柔性多级微结构的抗结冰性能研究

At low temperature, ice formation and accumulation on superhydrophobic surface generates stress concentration with the increasing volume, leading to the damage of topography, which induces the decline of the surface roughness. The liquid droplet transfers from Cassie’s state to Wenzel’ state and wets the surface, resulting in the failure of superhydrophobic function. To find an effect way to deal with the durability of superhydrophobic functional surfaces has become more and more significant. The natural lotus leaf can still keep in excellent superhydrophobic performance and durability after heavy rain, not only because of its multiple-level hierarchies, but also the flexible characterization of the natural living beings. In this study, inspired by the nature flexible surfaces, we successfully fabricate a kind of flexible micro-structures by integrating the flexible polymer materials and ZnO nano-rods, which realizes the anti-icing and impact resistance performances at low temperature. In the icing and impacting process, the flexible multi-structure transfers most of the kinetic energy into its elastic potential energy. It protects the nano-structures and enhances the durability of materials. Moreover, we find that as the increase of structural levels the nano-structures becomes more stable. The further study offers insights into the design of flexible multi-structured materials and it is greatly significant to the development of robust anti-icing/de-icing surfaces for practical applications.

低温条件下，超疏水材料表面结冰和覆冰过程中，由于冰水混合物体积膨胀，在固体表面产生应力集中，导致结构破坏和表面粗糙度下降。表面从Cassie状态，转变为Wenzel状态。液滴浸润固体表面，失去超疏水功能，这是超疏水材料失效的最主要原因。所以，找到一种可以提高超疏水材料耐久性的方法，显得越来越重要。自然界荷叶可以在大雨的长期冲击下保持很好的超疏水功能和耐久性，不仅仅是因为它的微纳米结构，更重要是荷叶表面的柔性多级结构。受此启发，本研究通过复合柔性高分子材料和ZnO纳米棒结构，成功制备出了柔性多级微纳米结构，并实现了在低温条件下的防覆冰和抗撞击性能。在结冰和撞击过程中，柔性多级结构把大部分动能转化为弹性势能，有效保护其表面的微纳米结构，提高了材料耐久性。研究还发现随着柔性微结构级数的增加，表面的纳米结构越稳定，表面功能可靠性越强。继续进行机理研究和深入探索，对提高超强防冰材料的环境适应能力有着重要的意义。

低温环境中，水在固体表面结冰过程产生较大的应力，对表面造成破坏；冰雪在建筑物表面的积累，导致建筑物的崩塌。低温结冰给人类的生活、生产带来了巨大的安全隐患和损失。荷叶表面的微纳米结构以及生物蜡材料降低了液滴和其表面的接触面积，液滴在这种表面的粘滞性非常小，所以液滴很容易脱离表面，实现自清洁功能。由于固/液界面存在大量的空气，而空气是热的不良导体，而且这些空袭是封闭不流动的，这就可以起到很好的热隔离效果。所以低温环境中，水滴在这种表面结冰时间会延迟。但是在低温环境中随着时间的延长，水滴结冰会体积膨胀，在低温表面产生应力集中，导致结构的破坏。这是低温抗结冰遇到的最大问题。我们研究中发现荷叶之所以有很优秀的功能耐久性，是由于其表面的柔性特征。我们选择了和荷叶基底弹性模量接近的硅橡胶作为微米基底，在其表面修饰纳米棒结构之后，最接近地复制了荷叶的结构。在-25℃环境中，这种表面进行结冰-融化循环测试时间超过了5年，表面的抗结冰功能没有发生衰减。进一步研究中，我们发现随着柔性结构的级数越高，整体结构的刚度下降，当表面受到撞击或结冰时，对其最顶端纳米结构所产生的冲击力越小。为了增强表面抗结冰功能，我们研究了空心界面，提出了孔隙度梯度界面在热阻方面的贡献理论，进一步提高了表面纳米结构的稳定性和结冰延迟功能。在此基金支持下，我们深层次地研究了柔性多级表面结构和空心界面结构在抗结冰领域的意义，这些研究为下一步工作打下了坚实的基础。