編 者 按

覆冰是冬季的一種常見(jiàn)自然現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致 電力、能源、交通等工程領(lǐng)域面臨嚴(yán)重結(jié)/覆冰難題。在高寒及強(qiáng)風(fēng)沙地區(qū)的結(jié)/覆冰現(xiàn)象更加嚴(yán)重，如高速鐵路機(jī)車測(cè)速雷達(dá)及轉(zhuǎn)向架一旦覆冰，運(yùn)行安全性會(huì)大大降低。目前材料防結(jié)冰主要有兩種方法：構(gòu)筑超疏水表面和添加特殊材料。通過(guò)在粗糙表面上涂覆低表面能材料獲得的超疏水表面，由于好的防水性能和低的表面能，可以使水液滴有效去除，因此廣泛應(yīng)用于防結(jié)冰領(lǐng)域。但由于溫度降低導(dǎo)致的吸附和冷凝以及結(jié)冰除冰，超疏水表面會(huì)失去其超疏水性能。因此在防結(jié)冰應(yīng)用中仍面臨很大挑戰(zhàn)。常用涂層已經(jīng)不能滿足高寒、強(qiáng)風(fēng)沙等低溫惡劣環(huán)境下的使用要求, 如何應(yīng)對(duì)并減少表面覆冰已成為目前面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。下文介紹休斯頓大學(xué) Ghasemi 教授的科研轉(zhuǎn)化成果--下一代防結(jié)冰涂料技術(shù)，堪稱lab to market 的典范，值得國(guó)內(nèi)科研人員學(xué)習(xí)。

休斯頓大學(xué)

在美國(guó)，冰雪天氣每年造成數(shù)十億美元的損失，包括與航空旅行、基礎(chǔ)設(shè)施、發(fā)電和輸電設(shè)施有關(guān)的延誤和破壞。冰能夠頑固堅(jiān)韌的附著在涂層上，因此尋找有效的、耐用的和環(huán)境穩(wěn)定的防結(jié)冰材料有一定的困難。防冰表面在包括基礎(chǔ)設(shè)施、交通和能源在內(nèi)的廣泛系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。在寒冷的氣候下，積冰可能導(dǎo)致代價(jià)高昂的事件：電線倒塌，危及人們的生命，航空系統(tǒng)故障，機(jī)場(chǎng)延誤，以及海洋和無(wú)人駕駛飛行器的功能喪失。目前許多系統(tǒng)依靠人工主動(dòng)除冰技術(shù)，大多數(shù)防結(jié)冰涂料不足以滿足各行業(yè)的高要求。

防結(jié)冰涂層示意圖（圖片來(lái)源于休斯頓大學(xué)官網(wǎng)）

休斯頓大學(xué)的研究人員報(bào)告了一種新的物理理論，叫做應(yīng)力定位，他們用它來(lái)調(diào)整和預(yù)測(cè)新材料的特性。研究人員在“材料地平線”雜志上報(bào)道，基于這些預(yù)測(cè)，他們已經(jīng)發(fā)明了一種耐久的有機(jī)硅聚合物涂層，能夠抵御任何表面的冰。他們寫道：“我們開(kāi)發(fā)了一種新的物理概念和相應(yīng)的防結(jié)冰材料，這種材料在長(zhǎng)期的機(jī)械、化學(xué)和環(huán)境耐久性方面表現(xiàn)出極低的結(jié)冰附著力。”

 Hadi Ghasemi  （圖片來(lái)源于休斯頓大學(xué)官網(wǎng)）

卡倫工程學(xué)院機(jī)械工程助理教授Hadi Ghasemi, Bill D. Cook  為這項(xiàng)工作的負(fù)責(zé)人，他說(shuō)這些發(fā)現(xiàn)提出了一種方法，來(lái)規(guī)避尋找新材料各種嘗試和錯(cuò)誤，從而推動(dòng)材料科學(xué)向以物理驅(qū)動(dòng)為方法的方向轉(zhuǎn)變。他說(shuō)：“你把你想要的材料性能，這個(gè)理論方法將會(huì)告訴你，你需要合成什么樣的材料。”他指出，這個(gè)概念也可以用來(lái)預(yù)測(cè)具有極好的抗菌或具有其他理想性能的材料。此前曾報(bào)道Ghasemi開(kāi)發(fā)過(guò)幾種新的抗寒材料，但他表示，與現(xiàn)存其他材料一樣，這些材料目前無(wú)法完全克服冰附著在表面的問(wèn)題，以及機(jī)械和環(huán)境耐久性問(wèn)題。他說(shuō)，相反的，使用應(yīng)力定位的新理論可以使新材料得以避免上述缺陷。

2017年休斯敦大學(xué)的Hadi Ghasemi教授在其實(shí)驗(yàn)室技術(shù)基礎(chǔ)上成立了SurfEllent公司，專注于防結(jié)冰涂料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。SurfEllent公司的專利涂料在許多不同的行業(yè)都很有用，目前正在不斷探索新的合作伙伴關(guān)系和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)機(jī)會(huì)。SurfEllent的被動(dòng)涂層系統(tǒng)代表了防冰性能的進(jìn)一步升級(jí)，在惡劣的環(huán)境條件下(溫度、化學(xué)和紫外線暴露、磨損)具有極低的結(jié)冰附著力和非凡的耐久性。防結(jié)冰表面在高剪切流動(dòng)下是非常穩(wěn)定的，具有廣泛的溫度范圍，同時(shí)顯示出不粘的特性。在嚴(yán)酷的戶外應(yīng)用中，這些涂層顯示出了優(yōu)異的防結(jié)冰性能和長(zhǎng)期的耐久性。

這種材料可以通過(guò)噴涂施工在任何材料表面使用。Ghasemi說(shuō)，測(cè)試表明，這種材料不僅機(jī)械耐用，不受紫外線的影響--對(duì)于經(jīng)常遭受太陽(yáng)照射的飛機(jī)來(lái)說(shuō)，紫外線非常重要--而且也不會(huì)改變飛機(jī)的空氣動(dòng)力性能。測(cè)試表明，它可以提供持續(xù)10年以上的防護(hù)而不需要重涂。它還能防止在寒冷氣候下樓梯和人行道上常見(jiàn)的堅(jiān)硬、光滑的冰層的形成，就像特氟龍鍋一樣，冰很難粘在上面 。這在航空、能源（發(fā)電、輸電、石油和天然氣）以及海洋工業(yè)中都有應(yīng)用，可以減少?gòu)年P(guān)鍵表面除冰的復(fù)雜性。