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西南科大李国强团队ACS Nano:用于高效防/除冰的仿白车轴草超低冰粘附表面
作者:李国强  发布时间:2023-10-16    阅读次数:1365

面向风力发电机叶片防/除冰的重大战略需求,针对在复杂极端环境中设计具有超低冰粘附强度和优异机械耐久性表面的技术难题。近日,西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室微纳仿生制造团队李国强教授与中国空气动力研究与发展中心刘森云研究员、中南大学银恺教授合作,设计出一种具有超低冰粘附强度的仿白车轴草结构高效疏冰表面(ISAl),该表面结构在复杂极端环境(低温、高湿和动态运行状态)下可实现低至1.60 kPa的超低冰粘附强度,且具有良好的机械耐久性。相关工作以“Trifolium repens L.-Like Periodic Micronano Structured Superhydrophobic Surface with Ultralow Ice Adhesion for Efficient Anti-Icing/Deicing”为题,发表于国际高影响力期刊《ACS Nano》(SCI一区,Nature Index期刊,IF:17.10)。该研究工作是团队在ACS系列的重大突破,也是学校双一流学科建设的阶段性研究成果。西南科技大学博士生轩森森为论文第一作者,通讯作者为李国强教授,刘森云研究员以及银恺教授。

风力发电在国家能源体系中占据重要地位,然而风机在寒冷和高湿环境下持续运行时,叶片不可避免地会产生覆冰现象,对机组的发电效率和使用寿命造成不利影响。传统的风机叶片除冰方法有机械除冰、化学除冰、热力除冰等,但这些除冰技术存在环境污染、效率低、能耗高等缺点。近年来,随着防/除冰技术的发展,超疏水表面因其卓越的拒水性越来越受研究者们青睐。然而,液滴在低温下易渗透到微结构内部,增加冰粘附强度,抑制超疏水表面的防/除冰性能。此外,超疏水表面的耐磨性普遍较差,限制了其在防/除冰领域的实际应用。因此,设计在极端寒冷和潮湿环境中具有超低冰粘附强度和卓越机械耐久性的表面充满挑战。

物竞天择,适者生存。白车轴草可在冰雪覆盖下安全越冬,具有极强的耐寒性。研究团队发现其叶片表面是由气囊组成的微坑结构和密集分布的纳米片状结构构成,这种微纳米分级结构和低表面能蜡质层的存在,使其表现出优异的超疏水性。

受此启发,团队通过飞秒激光直写微纳加工技术与水热处理技术,设计了仿白车轴草周期性微纳结构疏冰表面(ISAl)。该表面由周期性微坑阵列、微团状及密集纳米片状结构组成,展现出优异的静/动态防冰效果,其静态防冰时间长达2832 s,且在复杂极端环境下的防霜时间长达5 h。该表面在运动状态下显示出高效除冰效果,其冰粘附强度低至1.60 kPa。同时,凹坑结构赋予了该表面优异的机械耐久性,经过15次结冰/除冰循环后,表面仍为超疏水状态,且冰粘附强度小于6 kPa。

该研究结合前沿的仿生学理念,提出了新的周期性分层结构疏冰理论和新方法,解决了极端寒冷、高湿和运动状态下的高效防/除冰问题,推动了我国风机叶片防/除冰领域的发展,相关成果亦可拓展应用于飞机防/除冰领域,对我国风电、航空、航天等领域的快速发展具有重要战略意义。评审人对该工作给予充分肯定:“受白车轴草微纳米结构和低表面能赋予其优异的疏水耐寒性的启发,所设计的结构为风力发电机叶片的有效防/除冰提供了新的策略。”


西南科技大学微纳仿生制造团队简介:团队成立于2017年,秉持“严谨、高效、卓越、创新”的科研精神,坚持“认同理念、服从管理”的基本原则,实行“科学、协作、卓越”的运作和管理机制。自成立以来,团队致力于航空航天关键构件防/除冰的基础研究与应用开发。团队前期开展了一系列基础研究,发表了包括具有不对称孔隙率和减阻特性的高性能马兰戈尼水凝胶转子(Nat. Commun., 2023, 14, 1, 1928),水平振动模式高性能微滴定向驱动(Adv. Mater., 2020, 2005039),飞秒激光诱导蘑菇头状微柱超快自生长(Nano Lett., 2021, 21, 9301-9309),用于混合液滴定向弹跳的倾斜阶梯蘑菇头状微柱表面(Chem. Eng. J., 2023, 472, 144949),受蚊眼启发的激光织构化仿生多功能玻璃(Chem. Eng. J., 2021, 416, 129113)等20余篇高水平学术论文。这些具有前瞻性和创造性的研究成果在攻克高效防/除冰技术难题方面发挥了重要作用。


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