南航《Nature》子刊：通过操控界面气流实现超疏水材料表面高效防冰的目的
2024-02-29 14:32:29
作者：材料学网 来源：材料学网
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近日，材料科学与技术学院柔性成形技术及装备团队表面柔性加工方向陶杰教授和沈一洲教授在Nature Communications期刊发表了一篇题为“An energy-free strategy to elevate anti-icing performance of superhydrophobic materials through interfacial airflow manipulation”的研究论文，论文第一作者为江家威博士后，陶杰教授和沈一洲教授为通讯作者。该论文提出一种通过操控界面气流提升超疏水材料防冰性能的策略，可以在降低来流过冷液滴与表面的接触概率的同时延长液滴结冰形核时间，进而在不依赖额外能量输入的情况下突破当前超疏水材料的防冰性能极限，显著扩大了超疏水材料在防冰领域的应用范围。当前，超疏水材料因其独特的非润湿特性在防除冰领域获得了广泛的认可。然而，在实际的飞行器服役环境中，超疏水材料的防冰能力已经逐渐趋于极限。尽管研究人员针对性地提出了光热-超疏水防冰技术方案，光照条件的不稳定性仍然限制了超疏水被动防冰技术的应用。受外场辅助超疏水材料防冰思路的启发，陶杰和沈一洲教授团队提出了一种利用飞行过程中固有的外在风场辅助提升超疏水表面防冰效率的策略，即通过设计构建兼具气动特性和疏水特性的微结构阵列，操控近壁面气流运动，在降低来流液滴与表面的接触概率的同时延缓了液滴结冰形核过程，显著降低表面覆冰量。该方法无需额外的能量输入，且不依赖于特定的疏水材料体系，具备大面积制备潜力，有望突破传统超疏水材料在实际服役条件下的防冰性能极限，进而降低飞机飞行过程中的结冰风险。图 1 基于高速来流环境的微结构设计、制备及性能验证研究团队针对高速来流条件进行微结构减阻性能模拟计算，证实压差阻力随结构高度的增加而不断提升，而过高的总阻力主要是由于粘性阻力的降低逐渐难以补偿压差阻力的增长引起的。此外，结构角度的提升同样导致了压差阻力的增加，而粘性阻力则在30°角度出现了峰值。对该角度的微结构进行分析可知，微结构的出现在结构内部保留了大量低速流体，有效降低了近壁面的速度梯度。结构内部的微型涡旋以“滚动轴承”的形式减少了流体与壁面的接触，同时，微型涡旋带来的反向速度梯度为表面提供了一个反向推力，从而降低了表面粘性阻力。随后，基于航空用2024铝合金制备了相应微结构表面并进行了减阻性能测试，验证了结构设计及制备的可靠性。图 2 减阻-疏水分级结构表面的润湿性评价与成分分析研究团队通过一步电沉积工艺将硬脂酸铈均匀覆盖于减阻微结构阵列，获得了不影响气动性能的超疏水表面。表面形貌分析结果显示沉积表面主要由一系列宽度约为50 nm的交错纳米棒组成的花瓣状结构组成，该结构具有高孔隙率，可以更大程度保留空气，从而使得该表面具有更高的疏水性能（接触角约170°，滚动角约为 1.7°）。值得注意的是，由于表面存在独特的减阻微结构阵列，液滴更倾向于沿微结构的迎风方向滚动，表明超疏水表面的非润湿性具有各向异性。基于FTIR、XPS、GIXRD等化学成分分析表征手段，可以判定复合结构表面提供超疏水性能的化学成分为[CH3(CH2)16COO]3Ce。对于较大尺寸的液滴（直径~2.23 mm）而言，微结构角度为30°（A-30）的试样在-20 ℃条件下呈现出较为优异的防冰能力（液滴延迟结冰时间为1381s）。尽管表面能的降低会增加水分子的形核能垒，但是表面结构在液滴结冰延迟过程中仍占据主导地位。较高的结构角度在表面捕获了更多的空气，造成了更大的界面热阻，抑制了结晶潜热向表面释放，从而延迟了冰的形核和生长过程。同时，固-液界面处水分子结晶潜热的释放阻碍了冰在界面处的生长，导致冰和水之间出现干燥区，同样降低了液滴和表面之间的传热效率，有助于提升超疏水表面的防冰性能。然而，过高的结构角度带来了更多的固-液界面，反而削弱了表面的延迟结冰效应。对于微小液滴而言（直径~20 μm），经超疏水处理的A-30试样在-20℃~-40℃环境中均保持着更少的积冰量。考虑到未经疏水处理试样呈现出的结冰倾向，可以推断结构角度对表面液滴形核行为具有更为显著的影响。为深入探究微结构角度和表面能对结冰行为的影响规律，研究团队通过分子动力学模拟分析不同结构表面水分子的形核过程。对于纯铝基体而言，A-30表面的形核时间最短，仅为69.8 ns，而平面模型表面的结冰形核时间高达88.7 ns。当表面能逐渐降低时，A-30表面的形核时间急剧增加，超疏水条件下 A-30表面的形核时间延长至91 ns，甚至高于相同条件下的无结构表面，证实特定的结构角度可以进一步放大低能表面的防冰效果。由于结冰过程本质上是水分子规则排列的过程，能够诱导水分子呈相同取向分布的表面具有一定的形核促进能力。相关的形核过程分析表明，A-30表面的水分子在降温过程中未曾观测到任何取向一致的水分子结构。因此，可以推断，这种破坏了冰晶生长惯性引起多取向结冰的行为迫使冰晶在受限空间内部不断调整形核生长方位，延迟了形核过程。同时，30°的特定角度引起的冰与基底之间的空间失配促进了具有更高能垒的立方冰的形核和生长，致使形核过程受到抑制。图 5 基于 CFD 计算的来流条件下微小液滴运动行为分析考虑到飞行器实际服役环境中面临的大量微小液滴，研究团队采用 Fluent- Icing方法预测了微小液滴的结冰行为。结果显示，与平板表面不同，A-30阵列结构表面的热通量沿来流方向逐渐降低，甚至在结构内部存在来自于微型涡旋与壁面摩擦产生的反向传热。此外液态水含量（LWC）分析表明，结构表面的低LWC条带随来流方向的延伸而逐渐上扬，且结构内部的 LWC 始终维持在极低的水平。因此，可以推断微结构阵列抬升了近壁面的低速流体，致使含有微小液滴的高速来流运动受到限制。由于微小液滴在低速流体中的运动存在滞后性，微结构的存在显著减少了液滴在结构上方的分布。值得注意的是，液滴收集系数曲线在首个结构单元上出现峰值，结合结冰分布结果，可以认为微观结构表面的冰层主要集中在微结构阵列的前端，且随来流方向逐渐减少直至消失。基于上述计算结果，将超疏水 A-30表面置于结冰风洞进行测试，结果显示表面积冰随来流方向逐渐降低，且10 min内的结冰质量较超疏水平板表面降低了40%以上。与超疏水平板表面相比，该试样表面在-20℃下仍可以观测到微小液滴的撞击弹离行为。考虑到微小液滴的运动行为主要由气流控制，受惯性和重力的影响较小，可以认为平板表面近壁面的低速流场难以提供液滴弹离表面的驱动力，而结构内部存在的微型涡旋则有助于液滴的脱离。因此，该研究团队认为，结构表面因结构气动特征引发的上升气流和超疏水微纳结构提供的液滴自驱离效应共同降低了超疏水表面的结冰概率。此外，具有特定角度的低能微结构表面可以有效延缓结冰形核过程，为微小液滴的弹离提供了更多的时间。这种通过操控界面气流提升超疏水材料防冰性能的通用策略，在不同的攻角条件下均表现出了一定的效果，体现出了广泛的环境适用性。该方法不限制于特定的疏水材料体系，有望扩展到复杂曲面，具有全天候、大规模的应用潜力，为进一步提升常规超疏水材料的防冰性能提供了全新的解决方案。
这项工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和江苏省高等学校重点学科建设项目的支持。
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