摘要
覆冰问题在日常生活和工业应用中带来了巨大的不便甚至损失。为了解决这一问题，通常使用传统的防/除冰方式如热力、机械或化学等方法进行防/除冰，但这些方式效率低、耗能高且不环保。研究人员探究发现超疏水表面在防冰方面具有潜在的应用前景，但表面长期暴露在低温高湿的环境条件下，最终将会失效从而在表面形成冰，若通过外力进行除冰则会破坏表面结构和化学特性，因此，赋予超疏水表面自主除冰功能尤为重要。通过在超疏水表面引入光热材料，可利用其吸收太阳能转换为热能加热表面，达到防结冰和除冰的目的。基于此，本文利用不同的碳基光热材料，使用不同制备工艺在铝基底上获得了三种不同微纳结构的光热超疏水表面，搭建了防结冰与光热除冰可视化实验系统，分别对不同的光热超疏水表面的光热性能、防结冰性能、除冰性能和稳定性能等进行了系统研究。 本文首先利用激光诱导聚酰亚胺（PI）形成石墨烯（LIG）的技术结合表面氟硅烷改性的方法，在铝基底上制备了具有多孔网状结构的光热超疏水表面（SHPo-LIG@Al）。该表面表现出优异的超疏水性（CA=165°，RA=2°）、光吸收率（~98%）以及光热性能（在1倍光照强度下表面温度在15 min内达到65℃）。由于其超疏水性和光热性能的协同作用，SHPo-LIG@Al表面在0.5倍光照强度下具有超长的液滴冻结时间（3805 s），在 1 倍或 2 倍光照强度下能够完全防止液滴冻结。系统研究了不同光照强度下SHPo-LIG@Al表面的液滴在延缓结冰过程中的相变过程和传热过程，并分析了液滴延缓冻结机理。同时，SHPo-LIG@Al表面能有效地缓解冰霜的形成，且在光照条件下能够高效地去除表面的积霜与积冰，经历10次结霜/除霜与结冰/除冰循环后，仍表现出优异的超疏水性。此外，SHPo-LIG@Al表面展现出优异自清洁性能和化学稳定性能。 针对上述制备成本较高且使用氟化物改性带来的污染问题，本文特采用廉价且低表面能的蜡烛灰（CS）实现了低成本、绿色环保的光热超疏水表面（PDMS/CS@PDMS/Al）的制备，分析了蜡烛灰的沉积时间对微观形貌、润湿性、光吸收率及光热性能的影响，综合评估获得最优沉积时间的光热超疏水表面（PDMS/CS60@PDMS/Al），该表面在不同低温条件下均具有超长的延缓结冰时间。另外，研究了PDMS/CS60@PDMS/Al表面上HCl液滴、NaCl液滴、NaOH液滴和泥浆液滴的延缓结冰过程，观察发现HCl液滴三相接触线周围出现明显的冷凝液滴，NaCl液滴在蒸发过程中出现了NaCl颗粒沉积现象，泥浆液滴在冻结后顶部形成了平台结构，并对以上现象进行了研究分析。此外，探究了表面的光热除冰性能以及低温下自清洁能力。 为优化表面微纳结构，提高表面机械稳定性，引入碳黑这一光热材料使用喷涂法制备了具有类似于荷叶“乳突状”微纳结构的光热超疏水表面（PDMS/CB@PDMS/Al），对不同微纳碳黑质量比制备的PDMS/CB@PDMS/Al表面润湿性（常温和低温条件下）、光吸收率以及光热性能进行了探究对比，结果表明，当微纳米碳黑质量比达到3∶2时，各方面性能较为突出。在无/有光照条件时，测试了其防结冰性能，研究发现，在无光照时，其防结冰性能未突显出优势，但在光照条件下，其延缓结冰能力远远超过普通超疏水表面，通过建立传热模型对其防结冰过程进行了传热分析。在光热除冰过程中，其在低温下优异的超疏水性可使冰层发生滑移直至脱离表面且表面呈现完全干燥状态，有效提高了除冰效率。此外，在耐久性和机械稳定性测试中，表面经历10次结冰/除冰循环、200 cm砂纸摩擦以及镊子刮划后仍保持出色的超疏水性。 光热超疏水防/除冰技术利用光热材料优异的光热转换性能，通过吸收太阳光将光能高效地转换为热能达到防/除冰目的，而不需要额外的能量供给，在全球低碳节能环保的大环境下，这种绿色、环保、可持续发展的防/除冰方式具有重要的开拓前景和应用价值。
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