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که افزایش عمق اچ، هم پیک جذب و هم پهنای باند جذب مؤثر (EAB) را به سمت فرکانس‌های بالاتر بدون تغییر قابل‌توجهی در خود پهنای باند تغییر می‌دهد. این یافته‌ها راهنمایی‌های مهمی را برای بهینه‌سازی پارامترهای عملی فرآیند اچ ارائه می‌دهند: با کنترل مناسب عمق اچ، می‌توان به خواص فوق‌آبگریز دست یافت و در عین حال عملکرد اصلی و عالی جذب موج{7}} پوشش را حفظ کرد.
3. اثر لیزر اچ بر روی آبگریز و مایکروویو{1}}خواص جذبی پوشش
ریزساختارهای دوره‌ای-مثل و لانه زنبوری{1}} دقیقاً بر روی سطح پوشش با استفاده از دستگاه علامت‌گذاری لیزری پیکوثانیه UV ساخته شدند. شناسایی از طریق SEM و میکروسکوپ سه بعدی تایید کرد که اچ لیزری می تواند ریزساختارهای طراحی شده را با دقت بسازد. برجستگی های اچ شده ارتفاع یکنواخت را نشان می دهند و ساختارهای دوره ای دست نخورده باقی می مانند. آزمایش‌های ترشوندگی نشان داد که زاویه تماس با آب سطح پوشش دست نخورده تنها 71.5 درجه است، در حالی که زاویه تماس آب در سطح نمونه A1 پس از ساختارهای مانند ستون حکاکی لیزری به 151.2 درجه رسیده است، که فوق‌آب گریز بودن عالی را نشان می‌دهد. تجزیه و تحلیل پارامترهای ساختاری نشان داد که ساختارهای ستونی در مقایسه با ساختارهای لانه زنبوری آبگریزی بالاتری دارند. زمانی که نسبت d/c کمتر از 0.15 بود و ارتفاع در محدوده 100-180 میکرومتر قرار می‌گرفت، می‌توان به حالت Cassie پایدار-و بنابراین ابرآب هراسی قابل اعتماد- دست یافت. به طور قابل‌توجهی، تأثیر حکاکی لیزری بر عملکرد جذب مایکروویو ناچیز بود. به استثنای نمونه B4، که انحراف قابل توجهی به دلیل اچ کردن بیش از حد نشان داد، همه نمونه‌های دیگر ویژگی‌های جذب مایکروویو- خوبی داشتند. پهنای باند جذب موثر (EAB) نمونه‌های A4 و B4 به ترتیب به 5.2 گیگاهرتز و 5.3 گیگاهرتز رسید که از سایر پوشش‌های گزارش‌شده جذب مایکروویو با ضخامت کمتر از 1.5 میلی‌متر بهتر بود. این نشان می دهد که حکاکی لیزری ساخت کارآمد و دقیق ریزساختارهای آبگریز را قادر می سازد و در عین حال عملکرد جذب مایکروویو را حفظ می کند.
این مطالعه یک استراتژی ساده و قابل کنترل را با استفاده از اچ کردن لیزر پیکوثانیه UV برای ساخت دقیق ریزساختارهای دوره‌ای بر روی سطح پوشش‌های پلی‌اورتان تقویت‌شده CNT/CIP{0}} ایجاد کرد و در نتیجه به بهینه‌سازی هم‌افزایی آبگریزی سطح و عملکرد جذب مایکروویو دست یافت. یافته‌های کلیدی به شرح زیر است: (1) ریزساختارهای ستونی حکاکی‌شده با لیزر زاویه تماس آب را از 71.5 درجه به 151.2 درجه افزایش داده و آبگریزی را بدون نیاز به فلوئوراسیون اضافی ممکن می‌سازد. (2) در ضخامت 1.3 میلی متر، پوشش ریزساختار بهینه به پهنای باند جذب مؤثر (EAB) 5.3 گیگاهرتز-بزرگترین گزارش شده برای این ضخامت{10}} دست یافت، در حالی که قابلیت جذب مایکروویو ذاتی خود را به طور کامل حفظ کرد. (3) این استراتژی با تطبیق پذیری، استقلال مواد، و دقت بالا مشخص می شود، که چشم انداز امیدوارکننده ای را برای ارتقای سیستم های جذب مایکروویو موجود و ساخت دستگاه های یکپارچه چند منظوره برای محیط های{12} با رطوبت بالا و خورنده ارائه می دهد. تحقیقات آینده می‌تواند بهینه‌سازی پارامترهای حکاکی لیزری برای سیستم‌های پرکننده مختلف{14}جذب مایکروویو را بررسی کند و کاربرد این فناوری را برای پوشش‌های یکپارچه چند منظوره برای محافظت هوشمند پنهان‌کاری و الکترومغناطیسی گسترش دهد.
