仿生超滑微纳复合结构表面防覆冰机理及其可控制备

Anti-icing surface plays an important role in the safety of aircraft. Slippery liquid-infused porous surfaces have attracted much attention owing to the excellent liquid- and ice-repellency, and are becoming a hot topic in anti-icing surface area. However, it is still a great challenge to carry out the research on the fabrication and application of slippery micro/nano surface. The effect of lubricant film on the ice formation is not clear. The structure durability also need to be improved. Here we study the nucleation and growth of ice in order to reveal the affecting mechanism of lubricant film on the droplet-repellency, ice formation and deicing properties. Inspired by Nepenthes with anisotropic porous structures, we build an anisotropic micro/nano porous model, and then optimize its parameters to improve its capillary absorption ability and mechanical stiffness. Based on anisotropic etching process, we develop a controllable large-scale fabricating process and obtain slippery micro/nano structure surfaces with excellent anti-icing property. We tailor the directional droplet repellency and deicing properties. Thus, the controllable fabrication and performance tailoring of the bio-inspired anisotropic anti-icing slippery micro/nano structures can be achieved. This project will push the related techniques stepping forward and bring significant economic benefits and practical value.

防覆冰技术对保障飞机安全飞行具有至关重要的作用。超滑防覆冰表面因其优异的防过冷水滴黏附能力、极低的覆冰黏附强度受到广泛关注，正逐渐成为防覆冰表面研究热点。然而，超滑防覆冰表面的制备与应用依然面临着巨大挑战，表面润滑层对覆冰形成的影响机制尚未明了，结构耐用性也亟待改善。为此，本项目将从覆冰成核、生长等基础理论出发，研究揭示结构特征参数和表面润滑层对防过冷水滴黏附、覆冰形成及覆冰脱附的作用机制。借鉴具有各向异性孔隙结构的猪笼草，建立超滑微纳复合孔隙结构模型，优化结构参数以提高表面毛细吸附能力和结构机械强度。基于各向异性腐蚀工艺，开发结构参数可控的仿生各向异性超滑微纳复合结构规模化制备方法。调控微纳复合结构表面在特定方向的防过冷水滴黏附和覆冰脱附性能，获得具有优异定向防覆冰特性的超滑表面，从而实现仿生各向异性超滑防覆冰微纳复合结构的规模化可控制备与性能调控，推动防覆冰技术的发展与广泛应用。

防冰技术对保障飞机安全飞行和雨雪冰冻环境中交通、电力、通讯等系统正常运行具有至关重要的作用。超疏水表面可以使过冷水滴迅速脱附而实现防覆冰，可也会因表面凝霜而失效。超滑表面因其优异的防过冷水黏附、极低的表面覆冰强度而逐渐成为当前防覆冰表面的研究热点。但目前超滑表面依然存在表面结构耐用性不够而发生破坏等问题亟待解决。因此，本项目致力于高耐用性、低黏附强度的防覆冰表面研究，目前已完成了防冰测试平台搭建，采用喷涂方法开发了制备具有高孔隙率、低表面能的超疏水多孔纳米涂层制备工艺；提出了微孔、纳米多孔结构相结合的高耐用性超滑表面的构型，开发了基于喷涂工艺的超疏水纳米涂层制备方法，采用光刻、溅射、各向异性腐蚀制备了倒金字塔微孔结构阵列，得到了具有高耐用性的超滑防覆冰微纳复合结构表面；同时采用喷涂、旋涂等方法制备了透明超疏水、超滑表面。通过测试表明所制备的高耐用性超滑防覆冰表面具有极低的覆冰黏附强度和优异的自清洁性能，经过20次结冰/除冰测试后仍保持较好的防冰性能。此外，基于衍射光刻的复杂三维微纳结构制备机理，开发可行的三维悬浮微纳结构制备方法，建立了厚胶衍射光刻过程中的基尔霍夫衍射光学模型，通过优化掩模图形和光刻参数实现了三维光场的精确调控，揭示了掩模尺寸、光吸收率等对曝光深度的影响规律，制备了悬浮梁、悬浮网格、悬浮文字图案等三维结构，实现了一次衍射光刻同时制备多种厚度悬浮层的三维微纳结构。综上所述，本项目通过设计并制备高机械强度的超滑微纳米复合表面，实现了高耐用性防覆冰表面的制备与应用，推动了防覆冰表面技术的发展，同时也开发了新的复杂三维结构制备方法，为三维复杂结构在防冰、自清洁、超疏水表面等方面的应用奠定基础。