科学家造出5G超疏水涂层，能避免5G天线罩/雷达罩的“雨衰效应”

2023-06-28 04:10:22 DeepTech

“在超疏水涂层的前期推广中，由于人们对于超疏水涂层的认知度普遍不高，导致推广处处碰壁。为此，我同事免费给企业科普超疏水涂层的知识，并且免费提供试用样品。后来，我们的涂层终于得到业界认可，也实现了超疏水涂层在 5G 天线罩/雷达罩防雨衰中的大面积实际应用。”中科院兰州化物究所研究员张俊平表示。

(资料图片仅供参考)

日前，他和团队造出一种超疏水涂层。除能用于上述领域之外，预计还能用于抗高粘液体粘附、防结冰、防腐蚀、自清洁等领域。

图| 张俊平（来源：张俊平）

当前，第五代（5G）移动通信技术已经成为支撑社会向数字化、网络化、智能化转型的重要基础设施。而 5G 技术的发展，依赖于大量的 5G 基站。

工信部统计数据显示，截至 2022 年底中国已建成 230 万个 5G 基站。5G 天线罩是 5G 基站的重要组成部分，承担着保护天线系统免受户外复杂环境的干扰、提高天线的精度和可靠性、以及延长天线的使用寿命等功能。

目前 5G 信号采用小于 6GHz 的频段，未来则将使用 30-300GHz 毫米波。因此，每当下雨的时候 5G 信号会发生明显的衰减也就是“雨衰效应”。

原因在于：在降雨过程之中天线罩表面形成的水滴或水膜，会吸收和反射大量电磁波，故会严重限制 5G 通信的发展。因此，如何避免雨水在 5G 天线罩表面形成水滴或水膜，是解决“雨衰效应”的关键所在。

凭借较高的水接触角（CA>150°）和较低的滚动角（SA<10°），仿生超疏水涂层在抗液体粘附和自清洁等领域具有广阔的应用前景。由此可见，它也非常有望用于 5G 天线罩表面，从而解决“雨衰效应”。

然而，5G 天线罩通常用于户外。众所周知，户外环境充满着复杂情况，例如连续的降雨、沙尘、紫外线、腐蚀性介质、高/低温、结冰/融化、下雪等。

因此，要想实现 5G 天线罩的防雨衰功能，理想的超疏水涂层应该兼具优异的耐压性、机械稳定性和耐候性。然而，很难在同一个涂层中实现三方面性能，这让超疏水涂层的实际应用遭遇了限制。

此前，张俊平课题组在该领域已经积累不少经验，关注到上述问题之后，他和团队开展了本研究，并通过和山东一家材料公司的合作，对现有涂层进行系统性改进，成功让超疏水涂层同时拥有优异的耐压性、机械稳定性和耐候性，并将其推广用于 5G 天线罩/雷达罩的防雨衰之中。

研究中，为了让这款材料兼具超疏水性和耐压性，课题组构筑了具有三级微/微/纳结构和致密的纳米结构。而为了实现机械稳定性，他们借助引入粘结剂的方式，设计了具有近似各向同性结构的涂层。为了实现耐候性，该团队选用化学惰性的材料来制备涂层。这种涂层在表面受损之后，所暴露出的新涂层仍然具有和原始涂层类似的性能。

但是在研究初期，初步制得的涂层与设计方案相差较远。当时主要存在两个问题：其一，低表面能纳米材料与粘结剂存在相容性问题；其二，引入粘结剂之后虽然可以提升涂层的机械强度，但是对于涂层的超疏水性和耐压性影响较大。

那段时间，课题组每天加班到凌晨，大家忙着重新调研文献、筛选大量的粘结剂、以及研究粘结剂的使用方法。

此外，他们每天开展大量的实验。功夫不负有心人，后来筛选出了真正适合这种涂层体系的粘结剂，并弄清楚了粘结剂的正确使用方法。

此后，课题组以超疏水性、耐压性、机械稳定性、防雨衰性能为指标，在对涂层进行优化之后，完成了最终成品的制备。

然而，成品的制备并不意味着研究的结束。接下来，则要对涂层喷涂液进行中试放大。由于工艺参数和放大规模不成比例，导致涂层性能出现下降。

为此，他们针对放大工艺设备和参数进行再优化，借此攻克了放大过程中的问题，获得了与实验室尺度涂层性能一样的大面积涂层及其喷涂液。

随后，他们再次优化工艺参数，让超疏水涂层喷涂液的工程化制备得以实现，进而实现了涂层的大面积制备。

最终，相关论文以《5G 天线罩/雷达罩防雨衰稳定超疏液涂层》（Durable superhydrophobic coatings for prevention of rain attenuation of 5G/weather radomes）为题发在 Nature Communications 上[1]，魏晋飞是第一作者，张俊平担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

未来，课题组将继续提高超疏液涂层的耐压性、机械稳定性和耐候性，以期实现 5-10 年的服役寿命。在具体实现方法上，将合成新的低表面能纳米材料、筛选新的粘结剂、对涂层的结构进行再设计、采用新的制备工艺进行涂层制备等。

回望张俊平的研究历程，他和中国西北有着深厚的情缘。早年，他在从中科院兰州化物所完成了硕博连读，在瑞士苏黎世大学完成博后研究之后，他以一名老师的身份再次加入兰州化物所。

20 年一路走来让张俊平有着如下感受：作为一名科研工作者，要致力于通过科研来解决问题。学生时代比较简单，主要是完成导师安排的课题，把自己的实验和论文弄好。成为一名老师之后，张俊平愈发体会到虽然科研工作者的细分研究领域有所不同，但是作为一名合格的科研工作者，都应该开展那些以问题为导向的研究，即努力去解决领域内的关键科学问题和技术瓶颈，避免低水平的重复、灌水，以及避免论文、专利、项目、奖励、“帽子”等的干扰。

参考资料：

1.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). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38678-0

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