极端环境下工程系统仿生特殊润湿性表面的界面行为与机理

In the extreme condition, such as high temperature or low temperature, the stability and applicability of engineering system are the major problem of modern engineering system. Based on biomimetic engineering theory, this project is aimed at designing alternate wettability surfaces, and discussing the interfacial behavior and rule of the surfaces in extreme high or low temperature. Main research contents of the project include: the function and mechanism of typical creature surface; the forming mechanism of biomimetic structured surfaces; interfacial behavior and rule of bionic superhydrophobic surface; the mechanism of freezing adhesion and anti-icing property on bionic structured surfaces; the thermal conductivity mechanism of bionic structured surface. The bionic surfaces with the function of collecting water show an excellent performance of actively anti-icing property at low temperature, because of the properties of aggregation and condensate to water. At the same time, this functional surface also is beneficial to interface heat dissipation and boiling heat transfer in high temperature condition. The high temperature and low temperature condition were considered into one research system innovatively in this project. Based on the special wettability mechanism of natural creature surface, bionic alternate wettability surfaces with excellent adaption in the two extreme condition were developed, which can be used in extreme hard-condition, and be of great significance to engineering application. Meanwhile, the multi-dielectric dynamics behavior analysis of heterostructure surface provide theoretical basis for the design and control of bionic smart interface material.

面对极端环境如极高温或低温，工程系统的稳定性和适用性，是当代工程系统的重要命题。本项目基于工程仿生原理，设计一种交错润湿性表面，并探讨在极高温和低温环境中表面的界面行为与规律。研究内容包括：典型生物体表的功能与机理；仿生结构表面的形成机制；仿生超疏水表面的界面行为与规律；仿生结构表面的冻黏机制与防冰机理；仿生结构表面的热传导规律。这种具有集水功能的仿生表面，在低温环境中更利于聚集冷凝，具有主动防冰的优异性能。而且，在高温环境中，有利于界面散热和沸腾传热。本项目创新性地将高温与低温环境整合到一个研究系统，同时，基于天然生物表面的特殊润湿性原理，开发同时在两种极端环境中具有优良适应性的仿生交错润湿性功能表面，以用于在特殊的恶劣环境中，具有重要的工程意义。同时，本项目关于异质结构表面的多介质界面动力学行为的分析，也为仿生智能界面材料的设计与调控提供理论依据。

“极端性”与“跨尺度”正成为工程学科的重要科学命题。在极端条件下，表面的稳定性和功能性是目前表面科学研究的热点，“受限条件下界面行为调控”特别在极端环境下界面行为调控及机制具有重要的科学意义。本项目耦合多种生物原型，基于工程仿生设计理念，结合简单的激光加工法、化学刻蚀、机械切割和超声处理等，在工程材料如铝合金、铜合金、镁合金表面分别制备了具有交错润湿性的表面，该表面在极端环境下如高/低温，表面具有特殊的传热行为与规律。利用结构表面的界面散热与沸腾传热的独特规律，实现优异的热传导功能。通过大量的数据建立模型，从而预测润湿机制，为研究润湿表面的计算和模拟奠定了基础。进一步进行建模分析，从而实现对智能界面动态黏附力可逆转变的行为进行预测，同时考虑传导过程（热质）和应用稳定性。同时，这种特殊润湿性表面在低温下表面具有良好的防冰效果，具有较好防冻粘性能。.项目结合国内外研究优势，联合了葡萄牙里斯本大学研究学者在热传导方面的优势。项目开展以来，共发表24篇SCI检索论文，中科院一区论文14篇。授权国家6项发明专利。项目负责人刘燕教授入选教育部长江学者特聘教授，以骨干成员获批自然科学基金创新群体，李淑一入选博士后创新人才计划，培养博士4名，硕士2名。为保证项目的正常运行，还自主研发并搭建了热传导测试平台、低温粘附力测试装置，建立了特殊润湿性表面的热传导模型。.这种独特润湿性表面的设计与制备，突破了原有技术仅适应于一种温度环境的表面功能单一性和局限性，有助于解决仿生结构表面极端环境中关键技术难题，促进基于界面润湿性智能调控传热表面的发展，为自主研发和生产高效智能传热表面奠定了理论和技术基础。同时，本项目对于极地探测、太空探测、航空航天等极端环境下的机械部件的功能保护具有重要意义。