應(yīng)用 | 超疏水黑科技：5G天線罩防水革命，接觸角測(cè)量?jī)x精準(zhǔn)護(hù)航
第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）憑借其高數(shù)據(jù)速率、低時(shí)延和多路徑數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕊@著優(yōu)勢(shì)，已成為推動(dòng)社會(huì)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。截至2024年底，中國(guó)已建成約350萬(wàn)個(gè)5G基站，彰顯了其在全球5G領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。作為5G基站的核心組件，5G天線罩在保護(hù)天線系統(tǒng)免受復(fù)雜室外環(huán)境干擾、提升信號(hào)精度與可靠性以及延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等方面發(fā)揮著重要作用。然而，降雨期間，雨滴或天線罩表面形成的水膜會(huì)顯著干擾5G信號(hào)傳輸。由于水在25℃時(shí)介電常數(shù)高達(dá)約80，其吸收和反射電磁波的特性導(dǎo)致5G信號(hào)嚴(yán)重衰減。這一問(wèn)題不僅存在于5G基站，也是氣象雷達(dá)和軍用雷達(dá)等天線罩面臨的共同挑戰(zhàn)。
仿生超疏水涂層因其高水接觸角（CA > 150°）和低滑動(dòng)角（SA < 10°）的特性，在抗液體粘附、抑制液體擴(kuò)散及自清潔等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。因此，超疏水涂層被視為解決天線罩雨水衰減問(wèn)題的潛在方案。然而，天線罩長(zhǎng)期暴露于復(fù)雜的室外環(huán)境中，需承受雨滴沖擊、沙塵侵蝕、紫外線輻射、腐蝕性介質(zhì)、極端溫度變化、結(jié)冰融化以及降雪等多種嚴(yán)苛條件。因此，理想的5G/氣象天線罩防雨衰減超疏水涂層需具備卓越的抗穿刺性、機(jī)械強(qiáng)度和耐候性。然而，這些關(guān)鍵性能的實(shí)現(xiàn)極具挑戰(zhàn)性，成為制約超疏水涂層實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。
為了提高動(dòng)態(tài)超疏水性，通過(guò)相分離形成聚烯烴粘合劑（POA）微球，然后用合成的全氟癸基聚硅氧烷改性二氧化硅包裹微球，設(shè)計(jì)了一種懸浮液(fluoroPOS@silica)納米顆粒通過(guò)它們之間的粘附，避免了嵌入fluoroPOS@silicaPOA中的納米顆粒，因此保持低表面能；形成POA/fluoroPOS@silica具有核/殼結(jié)構(gòu)，即兩層分層微/納米結(jié)構(gòu)。此外，在噴涂過(guò)程中，非溶劑（乙醇）的蒸發(fā)速度比溶劑（乙酸丁酯）快，POA微球部分溶解并相互連接，導(dǎo)致POA微球聚集。因此，POA/fluoroPOS@silica涂層具有三層分級(jí)的微/微/納米結(jié)構(gòu)。
圖1.POA的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)超疏水性/fluoroPOS@silica涂層。POA的照片/fluoroPOS@silica涂層（a）有水滴（CA~165.1°），（b）在水中，（c）有水滴的沖擊/反彈。（d）高壓水噴射試驗(yàn)和（e）模擬降雨試驗(yàn)期間涂層CA和SA的變化。插圖顯示了測(cè)試過(guò)程。（d）和（e）中的數(shù)據(jù)顯示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=5
圖2.POA的機(jī)械堅(jiān)固性/fluoroPOS@silica涂層。POA中CA和SA的變化/fluoroPOS@silica在（a）往復(fù)磨損、（b）泰伯磨損和（c）膠帶剝離試驗(yàn)期間進(jìn)行涂層。
POA/fluoroPOS@silica根據(jù)往復(fù)砂紙磨損試驗(yàn)（2.3kPa載荷，1000目）、泰伯磨損試驗(yàn)（125g載荷，CS 10砂輪，ASTM D4060）和膠帶剝離試驗(yàn)（2.3kV載荷，3M膠帶，ASTM D3359），涂層具有優(yōu)異的機(jī)械堅(jiān)固性。在往復(fù)磨損試驗(yàn)中，最初的超疏水性在前50次循環(huán)中保持不變，然后略有下降。即使在300次循環(huán)（120米）后，涂層仍表現(xiàn)出良好的超疏水性（CA=159.9°，SA=7.5°）。在泰伯磨損試驗(yàn)中，涂層在前40次循環(huán)中保持了原始的超疏水性，在50次循環(huán)后仍表現(xiàn)出良好的超疏水性能（CA=161.0°，SA=4.8°）。在膠帶剝離試驗(yàn)中，涂層在前25次循環(huán)中保持了原始的超疏水性，然后在隨后的50次循環(huán)中逐漸下降到156.7°的CA和9.8°的SA。
為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員致力于開(kāi)發(fā)兼具高耐久性和多功能性的超疏水涂層材料。通過(guò)引入納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)涂層的機(jī)械強(qiáng)度，或采用自修復(fù)材料提升其耐候性。此外，結(jié)合智能傳感技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)涂層性能變化，也為延長(zhǎng)其使用壽命提供了新思路。未來(lái)，隨著材料科學(xué)與工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，超疏水涂層有望在5G通信、氣象監(jiān)測(cè)及軍事領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，為天線罩的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。
DSA-X Plus專家型接觸角測(cè)量?jī)x
由貝拓科學(xué)自主研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x，內(nèi)置五種分析算法，涵蓋全角度范圍測(cè)量，其中YoungLaplace擬合方法為貝拓獨(dú)家，針對(duì)120°以上角度具有更為精準(zhǔn)的測(cè)分析方法，尤其在150°甚至160°以上角度擬合效果更佳。
參考文獻(xiàn)[1]來(lái)源：Wei, J., Zhang, J., Cao, X. et al. Durable superhydrophobic coatings for prevention of rain attenuation of 5G/weather radomes. Nat Commun 14, 2862(2023). cc
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焦點(diǎn)事件
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焦點(diǎn)事件
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實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)
