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西南科大李國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)《ACS Nano》:用于高效防/除冰的仿白車軸草超低冰粘附表面
2023-11-02  來(lái)源:高分子科技
關(guān)鍵詞:冰粘附 仿生 疏冰表面

  近日,西南科技大學(xué)制造過(guò)程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微納仿生制造團(tuán)隊(duì)李國(guó)強(qiáng)教授與中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心劉森云研究員、中南大學(xué)銀愷教授合作,設(shè)計(jì)出一種具有超低冰粘附強(qiáng)度的仿白車軸草結(jié)構(gòu)高效疏冰表面(ISAl,并以“Trifolium repens L.-Like Periodic Micronano Structured Superhydrophobic Surface with Ultralow Ice Adhesion for Efficient Anti-Icing/Deicing”為題,發(fā)表于國(guó)際高影響力期刊《ACS Nano》(SCI一區(qū),Nature Index期刊,IF17.10)。該研究工作是團(tuán)隊(duì)在ACS系列的重大突破,也是學(xué)校雙一流學(xué)科建設(shè)的階段性研究成果。西南科技大學(xué)博士生軒森森為論文第一作者,通訊作者為李國(guó)強(qiáng)教授,劉森云研究員以及銀愷教授。



  風(fēng)力發(fā)電在國(guó)家能源體系中占據(jù)重要地位,然而風(fēng)機(jī)在寒冷和高濕環(huán)境下持續(xù)運(yùn)行時(shí),葉片不可避免地會(huì)產(chǎn)生覆冰現(xiàn)象,對(duì)機(jī)組的發(fā)電效率和使用壽命造成不利影響。傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)葉片除冰方法有機(jī)械除冰、化學(xué)除冰、熱力除冰等,但這些除冰技術(shù)存在環(huán)境污染、效率低、能耗高等缺點(diǎn)。近年來(lái),隨著防/除冰技術(shù)的發(fā)展,超疏水表面因其卓越的拒水性越來(lái)越受研究者們青睞。然而,液滴在低溫下易滲透到微結(jié)構(gòu)內(nèi)部,增加冰粘附強(qiáng)度,抑制超疏水表面的防/除冰性能。此外,超疏水表面的耐磨性普遍較差,限制了其在防/除冰領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。因此,設(shè)計(jì)在極端寒冷和潮濕環(huán)境中具有超低冰粘附強(qiáng)度和卓越機(jī)械耐久性的表面充滿挑戰(zhàn)。


  針對(duì)以上問(wèn)題,團(tuán)隊(duì)受白車軸草啟發(fā),通過(guò)飛秒激光直寫微納加工技術(shù)與水熱處理技術(shù),設(shè)計(jì)了仿白車軸草周期性微納結(jié)構(gòu)疏冰表面(ISAl)。該表面由周期性微坑陣列、微團(tuán)狀及密集納米片狀結(jié)構(gòu)組成,展現(xiàn)出優(yōu)異的靜/動(dòng)態(tài)防冰效果,其靜態(tài)防冰時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2832 s,且在復(fù)雜極端環(huán)境下的防霜時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5 h。該表面在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下顯示出高效除冰效果,其冰粘附強(qiáng)度低至1.60 kPa。同時(shí),凹坑結(jié)構(gòu)賦予了該表面優(yōu)異的機(jī)械耐久性,經(jīng)過(guò)15次結(jié)冰/除冰循環(huán)后,表面仍為超疏水狀態(tài),且冰粘附強(qiáng)度小于6 kPa。 


1. ISAl表面的靈感來(lái)源與制備表征 


2. ISAl表面的高效防冰/霜性


圖3. ISAl表面的高效除冰性能

  該研究結(jié)合前沿的仿生學(xué)理念,提出了新的周期性分層結(jié)構(gòu)疏冰理論和新方法,解決了極端寒冷、高濕和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的高效防/除冰問(wèn)題,推動(dòng)了我國(guó)風(fēng)機(jī)葉片防/除冰領(lǐng)域的發(fā)展,相關(guān)成果亦可拓展應(yīng)用于飛機(jī)/除冰領(lǐng)域,對(duì)我國(guó)風(fēng)電、航空、航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。評(píng)審人對(duì)該工作給予充分肯定:“受白車軸草微納米結(jié)構(gòu)和低表面能賦予其優(yōu)異的疏水耐寒性的啟發(fā),所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的有效防/除冰提供了新的策略!


  西南科技大學(xué)微納仿生制造團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介:團(tuán)隊(duì)成立于2017年,秉持“嚴(yán)謹(jǐn)、高效、卓越、創(chuàng)新”的科研精神,堅(jiān)持“認(rèn)同理念、服從管理”的基本原則,實(shí)行“科學(xué)、協(xié)作、卓越”的運(yùn)作和管理機(jī)制。自成立以來(lái),團(tuán)隊(duì)致力于航空航天關(guān)鍵構(gòu)件防/除冰的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)。團(tuán)隊(duì)前期開(kāi)展了一系列基礎(chǔ)研究,發(fā)表了包括具有不對(duì)稱孔隙率和減阻特性的高性能馬蘭戈尼水凝膠轉(zhuǎn)子(Nat. Commun., 2023, 14, 1, 1928),水平振動(dòng)模式高性能微滴定向驅(qū)動(dòng)(Adv. Mater., 2020, 2005039),飛秒激光誘導(dǎo)蘑菇頭狀微柱超快自生長(zhǎng)(Nano Lett., 2021, 21, 9301-9309),用于混合液滴定向彈跳的傾斜階梯蘑菇頭狀微柱表面(Chem. Eng. J., 2023, 472, 144949),受蚊眼啟發(fā)的激光織構(gòu)化仿生多功能玻璃(Chem. Eng. J., 2021, 416, 129113)等20余篇高水平學(xué)術(shù)論文。這些具有前瞻性和創(chuàng)造性的研究成果在攻克高效防/除冰技術(shù)難題方面發(fā)揮了重要作用。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.3c07385

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