西南科技大学李国强教授Materials Horizons：飞秒激光制造的双仿生微纳结构高效光热除冰/防冰材料

引用格式：

Xuan S, Yin H, Li G, et al. Femtosecond Laser Composite Manufacturing Double Bionic Micro-Nano Structure for Efficient Photothermal Anti-Icing/Deicing[J]. Materials Horizons, 2024.

太阳能防冰/除冰(SADI)策略代表了一种有效除冰的环保方法。然而，光热材料的广泛使用可能会对财务业绩产生负面影响。因此，提高光的利用效率，特别是通过优化设计低含量光热材料的结构，迅速成为研究的焦点。这项研究成功开发了一种新型的双仿生微纳结构光热薄膜（MNHF），该材料以其卓越的光热转换效率和超低的冰附着强度，在光热除冰/防冰领域展现出巨大潜力。受复眼抗反射微纳结构和北极熊毛发中空隔热结构的启发，我们提出了仿生微纳中空膜的设计新策略。MNHF是使用飞秒激光烧蚀和模板转移技术相结合的复合制造工艺制造的。理论模拟和实验验证了该结构显著提高了光热转换效率和热辐射能力。与平面膜相比，MNHF光热转换效率提高了45.85%。在1.5太阳下，MNHF的平衡温度可达73.8℃。此外，即使经过10次冰除冰循环，MNHF的冰粘附强度仍保持在1.8±0.3 kPa。此外，MNHF优异的机械稳定性、耐化学性和自清洁能力使其实际应用成为可能。这种创新的结构为设计具有成本效益和坚固耐用的飞机机翼光热防冰/除冰表面铺平了道路。

图1. MNHF的设计、制造和表征。(a) MNHF的设计灵感来自北极熊的毛发和蚊子的眼睛。(b)白天和夜间MNHF的除冰和防冰性能。(c) MNHF的制作过程说明。(d) MNHF光学图像。(e) MNHF中空结构的SEM图像。(f)一架飞机的两个机翼上覆盖着MNHF的示意图。

图2. 三种微纳结构的形貌、润湿性和防冰性能(a) IMNHF结构示意图和扫描电镜图像。(b) IMNHF激光扫描方式及相关参数。(c) MNHF的结构示意图和SEM图像。(d) MNHF激光扫描方式及相关参数。(e) MNTHF的结构示意图和SEM图像。(f) MNTHF激光扫描方式及相关参数。(g)平面、IMNHF、MNHF、MNTHF表面的水ca。(h)平面、IMNHF、MNHF、MNTHF表面的sa。(i)平面、IMNHF、MNHF、MNTHF表面结冰时间。

图3. MNHF的光热性质。(a) MNHF射线迹线示意图。(b)平面光线追踪模拟结果。(c) MNHF射线追踪模拟结果。(d)平面、HF、MNF和MNHF在0.2 ~ 2.5 mm波长范围内的反射率(e)平面、HF、MNF和MNHF在0.2 ~ 2.5 mm波长范围内的透射率(f)平面、HF、MNF和MNHF在7 ~ 13 mm波长范围内的发射率(g)不同MWCNT含量和空心直径的HF在1个太阳照射10分钟时的温度。(h)分别添加0.05 wt%和0.2 wt% MWCNTs的不同样品在先后开灯和关灯条件下的表面温度。(i)添加0.05 wt% MWCNTs的MNHF在0.5、1和1.5太阳光照下的表面温度。

图4. MNHF的除冰性能。(a) 1个太阳下方形冰板光热除冰实验的温度分布和光学照片。(b)在MNHF表面进行光热除冰实验时小气泡运动的光学照片。(c)冰融化过程中冷冻液滴从Wenzel状态自发恢复到Cassie-Baxter状态的光学图片。(d)具有光热效应的冷冻液滴从Wenzel状态自发恢复到Cassie-Baxter状态的示意图。

图5. 抗机械磨损的超坚固性。(a)冰除冰循环对冰附着强度的影响。(b)冰除循环对CAs和sa的影响。(c) MNHF表面冰在外力作用下形成多尺度裂纹示意图。(d)一个弯扭循环示意图。(e)弯曲-扭转循环对平衡温度的影响。(f)弯曲-扭转周期对ca的影响。(g)弯扭循环对冰黏附强度的影响。(h)一个磨损周期说明。(i)磨损循环对CAs的影响。

图6. MNHF的稳定性。(a)一个胶带剥离周期示意图。(b)胶带剥离周期对ca的影响。(c) 500次剥离循环前后MNHF表面水射流的偏转情况。(d)胶带剥离周期对Da的影响。(e) MNHF表面浸在不同ph溶液中的光学图像。(f) MNHF浸在不同溶液中不同时间后的CAs变化。(g)自清洗周期1、5、10次后的光学图像和水接触角图像。(h)与其他同类工作相比，MNHF光热防冰除冰性能雷达图。

总结与展望综上所述，在本次尝试中，我们以蚊子的复眼和北极熊中空的绝缘毛为灵感，开发了一种具有优异光热防冰/除冰性能的MNHF。理论模拟和实验结果都证实了微纳结构与中空微柱结构的协同作用，可以大大增强光吸收和热辐射。值得注意的是，光热材料浓度为0.05 wt%时，MNHF的光热转换效率比平面光热膜高45.85%。在太阳能功率密度为1.5 kW m-2、MNHF的平衡温度可达73.8℃。此外，光热效应和超疏水性的结合大大减少了除冰过程中对微纳结构的破坏，使底部的冰迅速融化，冰-水混合物得以去除。低弹性模量和微裂纹的存在降低了冰的粘附强度。即使经过10次冰除冰循环，冰的粘附强度保持在1.8±0.3 kPa，证实了MNHF的可重复使用性。薄膜的柔软特性使其在弯曲和扭曲后保持其优异的光热和超疏水性。此外，MNHF优异的化学稳定性和自清洁特性确保了其在恶劣应用条件下的功能。MNHF以其优越的超疏水性能、出色的光热转换效率、卓越的防冰性能和卓越的除冰能力，在飞机防冰/除冰方面显示出巨大的应用潜力。
原文链接：

https://doi.org/10.1039/D4MH00500G

相应的成果以“Femtosecond Laser Composite Manufacturing Double Bionic Micro-Nano Structure for Efficient Photothermal Anti-Icing/Deicing. ”为题发表在Materials Horizons上，西南科技大学李国强教授为通讯作者。