中国民用航空飞行学院何强AM：突破性无涂层超疏水表面问世：航空防冰技术迎来革命性进展

飞机螺旋桨前缘、发动机叶片等关键部件的结冰问题严重威胁航空安全。传统电热除冰、机械除冰等方法依赖外部能源，资源消耗大。尽管超疏水表面被视为低能耗被动防冰的理想方案，但其在低温、高湿或机械磨损下易失效，且常规涂层存在环境污染和耐久性不足的缺陷。

中国民用航空飞行学院何强团队在《先进材料》发表最新成果，通过飞秒激光诱导硅橡胶表面陶瓷化，成功制备出无涂层超疏水防冰表面（简称FS表面）。该表面水接触角达168°，滑动角仅0.3°，在-25℃静态环境中延迟结冰2880秒，风洞动态防冰持续132秒。经600秒机械磨损、240小时化学腐蚀及30次冰黏附循环后，性能仍保持稳定，为极端环境设备防冰提供了全新解决方案。

核心机理与结构创新

研究团队利用飞秒激光的超短脉冲特性实现“冷加工”（图1a），在硅橡胶表面精准构建微纳复合结构。COMSOL模拟证实（图1b），激光仅作用于照射区域，短暂高温断裂Si-CH₃键并重组为无定形SiO₂陶瓷层，同时保留微结构完整性。扫描电镜显示（图1c-f），物理压模成型的600（图1c,d），而激光加工的FS表面形成间距20μm、深85μm的初级微结构（图S8b），其凸起处富集SiO₂纳米团簇构成次级结构（图1e,f）。这种陶瓷化层与微纳粗糙度的协同作用，赋予表面超疏水稳定性。

图1试样制备与表征。a) 激光加工表面示意图；b) FS表面温度变化的COMSOL模拟；c,d) 600；e,f) FS表面结构在不同放大倍数下的SEM图像。

卓越的耐久性验证

FS表面展现出惊人抗损伤能力（图2）。经10轮摩擦/刮削/砂磨/切割后（图2a,b），接触角仍达159°±3.5°，滑动角仅1.6°±0.12°。在强酸(pH 0.43)、强碱(pH 12.88)中浸泡10天后（图2c），其疏水性远超600。归因于陶瓷层降低表面能并阻隔腐蚀离子渗透。此外，FS表面冰黏附强度仅2.1 kPa（图2d），较600#表面(94.7 kPa)降低98%，且30次除冰循环后性能提升13倍。线性磨损测试中（图2e），FS表面接触角仍维持在151°±2.1°。

图2机械化学损伤后试样表面疏水性。a) FS表面经10轮损伤（摩擦/刮削/砂磨/切割）前后疏水性对比；b) 损伤后FS表面疏水性照片证据；c) FS表面与600(pH 0.43)、碱(pH 12.88)、盐(pH 6.77)、雨水(pH 8.35)中浸泡10天的疏水性保持率；d) 不同除冰循环次数下FS与600；e) FS表面在200g载荷下经1000目砂纸线性磨损测试。

静态防冰性能优势

在-20℃环境中（图3），FS表面因微结构内捕获空气层，显著抑制热传导（Q₄/Qᵣ），延迟结冰时间达3250秒，是600.4倍（图3h）。热成像显示（图3a,b），600#表面液滴经历冷却-再辉-凝固三阶段，而FS表面液滴长期保持过冷状态（图3g）。其抗冰机制在于避免“冰钉效应”（图3d-f）：600#表面因结构被水渗透形成机械互锁（图3e），而FS表面液滴悬空冻结（图3f），大幅降低冰黏附。

图3试样表面静态延迟结冰性能。a) 600；b) FS表面结冰全过程侧视热成像序列；c) 试样表面延迟结冰热交换示意图；d) 结冰过程中表面"冰钉效应"示意图；e) 600；f) FS表面结冰过程侧视图；g) FS与600#表面液滴温度随时间变化及结冰阶段光学图像；h) FS表面与其他已报道表面在不同温湿度下的延迟结冰时间对比。

动态防冰实战表现

风洞测试中（图4a），FS表面展现出工程级防冰能力。螺旋桨2500转/分钟运行时，面对2 g/m³过冷水喷雾：在无辅助气流模式下（图4d），FS表面61秒无结冰；在25 m/s高速气流模式下（图4e），132秒后冰层脱落。关键机制在于旋转气流在FS表面形成外源空气层（图4f），结合离心力与超疏水性，使液滴撞击后迅速弹离，接触时间缩短80%。而600（图4g,h），无法有效排水，导致冰层堆积。

图4试样表面动态防冰性能。a) 开路风洞示意图；b) 原始螺旋桨与加装前缘包覆螺旋桨的拉力/扭矩对比；c) 两者桨力效应对比；d) 风洞关闭时前缘包覆结冰状态；e) 风洞运行时前缘包覆结冰过程；f) FS表面动态液滴排斥；g,h) 600。

应用前景展望

该研究首创的激光诱导陶瓷化技术，攻克了传统含氟涂层毒性强、易剥落的行业难题。FS表面通过微结构设计、陶瓷化改性和旋转动力协同，实现了无源条件下长效防冰，为飞机螺旋桨前缘等关键部件提供了革命性解决方案，有望推动航空航天、风电等领域被动防冰技术的实用化进程。

来源：高分子科学前沿

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