应用|超疏水黑科技：5G天线罩防水革命，接触角测量仪精准护航

　　第五代移动通信技术（5G）凭借其高数据速率、低时延和多路径数据传输等显著优势，已成为推动社会数字化、网络化与智能化转型的关键基础设施。截至2024年底，中国已建成约350万个5G基站，彰显了其在全球5G领域的领先地位。作为5G基站的核心组件，5G天线罩在保护天线系统免受复杂室外环境干扰、提升信号精度与可靠性以及延长设备使用寿命等方面发挥着重要作用。然而，降雨期间，雨滴或天线罩表面形成的水膜会显著干扰5G信号传输。由于水在25℃时介电常数高达约80，其吸收和反射电磁波的特性导致5G信号严重衰减。这一问题不仅存在于5G基站，也是气象雷达和军用雷达等天线罩面临的共同挑战。

　　仿生超疏水涂层因其高水接触角（CA > 150°）和低滑动角（SA < 10°）的特性，在抗液体粘附、抑制液体扩散及自清洁等领域展现出广阔的应用前景。因此，超疏水涂层被视为解决天线罩雨水衰减问题的潜在方案。然而，天线罩长期暴露于复杂的室外环境中，需承受雨滴冲击、沙尘侵蚀、紫外线辐射、腐蚀性介质、极端温度变化、结冰融化以及降雪等多种严苛条件。因此，理想的5G/气象天线罩防雨衰减超疏水涂层需具备卓越的抗穿刺性、机械强度和耐候性。然而，这些关键性能的实现极具挑战性，成为制约超疏水涂层实际应用的瓶颈。

　　为了提高动态超疏水性，通过相分离形成聚烯烃粘合剂（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，设计了一种悬浮液(fluoroPOS@silica)纳米颗粒通过它们之间的粘附，避免了嵌入fluoroPOS@silicaPOA中的纳米颗粒，因此保持低表面能；形成POA/fluoroPOS@silica具有核/壳结构，即两层分层微/纳米结构。此外，在喷涂过程中，非溶剂（乙醇）的蒸发速度比溶剂（乙酸丁酯）快，POA微球部分溶解并相互连接，导致POA微球聚集。因此，POA/fluoroPOS@silica涂层具有三层分级的微/微/纳米结构。

图1.POA的静态和动态超疏水性/fluoroPOS@silica涂层。POA的照片/fluoroPOS@silica涂层（a）有水滴（CA~165.1°），（b）在水中，（c）有水滴的冲击/反弹。（d）高压水喷射试验和（e）模拟降雨试验期间涂层CA和SA的变化。插图显示了测试过程。（d）和（e）中的数据显示为平均值±标准差，n=5

图2.POA的机械坚固性/fluoroPOS@silica涂层。POA中CA和SA的变化/fluoroPOS@silica在（a）往复磨损、（b）泰伯磨损和（c）胶带剥离试验期间进行涂层。

　　POA/fluoroPOS@silica根据往复砂纸磨损试验（2.3kPa载荷，1000目）、泰伯磨损试验（125g载荷，CS 10砂轮，ASTM D4060）和胶带剥离试验（2.3kV载荷，3M胶带，ASTM D3359），涂层具有优异的机械坚固性。在往复磨损试验中，最初的超疏水性在前50次循环中保持不变，然后略有下降。即使在300次循环（120米）后，涂层仍表现出良好的超疏水性（CA=159.9°，SA=7.5°）。在泰伯磨损试验中，涂层在前40次循环中保持了原始的超疏水性，在50次循环后仍表现出良好的超疏水性能（CA=161.0°，SA=4.8°）。在胶带剥离试验中，涂层在前25次循环中保持了原始的超疏水性，然后在随后的50次循环中逐渐下降到156.7°的CA和9.8°的SA。

　　为应对这些挑战，研究人员致力于开发兼具高耐久性和多功能性的超疏水涂层材料。通过引入纳米结构增强涂层的机械强度，或采用自修复材料提升其耐候性。此外，结合智能传感技术，实时监测涂层性能变化，也为延长其使用寿命提供了新思路。未来，随着材料科学与工程技术的不断进步，超疏水涂层有望在5G通信、气象监测及军事领域发挥更大作用，为天线罩的长期稳定运行提供可靠保障。

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由贝拓科学自主研发设计生产的光学接触角测量仪，内置五种分析算法，涵盖全角度范围测量，其中YoungLaplace拟合方法为贝拓独家，针对120°以上角度具有更为精准的测分析方法，尤其在150°甚至160°以上角度拟合效果更佳。

　　参考文献[1]来源：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