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清华大学吕存景副教授ACS Applied Materials & Interfaces：微柱超疏水表面的冰粘附特性

引用格式：

Zhang H, Du H, Zhu D, et al. Ice Adhesion Properties on Micropillared Superhydrophobic Surfaces. [J].ACS applied materials & interfaces,2024.

结冰是自然界和日常生活中的常见现象，可能会导致飞机、输电线路、冷却设备、风力发电机等众多工程领域的性能下降和经济损失。作为一种被动防/除冰方法，超疏水表面（SHS）由于其非凡的防水性和潜在的疏冰特性在过去二十年中受到了极大的关注。困在 SHS 的微/纳米结构中的气穴是维持液滴 Cassie-Baxter 润湿状态的先决条件，人们发现，它通过形成热障来阻止固液界面处的传热和异质成核，从而在延迟成核方面发挥重要作用。据报道，冰附着力与表面粗糙度之间存在正相关关系，这导致使用 SHS 来减少冰附着力的想法不切实际。尽管现有研究表明，具有各种微结构的 SHS 可以减少或增加冰附着力。粘合强度方面，对于哪种微图案具有最佳的低粘合性能，目前还没有明确的结论。特别是，通过合理设计微纹理 SHS 是否可以降低 Wenzel 冰的粘附力的问题促使我们进行当前的研究。

清华大学吕存景团队研究了装饰有各种尺寸（从微米级到亚毫米级）柱子的SHS冻结行为和冰粘附特性。微柱上涂有疏水性纳米粒子，形成分层的 SHS。重点研究微观纹理尺寸对座滴的成核、冻结和脱粘过程的影响。实验结果表明，具有一定几何参数的分层SHS比单尺度SHS具有更好的结冰延迟和低粘附性能。详细研究了基底温度、微柱宽度、间距和高度对冷冻行为和冰粘附性能的影响。还重点研究了Wenzel冰的两种脱粘模式，并提出了疏冰SHS的优化设计。

图1. 不同温度的SHS上水滴的成核和冻结过程。 （a）再辉（0−64 ms）和冻结（1−50 s）过程的高速快照和相应的热图像。(b) 冷冻过程（0−60 s）的高速快照和相应的热图像。 (c) 下降温度随时间的演变（T₀ = 5 °C，T_s ≈ -15 °C）。 (d) 下降温度随时间的演变（T₀ = 5 °C，T_s ≈ -20 °C）。

图2. SHS 几何参数和表面温度对结冰过程的影响。

图3. Cassie 冰 (a)、Wenzel 冰 (b)、平移脱粘 (c) 和旋转脱粘 (d) 的示意图。

图4.  脱粘模式图。  (a) Wenzel 冰在微柱 SHS 上的脱粘模式。 (b) 两种脱粘模式的冰粘附强度比较。 

图5.  几何参数对冰在 SHS 上的粘附强度的影响。 (a) Cassie 冰粘附强度的函数。 (b) Wenzel 冰粘附强度的函数。 (c) Wenzel 冰的粘附强度 W−R 作为 P/H 的函数。 (d) Wenzel 冰的粘附强度W−T 作为 φ 的函数。

图6. 不同无因次参数下冰-固界面最大 von Mises 应力的变化。 (a) σMises-max 作为面积分数 φ 的函数。 (b) σMises-max 作为高度间距比 H/P 的函数。

图7. 实验装置示意图。

总结与展望

利用几何参数研究了冰在微柱SHS上的冻结和冰粘附特性。实验结果表明，在一定过冷度的液滴下，成核时间与微观织构的面积分数无关。在Cassie−Baxter和Wenzel润湿状态下，面积分数对液滴的冻结时间具有相反的影响。在 Cassie-Baxter润湿状态下，冻结时间与面积分数成反比，而在Wenzel 润湿状态下，冻结时间与面积分数成正比。通过冰附着强度测量测试，首次证明了通过合理设计几何参数也可以降低Wenzel冰的冰附着强度。定义了两种脱粘模式：平移脱粘和旋转脱粘，旋转脱粘可以显着降低Wenzel冰的冰粘附强度。通过对表观临界能量释放率的分析，得到了确定两种脱粘模式的标准：(1−φ)/φ和H/P。还推导了两种模式的几何参数与附着强度之间的定量关系，并证明了面积分数φ和无量纲参数H/P在降低冰附着强度方面发挥着重要作用。对于具有旋转脱粘模式的 Cassie冰和Wenzel冰，较小的面积分数φ导致较低的冰粘附强度。对于平移脱粘模式的Wenzel冰，冰的粘附强度随着面积分数φ的增加而增加。对于旋转脱粘模式的Wenzel冰来说，无量纲参数H/P的减小有利于高效除冰。我们相信这项工作将有助于为疏冰 SHS 的制造提供可行的策略。

原文链接：http://dx.doi.org/10.1021/acsami.3c18852

相应的成果以“Ice Adhesion Properties on Micropillared Superhydrophobic Surfaces”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。论文的通讯作者为清华大学吕存景副教授和郝鹏飞副教授。 

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图文来源：李佩文

责任编辑：贾洋洋

审核：何强、许渊

投稿邮箱：aystar@cafuc.edu.cn

中国民用航空飞行学院何强教授团队依托高高原航空安全验证实验室与四川省全电通航飞行器关键技术工程研究中心等省重平台，主要研究方向为表面防除冰，航空橡胶密封等。欢迎相关文献投稿，交流合作。

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