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清華大學鐘敏霖團隊：超疏水抗結冰表面，達到超低冰粘附強度

2021-01-07 10:52:45 作者：本網整理來源：高分子科學前沿分享至：

近日，清華大學材料學院鐘敏霖教授團隊利用超快激光微納制造結合化學氧化方法，制備出獨特的三級微納米結構超疏水表面，具有優異的超疏水穩定性和防結冰性能，其冰粘附強度最低為1.7MPa，是目前國際已報道的最低冰粘附強度的超疏水防除冰表面，應用前景十分廣闊。

結冰會對飛行安全帶重大威脅，飛機結冰多次造成巨大的生命和財產損失。目前采用的防除冰方法包括熱氣、電加熱、機械振動和化學流體等，往往存在能耗大、效率低、對環境不友好等問題。近年來，基于荷葉自清潔功能的超疏水表面被普遍認為是防除冰的發展方向。研究證明，超疏水表面的不沾水特性能有效延遲結冰、減少結冰面積和降低冰粘附強度。

超疏水表面的防除冰性能主要體現為防結冰性能和疏冰性能。防結冰性能是指液滴在結冰之前從超疏水表面脫離的能力，或者通過運動液滴的滾落與凝結液滴的合并誘導自彈跳脫離表面，或者是通過超疏水表面微納結構中所捕獲的空氣囊的熱阻效應，延遲液滴非均勻形核時間從而為液滴脫離表面爭取足夠的時間。這兩種途徑均需要超疏水表面具有良好的Cassie狀態穩定性（Cassie狀態穩定性指在外界環境因素的擾動下超疏水表面上水滴維持荷葉不沾水狀態的難易程度）。否則，在降溫、沖擊、振動等外界條件影響下，液滴在超疏水表面上會發生由Cassie到Wenzel狀態（玫瑰花瓣液滴粘滯狀態）的轉變，從而浸入表面微納結構中，使表面粘附性增加，導致運動液滴或冷凝的液滴粘附在超疏水表面上，液滴難以在結冰之前脫離表面，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結冰以后，減弱冰與表面之間的粘附力，在風、自身重力或外加力場等外力作用下，冰脫離表面而達到易除冰的目的。雖然超疏水表面具有一定的防結冰性能，但是在極冷高濕等氣象條件下，超疏水表面最終會喪失防結冰特性而形成積冰。因此，理想的疏冰表面是冰與表面的粘附強度足夠低、可以在自身重力的作用下就能脫離表面。但是，目前已報道的疏冰超疏水表面的冰粘附強度一般都在50-100kPa，冰難以自動脫離。其他的諸如低界面韌性表面、液體潤滑表面所報道的冰粘附強度雖然也較低，但其實用性相比超疏水表面明顯不足。

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圖1 超快激光復合法制備的三級微納超疏水表面結構

圖2 三級微納超疏水表面的Cassie狀態穩定性和防除冰性能表征

圖3 不同超疏水表面的疏冰性能：（a）結冰-除冰循環次數對三級微納超疏水表面冰粘附強度的影響；（b）結冰-除冰循環次數對三級微納超疏水表面冰附著強度的影響；（c）結冰-除冰循環次數對三級微納超疏水表面接觸角和滑動角的影響

鐘敏霖團隊采用超快激光復合化學氧化方法，制備了一類新的三級微納超疏水表面結構，這類表面由微米錐陣列支撐結構以及在其上密集生長的金屬氧化物納米草結構和彌散分布的微米或亞微米花結構組合而成，有效提高了超疏水表面在高濕度環境下的Cassie狀態穩定性，其臨界拉普拉斯壓力高達1450 Pa，為已報道最高穩定性的超疏水表面。微納結構的粗糙度和級數是決定材料表面超疏水性的關鍵因素。在高濕度冷凝環境下，三級微納超疏水表面上存在著分級冷凝和冷凝液滴的合并誘導自跳躍現象，微納結構中凝結的二級小液滴不斷并入表面上的一級冷凝液滴中，使一級液滴持續具有較好的Cassie狀態穩定性，進而使超疏水表面即使在高濕度環境下也依然可使表面冷凝液滴發生合并誘導自跳躍，從而具有較好的防除冰性能。

對超疏水表面的疏冰性能測試結果表明，三級微納銅合金疏水表面的冰粘附強度僅為1.7kPa，冰在自身重力的作用下就可脫離表面。經過10次推冰測試后，該表面的冰粘附強度依然不高于10kPa，表明三級微納超疏水表面具有較好的推冰機械耐久性。

超低冰粘附強度超疏水表面依靠自身的不沾水防冰性能和冰自動脫落的優異疏冰性能，可以在不消耗能量、不增加復雜結構的情況下提升防除冰能力、有效減緩結冰危害，因而更具發展潛力，是目前本領域的熱門方向。鐘敏霖團隊發展的方法，為超疏水防除冰表面的實際應用創造了良好條件。

相關研究成果已申請中國發明專利，學術論文“Triple-Scale Superhydrophobic Surface with Excellent Anti-Icing and Icephobic Performance via Ultrafast Laser Hybrid Fabrication”（超快激光復合制備三級微納結構超疏水表面具備優異的抗結冰和疏冰性能）近日發表在知名期刊《美國化學學會應用材料與表面》（ACS Applied Materials & Interfaces）上，該論文第一作者為材料學院博士后潘瑞，通訊作者為鐘敏霖教授。

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