清華大學團隊製備出超疏水抗結冰表面

2021-01-09 騰訊網

清華大學1月5日宣布，材料學院鍾敏霖教授團隊利用超快雷射微納製造結合化學氧化方法，製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，是目前國際已報導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。目前採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，基於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。

鍾敏霖團隊採用超快雷射複合化學氧化方法，製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溼度環境下的Cassie狀態穩定性，其臨界拉普拉斯壓力高達1450 Pa，為已報導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。在高溼度冷凝環境下，三級微納超疏水表面上存在著分級冷凝和冷凝液滴的合併誘導自跳躍現象，微納結構中凝結的二級小液滴不斷併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溼度環境下也依然可使表面冷凝液滴發生合併誘導自跳躍，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次推冰測試後，該表面的冰粘附強度依然不高於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、不增加複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。鍾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。

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