广西大学/香港理工《AFM》：实现秒级损伤检测与自愈的高弹防冰薄膜！
2024-06-14 15:41:11
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
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在极寒气候条件下，冰雪积聚会对对电力传输工作站、风力涡轮机叶片等关键设施造成严重力学失稳影响。传统防/脱冰方法存在诸多限制，而超疏水表面因其显著延迟结冰时间和降低冰粘附强度的特性而备受关注。然而，在经历机械损伤后，超疏水材料会暴露亲水位点，导致冰晶局部积聚引起冰-固互锁，防冰性能大幅下降，如何避免该现象是超疏水材料在防冰应用中的瓶颈。引入自修复功能可提升超疏水表面的机械耐久性。在外部激励下，自修复超疏水表面能够自行修复物理损伤。然而，为避免微裂纹扩展导致冰晶积聚，实时感知损伤并及时修复至关重要，从而确保超疏水防冰表面的适应性和可靠性。此外，防冰表面与复杂结构的共形性和结合强度也是值得考虑的问题。近期，广西大学刘黎明助理教授与香港理工大学王立秋教授联合报道了一种集超疏水、大变形、裂纹诊断与愈合、全天候防/脱冰功能于一体的新型膜基材料（S-TPU-F-CB）（图1）。详细介绍了新型膜基材料S-TPU-F-CB的优势，并探讨了其在防/脱冰领域的潜在应用。相应成果以“Anti-/Deicing Membranes with Damage Detection and Fast Healing”为题，发表在期刊《Advanced Functional Materials》上，广西大学刘黎明为第一作者，香港理工大学王立秋教授为通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202404760
图1、 S-TPU-F-CB多功能膜示意图
图2b）为S-TPU-F-CB的加工示意图，采用了接枝聚合、铸膜及激光加工技术。通过分析制备过程中表面微观形貌与化学组分的演变（图2c），图2e-f)），揭示了该膜表面的抗润湿机制。在动态抗润湿性测试中，施加应变（1000%应变下或400%应变下连续拉伸2000次循环）后，表面接触角仍稳定在 160°以上（图2g,h）），始终保持超疏水状态，这对于实际应用中复杂结构或大变形场合下的防/脱冰需求具有重要意义（图2）。
图2 S-TPU-F-CB膜加工过程及其性能
该研究首次提出利用电热效应实现实时损伤检测及修复，进而提升S-TPU-F-CB膜的机械耐久性。如图3所示，电热效应和红外热成像技术的结合，实现了基于焦耳热动态分布的秒级损伤检测和可视化修复过程。
图3 基于电热效应的秒级损伤检测和修复
针对严重断裂性损伤，S-TPU-F-CB膜仍然表现出稳定的光、电修复能力（图4）。通过分析聚合物基体中TPU链段、活性端基、可逆酯交换键和氢键的动态变化，揭示了S-TPU-F-CB的自愈合机制（图4d））。并研究了不同强度光热激励下S-TPU-F-CB的修复效率，发现其修复能力优于近5年发表的相关研究报道（图4i））。拉伸强度测试定量研究了S-TPU-F-CB膜的修复效率，薄膜经断裂性损伤后，在光/电热协同激励（辐照强度0.1 Wcm-2, 施加电压20 V），1.5 min 内达到 99%的修复效率。同时，S-TPU-F-CB膜表现出良好的循环损伤-修复稳定性（经5次循环：修复效率仍保持在92.5%以上，液相滚动角低于4°）。如图5所示，将表面出现裂纹与光-电协同效应修复的S-TPU-F-CB膜进行对照实验，发现经修复的膜未出现严重的冰-固互锁现象，冰晶均布生长，表明实时诊断与修复在超疏水表面防/脱冰应用的优异性。同时，在环境温度-15℃，相对湿度65%条件下，S-TPU-F-B膜表面结冰时间延长至340秒，冰粘附强度低至38 kPa，远低于光滑玻璃和金属表面的冻结粘附强度（＞1000 kPa）。
图4 光热/电热效应下S-TPU-F-CB的修复性能和修复机制
如图6a）所示，在环境温度-15℃、相对湿度60%条件下，S-TPU-F-CB膜在0.1Wcm-2辐射、10V电压，两者协同作用下的融冰时间分别为118s，62s，30s，且融冰后均可恢复Cassie润湿状态。而作为对照组的铝合金表面，几乎没有观察到霜层和冰滴的融化现象。同时，建立了防/脱冰过程的界面传热模型，并分析了界面处气-液-固三相相变的机理和结构间隙内固-液-气三相接触线的变化规律（图6b））。
图5 表面微裂纹对结冰影响级不同测试样品的结冰性能对比
图6 全天候防/脱冰性能及结冰和除冰过程中的传热模型
图7将S-TPU-F-CB包覆在输电线缆表面，显示出优异的共形能力。在1个太阳光照射下，包覆有S-TPU-F-CB膜区域在94秒内脱霜，并恢复超疏水状态。
图7 S-TPU-F-CB包覆输电电缆的防霜性能、光热除霜机理及机械耐久性测试
在这项研究中，通过接枝聚合、铸膜工艺、激光加工技术在掺杂氟化炭黑的TPU基材上制备了大变形、裂纹诊断及愈合的超疏水防/脱冰表面。CA、RA分别为168°， 1°以下。制备的S-TPU-F-CB膜在经历1000%或400%应变下连续拉伸2000次循环后，CA仍稳定保持在160°以上，显示出稳健的超疏水性。首次提出利用电热效应，实现裂纹损伤的秒级检测和修复，有效解决了受损区域冰-固互锁现象。针对断裂性损伤，S-TPU-F-CB在光/电热协同（辐照强度0.1 Wcm-2, 施加电压20 V）下表现出良好的循环损伤-修复稳定性（5次循环后，修复效率仍保持在92.5%以上），其修复能力优于近5年发表的研究报道。与传统的超疏水防/脱冰表面相比，设计的表面结构使液滴在结冰和融化过程后完全能够恢复Cassie状态。超疏水性、电热性能、光热性能的协同作用赋予了S-TPU-F-CB膜优异的防/除冰性能，霜层可以在1个太阳光照射下在94秒内脱落。在环境温度-15℃，相对湿度65%条件下，S-TPU-F-B膜表面结冰时间延长至340秒，冰粘附强度低至38 kPa，融冰时间低至30s。同时，由于稳健的超疏水性、秒级损伤检测和修复性、Cassie状态的稳定性，有效延缓了结霜和结冰过程，为长期防/除冰应用提供了一种有前途的方法。
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