北航陈华伟教授团队ACS Nano：取长补短，相得益彰——多尺度互穿增强的裂纹诱导-超滑移复合防除冰表面

“千里冰封，万里雪飘”，是北方恢宏之美；“窗含西岭千秋雪”，是南方俊秀之美。冰雪总是给我们带来纯净、浪漫的感受。然而冰雪又时常给我们的生产生活带来困扰。穿梭于云层的飞机、屹立于山巅海岸的风力发电机、驰骋于雪域的高铁、横架于山间的输电线缆，却常常与冰雪冻雨“不期而遇”。

工程表面积冰会严重危及航空航天、电力、运输等领域装备的运行安全性和经济效益，严重时会造成飞机机毁人亡、风机叶片折断、电塔倒塌以及高铁脱轨重大事故。为了解决传统防除冰方法高能耗、系统复杂等问题，师法自然，研究人员提出了一系列仿生低粘附防除冰表面，如基于气膜隔离作用的超疏水表面、基于液膜隔离作用的液体注入滑移表面和基于界面微裂纹诱导的弹性疏冰表面等。这些仿生表面均展现了优异的防冰能力，冰粘附强度可低于20kPa。但这些仿生表面在飞行器、风力发电机等高速运动表面的大面积应用仍然受到耐久性的制约，如何设计同时具备超低冰附着力和强大机械坚固性的防冰表面仍然是一个不小的挑战。

你是否有在砧板上切带皮肉的经历？带皮肉具有很强的机械强度和柔韧性，还特别滑溜。这源于其弹性组织内部固持了大量的固态与液态油脂。受这层皮下脂肪组织启发，北京航空航天大学机械工程及自动化学院仿生与微纳系统研究所陈华伟教授团队近期报道了一种多尺度互穿增强的裂纹诱导-超滑移复合防除冰表面，受皮下脂肪组织启发，采用多尺度互穿加强方法，在PDMS凝胶中引入环氧树脂分子链形成弹性模量可调的高强度分子网络，并掺入固态润滑剂，使表面可以更为牢固地固持液态润滑剂，并形成固-液双润滑效应，将超滑移界面与裂纹诱导界面相结合，最大限度降低冰在弹性界面裂纹触发的应力阈值，减小界面形变损伤，确保界面上的冰快速无损分离，实现长效防冰。该研究以“Fracture-Promoted Ultraslippery Ice Detachment Interface for Long-Lasting Anti icing”为题发表于《ACS Nano》上。陈华伟教授和刘晓林助理教授为该文的通讯作者，博士生王泽林澜与博士后赵泽辉为共同第一作者。

取长补短，相得益彰。多尺度互穿策略可以在F-SIDI中实现各组分性能的集成，从而最大限度地发挥每个成分的优势，并将超低结冰粘附滑移界面与裂纹诱导界面相结合（Mode iii），大大降低表面的冰粘附强度。相比于未引入液态润化剂的表面（Mode ii）与纯高强度分子网络（Mode i），Mode iii 表面具有极低的冰粘附强度（小于20kPa, −30 °C)，这源于其最大限度降低冰在弹性界面裂纹触发的应力阈值。固-液双润滑设计提升了F-SIDI对于液态润滑剂的固持能力，并为表面的防冰性能提供了“双保险”，即使在极端恶劣的环境中液态润滑剂完全从表面流失（此时，F-SIDI从Mode iii 转换为Mode ii），也可维持表面的防冰特性（冰粘附强度~37kPa, −30 °C）。此外，双润滑效应降低了在外力作用下表面的磨损，进一步增强了涂层的机械坚固性。F-SIDI在连续200次Taber耐磨测试循环（负载250g）后，表面厚度仅减少~30μm；磨损试验后，仍可保持低于20 kPa的冰粘附强度（−30 °C），这为F-SIDI在恶劣环境中长期维持自身功能提供了保障。

对于飞行器、风力发电机等高速运动表面而言，高速动态结冰条件下的彻底防冰仍然是一个重大挑战。高速动态结冰条件形成的冰更复杂、非均质、不规则，仅根据表面上规则冰块的平推脱粘测试来评估涂层的真实动态防冰能力是不够的。在风力叶片表面，由于叶片高速旋转，积聚在叶片上的冰总是受到沿展向速度和压力增加的影响。冰在叶片尖端上经历最快的线速度和最大风压。与远离尖端的区域相比，靠近尖端的区域表现出更大的压力变形，导致积冰的不对称变形。这为在积冰中产生大裂纹提供了可能性。当离心力大于冰内聚力和冰的剪切附着力时，冰体中会产生大裂缝，微裂纹将从裂缝区域蔓延到尖端，最终导致冰脱离。整个过程可以描述为一个循环，即冰的积聚-达到临界厚度-从叶片上分离-再积聚-再脱离。在桨叶模型上分别制备了Mode iii和Mode ii涂层，并以未处理的叶片作为对照组。通过模拟风力发电机叶片工作的真实结冰环境对F-SIDI在动态环境下的防冰性能进行了验证。在温度-30℃、风速15m/s、水含量0.75g/m3的动态结冰环境下，桨叶以2000RPM转速旋转12 min，处于Mode iii 与ii状态下的F-SIDI均展现了更少的积冰量与更强的抗冰能力。凭借这些优势特性，F-SIDI在恶劣的作业环境中作为防冰界面具有巨大的应用潜力。这项工作证明了该涂层在风力发电机叶片甚至飞机的高效防冰方面的实用性，这将有助于设计具有高耐久性和超低冰附着力的下一代防冰涂层。

该研究工作得到国家自然科学基金重点项目（51935001）、创新研究群体（T2121003）、青年基金（52205297）、杰出青年基金（51725501）及中国博士后科学基金面上项目（2022M720353）等经费资助。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c03023

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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