新研究：超快激光让金属表面变成“荷叶”，实现超疏水抗结冰

来源：中国激光

背景介绍

结冰是一种自然现象，结冰和积冰会对飞机、输电电缆、道路安全、风力涡轮机等带来威胁，甚至导致巨大的经济损失和严重的生命安全问题。目前，传统的主动防除冰方法主要包括热气和电加热防除冰、机械振动防除冰或化学流体防除冰等，这些防除冰方法通常存在能耗大、效率低、结构复杂及对环境不友好等问题。

近年来，新型被动防除冰表面已成为国际上的热点研究方向。基于荷叶自清洁功能的超疏水表面被认为具有良好的防除冰性能，这种表面不需要施加外来能量就能避免或减缓结冰的危害，从而能一定程度上克服主动防除冰方法的能量消耗和结构复杂等弊端。

超疏水表面具有防除冰的潜力，但防除冰要远比超疏水复杂和困难，影响因素很多，目前关于超疏水表面防除冰性能的研究仍然存在以下主要问题需要解决：

一、在高湿度环境下，液滴在超疏水表面结构中的冷凝会促使表面发生由Cassie状态（为荷叶不沾水的典型状态，即液滴下的成千上万微纳凹坑结构中含有气囊的状态）向Wenzel状态（为水滴粘附玫瑰花瓣上的典型状态，即液滴渗入成千上万微纳凹坑结构之中，水滴牢牢粘附在表面上）的转变，从而失去防除冰性能甚至产生反作用；

二、目前已报道的低粘附力超疏水表面的冰粘附强度一般都在50kPa以上，与液体润滑表面等其他疏冰表面相比，仍具有较高的冰粘附强度，有待进一步降低；

三、超疏水表面的机械耐久性一直是限制其广泛商业应用的关键因素。

创新研究

清华大学材料学院钟敏霖教授研究团队采用超快激光复合化学氧化的方法，制备了一类新的三级微纳超疏水表面结构，该类表面结构可有效提高超疏水表面在高湿度环境下的Cassie状态稳定性及其防除冰性能。

如图1所示，该类结构由超快激光预制备的微米锥阵列支撑结构以及在其上通过化学氧化法原位形成的密集金属氧化物纳米草结构和弥散分布的微米或亚微米花结构组合而成。经过表面改性后，这类三级微纳结构具有优异的超疏水性，其接触角可达161°，而滚动角仅0.5°。

图1 超快激光复合法制备的三级微纳超疏水表面结构及其表面接触角和滚动角

对表面微纳结构演变过程和超疏水性的研究结果表明，微纳结构的粗糙度和级数是决定材料表面超疏水性和Cassie状态稳定性的关键因素。在高湿度冷凝环境下，三级微纳超疏水表面上存在着分级冷凝和冷凝液滴的合并诱导自跳跃现象（图2）。

分级冷凝现象使得微纳结构中凝结的二级小液滴不断并入表面上的一级冷凝液滴中，使一级液滴持续具有较好的Cassie状态稳定性，进而使超疏水表面即使在高湿度环境下也依然可使表面冷凝液滴发生合并诱导自跳跃，从而具有较好的防除冰性能。

图2 三级微纳超疏水表面上的分级冷凝和冷凝液滴的合并诱导自跳跃现象

对超疏水表面的疏冰性能测试结果表明，三级微纳铝合金疏水表面的冰粘附强度仅为6kPa，与未经处理的铝合金表面相比，冰粘附强度降低了40倍；经过10次推冰测试后，该表面的冰粘附强度依然不高于20kPa（图3），表明三级微纳超疏水表面可具有较好的推冰机械耐久性。

图3 不同铝合金超疏水表面的冰粘附强度及三级微纳超疏水表面上连续10次推冰的测试结果

总结与展望

超疏水表面的防除冰性能是一个热门话题，宏-微-纳多级结构的制备是实现超疏水表面优异防除冰性能的主要途径之一。上述结果是在静态结冰情况下获得的，如何在水滴高速撞击微纳结构表面时获得超低冰粘附力，如何保证超疏水表面防除冰性能的前提下进一步提高超疏水表面的机械耐久性和加工效率，是本课题组接下来研究的重点。

课题组介绍

钟敏霖教授研究团队长期从事激光加工制造学术研究，研究方向包括激光微纳制造、激光表面工程、激光增材制造与新材料制备等，目前重点研究超快激光制备多种微纳米结构及其功能化与应用探索。承担完成19项国际合作项目和40余项国家重点研发计划项目、973项目、国家自然科学基金重大国际合作项目、重点项目及企业合作项目等，取得了一系列成果。钟教授长期活跃于国际国内激光制造学术领域，担任2019年美国激光学会主席，2015-2017年的国际光电子与激光工程学会的主席，担任《中国激光》期刊执行主编，在众多国际国内学术会议上作大会报告和邀请报告，并担任国际会议主席、共主席和全国会议的主席等，在本领域学术研究方面发挥积极影响。