במחקר זה, טכנולוגיית תחריט לייזר UV picosecond הופעלה לייצור מיקרו-מבנים תקופתיים על פני השטח של ציפויים מרוכבים של מיקרוגל מרוכבים של צינורות פחמן/אבקת ברזל קרבוניל (CNTs/CIP)-, והשגת אופטימיזציה סינרגטית של ביצועי סופר-הידרופוביות וביצועי ספיגת מיקרוגל. תחריט לייזר של מיקרו-מבנים עמודים הגדיל את זווית מגע המים של הציפוי מ-71.5 מעלות ל-151.2 מעלות והביא לרוחב פס ספיגה יעיל (EAB) של 5.3 גיגה-הרץ בעובי של 1.3 מ"מ, ומציע אסטרטגיה טכנית רב-תכליתית ויעילה לשיפור יכולת הסתגלות הסביבתית של ציפוי ספיגה במיקרוגל-.
לציפויים סופגי מיקרוגל-תפקיד הכרחי בדיכוי חתימות מכ"ם, התנגדות להפרעות תקשורת והפחתת זיהום אלקטרומגנטי, מה שהופך אותם ליישום נרחב במגזרי התעופה והחלל וההגנה. יכולת ההסתגלות הסביבתית של ציפויים אלו חיונית ליציבות -לטווח ארוך של ביצועי הספיגה במיקרוגל- והפכה לצוואר בקבוק מרכזי המגביל את היישום ההנדסי שלהם. השגת איזון בין ספיגת מיקרוגל מעולה ועמידות במזג האוויר נותרה אתגר קריטי בשטח. מחקרים אחרונים התמקדו בעיקר בהתאמת חומרים סופגי מיקרוגל-לתנאי סביבה-כגון החלפה חלקית של חומרים פרומגנטיים מסורתיים בחומרים בעלי יציבות פיזיקוכימית גבוהה יותר-או על ידי יצירת משטחים הידרופוביים כדי לשפר את העמידות הכללית של הציפוי למזג האוויר. עם זאת, שיטות קונבנציונליות לרוב מתקשות לייעל בו זמנית את ספיגת המיקרוגל וההידרופוביות, ובמקביל מתמודדות עם בעיות הקשורות לעיבוד מורכב ולעלויות גבוהות. כדי לטפל בזה, המחקר הנוכחי משתמש בתחריט לייזר UV picosecond באופן חדשני כדי לייצר במדויק מבני מיקרו מחזוריים על פני השטח של ציפויי מיקרוגל מרוכבים של CNTs/CIP, ובכך משיג שיפור סינרגיסטי הן של סופרהידרופוביות והן של ביצועי ספיגה של מיקרוגל.
1. אפיון של מיקרוגל-סוכני ספיגה ומאפיינים אלקטרומגנטיים של ציפויים מרוכבים
במחקר זה, ננו-צינוריות פחמן הטרו-מבנה (CNT) עם מורפולוגיה סלילנית הוכנו מ-CO₂ בשיטת מלח{{0} מותכת ושימשו להחלפה חלקית של אבקת ברזל קרבוניל (CIP) בייצור של ציפויים סופגים למיקרוגל-מרוכבים. השילוב של CNTs לא רק הפחית את תכולת חומרי המילוי אלא גם שמר על יכולות אובדן מגנטי עקב הפרומגנטיות המובנית של הננו-צינוריות. יתרה מזאת, היווצרות רשת מוליכה רציפה, קיטוב משטחי בשפע ופיזור גלים אלקטרומגנטיים מרובים המושרה על ידי המבנה הסלילי ייעלו יחד את המאפיינים הדיאלקטריים, ובכך הקלו על בעיות אי-התאמת העכבה הנגרמות בדרך כלל מהקבוע הדיאלקטרי הגבוה של CIP טהור. מדידות פרמטרים אלקטרומגנטיים הוכיחו שהציפויים המרוכבים CNTs/CIP הציגו תכונות דיאלקטריות ומגנטיות מאוזנות, מה שמקל על התאמת עכבה יעילה והנחתת גלים אלקטרומגנטיים. בעובי של 1.3 מ"מ, הציפוי השיג רוחב פס ספיגה אפקטיבי (EAB) של 4.12 גיגה-הרץ ואובדן השתקפות מינימלי (RLₘᵢₙ) של −15.1 dB, מה שמפגין ביצועי ספיגת מיקרוגל מצוינים.
2. עיצוב סימולציה אלקטרומגנטית של מיקרו-מבנים
כדי לחקור את ההשפעה של מבנים מיקרו על ביצועי הציפוי, מחקר זה השתמש בתוכנת CST Studio Suite כדי לבצע סימולציות אלקטרומגנטיות על שני סוגים של מבנים מיקרוים תקופתיים: עמודים וחלת דבש. התוצאות מצביעות על כך שעומק התחריט משפיע באופן משמעותי על רפלקטיביות הציפוי, בעוד שלמימדים הרוחביים של המיקרו-מבנים (כגון רדיוס עמודים ומרווחים) יש השפעה מינורית יחסית על ביצועי קליטת הגלים.- הסיבה לכך היא שממדי המיקרו-מבנה קטנים בהרבה מאורכי הגל האלקטרומגנטיים בטווח התדרים 2-18 GHz, ומונעים היווצרות של השפעות הפרעות חזקות. תוצאות סימולציה מראות שהגדלת עומק הצריבה מסיטה הן את שיא הקליטה והן את רוחב הפס הקליטה האפקטיבי (EAB) לעבר תדרים גבוהים יותר מבלי לשנות באופן משמעותי את רוחב הפס עצמו. ממצאים אלו מספקים הנחיות חשובות לאופטימיזציה של פרמטרים מעשיים של תהליך תחריט: על ידי שליטה מתאימה בעומק הצריבה, ניתן להשיג תכונות סופר הידרופוביות תוך שמירה על ביצועי ספיגת הגל- המקוריים והמצוינים של הציפוי.
3. השפעת תחריט בלייזר על תכונות הספיגה ההידרופוביות והמיקרוגל- של הציפוי
מיקרו-מבנים דמויי עמודים תקופתיים-וכמו חלת דבש- יוצרו במדויק על משטח הציפוי באמצעות מכונת סימון לייזר UV פיקו-שניות. אפיון באמצעות SEM ומיקרוסקופיה תלת-ממדית אישר שחריטה בלייזר יכולה לבנות במדויק את המבנים המיקרו-מעוצבים; הבליטות החרוטות הציגו גבהים אחידים, והמבנים התקופתיים נותרו שלמים. בדיקות הרטבה גילו שזווית מגע המים של משטח הציפוי הטהור הייתה רק 71.5 מעלות, בעוד שזווית מגע המים על פני השטח של דגימה A1 הגיעה ל-151.2 מעלות לאחר חריטת עמודים -בלייזר, והדגימה סופרהידרופוביות מעולה. ניתוח של פרמטרים מבניים הצביע על כך שהמבנים הדומים ל-עמודים הציעו הידרופוביות מעולה בהשוואה למבנים דמויי חלת הדבש; ניתן היה להשיג מצב קאסי יציב-ולכן סופרהידרופוביות אמינה-כאשר יחס d/c היה מתחת ל-0.15 והגובה נפל בטווח של 100-180 מיקרומטר. יש לציין שההשפעה של תחריט לייזר על ביצועי קליטת המיקרוגל- הייתה זניחה. למעט מדגם B4, שהראה סטייה משמעותית עקב חריטת יתר, כל הדגימות האחרות שמרו על תכונות קליטת- מיקרוגל טובות. רוחבי הפס האפקטיביים (EAB) של דגימות A4 ו-B4 הגיעו ל-5.2 גיגה-הרץ ו-5.3 גיגה-הרץ, בהתאמה, והעלו על ביצועים אחרים שדווחו על ציפויים סופגי מיקרוגל- בעוביים מתחת ל-1.5 מ"מ. זה מוכיח שחריטת לייזר מאפשרת ייצור יעיל ומדויק של מבנים מיקרו-הידרופוביים תוך שמירה על ביצועי קליטת מיקרוגל.
מחקר זה פיתח אסטרטגיה פשוטה וניתנת לשליטה תוך שימוש בתחריט לייזר UV פיקו-שניות כדי לייצר במדויק מבנים מחזוריים על פני השטח של ציפויי פוליאוריטן מחוזקים CNTs/CIP, ובכך להשיג אופטימיזציה סינרגטית של הידרופוביות פני השטח וביצועי ספיגת מיקרוגל. הממצאים העיקריים הם כדלקמן: (1) מבנים עמודים חרוטים בלייזר- הגדילו את זווית מגע המים מ-71.5 מעלות ל-151.2 מעלות, מה שמאפשר סופרהידרופוביות ללא צורך בהפלרה נוספת; (2) בעובי של 1.3 מ"מ, הציפוי המיקרו-מבנה האופטימלי השיג רוחב פס ספיגה יעיל (EAB) של 5.3 GHz-הרחב ביותר שדווח עבור עובי זה- תוך שמירה מלאה על יכולת הספיגה הפנימית שלו במיקרוגל; (3) אסטרטגיה זו מאופיינת במגוון שלה, בעצמאות החומר ובדיוק הגבוה שלה, ומציעה אפשרויות מבטיחות לשדרוג מערכות קיימות מיקרוגל וליצור מכשירים משולבים רב-תכליתיים לסביבות לחות- גבוהה וקורוזיביות. מחקר עתידי יכול לחקור עוד יותר את האופטימיזציה של פרמטרי תחריט לייזר עבור מערכות מילוי שונות-סופגות מיקרוגל ולהרחיב את היישום של הטכנולוגיה לציפויים משולבים רב-תכליתיים להגנה חכמה והגנה אלקטרומגנטית.
