涂層材料?作為一種廣泛應(yīng)用于基材表面的覆蓋材料?通過特定的物理或化學(xué)方法進(jìn)行涂覆?旨在為基材提供一層或多層保護(hù)?此類材料不僅能提升基材性能?改善其外觀?延長使用壽命?而且在多個領(lǐng)域具有重要作用?

在現(xiàn)代工業(yè)與科技高速發(fā)展背景下?防冰與疏冰性能的涂層材料憑借獨(dú)特優(yōu)勢?在多個領(lǐng)域扮演關(guān)鍵角色?這些材料不僅能預(yù)防冰雪積聚?降低安全隱患和能源損耗?還能保障交通運(yùn)輸暢通?提高電力設(shè)備運(yùn)行效率?

防冰與疏冰涂層材料通常具有超低表面能?意味著優(yōu)異的疏水性和疏冰性?水滴或冰晶接觸這類涂層時?因表面張力作用?迅速滑落?不易附著?這使涂層在低溫環(huán)境下保持干燥?避免性能下降或損壞?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?[1]

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?或者通過運(yùn)動液滴的滾落與凝結(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間從而為液滴脫離表面爭取足夠的時間?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?冰難以自動脫離?其他的諸如低界面韌性表面?液體潤滑表面所報道的冰粘附強(qiáng)度雖然也較低?但其實(shí)用性相比超疏水表面明顯不足?

清華大學(xué)R. Pan等人采用超快激光復(fù)合化學(xué)氧化方法?制備了一類新的三級微納超疏水表面結(jié)構(gòu)?這類表面由微米錐陣列支撐結(jié)構(gòu)以及在其上密集生長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?對超疏水表面的疏冰性能測試結(jié)果表明?三級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10次推冰測試后?該表面的冰粘附強(qiáng)度依然不高于10kPa?表明三級微納超疏水表面具有較好的推冰機(jī)械耐久性?如圖1所示?

圖1 不同超疏水表面的疏冰性能：(a)結(jié)冰-除冰循環(huán)次數(shù)對三級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)對三級微納超疏水表面冰附著強(qiáng)度的影響

其中?冰粘附強(qiáng)度的測試可以通過在HCS基礎(chǔ)上?增加拉力傳感器?儲液罐等部件?針對性設(shè)計了樣品臺?涂層樣品的固定件等單元?并利用“動密封”技術(shù)保持在拉伸過程中腔體的真空度?從而獲得冰粘結(jié)強(qiáng)度測試系統(tǒng)?如圖2?在測試中將水進(jìn)行低溫結(jié)晶?將涂層材料和樣品粘結(jié)在一起?然后對涂層材料進(jìn)行拉伸?即可獲得相對的拉斷力?計算可得到涂層材料的冰粘附強(qiáng)度?

圖2 冰粘附強(qiáng)度測試系統(tǒng)（HCS-1L定制方案）

為實(shí)現(xiàn)低溫/變溫場景的測試?武漢光谷薄膜技術(shù)可提供全套解決方案?通過冷熱臺（HCS-1L）和拉力傳感器的力學(xué)傳導(dǎo)路徑匹配設(shè)計?保持力學(xué)傳導(dǎo)的順暢性?腔體的真空度?又實(shí)現(xiàn)樣品在78-800K的可控范圍內(nèi)?

冷熱臺（HCS-1L）是能夠提供很好的溫度梯度和高穩(wěn)定性的溫度場?具有78--800K的寬溫度范圍?0.1K的高精度控溫等特性?并可以為客戶設(shè)計定制化樣品臺?匹配客戶檢測設(shè)備?可實(shí)現(xiàn)在低溫下或變溫下電學(xué)?磁學(xué)?電磁學(xué)?光學(xué)?光電學(xué)?熱力學(xué)?力學(xué)?聲學(xué)等性能測試?

[1] Tian S, Li R, Liu X, et al. Inhibition of defect-induced ice nucleation, propagation, and adhesion by bioinspired self-healing anti-icing coatings[J]. Research, 2023, 6: 0140.

[2] Pan R, Zhang H, Zhong M. Triple-scale superhydrophobic surface with excellent anti-icing and icephobic performance via ultrafast laser hybrid fabrication[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 13(1): 1743-1753.