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材料学院钟敏霖团队制备出超疏水抗结冰表面 达到超低冰粘附强度

2020年1月5日,龙虎押注技巧稳赢钟敏霖教授团队利用超快激光微纳制造结合化学氧化方法,制备出独特的三级微纳米结构超疏水表面,具有优异的超疏水稳定性和防结冰性能,其冰粘附强度最低为1.7 MPa,是目前国际已报道的最低冰粘附强度的超疏水防除冰表面,应用前景十分广阔。

结冰会对飞行安全带重大威胁,飞机结冰多次造成巨大的生命和财产损失。目前采用的防除冰方法包括热气、电加热、机械振动和化学流体等,往往存在能耗大、效率低、对环境不友好等问题。近年来,基于荷叶自清洁功能的超疏水表面被普遍认为是防除冰的发展方向。研究证明,超疏水表面的不沾水特性能有效延迟结冰、减少结冰面积和降低冰粘附强度。

超疏水表面的防除冰性能主要体现为防结冰性能和疏冰性能。防结冰性能是指液滴在结冰之前从超疏水表面脱离的能力,或者通过运动液滴的滚落与凝结液滴的合并诱导自弹跳脱离表面,或者是通过超疏水表面微纳结构中所捕获的空气囊的热阻效应,延迟液滴非均匀形核时间从而为液滴脱离表面争取足够的时间。这两种途径均需要超疏水表面具有良好的Cassie状态稳定性(Cassie状态稳定性指在外界环境因素的扰动下超疏水表面上水滴维持荷叶不沾水状态的难易程度)。否则,在降温、冲击、振动等外界条件影响下,液滴在超疏水表面上会发生由Cassie到Wenzel状态(玫瑰花瓣液滴粘滞状态)的转变,从而浸入表面微纳结构中,使表面粘附性增加,导致运动液滴或冷凝的液滴粘附在超疏水表面上,液滴难以在结冰之前脱离表面,失去防除冰性能,甚至起反作用。疏冰性能是指液滴在超疏水表面结冰以后,减弱冰与表面之间的粘附力,在风、自身重力或外加力场等外力作用下,冰脱离表面而达到易除冰的目的。虽然超疏水表面具有一定的防结冰性能,但是在极冷高湿等气象条件下,超疏水表面最终会丧失防结冰特性而形成积冰。因此,理想的疏冰表面是冰与表面的粘附强度足够低、可以在自身重力的作用下就能脱离表面。但是,目前已报道的疏冰超疏水表面的冰粘附强度一般都在50-100 kPa,冰难以自动脱离。其他的诸如低界面韧性表面、液体润滑表面所报道的冰粘附强度虽然也较低,但其实用性相比超疏水表面明显不足。


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图1 超快激光复合法制备的三级微纳超疏水表面结构


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图2 三级微纳超疏水表面的Cassie状态稳定性和防除冰性能表征


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图3 不同超疏水表面的疏冰性能:(a)结冰-除冰循环次数对三级微纳超疏水表面冰粘附强度的影响;(b)结冰-除冰循环次数对三级微纳超疏水表面冰附着强度的影响;(c)结冰-除冰循环次数对三级微纳超疏水表面接触角和滑动角的影响


钟敏霖团队采用超快激光复合化学氧化方法,制备了一类新的三级微纳超疏水表面结构,这类表面由微米锥阵列支撑结构以及在其上密集生长的金属氧化物纳米草结构和弥散分布的微米或亚微米花结构组合而成,有效提高了超疏水表面在高湿度环境下的Cassie状态稳定性,其临界拉普拉斯压力高达1450 Pa,为已报道最高稳定性的超疏水表面。微纳结构的粗糙度和级数是决定材料表面超疏水性的关键因素。在高湿度冷凝环境下,三级微纳超疏水表面上存在着分级冷凝和冷凝液滴的合并诱导自跳跃现象,微纳结构中凝结的二级小液滴不断并入表面上的一级冷凝液滴中,使一级液滴持续具有较好的Cassie状态稳定性,进而使超疏水表面即使在高湿度环境下也依然可使表面冷凝液滴发生合并诱导自跳跃,从而具有较好的防除冰性能。

对超疏水表面的疏冰性能测试结果表明,三级微纳铜合金疏水表面的冰粘附强度仅为1.7 kPa,冰在自身重力的作用下就可脱离表面。经过10次推冰测试后,该表面的冰粘附强度依然不高于10kPa,表明三级微纳超疏水表面具有较好的推冰机械耐久性。

超低冰粘附强度超疏水表面依靠自身的不沾水防冰性能和冰自动脱落的优异疏冰性能,可以在不消耗能量、不增加复杂结构的情况下提升防除冰能力、有效减缓结冰:,因而更具发展潜力,是目前本领域的热门方向。钟敏霖团队发展的方法,为超疏水防除冰表面的实际应用创造了良好条件。

相关研究成果已申请中国发明专利,学术论文“Triple-Scale Superhydrophobic Surface with Excellent Anti-Icing and Icephobic Performance via Ultrafast Laser Hybrid Fabrication”(超快激光复合制备三级微纳结构超疏水表面具备优异的抗结冰和疏冰性能)近日发表在知名期刊《美国化学学会应用材料与表面》(ACS Applied Materials & Interfaces上,该论文第一作者为材料学院博士后潘瑞,通讯作者为钟敏霖教授。

论文链接:

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c16259

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