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学术知识

冷热台HCS在涂层材料中冰粘附性能测试的应用

涂层材料、作为一种广泛应用于基材表面的覆盖材料、通过特定的物理或化学方法进行涂覆、旨在为基材提供一层或多层保护。此类材料不仅能提升基材性能、改善其外观、延长使用寿命、而且在多个领域具有重要作用。


在现代工业与科技高速发展背景下、防冰与疏冰性能的涂层材料凭借独特优势、在多个领域扮演关键角色。这些材料不仅能预防冰雪积聚、降低安全隐患和能源损耗、还能保障交通运输畅通、提高电力设备运行效率。


防冰与疏冰涂层材料通常具有超低表面能、意味着优异的疏水性和疏冰性。水滴或冰晶接触这类涂层时、因表面张力作用、迅速滑落、不易附着。这使涂层在低温环境下保持干燥、避免性能下降或损坏。超疏水表面的不沾水特性能有效延迟结冰、减少结冰面积和降低冰粘附强度。[1]


超疏水表面的防除冰性能主要体现为防结冰性能和疏冰性能。防结冰性能是指液滴在结冰之前从超疏水表面脱离的能力、或者通过运动液滴的滚落与凝结液滴的合并诱导自弹跳脱离表面、或者是通过超疏水表面微纳结构中所捕获的空气囊的热阻效应、延迟液滴非均匀形核时间从而为液滴脱离表面争取足够的时间。疏冰性能是指液滴在超疏水表面结冰以后、减弱冰与表面之间的粘附力、在风、自身重力或外加力场等外力作用下、冰脱离表面而达到易除冰的目的。虽然超疏水表面具有一定的防结冰性能、但是在极冷高湿等气象条件下、超疏水表面最终会丧失防结冰特性而形成积冰。


因此、理想的疏冰表面是冰与表面的粘附强度足够低、可以在自身重力的作用下就能脱离表面。但是、目前已报道的疏冰超疏水表面的冰粘附强度一般都在50-100 kPa、冰难以自动脱离。其他的诸如低界面韧性表面、液体润滑表面所报道的冰粘附强度虽然也较低、但其实用性相比超疏水表面明显不足。


清华大学R. Pan等人采用超快激光复合化学氧化方法、制备了一类新的三级微纳超疏水表面结构、这类表面由微米锥阵列支撑结构以及在其上密集生长的金属氧化物纳米草结构和弥散分布的微米或亚微米花结构组合而成。对超疏水表面的疏冰性能测试结果表明、三级微纳铜合金疏水表面的冰粘附强度仅为1.7 kPa、冰在自身重力的作用下就可脱离表面。经过10次推冰测试后、该表面的冰粘附强度依然不高于10kPa、表明三级微纳超疏水表面具有较好的推冰机械耐久性、如图1所示。

不同超疏水表面的疏冰性能 

图1 不同超疏水表面的疏冰性能:(a)结冰-除冰循环次数对三级微纳超疏水表面冰粘附强度的影响;(b)结冰-除冰循环次数对三级微纳超疏水表面冰附着强度的影响

 

其中、冰粘附强度的测试可以通过在HCS基础上、增加拉力传感器、储液罐等部件、针对性设计了样品台、涂层样品的固定件等单元、并利用“动密封”技术保持在拉伸过程中腔体的真空度、从而获得冰粘结强度测试系统、如图2。在测试中将水进行低温结晶、将涂层材料和样品粘结在一起、然后对涂层材料进行拉伸、即可获得相对的拉断力、计算可得到涂层材料的冰粘附强度。

 

冰粘附强度测试系统(HCS-1L定制方案) 

图2 冰粘附强度测试系统(HCS-1L定制方案)

 

为实现低温/变温场景的测试、武汉光谷薄膜技术可提供全套解决方案、通过冷热台(HCS-1L)和拉力传感器的力学传导路径匹配设计、保持力学传导的顺畅性、腔体的真空度、又实现样品在78-800K的可控范围内。

 

冷热台(HCS-1L)是能够提供很好的温度梯度和高稳定性的温度场、具有78--800K的宽温度范围、0.1K的高精度控温等特性、并可以为客户设计定制化样品台、匹配客户检测设备、可实现在低温下或变温下电学、磁学、电磁学、光学、光电学、热力学、力学、声学等性能测试。

 

[1] Tian S, Li R, Liu X, et al. Inhibition of defect-induced ice nucleation, propagation, and adhesion by bioinspired self-healing anti-icing coatings[J]. Research, 2023, 6: 0140.

[2] Pan R, Zhang H, Zhong M. Triple-scale superhydrophobic surface with excellent anti-icing and icephobic performance via ultrafast laser hybrid fabrication[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 13(1): 1743-1753.

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