光热超疏水材料防除冰机理及应用研究进展

液滴的冻结、积聚往往会对生产、生活造成不利影响,降低设备的运行功效,甚至严重危害生命安全。相较于需要借助外力的主动式防除冰技术,超疏水表面优异的拒水性使其能够实现被动式防除冰,且无需消耗外部能量,从而受到广泛关注。在此基础上,光热超疏水表面结合了主动防除冰和被动防除冰两方面的优势,能在结冰过程的各个时期发挥作用。比如,在结冰前促进液滴的自清除,在结冰时升温表面、延缓成核,在结冰后加速融冰、快速除冰,从而实现节能且高效的固体表面防除冰。概述了超疏水表面的润湿特性和防除冰机理,重点介绍了不同种类光热材料的光热转化机理,包括基于分子热振动的碳纳米光热材料,基于纳米粒子等离激元效应的光热材料,以及基于电子?空穴对非辐射弛豫的半导体光热材料。总结了常用的提高光热转化效率的思路方法,并对比了各类光热超疏水表面在结冰、防冰、除冰及光热响应等方面的性能。最后,针对光热超疏水材料在制备和实际应用中可能存在的问题,分析了未来的发展方向与面临的挑战,为光热超疏水材料的进一步发展与应用提供思路。     

防冰涂层材料及电力材料防覆冰应用的研究进展

防冰涂层材料可有效减轻自然界结冰现象的影响,其通过防冰材料低表面能或高润滑性的特点,降低在低温严寒天气条件下物体表面冰的粘附强度,延迟材料覆冰时间,减少表面覆冰量,在保护电力材料免受冰冻灾害影响方面有着重要应用价值.基于热喷涂法制备的复合型表面防冰涂层材料,以及主被动相结合的防覆冰方法,是未来电力材料防覆冰应用发展的重要方向.然而截止目前,有关复合型表面防冰涂层材料的热喷涂制备,以及涂层在电力材料防冰中应用的研究进展综述鲜见报道.从超疏水材料与光热、电热除冰相结合的除冰方式,及超疏水-超润滑复合材料实现防冰除冰的角度出发,对近年来国内外复合防冰涂层的制备及性能的研究进展进行了综述,并重点讨论了适合于热喷涂制备的复合型涂层的防冰除冰效果.最后,讨论了超疏水防冰涂层、复合型防冰涂层在电力材料表面防覆冰方面应用的研究进展,并对热喷涂法制备防冰涂层在的局限性问题进行了总结,对其应用前景进行了展望,希望在复合型防冰方面进一步开展研究,为电力材料表面防冰涂层的未来发展提供指导.     

激光加工超疏水表面抗结冰性能研究进展

在低温环境中，表面结冰会严重影响户外装备的运行效率和安全，基于疏水材料的新型被动式防除冰方法引起了广泛关注。超疏水表面凭借其优越的拒水、抑制冰核形成和降低冰黏附强度等能力，在防除冰技术领域表现出广阔的应用前景。激光加工技术具有高效率和灵活性，成为制备超疏水表面的有效方法，并被进一步用来研究表面的抗结冰性能。首先，概述了固体表面润湿理论和结冰机理。其次，综合评估了激光加工超疏水表面的抗结冰性能，包括静态水滴延迟结冰时间、动态水滴累积、冰黏附强度、延迟结霜与抗冻能力、表面积冰与除冰等方面。静态水滴延迟结冰时间受到水滴与表面接触界面的成核速率和传热速率的影响，动态水滴累积与表面润湿性密切相关，冰黏附强度反映了表面对冰的附着性和除冰的难易程度。超疏水表面具有显著的延迟结冰能力，但在低温高湿条件下，表面的超疏水性可能会减弱，甚至失效。除冰过程也可能破坏超疏水表面的微观结构，进而影响其持续的抗结冰性能。最后，对超疏水表面激光加工与抗结冰性能的未来研究方向进行了展望。     

低冰粘附力涂层的设计与制备技术研究进展

基于飞机快速、高效除冰的目的,设计与制备低冰粘附力的涂层,以期实现较低(甚至超低)的冰层粘附强度,减轻对现有高能耗主动防/除冰技术的依赖程度.总结了现有疏冰涂层的发展历程,基于不同涂层的防覆冰机理,以冰粘附性能或除冰外力作为主要技术指标来评估涂层的防/除冰性能,依次阐明了超疏水涂层、超润滑涂层和低界面韧性涂层的除冰机理,具体介绍了三者的疏水/冰效果,对比分析了各自的优劣性.其中重点阐述了低界面韧性涂层大面积除冰的优势,即在大面积结冰条件下,以冰层剪切粘附强度定义的(超)疏冰涂层材料,其除冰外力都受限于结冰面积,随着结冰面积的增加而成比例增加.但新型的低界面韧性涂层通过诱导材料表面萌生固-冰界面微裂纹,降低其界面断裂韧性,使得微裂纹在较低的除冰外力(甚至冰层自身重力)作用下快速扩展,从而实现冰层脱离.以此总结了设计、制备新型(超)疏冰涂层的方法,展望了低冰粘附力涂层在防/除冰领域的发展方向.     

MWCNTs光热相变超滑表面的制备及防/除冰性能研究

目的 制备光热相变超滑表面，并研究不同含量的多壁碳纳米管（MWCNTs）和固体石蜡对防冰/除冰性能的影响。方法 首先在纯Al表面刻蚀出微米结构，然后将MWCNTs、固体石蜡以及环氧树脂均匀混合后刮涂在处理后的Al基材表面，制备光热相变超滑表面，并对其润湿性、结冰/除冰性、机械稳定性以及自修复性进行表征。结果 通过扫描电镜对涂层截面表征发现MWCNTs已经完全均匀分布在涂层内部。当用波长为808 nm、功率密度为0.5 W/cm2的近红外光（NIR）照射涂层，表层的固体石蜡融化成液体后水滴滑动角可由40°下降到5°，表现出极佳的滑动性能。在–20℃时，与纯Al基底相比，相变超滑表面可将水滴的结冰时长从27s延长至239s，其冰黏附强度降也只有34.9k Pa。得益于MWCNTs优异的光热性能，在NIR照射下，表面温度迅速升高，可在92s内实现快速除冰。此外，涂层在100次的循环摩擦后依然保持极低的冰黏附强度，并在NIR照射下可实现快速自修复。结论 光热相变超滑表面相比于纯Al表面具有更加优异的防冰性，MWCNTs的加入，使表面具有快速除冰性。环氧树脂和固体石蜡则极大地提高了表面耐磨性以及...     

超疏水复合涂层的机械性能研究进展

超疏水表面具有杰出的防润湿特性,在防水、防污、防冰、自清洁等众多领域均具有极高的应用价值.超疏水复合涂层具有适用基材广泛、易加工施涂、成本低廉等诸多优势,是当下极具实用化前景的超疏水表面构建技术,然而涂层普遍较差的机械性能极大地限制了其在生活中的实际应用.总结并对比了超疏水表面的构建方法,简要介绍了影响超疏水涂层机械性能的条件和机制,综述了近年来国内外科研工作者在提升超疏水复合涂层机械性能方面取得的进展.重点关注了提升高分子材料与微纳米级颗粒物填料间的结合性及二者的固有机械性能,优化涂层表面微纳米形貌,引入自修复表面机制等技术手段.主要介绍了可提升涂层机械性能的新型高分子材料及微纳米颗粒物填料,以及可优化涂层表面形貌、增强涂层材料间结合的新型施涂工艺.最后,对研究中普遍存在的问题进行了总结,并对具有优异机械性能的超疏水复合涂层材料的发展趋势进行了展望.     

机械表面超疏水防冰技术应用研究进展北大核心

在工业领域,机械设备表面覆冰会极大地影响设备的使用,甚至会造成严重的事故。研究表明:在机械表面上构筑超疏水表面能够有效抑制和延缓结冰的发生。这种新型的被动防冰方法,具有耗能低、防冰效果优良等优点,展现出了良好应用前景。阐述超疏水表面的疏水原理,总结常用制备超疏水表面的材料和方法,重点综述了超疏水表面防冰的3种作用机制,以及现阶段提高超疏水表面机械稳态性的研究进展。     

输电线路超疏水防覆冰涂层研究进展

输电线路覆冰严重威胁着电力系统的安全运行,各种防覆冰技术的研究开发是对输电线路正常运行的有力保障。防覆冰涂层能够主动抑制和缓解输电线路覆冰的形成和增长,尤其超疏水涂层可延迟水滴在涂层表面的冻结,从而实现防覆冰,具有广阔的应用前景。探讨了表面状态与覆冰现象以及覆冰粘结强度之间的关系,指出超疏水涂层的覆冰状态与普通表面具有较大差别,覆冰粘结强度明显低于普通表面。超疏水涂层实现防覆冰功能的影响因素包括表面化学成分、表面结构与环境因素,而通过简单工艺构建有效超疏水表面是超疏水涂层推广应用的关键。基于对超疏水表面防覆冰机理的分析,可知超疏水涂层具有巨大的防覆冰功能潜能,通过控制组织结构使其适应各种温度等环境因素是目前亟需解决的问题。     

超疏水涂层在沥青路面上的抗凝冰性能分析

目的 分析超疏水涂层在沥青路面应用时的抗凝冰性能,解决中国北方和高海拔地区路面结冰易引发交通事故的问题。方法 以疏水纳米SiO2粉末和聚氨酯改性聚硅氧烷为主要材料,制备出超疏水SiO2/聚硅氧烷复合溶液,使用浸涂法在沥青马歇尔试件表面形成超疏水涂层。分析涂层的耐磨性、透光性、化学稳定性、疏水性等,同时模拟雨滴结冰试验、落锤除冰试验、低温抗冻试验,评价超疏水涂层的耐磨性、透明性、耐酸碱腐蚀性、抗凝冰性、易除冰性和低温抗冻性,并通过扫描电子显微镜对涂层表面形貌进行分析。结果 当制备的超疏水复合溶液中纳米SiO2的质量分数为7.5%时,涂层的透光率为76.3%,水滴的接触角能达到160.9°±0.7°,即使试件表面被雨水冲刷5 h,依旧可以维持一定的疏水性能。在低温箱中,将完整的试件与表面磨损的试件同时放置在?20~0 ℃环境下1 h,完整试件的接触角仍大于150°,表面磨损的试件也能保持一定的疏水性能;在?5 ℃的低温箱中,将水滴匀速喷洒在完整的超疏水沥青混凝土试件和磨损试件表面,以模拟结冰,发现完整试件表面未出现结冰现象,磨损试件表面有少量结冰;即使超疏水沥青混凝土试件表面结冰,通过“落锤”试验模拟行车荷载对试件表面冰层进行冲击,冰层也可轻易除去。除此之外,使用Abaqus软件模拟超疏水沥青路面的除冰机理,对模型仅施加车辆荷载,计算得到冰层内部的最大拉应变为3.25×10^?4,最大剪切应变为4.25×10^?4,均大于冰层的极限破坏拉应变(2.2×10^?4)和极限破坏剪切应变(2.4×10^?4)。结论 纳米SiO2粒子在涂层表面团聚形成了微纳粗糙结构,使涂层具有超疏水性。涂层的超疏水性可以降低水与路面之间的黏结力,使水滴落在超疏水沥青混凝土涂层表面时即刻滚落,有效减小了路面的结冰量,提高了沥青路面的抑冰、除冰性能。     

铜基超疏水表面制备方法的研究进展

铜及其合金因具有良好的热物理性能,在海洋工程、能源、航空航天、电子器件等领域有广泛的应用前景。制备铜基超疏水表面能够提高铜及其合金在各领域的应用性能,降低铜基金属的损耗,减少资源浪费。因此,超疏水表面在铜及其合金表面的制备和应用方面成为了研究热点。首先简单介绍了超疏水表面的相关理论,主要包括Young氏方程、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。其次,基于制备铜基超疏水表面的2个条件(提高材料表面粗糙度以及降低材料表面能),详细综述了铜基超疏水表面制备方法的研究进展,讨论了自组装、刻蚀、电化学沉积、激光复合加工等方法在制备铜基超疏水表面时存在的优势和主要问题,分析了制备方法对铜基超疏水表面应用性能的影响,列举了铜基超疏水表面在自洁、耐腐蚀、油水分离等方面的应用。最后,指出了铜基超疏水表面未来的发展方向,即通过制备具有自修复功能的超疏水表面或通过改变材料表面微纳米结构,提高铜基超疏水表面的耐磨性和稳定性。除此之外,工艺简单、成本低的铜基超疏水表面制备方法仍具有广阔的应用前景。     

防/疏冰涂料的机理及其发展趋势

防/疏冰涂料在冬季低温灾害以及极端冰冻天气所带来的损失面前显得尤为重要,因此解决表面结冰这一问题吸引了大量学者进行研究和讨论。将防/疏冰涂料的机理分为结构型和物理化学型,前者主要形式为在基材表面构建微纳米粗糙结构,后者主要形式为在涂料中添加可以通过自身的物理化学性质防止水滴滞留表面、延缓结冰或使冰易从表面脱落的材料。首先将结构型防/疏冰的微观机理按提出时间的进程进行总结,主要有Young方程、Wenzel方程和Cassie-Baxter方程,然后将现有文献中构建微纳米级粗糙结构的主要方法进行分类。其次,同样将物理化学型防/疏冰的微观机理按提出时间的进程进行总结,物理化学型防/疏冰材料主要有低表面能、光热、相变材料,研究中常将这2种防/疏冰机理结合使用以达到最佳效果。最后展望了防/疏冰涂料的发展趋势,在未来研发过程中,其稳定性、广泛适用性和经济实用性应被充分考虑,这三者并非完全独立,而是相辅相成,可以提升防/疏冰涂料应用的深度和广度,积极响应市场的需求。另外,制定统一的性能测试标准也将更好地助力防/疏冰涂料的研究。     

极端低温环境下防覆冰材料研究进展

表面覆冰和积雪广泛存在于日常生活及工业生产中,但在极端复杂低温环境下,工程设备表面严重积冰会影响其使役性能,常常导致高能耗或灾难事故发生。传统除冰技术如机械除冰、加热融冰以及喷洒化学试剂等效率低,费用高,作业危险性大,无法从根本上解决实际工程领域的覆冰难题。通过采用涂装功能防覆冰材料的策略,抑制或延缓材料表面覆冰的形成,降低表面冰层的结合强度和覆冰量,从源头上解决覆冰问题成为主要的研究方向。相比于传统物理法和化学法,该方法具有高效率、低能耗、简便易行等特点,具有较好的应用前景。基于此,在详细阐述了材料表界面润湿特性和防覆冰机理的基础上,综述了国内外极端低温环境下防覆冰材料的研究进展,并对固–液界面型、液–液界面型以及复合涂层材料等几类主要防覆冰材料的适用性及优缺点进行了对比和分析,最后指出了目前防覆冰材料应用面临的技术瓶颈,并对未来防覆冰材料的发展方向和趋势进行了展望,为极端低温环境防覆冰材料的设计和选择提供参考。     

金属基体上超疏水表面的制备及其机械耐久性的研究进展

在金属基体上构建超疏水表面可有效解决金属材料在使用过程中不耐腐蚀、容易覆冰等问题,同时赋予其自清洁、油水分离、润滑减阻等特殊功能,具有极高的应用价值和市场前景。但目前普遍存在的规模化生产困难及机械耐久性差的两大问题严重限制了其实际应用。归纳了在金属基体上制备超疏水表面的基本方法,对化学刻蚀法、阳极氧化法、电化学沉积法、水热法、喷涂法等5种典型方法进行了重点综述,讨论了其优劣势,并结合最新研究进展,提出低表面能改性剂的绿色环保化和一步法制备超疏水表面是未来的发展趋势。针对超疏水表面机械耐久性的问题,分析了机械磨损导致超疏水材料失效的原因,总结了机械稳定性的测试手段和评价机制,然后立足于机械稳定性和化学稳定性两个关键因素,提出提高金属基体上超疏水表面的机械耐久性,延长服役寿命的4种基本方法:1)精细设计微纳米多级复合结构;2)引入粘结层以加固表面微观结构;3)不使用低表面能物质,仅靠粗糙结构实现超疏水;4)构建自修复表面。最后对该领域未来的研究重点和发展趋势进行了展望。     

超疏水表面在金属防护中应用的研究进展

超疏水表面由于具有独特的微纳米粗糙结构和低表面能性质,能形成空气垫物理屏障层,减小材料表面与水或其他腐蚀介质之间的接触面积,因此被广泛应用于金属的腐蚀防护。首先简单介绍了超疏水表面的相关理论,主要包括Young氏方程、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型。然后,归纳总结了三种制备超疏水表面的有效途径:在低表面能物质上构建微纳米级粗糙结构;先构建出具有微纳米级的粗糙结构,再对表面进行低表面能修饰;一步法完成低表面能修饰和微纳米级粗糙结构的构建。在此基础上,详细地综述了常见的超疏水表面(薄膜或涂层)在金属防护中的应用。进一步介绍了通过在超疏水体系中引入缓蚀剂的方式,构建具有主动防护功能的超疏水表面,并介绍了此种超疏水表面在金属防护中的应用。最后指出了目前的超疏水表面在制备工艺以及耐久性等方面存在的问题,并对其在金属防护领域的应用前景和发展方向作出了展望。     

多功能超疏水表面的制造和应用研究现状

荷叶表面是自然界中典型的超疏水表面,具有"出淤泥而不染"的特性,近年来,荷叶表面的超疏水现象引起了科研人员的广泛关注.普通表面经构建微纳米级粗糙结构和低表面能修饰后,可获得超疏水表面.将水滴置于超疏水表面上,水滴与超疏水表面间存在一层空气垫,空气垫可有效减小水滴与表面的接触面积,使水滴无法浸入表面微观结构中,而被"支撑"在超疏水表面上,因此超疏水表面对水表现出优异的排斥性.这种特殊性能使超疏水表面在诸多领域都有极高的应用前景和市场价值.本文对超疏水基础原理进行了梳理,并对近期超疏水领域的研究成果进行了综述.首先介绍了超疏水表面的经典润湿理论,包括Young模型、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型.然后归纳了诸多超疏水表面的制备方法及优缺点,包括激光刻蚀法、化学沉积法、化学刻蚀法、电化学沉积法、电化学刻蚀法、热氧化法、喷涂法等.在分析不同制造方法的基础上,进一步讨论了超疏水表面在自清洁、防雾、抗结冰、耐腐蚀、液体无损转移、油水分离、摩擦发电、芯片实验室、液滴传感器等领域的应用.最后,指出超疏水表面从实验室研究走向生产应用过程中所面临的问题,并对超疏水表面的未来发展进行展望.