材料學(xué)院鐘敏霖團(tuán)隊(duì)制備出超疏水抗結(jié)冰表面 達(dá)到超低冰粘附強(qiáng)度
2020年1月5日，清華大學(xué)材料學(xué)院鐘敏霖教授團(tuán)隊(duì)利用超快激光微納制造結(jié)合化學(xué)氧化方法，制備出獨(dú)特的三級(jí)微納米結(jié)構(gòu)超疏水表面，具有優(yōu)異的超疏水穩(wěn)定性和防結(jié)冰性能，其冰粘附強(qiáng)度最低為1.7 MPa，是目前國(guó)際已報(bào)道的最低冰粘附強(qiáng)度的超疏水防除冰表面，應(yīng)用前景十分廣闊。
結(jié)冰會(huì)對(duì)飛行安全帶重大威脅，飛機(jī)結(jié)冰多次造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。目前采用的防除冰方法包括熱氣、電加熱、機(jī)械振動(dòng)和化學(xué)流體等，往往存在能耗大、效率低、對(duì)環(huán)境不友好等問(wèn)題。近年來(lái)，基于荷葉自清潔功能的超疏水表面被普遍認(rèn)為是防除冰的發(fā)展方向。研究證明，超疏水表面的不沾水特性能有效延遲結(jié)冰、減少結(jié)冰面積和降低冰粘附強(qiáng)度。
超疏水表面的防除冰性能主要體現(xiàn)為防結(jié)冰性能和疏冰性能。防結(jié)冰性能是指液滴在結(jié)冰之前從超疏水表面脫離的能力，或者通過(guò)運(yùn)動(dòng)液滴的滾落與凝結(jié)液滴的合并誘導(dǎo)自彈跳脫離表面，或者是通過(guò)超疏水表面微納結(jié)構(gòu)中所捕獲的空氣囊的熱阻效應(yīng)，延遲液滴非均勻形核時(shí)間從而為液滴脫離表面爭(zhēng)取足夠的時(shí)間。這兩種途徑均需要超疏水表面具有良好的Cassie狀態(tài)穩(wěn)定性（Cassie狀態(tài)穩(wěn)定性指在外界環(huán)境因素的擾動(dòng)下超疏水表面上水滴維持荷葉不沾水狀態(tài)的難易程度）。否則，在降溫、沖擊、振動(dòng)等外界條件影響下，液滴在超疏水表面上會(huì)發(fā)生由Cassie到Wenzel狀態(tài)（玫瑰花瓣液滴粘滯狀態(tài)）的轉(zhuǎn)變，從而浸入表面微納結(jié)構(gòu)中，使表面粘附性增加，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)液滴或冷凝的液滴粘附在超疏水表面上，液滴難以在結(jié)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(jié)冰以后，減弱冰與表面之間的粘附力，在風(fēng)、自身重力或外加力場(chǎng)等外力作用下，冰脫離表面而達(dá)到易除冰的目的。雖然超疏水表面具有一定的防結(jié)冰性能，但是在極冷高濕等氣象條件下，超疏水表面最終會(huì)喪失防結(jié)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(qiáng)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(bào)道的疏冰超疏水表面的冰粘附強(qiáng)度一般都在50-100 kPa，冰難以自動(dòng)脫離。其他的諸如低界面韌性表面、液體潤(rùn)滑表面所報(bào)道的冰粘附強(qiáng)度雖然也較低，但其實(shí)用性相比超疏水表面明顯不足。
圖1 超快激光復(fù)合法制備的三級(jí)微納超疏水表面結(jié)構(gòu)
圖2 三級(jí)微納超疏水表面的Cassie狀態(tài)穩(wěn)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(jié)冰-除冰循環(huán)次數(shù)對(duì)三級(jí)微納超疏水表面冰粘附強(qiáng)度的影響;(b)結(jié)冰-除冰循環(huán)次數(shù)對(duì)三級(jí)微納超疏水表面冰附著強(qiáng)度的影響;(c)結(jié)冰-除冰循環(huán)次數(shù)對(duì)三級(jí)微納超疏水表面接觸角和滑動(dòng)角的影響
鐘敏霖團(tuán)隊(duì)采用超快激光復(fù)合化學(xué)氧化方法，制備了一類(lèi)新的三級(jí)微納超疏水表面結(jié)構(gòu)，這類(lèi)表面由微米錐陣列支撐結(jié)構(gòu)以及在其上密集生長(zhǎng)的金屬氧化物納米草結(jié)構(gòu)和彌散分布的微米或亞微米花結(jié)構(gòu)組合而成，有效提高了超疏水表面在高濕度環(huán)境下的Cassie狀態(tài)穩(wěn)定性，其臨界拉普拉斯壓力高達(dá)1450 Pa，為已報(bào)道最高穩(wěn)定性的超疏水表面。微納結(jié)構(gòu)的粗糙度和級(jí)數(shù)是決定材料表面超疏水性的關(guān)鍵因素。在高濕度冷凝環(huán)境下，三級(jí)微納超疏水表面上存在著分級(jí)冷凝和冷凝液滴的合并誘導(dǎo)自跳躍現(xiàn)象，微納結(jié)構(gòu)中凝結(jié)的二級(jí)小液滴不斷并入表面上的一級(jí)冷凝液滴中，使一級(jí)液滴持續(xù)具有較好的Cassie狀態(tài)穩(wěn)定性，進(jìn)而使超疏水表面即使在高濕度環(huán)境下也依然可使表面冷凝液滴發(fā)生合并誘導(dǎo)自跳躍，從而具有較好的防除冰性能。
對(duì)超疏水表面的疏冰性能測(cè)試結(jié)果表明，三級(jí)微納銅合金疏水表面的冰粘附強(qiáng)度僅為1.7 kPa，冰在自身重力的作用下就可脫離表面。經(jīng)過(guò)10次推冰測(cè)試后，該表面的冰粘附強(qiáng)度依然不高于10kPa，表明三級(jí)微納超疏水表面具有較好的推冰機(jī)械耐久性。
超低冰粘附強(qiáng)度超疏水表面依靠自身的不沾水防冰性能和冰自動(dòng)脫落的優(yōu)異疏冰性能，可以在不消耗能量、不增加復(fù)雜結(jié)構(gòu)的情況下提升防除冰能力、有效減緩結(jié)冰危害，因而更具發(fā)展?jié)摿?，是目前本領(lǐng)域的熱門(mén)方向。鐘敏霖團(tuán)隊(duì)發(fā)展的方法，為超疏水防除冰表面的實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。
相關(guān)研究成果已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，學(xué)術(shù)論文“Triple-Scale Superhydrophobic Surface with Excellent Anti-Icing and Icephobic Performance via Ultrafast Laser Hybrid Fabrication”（超快激光復(fù)合制備三級(jí)微納結(jié)構(gòu)超疏水表面具備優(yōu)異的抗結(jié)冰和疏冰性能）近日發(fā)表在知名期刊《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)應(yīng)用材料與表面》（ACS Applied Materials & Interfaces）上，該論文第一作者為材料學(xué)院博士后潘瑞，通訊作者為鐘敏霖教授。
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