南航《Nature》子刊：通過操控界面氣流實(shí)現(xiàn)超疏水材料表面高效防冰的目的
2024-02-29 14:32:29
作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng)
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近日，材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院柔性成形技術(shù)及裝備團(tuán)隊(duì)表面柔性加工方向陶杰教授和沈一洲教授在Nature Communications期刊發(fā)表了一篇題為“An energy-free strategy to elevate anti-icing performance of superhydrophobic materials through interfacial airflow manipulation”的研究論文，論文第一作者為江家威博士后，陶杰教授和沈一洲教授為通訊作者。該論文提出一種通過操控界面氣流提升超疏水材料防冰性能的策略，可以在降低來流過冷液滴與表面的接觸概率的同時(shí)延長液滴結(jié)冰形核時(shí)間，進(jìn)而在不依賴額外能量輸入的情況下突破當(dāng)前超疏水材料的防冰性能極限，顯著擴(kuò)大了超疏水材料在防冰領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。當(dāng)前，超疏水材料因其獨(dú)特的非潤濕特性在防除冰領(lǐng)域獲得了廣泛的認(rèn)可。然而，在實(shí)際的飛行器服役環(huán)境中，超疏水材料的防冰能力已經(jīng)逐漸趨于極限。盡管研究人員針對性地提出了光熱-超疏水防冰技術(shù)方案，光照條件的不穩(wěn)定性仍然限制了超疏水被動(dòng)防冰技術(shù)的應(yīng)用。受外場輔助超疏水材料防冰思路的啟發(fā)，陶杰和沈一洲教授團(tuán)隊(duì)提出了一種利用飛行過程中固有的外在風(fēng)場輔助提升超疏水表面防冰效率的策略，即通過設(shè)計(jì)構(gòu)建兼具氣動(dòng)特性和疏水特性的微結(jié)構(gòu)陣列，操控近壁面氣流運(yùn)動(dòng)，在降低來流液滴與表面的接觸概率的同時(shí)延緩了液滴結(jié)冰形核過程，顯著降低表面覆冰量。該方法無需額外的能量輸入，且不依賴于特定的疏水材料體系，具備大面積制備潛力，有望突破傳統(tǒng)超疏水材料在實(shí)際服役條件下的防冰性能極限，進(jìn)而降低飛機(jī)飛行過程中的結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)。圖 1 基于高速來流環(huán)境的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備及性能驗(yàn)證研究團(tuán)隊(duì)針對高速來流條件進(jìn)行微結(jié)構(gòu)減阻性能模擬計(jì)算，證實(shí)壓差阻力隨結(jié)構(gòu)高度的增加而不斷提升，而過高的總阻力主要是由于粘性阻力的降低逐漸難以補(bǔ)償壓差阻力的增長引起的。此外，結(jié)構(gòu)角度的提升同樣導(dǎo)致了壓差阻力的增加，而粘性阻力則在30°角度出現(xiàn)了峰值。對該角度的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，微結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部保留了大量低速流體，有效降低了近壁面的速度梯度。結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微型渦旋以“滾動(dòng)軸承”的形式減少了流體與壁面的接觸，同時(shí)，微型渦旋帶來的反向速度梯度為表面提供了一個(gè)反向推力，從而降低了表面粘性阻力。隨后，基于航空用2024鋁合金制備了相應(yīng)微結(jié)構(gòu)表面并進(jìn)行了減阻性能測試，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備的可靠性。圖 2 減阻-疏水分級(jí)結(jié)構(gòu)表面的潤濕性評(píng)價(jià)與成分分析研究團(tuán)隊(duì)通過一步電沉積工藝將硬脂酸鈰均勻覆蓋于減阻微結(jié)構(gòu)陣列，獲得了不影響氣動(dòng)性能的超疏水表面。表面形貌分析結(jié)果顯示沉積表面主要由一系列寬度約為50 nm的交錯(cuò)納米棒組成的花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)組成，該結(jié)構(gòu)具有高孔隙率，可以更大程度保留空氣，從而使得該表面具有更高的疏水性能（接觸角約170°，滾動(dòng)角約為 1.7°）。值得注意的是，由于表面存在獨(dú)特的減阻微結(jié)構(gòu)陣列，液滴更傾向于沿微結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)方向滾動(dòng)，表明超疏水表面的非潤濕性具有各向異性。基于FTIR、XPS、GIXRD等化學(xué)成分分析表征手段，可以判定復(fù)合結(jié)構(gòu)表面提供超疏水性能的化學(xué)成分為[CH3(CH2)16COO]3Ce。圖 3 不同尺度液滴的靜態(tài)結(jié)冰延遲行為評(píng)價(jià)對于較大尺寸的液滴（直徑~2.23 mm）而言，微結(jié)構(gòu)角度為30°（A-30）的試樣在-20 ℃條件下呈現(xiàn)出較為優(yōu)異的防冰能力（液滴延遲結(jié)冰時(shí)間為1381s）。盡管表面能的降低會(huì)增加水分子的形核能壘，但是表面結(jié)構(gòu)在液滴結(jié)冰延遲過程中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。較高的結(jié)構(gòu)角度在表面捕獲了更多的空氣，造成了更大的界面熱阻，抑制了結(jié)晶潛熱向表面釋放，從而延遲了冰的形核和生長過程。同時(shí)，固-液界面處水分子結(jié)晶潛熱的釋放阻礙了冰在界面處的生長，導(dǎo)致冰和水之間出現(xiàn)干燥區(qū)，同樣降低了液滴和表面之間的傳熱效率，有助于提升超疏水表面的防冰性能。然而，過高的結(jié)構(gòu)角度帶來了更多的固-液界面，反而削弱了表面的延遲結(jié)冰效應(yīng)。對于微小液滴而言（直徑~20 μm），經(jīng)超疏水處理的A-30試樣在-20℃~-40℃環(huán)境中均保持著更少的積冰量。考慮到未經(jīng)疏水處理試樣呈現(xiàn)出的結(jié)冰傾向，可以推斷結(jié)構(gòu)角度對表面液滴形核行為具有更為顯著的影響。圖 4 靜態(tài)結(jié)冰過程的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算為深入探究微結(jié)構(gòu)角度和表面能對結(jié)冰行為的影響規(guī)律，研究團(tuán)隊(duì)通過分子動(dòng)力學(xué)模擬分析不同結(jié)構(gòu)表面水分子的形核過程。對于純鋁基體而言，A-30表面的形核時(shí)間最短，僅為69.8 ns，而平面模型表面的結(jié)冰形核時(shí)間高達(dá)88.7 ns。當(dāng)表面能逐漸降低時(shí)，A-30表面的形核時(shí)間急劇增加，超疏水條件下 A-30表面的形核時(shí)間延長至91 ns，甚至高于相同條件下的無結(jié)構(gòu)表面，證實(shí)特定的結(jié)構(gòu)角度可以進(jìn)一步放大低能表面的防冰效果。由于結(jié)冰過程本質(zhì)上是水分子規(guī)則排列的過程，能夠誘導(dǎo)水分子呈相同取向分布的表面具有一定的形核促進(jìn)能力。相關(guān)的形核過程分析表明，A-30表面的水分子在降溫過程中未曾觀測到任何取向一致的水分子結(jié)構(gòu)。因此，可以推斷，這種破壞了冰晶生長慣性引起多取向結(jié)冰的行為迫使冰晶在受限空間內(nèi)部不斷調(diào)整形核生長方位，延遲了形核過程。同時(shí)，30°的特定角度引起的冰與基底之間的空間失配促進(jìn)了具有更高能壘的立方冰的形核和生長，致使形核過程受到抑制。圖 5 基于 CFD 計(jì)算的來流條件下微小液滴運(yùn)動(dòng)行為分析考慮到飛行器實(shí)際服役環(huán)境中面臨的大量微小液滴，研究團(tuán)隊(duì)采用 Fluent- Icing方法預(yù)測了微小液滴的結(jié)冰行為。結(jié)果顯示，與平板表面不同，A-30陣列結(jié)構(gòu)表面的熱通量沿來流方向逐漸降低，甚至在結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在來自于微型渦旋與壁面摩擦產(chǎn)生的反向傳熱。此外液態(tài)水含量（LWC）分析表明，結(jié)構(gòu)表面的低LWC條帶隨來流方向的延伸而逐漸上揚(yáng)，且結(jié)構(gòu)內(nèi)部的 LWC 始終維持在極低的水平。因此，可以推斷微結(jié)構(gòu)陣列抬升了近壁面的低速流體，致使含有微小液滴的高速來流運(yùn)動(dòng)受到限制。由于微小液滴在低速流體中的運(yùn)動(dòng)存在滯后性，微結(jié)構(gòu)的存在顯著減少了液滴在結(jié)構(gòu)上方的分布。值得注意的是，液滴收集系數(shù)曲線在首個(gè)結(jié)構(gòu)單元上出現(xiàn)峰值，結(jié)合結(jié)冰分布結(jié)果，可以認(rèn)為微觀結(jié)構(gòu)表面的冰層主要集中在微結(jié)構(gòu)陣列的前端，且隨來流方向逐漸減少直至消失。圖 6 基于結(jié)冰風(fēng)洞環(huán)境的復(fù)合結(jié)構(gòu)結(jié)冰行為分析基于上述計(jì)算結(jié)果，將超疏水 A-30表面置于結(jié)冰風(fēng)洞進(jìn)行測試，結(jié)果顯示表面積冰隨來流方向逐漸降低，且10 min內(nèi)的結(jié)冰質(zhì)量較超疏水平板表面降低了40%以上。與超疏水平板表面相比，該試樣表面在-20℃下仍可以觀測到微小液滴的撞擊彈離行為。考慮到微小液滴的運(yùn)動(dòng)行為主要由氣流控制，受慣性和重力的影響較小，可以認(rèn)為平板表面近壁面的低速流場難以提供液滴彈離表面的驅(qū)動(dòng)力，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的微型渦旋則有助于液滴的脫離。因此，該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，結(jié)構(gòu)表面因結(jié)構(gòu)氣動(dòng)特征引發(fā)的上升氣流和超疏水微納結(jié)構(gòu)提供的液滴自驅(qū)離效應(yīng)共同降低了超疏水表面的結(jié)冰概率。此外，具有特定角度的低能微結(jié)構(gòu)表面可以有效延緩結(jié)冰形核過程，為微小液滴的彈離提供了更多的時(shí)間。這種通過操控界面氣流提升超疏水材料防冰性能的通用策略，在不同的攻角條件下均表現(xiàn)出了一定的效果，體現(xiàn)出了廣泛的環(huán)境適用性。該方法不限制于特定的疏水材料體系，有望擴(kuò)展到復(fù)雜曲面，具有全天候、大規(guī)模的應(yīng)用潛力，為進(jìn)一步提升常規(guī)超疏水材料的防冰性能提供了全新的解決方案。
這項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金和江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目的支持。
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