西南交大朱旻昊/樊小强提出光热和超疏水设计实现材料表面防结冰

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。基于此，西南交通大学朱旻昊和樊小强教授团队提出了光热主动+超疏水被动的防结冰策略，在AZ31镁合金表面制备了等离子蚀刻的黑色陶瓷作为光热层，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效果。陶瓷层的吸光度和较窄禁带带宽表现出优异的固溶体(Mg1-XCuXO)光热性能。陶瓷相的禁带宽度为3.62 eV，光热温度高达69.4 ℃，具有理想的光吸收和光热性能。微观结构和Si-O-Si的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，与实验结果一致，呈现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，并利用疏水性迅速让冰从基体表面脱附，从而实现光热主动和超疏水被动防冰策略。

图1. 黑陶复合材料表面制备流程图

图2. AZ31镁合金在电解液中的等离子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-代表铜离子的络合状态)。

图3. (a-c) MgO表面的润湿情况。(d-f) 复合涂层表面的润湿情况。(g) 光热超疏水表面的水接触角实验。(h) 污染状态下的自清洁性能和结冰示意图。

图4. (a) 不同样品的吸光度和(b) 根据吸光度用Tauc plot法计算出的禁带宽度。(c) 不同样品的光热性能测试曲线以及红外热成像光学图片。

图5. (a) 光热超疏水表面动态结冰示意图，(b) Cassie-Baxter模型向Wenzel模型过渡的机理，(c) 超疏水表面水滴在未制冷情况下的俯视光学视图，(d) 开始制冷阶段，(e) 水滴在超疏水界面上的动态结冰过程和冰融化。

本研究利用PEO技术在AZ31镁合金表面构建了一种具有优异吸光率的多孔黑色陶瓷光热材料。通过高温沉积方案，在PEO表面修饰了大量PDMS NPs。该复合涂层具有理想的光热性能、超疏水性和防结冰效果，可归纳如下：

(a) Mg1-XCuXO半导体性质的窄禁带宽度(3.62 eV)带来了宽谱太阳光吸收能力，提高了光热转换能力，在200 mW/cm-2的辐照强度下，光热温度达到69.4 ℃。

(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。

(c) “气穴”内强烈的范德华作用促进了低温下从Cassie-Baxter态到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。

来源：西南交通大学

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155101