In dieser Studie wurde die UV-Pikosekunden-Laserätztechnologie eingesetzt, um periodische Mikrostrukturen auf der Oberfläche von mikrowellenabsorbierenden Verbundbeschichtungen aus Kohlenstoffnanoröhren und Carbonyleisenpulver (CNTs/CIP) herzustellen und so eine synergistische Optimierung der Superhydrophobizität und der Mikrowellenabsorptionsleistung zu erreichen. Das Laserätzen säulenförmiger Mikrostrukturen erhöhte den Wasserkontaktwinkel der Beschichtung von 71,5 Grad auf 151,2 Grad und führte zu einer effektiven Absorptionsbandbreite (EAB) von 5,3 GHz bei einer Dicke von 1,3 mm. Dies bietet eine vielseitige und effiziente technische Strategie zur Verbesserung der Umweltanpassungsfähigkeit mikrowellenabsorbierender Beschichtungen.
Mikrowellen{0}absorbierende Beschichtungen spielen eine unverzichtbare Rolle bei der Unterdrückung von Radarsignaturen, der Widerstandsfähigkeit gegen Kommunikationsstörungen und der Minderung elektromagnetischer Verschmutzung, wodurch sie in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungssektor weit verbreitet einsetzbar sind. Die Anpassungsfähigkeit dieser Beschichtungen an die Umwelt ist entscheidend für die Langzeitstabilität ihrer Mikrowellenabsorptionsleistung- und hat sich zu einem wesentlichen Engpass entwickelt, der ihre technische Anwendung einschränkt. Das Erreichen eines Gleichgewichts zwischen hervorragender Mikrowellenabsorption und Witterungsbeständigkeit bleibt eine entscheidende Herausforderung auf diesem Gebiet. Die jüngste Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Anpassung von Mikrowellenabsorbierenden Mitteln an Umgebungsbedingungen, beispielsweise durch den teilweisen Ersatz traditioneller ferromagnetischer Mittel durch Materialien mit größerer physikalisch-chemischer Stabilität oder durch die Schaffung hydrophober Oberflächen, um die allgemeine Wetterbeständigkeit der Beschichtung zu verbessern. Herkömmliche Methoden haben jedoch häufig Schwierigkeiten, die Mikrowellenabsorption und Hydrophobie gleichzeitig zu optimieren, und sind zudem mit Problemen im Zusammenhang mit komplexer Verarbeitung und hohen Kosten konfrontiert. Um dieses Problem anzugehen, nutzt die vorliegende Studie auf innovative Weise UV-Pikosekundenlaserätzen, um periodische Mikrostrukturen auf der Oberfläche von mikrowellenabsorbierenden CNTs/CIP-Verbundbeschichtungen präzise herzustellen und so eine synergistische Verbesserung sowohl der Superhydrophobie als auch der Mikrowellenabsorptionsleistung zu erreichen.
1. Charakterisierung von Mikrowellen-absorbierenden Mitteln und elektromagnetischen Eigenschaften von Verbundbeschichtungen
In dieser Studie wurden heterostrukturierte Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) mit helikaler Morphologie aus CO₂ mithilfe eines Salzschmelzverfahrens hergestellt und als teilweiser Ersatz von Carbonyleisenpulver (CIP) bei der Herstellung mikrowellenabsorbierender Verbundbeschichtungen verwendet. Der Einbau von CNTs reduzierte nicht nur den Füllstoffgehalt, sondern sorgte aufgrund des inhärenten Ferromagnetismus der Nanoröhren auch für die Beibehaltung der magnetischen Verlustfähigkeit. Darüber hinaus optimierten die Bildung eines kontinuierlichen leitfähigen Netzwerks, eine reichliche Grenzflächenpolarisation und die durch die helikale Struktur induzierte Mehrfachstreuung elektromagnetischer Wellen gemeinsam die dielektrischen Eigenschaften und milderten so die Impedanzfehlanpassungsprobleme, die typischerweise durch die hohe Dielektrizitätskonstante von reinem CIP verursacht werden. Messungen elektromagnetischer Parameter zeigten, dass die CNTs/CIP-Verbundbeschichtungen ausgewogene dielektrische und magnetische Eigenschaften aufwiesen, was eine effektive Impedanzanpassung und Dämpfung elektromagnetischer Wellen ermöglichte. Bei einer Dicke von 1,3 mm erreichte die Beschichtung eine effektive Absorptionsbandbreite (EAB) von 4,12 GHz und einen minimalen Reflexionsverlust (RLₘᵢₙ) von −15,1 dB, was eine hervorragende Mikrowellenabsorptionsleistung demonstriert.
2. Elektromagnetisches Simulationsdesign von Mikrostrukturen
Um den Einfluss von Mikrostrukturen auf die Beschichtungsleistung zu untersuchen, wurden in dieser Studie mit der Software CST Studio Suite elektromagnetische Simulationen an zwei Arten periodischer Mikrostrukturen durchgeführt: säulenförmig und wabenförmig. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ätztiefe das Reflexionsvermögen der Beschichtung erheblich beeinflusst, wohingegen die lateralen Abmessungen der Mikrostrukturen (wie Säulenradius und -abstand) einen relativ geringen Einfluss auf die Wellenabsorptionsleistung haben. Denn die Mikrostrukturdimensionen sind deutlich kleiner als die elektromagnetischen Wellenlängen im Frequenzbereich 2–18 GHz und verhindern so die Entstehung starker Interferenzeffekte. Simulationsergebnisse zeigen, dass eine Erhöhung der Ätztiefe sowohl den Absorptionspeak als auch die effektive Absorptionsbandbreite (EAB) zu höheren Frequenzen verschiebt, ohne die Bandbreite selbst wesentlich zu verändern. Diese Erkenntnisse liefern wichtige Hinweise zur Optimierung praktischer Ätzprozessparameter: Durch geeignete Steuerung der Ätztiefe ist es möglich, superhydrophobe Eigenschaften zu erreichen und gleichzeitig die ursprüngliche, hervorragende Wellenabsorptionsleistung der Beschichtung beizubehalten.
3. Auswirkung des Laserätzens auf die hydrophoben und mikrowellenabsorbierenden Eigenschaften der Beschichtung
Mit einer UV-Pikosekunden-Lasermarkierungsmaschine wurden periodische säulenartige und wabenartige Mikrostrukturen präzise auf der Beschichtungsoberfläche hergestellt. Die Charakterisierung mittels REM und 3D-Mikroskopie bestätigte, dass Laserätzen die entworfenen Mikrostrukturen präzise konstruieren konnte; Die geätzten Vorsprünge wiesen einheitliche Höhen auf und die periodischen Strukturen blieben intakt. Benetzbarkeitstests ergaben, dass der Wasserkontaktwinkel der makellosen Beschichtungsoberfläche nur 71,5 Grad betrug, wohingegen der Wasserkontaktwinkel auf der Oberfläche von Probe A1 nach dem Laserätzen säulenartiger Strukturen 151,2 Grad erreichte, was eine ausgezeichnete Superhydrophobie demonstrierte. Die Analyse der Strukturparameter ergab, dass die säulenähnlichen Strukturen im Vergleich zu den wabenähnlichen Strukturen eine überlegene Hydrophobie aufwiesen. Ein stabiler Cassie-Zustand-und damit zuverlässige Superhydrophobie-konnte erreicht werden, wenn das d/c-Verhältnis unter 0,15 lag und die Höhe im Bereich von 100–180 μm lag. Bemerkenswerterweise war der Einfluss des Laserätzens auf die Mikrowellenabsorptionsleistung vernachlässigbar. Mit Ausnahme von Probe B4, die aufgrund von Überätzung erhebliche Abweichungen aufwies, behielten alle anderen Proben gute Mikrowellenabsorptionseigenschaften bei. Die effektiven Absorptionsbandbreiten (EAB) der Proben A4 und B4 erreichten 5,2 GHz bzw. 5,3 GHz und übertrafen damit andere gemeldete mikrowellenabsorbierende Beschichtungen mit Dicken unter 1,5 mm. Dies zeigt, dass Laserätzen die effiziente und präzise Herstellung hydrophober Mikrostrukturen unter Beibehaltung der Mikrowellenabsorptionsleistung ermöglicht.
In dieser Studie wurde eine einfache und kontrollierbare Strategie entwickelt, die UV-Pikosekundenlaserätzung nutzt, um periodische Mikrostrukturen auf der Oberfläche von CNTs/CIP-verstärkten Polyurethanbeschichtungen präzise herzustellen und so eine synergistische Optimierung der Oberflächenhydrophobie und der Mikrowellenabsorptionsleistung zu erreichen. Die wichtigsten Ergebnisse sind wie folgt: (1) Lasergeätzte säulenförmige Mikrostrukturen erhöhten den Wasserkontaktwinkel von 71,5 Grad auf 151,2 Grad und ermöglichten Superhydrophobie ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Fluorierung; (2) Bei einer Dicke von 1,3 mm erreichte die optimierte Mikrostrukturbeschichtung eine effektive Absorptionsbandbreite (EAB) von 5,3 GHz -die größte für diese Dicke berichtete Bandbreite-, während ihre intrinsische Mikrowellenabsorptionsfähigkeit vollständig erhalten blieb; (3) Diese Strategie zeichnet sich durch Vielseitigkeit, Materialunabhängigkeit und hohe Präzision aus und bietet vielversprechende Aussichten für die Aufrüstung bestehender Mikrowellenabsorptionssysteme und die Herstellung multifunktionaler integrierter Geräte für Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und Korrosion. Zukünftige Forschungen könnten die Optimierung von Laserätzparametern für verschiedene mikrowellen-absorbierende Füllstoffsysteme weiter untersuchen und die Anwendung der Technologie auf multifunktionale integrierte Beschichtungen für intelligente Tarnung und elektromagnetischen Schutz ausweiten.
