En este estudio, se empleó tecnología de grabado láser de picosegundos UV para fabricar microestructuras periódicas en la superficie de recubrimientos absorbentes de microondas compuestos de nanotubos de carbono y polvo de carbonilo de hierro (CNT/CIP), logrando la optimización sinérgica de la superhidrofobicidad y el rendimiento de absorción de microondas. El grabado láser de microestructuras columnares aumentó el ángulo de contacto con el agua del recubrimiento de 71,5 grados a 151,2 grados y dio como resultado un ancho de banda de absorción efectivo (EAB) de 5,3 GHz con un espesor de 1,3 mm, lo que ofrece una estrategia técnica versátil y eficiente para mejorar la adaptabilidad ambiental de los recubrimientos absorbentes de microondas-.
Los recubrimientos absorbentes de microondas-desempeñan un papel indispensable en la supresión de firmas de radar, resistencia a interferencias de comunicación y mitigación de la contaminación electromagnética, lo que los hace ampliamente aplicables en los sectores aeroespacial y de defensa. La adaptabilidad ambiental de estos recubrimientos es crucial para la-estabilidad a largo plazo de su rendimiento de absorción de microondas-y se ha convertido en un cuello de botella clave que limita su aplicación en ingeniería. Lograr un equilibrio entre una absorción superior de microondas y la resistencia a la intemperie sigue siendo un desafío crítico en el campo. Las investigaciones recientes se han centrado principalmente en adaptar los agentes absorbentes de microondas-a las condiciones ambientales-por ejemplo, reemplazando parcialmente los agentes ferromagnéticos tradicionales con materiales que posean una mayor estabilidad fisicoquímica-o creando superficies hidrofóbicas para mejorar la resistencia general a la intemperie del recubrimiento. Sin embargo, los métodos convencionales a menudo tienen dificultades para optimizar simultáneamente la absorción de microondas y la hidrofobicidad, al tiempo que enfrentan problemas relacionados con procesamientos complejos y altos costos. Para abordar esto, el presente estudio emplea de manera innovadora el grabado con láser de picosegundos UV para fabricar con precisión microestructuras periódicas en la superficie de los recubrimientos compuestos absorbentes de microondas-de CNT/CIP, logrando así una mejora sinérgica tanto de la superhidrofobicidad como del rendimiento de absorción de microondas-.
1. Caracterización de los agentes absorbentes de microondas-y las propiedades electromagnéticas de los recubrimientos compuestos.
En este estudio, se prepararon nanotubos de carbono (CNT) heteroestructurados con una morfología helicoidal a partir de CO₂ utilizando un método de -sal fundida y se utilizaron para reemplazar parcialmente el polvo de carbonilo de hierro (CIP) en la fabricación de revestimientos compuestos absorbentes de microondas-. La incorporación de CNT no sólo redujo el contenido de relleno sino que también mantuvo las capacidades de pérdida magnética debido al ferromagnetismo inherente de los nanotubos. Además, la formación de una red conductora continua, la abundante polarización interfacial y la dispersión de múltiples ondas electromagnéticas inducidas por la estructura helicoidal optimizaron colectivamente las propiedades dieléctricas, aliviando así los problemas de desajuste de impedancia típicamente causados por la alta constante dieléctrica del CIP puro. Las mediciones de parámetros electromagnéticos demostraron que los recubrimientos compuestos CNT/CIP exhibían propiedades dieléctricas y magnéticas equilibradas, lo que facilitaba una adaptación efectiva de la impedancia y la atenuación de las ondas electromagnéticas. Con un espesor de 1,3 mm, el recubrimiento logró un ancho de banda de absorción efectivo (EAB) de 4,12 GHz y una pérdida de reflexión mínima (RLₘᵢₙ) de −15,1 dB, lo que demuestra un excelente rendimiento de absorción de microondas.
2. Diseño de simulación electromagnética de microestructuras.
Para investigar la influencia de las microestructuras en el rendimiento del recubrimiento, este estudio empleó el software CST Studio Suite para realizar simulaciones electromagnéticas en dos tipos de microestructuras periódicas: columnares y en forma de panal. Los resultados indican que la profundidad del grabado afecta significativamente la reflectividad del recubrimiento, mientras que las dimensiones laterales de las microestructuras (como el radio y el espaciado de los pilares) tienen un impacto relativamente menor en el rendimiento de absorción de ondas-. Esto se debe a que las dimensiones de la microestructura son mucho más pequeñas que las longitudes de onda electromagnéticas en el rango de frecuencia de 2 a 18 GHz, lo que evita la formación de fuertes efectos de interferencia. Los resultados de la simulación muestran que el aumento de la profundidad del grabado desplaza tanto el pico de absorción como el ancho de banda de absorción efectivo (EAB) hacia frecuencias más altas sin alterar significativamente el ancho de banda en sí. Estos hallazgos proporcionan una guía importante para optimizar los parámetros prácticos del proceso de grabado: al controlar adecuadamente la profundidad del grabado, es posible lograr propiedades superhidrófobas mientras se mantiene el excelente rendimiento de absorción de ondas-original del recubrimiento.
3. Efecto del grabado con láser sobre las propiedades hidrofóbicas y{1}}absorbentes de microondas del revestimiento
Se fabricaron con precisión microestructuras periódicas en forma de pilares-y de panal-en la superficie del recubrimiento utilizando una máquina de marcado láser UV de picosegundos. La caracterización mediante SEM y microscopía 3D confirmó que el grabado con láser podía construir con precisión las microestructuras diseñadas; las protuberancias grabadas exhibieron alturas uniformes y las estructuras periódicas permanecieron intactas. Las pruebas de humectabilidad revelaron que el ángulo de contacto con el agua de la prístina superficie del revestimiento era de solo 71,5 grados, mientras que el ángulo de contacto con el agua en la superficie de la muestra A1 alcanzó los 151,2 grados después de grabar con láser estructuras en forma de pilares, lo que demuestra una excelente superhidrofobicidad. El análisis de los parámetros estructurales indicó que las estructuras en forma de pilar-ofrecían una hidrofobicidad superior en comparación con las estructuras en forma de panal-; Se podía lograr un estado de Cassie estable-y, por lo tanto, una superhidrofobicidad confiable- cuando la relación d/c era inferior a 0,15 y la altura estaba dentro del rango de 100 a 180 μm. En particular, el impacto del grabado láser en el rendimiento de absorción de microondas-fue insignificante. Con la excepción de la muestra B4, que mostró una desviación significativa debido a un grabado excesivo, todas las demás muestras mantuvieron buenas propiedades de absorción de microondas. Los anchos de banda de absorción efectiva (EAB) de las muestras A4 y B4 alcanzaron 5,2 GHz y 5,3 GHz, respectivamente, superando a otros recubrimientos absorbentes de microondas- reportados con espesores inferiores a 1,5 mm. Esto demuestra que el grabado con láser permite la fabricación eficiente y precisa de microestructuras hidrófobas preservando al mismo tiempo el rendimiento de absorción de microondas.
Este estudio desarrolló una estrategia simple y controlable que utiliza grabado con láser de picosegundos UV para fabricar con precisión microestructuras periódicas en la superficie de recubrimientos de poliuretano reforzados con CNT/CIP-, logrando así la optimización sinérgica de la hidrofobicidad de la superficie y el rendimiento de la absorción de microondas. Los hallazgos clave son los siguientes: (1) Las microestructuras columnares grabadas con láser- aumentaron el ángulo de contacto con el agua de 71,5 grados a 151,2 grados, lo que permitió la superhidrofobicidad sin necesidad de fluoración adicional; (2) Con un espesor de 1,3 mm, el recubrimiento de microestructura optimizada logró un ancho de banda de absorción efectivo (EAB) de 5,3 GHz-el más amplio reportado para este espesor-al tiempo que conserva completamente su capacidad intrínseca de absorción de microondas; (3) Esta estrategia se caracteriza por su versatilidad, independencia de materiales y alta precisión, lo que ofrece perspectivas prometedoras para actualizar los sistemas de absorción de microondas existentes y fabricar dispositivos integrados multifuncionales para entornos corrosivos y de alta-humedad. Las investigaciones futuras podrían explorar más a fondo la optimización de los parámetros de grabado láser para varios sistemas de relleno absorbentes de microondas-y ampliar la aplicación de la tecnología a recubrimientos integrados multifuncionales para una protección electromagnética y sigilosa inteligente.
