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西南交通大学樊小强教授Chemical Engineering Journal: 光热超疏水防冰黑陶瓷复合材料表面微结构设计![]()
引用格式：
Y. Zhang, X. Fan, X. Li, Z. Zhang, Y. Zhang, Z. Chen, S. Ge, Y. Wang, M. Zhu, Micro-structure design of black ceramic composite surface towards photothermal superhydrophobic anti-icing, Chemical Engineering Journal (2024), doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155101传统的超疏水表面在响应环境温度的融化和结冰过程中存在局限性。在本研究中，樊小强教授团队在AZ31镁合金表面制备了等离子蚀刻黑色陶瓷作为下层，负载聚二甲基硅氧烷纳米粒子(PDMS NPs)作为顶层的复合涂层，以实现光热和超疏水防冰。陶瓷层的吸光度和带宽表现出优异的固溶体(Mg1-XCuXO)光热性能。陶瓷相的带隙为3.62eV，温度高达69.4℃，具有良好的光吸收和光热性能。Si-O-Si的微观结构和极性键提供了优异的超疏水性，使表面接触角达到156°。利用分子动力学方法模拟了水滴在复合涂层表面的润湿过程，结果与实验结果一致，强调了复合涂层优异的超疏水性。此外，通过研究动态结冰和融冰过程，分析了Cassie-Baxter向Wenzel过渡过程。这种复合表面将光能转化为热能，融化冰雪，并利用疏水性迅速将其从表面解吸，从而实现光热主动和超疏水被动防冰策略。![]()
图1.光热效应黑色多孔陶瓷超疏水涂层的制备工艺。
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图2. AZ31镁合金在电解液中的等离子体电解氧化过程及黑色陶瓷多孔骨架的形成机理(其中A4-和b6-为铜离子的络合状态)。
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图3. (a-c) MgO表面润湿。(d-f)复合涂层表面润湿。(g)光热超疏水表面的水接触角实验。(h)沾染状态下自洁性能及结冰示意图。
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图4. (a)不同样品的吸光度和(b)基于吸光度的Tauc图法计算的带宽。(c)不同样品的光热性能测试曲线及红外热成像光学图片。
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图5. (a)光热超疏水表面动态结冰示意图，(b) Cassie-Baxter模型向Wenzel模型转变的机理，(c)不制冷的超疏水表面水滴光学俯视图，(d)制冷开始阶段，(e)超疏水界面水滴动态结冰过程及冰融化。
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图6. (a)黑色多孔陶瓷表面水滴的结冰状态以及超疏水表面的结冰状态，(b)冰融化过程中微小气泡向固体界面迁移的马兰戈尼现象，(c)各种润湿表面冰积累的俯视图光学图，(d)冰积累面积的计算。
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图7. (a-d)高湿低温条件下AZ31-PEO-6@PDMS NPs(左)和AZ31镁合金(右)表面结冰现象。(e)多次融冰过程中接触角的变化过程。
本研究采用PEO技术在AZ31镁合金表面制备了一种具有良好吸光度的多孔黑色陶瓷光热材料。采用高温沉积方法在PEO表面改性了大量的PDMS NPs。该复合涂层具有良好的光热性能、超疏水性和防冰效果，总结如下:(a) Mg1-XCuXO半导体性质的窄禁带(3.62eV)带来了宽带太阳光吸收能力，提高了光热转换能力，在200mW/cm-2辐照强度下实现了69.4°C的光热温度。(b) PDMS NPs提供了大量微凸结构和低表面能，并利用PEO层的多孔负载实现了156°的超疏水性能。(c)“气穴”内的强范德华相互作用促进了低温下Cassie-Baxter态向Wenzel态的转变。温度引起的表面张力变化导致液滴内的小气泡向固体表面迁移。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155101相应的成果以“Micro-structure design of black ceramic composite surface towards photother‐mal superhydrophobic anti-icing”为题发表在Chemical Engineering Journal上，文章的通讯作者为樊小强教授。
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投稿邮箱：aystar@cafuc.edu.cn
中国民用航空飞行学院何强教授团队依托高高原航空安全验证实验室与四川省全电通航飞行器关键技术工程研究中心等省重平台，主要研究方向为表面防除冰，航空橡胶密封等。欢迎相关文献投稿，交流合作。
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