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工程性自清洁表面空穴气体抑制结冰研究获进展

工程性自清洁表面空穴气体抑制结冰研究获进展

  幸运28近日,中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员罗荘竹带领的研究团队与中国科学院兰州化学物理研究所刘维民团队联合攻关,首次提出“空穴气体对流紊动抑制结冰理论模型,从空穴气体静态和动态两方面揭示了多孔自清洁表面抑制结冰的作用机制。研究成果发表在美国化学学会《应用材料和界面》(ACS Applied Materials & Interfaces幸运28, DOI:10.1021/acsami.6b10165)上。

  仿生超疏水自清洁涂层是表面工程领域的前沿课题,在电力、通信等领域防结/覆冰雪方面显示出重要的工程应用前景。然而,超疏水涂层在实际工程应用中却遭遇瓶颈期,其主要原因是超疏水涂层抑制结冰的内在机理不明。该研究成果阐释了降温结冰过程中,贮藏于自清洁涂层微-纳米孔隙里温暖的空穴气体缓慢逸出,与水珠周围冷空气进行传热传质对流作用,导致水珠-气体体系中水珠的吉布斯自由能(结冰形核势垒)增大,引起显著的结冰延迟/滞后。上述理论模型将为工程性自清洁防结冰涂层的优化设计提供理论指导。

  近五年来,表面功能材料及工程研发中心研究人员在工程性自清洁防结冰涂层方面取得了系列进展。受自然界荷叶表面“自清洁”特性的启发,该研究团队利用传统涂层固化工艺(一步法)可控构筑出多种有序聚合物纳米纤维织构化自清洁涂层(ZL201310568070.2),并揭示了宏观外力和微观内力干扰高分子结晶过程获得有序聚合物纳米纤维的机理(Nanoscale research letters, 2014, 9(1): 1-10)。由于防冰冻工程应用必须面临苛刻的自然环境条件,研究人员系统揭示了高低温交变、太阳光照射、酸雨、冰雪覆盖等对超疏水涂层长期有效性的影响(Journal of Polymer Research, 2014, 21(5): 1-9)。针对目前国内外模拟结冰测试手段匮乏、与实际冻雨结冰环境差异较大的问题,该研究团队创新性地幸运28研制了“多因素冻雨结冰模拟测试系统,并建立起“多因素冻雨环境”、“结冰行为动态跟踪”及“覆冰粘附力在线监测”动态在线协同测试方法(Mechanics in Engineering, 2015, 37(3): 367-371; China Surface Engineering, 2016, 29(4): 10-22)。此外,在工程应用示范方面,自清洁涂层改性钢管(模拟输电导线)在“模拟冻雨”环境下挂冰率减小约60%以上;超疏水涂层改性钢板(模拟测速雷达天线罩)在高铁动车试车考核下,其冰瘤/冰块易整体脱附,显示出良好的工程防冰/除冰应用前景。

  上述研究工作得到了国家自然科学基金项目(5157550451605466)、重庆市科技攻关重大项目(cstc2011ggC50003)及中科院“西部之光”人才计划重点项目(3ZR12BH010)等的资助及支持。

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自清洁涂层空穴气体紊动抑制结冰理论模型

工程性自清洁涂层抗冻雨结冰性能显著