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超疏水表面由于其防止冰形成和促进除冰而不需要外部能量的能力而引起了极大的关注。然而，这些表面通常容易受到外力的损坏，从而由于较差的机械稳定性而导致功能失效，这限制了它们的广泛使用。从玫瑰花瓣的层次沟槽和荷叶的微乳头结构中得到启发，提出了一种简单的基于激光的微/纳米层次坑状结构（HCLS）超疏水表面的制备方法。为了提高表面质量，采用沸水处理法制备了致密的纳米结构，其最佳接触角为158°，最佳滑动角为2.50°。HCLS的初始冰粘附强度低至1.4kPa，即使在300cm砂纸磨损后仍保持在10 kPa以下。此外，HCLS还具有出色的机械耐久性，可在模拟极端天气下水和沙的持续冲击条件下保持其性能。这种方法提供了一种创新的设计概念，它有可能促进未来飞机防冰和除冰表面的发展。
图1. 设计和性能。A）HCLS的灵感和特性示意图。B）磨损前后MNCS和HCLS的示意图。C）HCLS磨损前后结构分数的变化。D）HCLS制备工艺示意图。E）磨损前HCLS的扫描电镜照片。F）磨损后HCLS的SEM。（G）HCLS在飞机表面的应用前景。
图2. 润湿性。A）激光扫描速度对CA和SA的影响。B）激光扫描间距对CA和SA的影响。C）纹孔深度对CA和SA的影响。D）PAl、MNCHS、MNCS和HCLS的表面粗糙度。E）MNCHS、MNCS和HCLS的CA和SA。F）HCLS和MNCHS的间距比D* 和表观接触角分析。G）液滴冲击下MNCHS、MNCS和HCLS的首次接触时间和反弹高度的比较。H）液滴首次撞击MNCHS、MNCS和HCLS的接触时间。
图3. 防冰/除冰性能。A）MNCHS、MNCS和HCLS的结冰过程。B）MNCHS、MNCS和HCLS表面结冰前和融化后CA的变化。C）冰在30°倾角的HCLS表面上的融化过程。D）HCLS表面结冰过程示意图。E）PAl、MNCHS、MNCS和HCLS的冰附着强度的比较。F）MNCHS、MNCS和HCLS在15次结冰-除冰循环后的冰粘附强度变化。G）在15个结冰-除冰循环之后的HCLS的SEM。H）15次覆冰-除冰循环前后HCLS表面微纳结构的高度比较。（I）外力作用下，HCLS和PAl表面的冰柱脱落。
图4. 机械耐久性。A）模拟MNCS上的应力分布。B）模拟HCLS上的应力分布。C）一个磨损循环的图示。D）MNCHS、MNCS和HCLS在15次磨损循环后的CA。E）MNCHS、MNCS和HCLS在15次磨损循环后的冰粘附强度。F）与其他工程的机械耐久性比较。G）MNCHS、MNCS和HCLS在11次砂土冲击循环后的CA。H）10次水冲击循环后MNCHS、MNCS和HCLS的CA。Ⅰ）HCLS在空气中暴露10天后CA和SA的变化。
在这项工作中，我们使用飞秒激光烧蚀制备了具有机械耐久性的HCLS表面。该表面表现出162°的高CA和2.0°的低SA，表明其超疏水性和低水粘附性。此外，HCLS还具有优异的防冰性能，如2083 s的结冰延迟时间所证明的，以及仅为1.4 kPa的冰粘附强度的上级斥冰能力。理论模拟和实验验证证实，独特的微/纳米分级火山口状结构，提高了表面的耐用性。即使在300 cm的砂纸磨损后，HCLS的冰粘附强度仍保持在10 kPa以下。此外，涉及水和沙子的冲击实验证实了HCLS的出色的自清洁能力，机械耐用性和高可重复使用性。这项研究提供了一种新的策略，开发耐用的超疏水表面，有效的防冰/除冰能力，旨在提高飞机性能。
相应的成果以“Micro/Nano Hierarchical Crater-Like Structure Surface With Mechanical Durability and Low-Adhesion for Anti-Icing/Deicing”为题发表在Small上。论文的通讯作者为西南科技大学李国强教授。
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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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