北航研究人员在防冰防霜方面取得重要进展并被《自然》杂志作为研究亮点报道

点击数:    |    加入时间:2021-06-04

北航新闻网6月4日电(通讯员 梁永建)近日,我校机械学院材料加工与控制系张宏强老师与中科院化学所贺志远副研究员、美国加州大学洛杉矶分校Ximin He助理教授团队合作,联合清华大学,美国伊利诺伊大学香槟分校等科研机构,在低温高湿极端环境下防冰方面取得重要进展。团队受小麦叶片的启发,利用超快脉冲激光沉积制备出独特的微纳结构仿生表面,在低温高湿的极端环境下,依然表现出优异的光热转换及防冰防霜性能,有望有效解决极端环境下空调机组结霜、大型风力发电机组覆冰、飞机表面结冰等近年来极具挑战性与紧迫性的工程难题。相关研究论文“Solar Anti-icing Surface with Enhanced Condensate Self-Removing at Extreme Environmental Conditions”发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上。该研究发表后,被《自然》杂志(29 April 2021年期)作为研究亮点(Research Highlight)报道。《Nature Materials》(May 2021, Volume 20 No 6)针对此研究成果进行了专门评述,评述认为由一种由低成本材料制成的表面薄膜,即使在低至-50℃的高湿度环境中也可以保持无冰,试验结果为工程师们带来希望,有朝一日真正做到防冰“不成问题”。国家自然科学基金委网站也对该研究论文进行了报道。

从空调到动力传输系统的诸多工程应用中,物体表面上的冻结与结霜会导致严重的经济和安全问题,高效的防冰、防霜方法一直困扰着研究人员。虽然人们已经在防冰表面的设计和制备上投入了巨大的精力并利用光热转化来实现防冰除霜,但在极端环境(超低温和高湿度)下仍然存在艰巨挑战。这是因为表面冷凝水会挡住和反射阳光,导致光热效率的降低,进而降低防霜防冰性能。因此,迫切需要开发出在高湿低温条件下高效抑制结冰冻结的防冰材料。

图1. CR-SAS仿生表面的制造和表征:(a)基于小麦叶子,采用PLD进行CR-SAS制备示意图;(b)CR-SAS俯视图像及其润湿角度;(c)CR-SAS的侧视图像及其表面成分。

图2.CR-SAS表面冷凝水滴弹跳。(a)冷凝水弹跳过程;(b)冷凝水通过聚合和弹跳连续地从CR-SAS移走;(c)水滴弹跳移除速率统计;(d)平衡后水滴弹跳之后表面裸露面积统计。

图3.在极端低温高湿条件下,CR-SAS表面可实现不结冰。

受小麦叶片上水滴弹跳和光热转化策略的启发,研究团队使用超快脉冲激光沉积(PLD)技术,制造出具有微纳米多层结构表面(CR-SAS)。在冷凝水高效自清除和高效太阳能吸收的协同作用下,CR-SAS表现出优异的抗反射和光热转换性能。这得益于微/纳米多层结构中的光俘获效应和氧化铁纳米粒子的热等离子体效应。同时,CR-SAS对冷凝水展现出超疏水性,其超疏水性能优于荷叶表面,不仅对宏观毫米级水滴超疏水,而且对冷凝微尺度水滴也超疏水。在表面能的作用下,冷凝水在冻结之前从表面合并弹跳,从而暴露出更多的裸露面积发生光热作用。在太阳光照射下,即使在-50°C的超低温和极高湿度(冰过饱和度约为260)的环境下,CR-SAS表面温度也大于0°C。更重要的是,CR-SAS可以在不同材料上沉积,且具有优异的可靠性,为在实际防冰应用提供了巨大潜力。

论文全文链接:https://www.pnas.org/content/118/18/e2100978118

《Nature》Research Highlight链接:https://www.nature.com/articles/d41586-021-01144-2

《Nature Materials》评述文章链接:https://www.nature.com/articles/s41563-021-01028-w

国家自然基金委网站报道链接:http://chem.nsfc.gov.cn/Show.aspx?AI=1036

(审核:张志刚)

编辑:贾爱平

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