受豬籠草啟發(fā)的多孔微腔低冰黏附防除冰表面

向科峰，尹歡，宋岳干，楊益，李國(guó)強(qiáng)，賴林

受豬籠草啟發(fā)的多孔微腔低冰黏附防除冰表面

向科峰，尹歡，宋岳干*，楊益，李國(guó)強(qiáng)，賴林

（西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

提高光滑液體注入表面（SLIPS）的防/除冰耐用性。將鎳箔完全浸沒在無水乙醇中，使用飛秒激光照射無水乙醇環(huán)境中的鎳箔表面誘導(dǎo)出立體多孔納米微腔陣列結(jié)構(gòu)，并使用氟硅烷改性增加表面對(duì)硅油的親和力，最后用50 cSt的硅油旋涂在改性后的表面上。通過掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡對(duì)立體多孔納米微腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行形貌分析，并通過延緩結(jié)冰試驗(yàn)、冰黏附強(qiáng)度測(cè)試和高溫蒸發(fā)試驗(yàn)，分別評(píng)價(jià)該SLIPS的延緩結(jié)冰性能、冰黏附強(qiáng)度和防除冰耐用性。在立體多孔納米微腔結(jié)構(gòu)的毛細(xì)作用下，具有親油憎水性的立體多孔納米微腔表面上的蒸餾水滴也會(huì)被釘扎。相比非結(jié)構(gòu)化表面，該SLIPS將延緩結(jié)冰時(shí)間提升了2.8倍，同時(shí)，在低溫高濕度環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了冷凝水的自去除。在80 ℃高溫環(huán)境下的蒸發(fā)10 min后進(jìn)行結(jié)冰/除冰操作，10個(gè)周期后，該SLIPS的接觸角（CA）為110°，滑動(dòng)角（SA）為8.5°，以及冰黏附強(qiáng)度參數(shù)（ice）為3.6 kPa。利用飛秒激光加工無水乙醇環(huán)境中的鎳箔表面生成的立體納米多孔微腔陣列結(jié)構(gòu)能夠減少SLIPS表面的潤(rùn)滑劑損失，可有效提高防除冰SLIPS的耐用性。

仿生；飛秒激光直寫；納米微腔結(jié)構(gòu)；SLIPS；低冰黏附；防冰；除冰

霜凍是自然界中普遍存在且常給人類社會(huì)造成巨大危害的自然現(xiàn)象，充分掌握和揭示固體表面積冰現(xiàn)象的機(jī)理是近代社會(huì)面臨的巨大挑戰(zhàn)[1-3]。傳統(tǒng)的防除冰方法主要包括加熱除冰，機(jī)械除冰以及一些化學(xué)除冰方法[4-6]，這些主動(dòng)除冰方法普遍受到除冰效率低，破壞生態(tài)環(huán)境等弊端的限制。因此，被動(dòng)防除冰技術(shù)的研究迫在眉睫。

被動(dòng)除冰方法中，超疏水表面（SHS）因其卓越的防污[7]和自清潔性能[8]而受到廣泛關(guān)注[9-10]。SHS是通過減少表面雜質(zhì)來抑制冰晶異相成核，實(shí)現(xiàn)防除冰目的。此外，SHS多層級(jí)微/納結(jié)構(gòu)可減少液滴與表面的接觸面積，從而提高冰晶成核勢(shì)壘[11-13]。然而，在高濕度條件下，未及時(shí)去除的液滴會(huì)在SHS上形成冰核，并在微納結(jié)構(gòu)中發(fā)散，延伸到狹隙中，使得SHS與冰互鎖，最終導(dǎo)致SHS防冰性能失效[14]。由此可見，SHS并不是長(zhǎng)期防結(jié)冰的完美策略。為了克服高濕條件下SHS防冰性能失效的缺陷，SLIPS通過將潤(rùn)滑液注入基底，在冰和基底之間形成潤(rùn)滑劑層來防止冰積聚[15-18]。低結(jié)冰點(diǎn)的潤(rùn)滑層延遲了冰的成核時(shí)間，并在最大限度上減少了粗糙表面上的冰與固體表面的接觸面積，最終實(shí)現(xiàn)防冰性能。然而，進(jìn)一步研究表明，潤(rùn)滑液在結(jié)冰/除冰循環(huán)過程中容易損失，導(dǎo)致SLIPS性能失效。因此，如何提高SLIPS的穩(wěn)定性是一大挑戰(zhàn)。

豬籠草瓶口具有多梯度楔角和銳利邊緣的不對(duì)稱拱形微腔結(jié)構(gòu)，此外，該結(jié)構(gòu)中還注滿了腺體分泌的潤(rùn)滑液，用于減小摩擦阻力[19]。該結(jié)構(gòu)不僅能實(shí)現(xiàn)液滴單向運(yùn)輸[20]，還可使?jié)櫥悍€(wěn)定保留在微腔中，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期捕獲昆蟲。受豬籠草瓶口多孔微腔注液表面的啟發(fā)，本文采用酒精輔助超快飛秒激光直寫技術(shù)在鎳箔表面加工具有立體納米孔洞的微腔陣列結(jié)構(gòu)，再將50 cSt的硅油均勻旋涂在氟化后的表面制備SLIPS。該表面獨(dú)有的立體納米微腔結(jié)構(gòu)賦予了表面卓越的毛細(xì)力，極大地增強(qiáng)了該SLIPS的穩(wěn)定性。本文在每一次結(jié)冰/除冰后，將立體多孔納米微腔SLIPS置于80 ℃環(huán)境中蒸發(fā)10 min，10個(gè)周期后，其CA、SA以及ice依舊保持穩(wěn)定。此外，即使在高濕度條件下，該SLIPS可以有效去除冷凝水分從而抑制冰/霜的積聚。

1 試驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

試劑：1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷（C16F17H19O3Si），上海阿拉丁生化科技有限公司；無水乙醇（CH3CH2OH），成都金山化學(xué)試劑有限公司；蒸餾水，實(shí)驗(yàn)室自制。試驗(yàn)基底材料為鎳箔。

儀器：Sosltice Ace型飛秒激光一體化系統(tǒng)，美國(guó)NWEPORT公司；CY-SPC4-A勻膠機(jī)，鄭州成越科學(xué)儀器有限公司；Ultra 55型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡系統(tǒng)，德國(guó)Carl Zeiss NTS GmbH公司； EOS-750D型數(shù)碼照相機(jī)，佳能（中國(guó)）有限公司；SDC-350型接觸角測(cè)量?jī)x，東莞晟鼎精密儀器有限公司；HA- JS826A型超聲波加濕器，中山市浩奇電器有限公司；LJ800-012型數(shù)顯推拉力計(jì)，南京蘇測(cè)計(jì)量?jī)x器有限公司；實(shí)驗(yàn)室自主搭建四核心環(huán)境封閉制冷系統(tǒng)。

1.2 酒精輔助飛秒激光加工技術(shù)一步誘導(dǎo)生成立體納米微腔結(jié)構(gòu)

天然豬籠草微腔結(jié)構(gòu)與功能示意圖如圖1a所示，受它啟發(fā)的仿生立體多孔SLIPS制備過程如圖1b所示。首先，將鎳箔（10 mm×10 mm）放入無水乙醇中使用超聲波清洗儀清洗10 min，再放入80 ℃干燥箱中干燥10 min。將干燥后的鎳箔固定在皮氏培養(yǎng)皿中并加入無水乙醇，使無水乙醇沒過鎳箔表面。采用飛秒激光直寫掃描系統(tǒng)加工浸沒在無水乙醇中的鎳箔表面。通過SCANLAB LaserDesk軟件繪制相互垂直且間隔25 μm的網(wǎng)格草圖。加工時(shí)采取的激光

脈沖為高斯光束，中心波長(zhǎng)為800 nm，脈沖寬度為104 fs，1 kHz重復(fù)頻率，使用功率為80 mW，掃描速度為0.001 m/s。酒精輔助飛秒激光加工鎳箔后表面微結(jié)構(gòu)如圖1c～d所示。為了增加表面對(duì)硅油的親和力，對(duì)激光加工后的樣品使用氟硅烷改性。將加工后的鎳箔放入體積比為1∶50的氟硅烷酒精溶液中浸泡2 h，取出后在80 ℃的干燥箱中干燥1 h。此時(shí)表面表現(xiàn)出卓越的毛細(xì)作用，能釘扎與表面具有排斥作用的液滴（圖1e）。最后在勻膠機(jī)上旋涂50 cSt的硅油，使用轉(zhuǎn)速為500 r/s，時(shí)間為1 min，樣品如圖1f所示。為了確保立體多孔納米微腔表面優(yōu)先被潤(rùn)滑液潤(rùn)濕，應(yīng)滿足[15]：

表1中，A、B分別是蒸餾水和硅油的表面張力，AB是蒸餾水和硅油交接面的表面張力，A、B分別是蒸餾水和硅油在氟化改性后立體多孔納米微腔鎳箔表面上的接觸角，是立體多孔納米微腔表面實(shí)際面積和投影面積的比值。帶入表1的數(shù)據(jù)計(jì)算出?1> 0，?2>0，滿足表面優(yōu)先被硅油浸沒。

1.3 潤(rùn)濕性能測(cè)試

將樣品固定在接觸角測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的樣品臺(tái)上，通過注射系統(tǒng)在樣品表面上滴入5 μL的水滴，測(cè)量此時(shí)接觸角的大小。再通過三維移動(dòng)平臺(tái)使樣品傾斜一定角度，測(cè)量液滴在樣品表面發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的臨界傾斜角，即滾動(dòng)角。所有接觸角和滾動(dòng)角均為同一樣品不同位置3次測(cè)試值的平均值。

1.4 防除冰測(cè)試

延遲結(jié)冰測(cè)試：將所制備的SLIPS放置在環(huán)境封閉制冷系統(tǒng)的四核心制冷臺(tái)上，在SLIPS上滴入8 μL液滴，通過數(shù)碼相機(jī)記錄結(jié)冰過程并統(tǒng)計(jì)結(jié)冰時(shí)間。低溫高濕度環(huán)境下的抗冰測(cè)試：將SLIPS和SHS放入冰柜中（?10 ℃），使用加濕器增加濕度，并通過數(shù)碼相機(jī)記錄各表面凍結(jié)過程。冰黏附力測(cè)試：在四核心制冷臺(tái)上放置所制備的SLIPS，同時(shí)在表面上放置5 mm×5 mm×50 mm的冰柱模型并注滿蒸餾水冷凍12 h。通過勻速推動(dòng)拉力計(jì)推倒完全凍結(jié)后的冰柱并實(shí)時(shí)記錄推力，根據(jù)壓力公式（ice，其中是推力峰值力，是冰柱的有效橫截面積）計(jì)算冰黏附強(qiáng)度ice。每個(gè)樣品報(bào)告的值都是取3個(gè)樣品的平均值。

圖1 仿生SLIPS制備與表征

表1 界面優(yōu)先潤(rùn)濕的計(jì)算數(shù)據(jù)

Tab.1 Calculation data of preferential wetting of interface

2 結(jié)果與討論

2.1 立體多孔納米微腔SLIPS形貌表征分析

為了制備具有高毛細(xì)作用的表面結(jié)構(gòu)，需要在表面使用激光誘導(dǎo)出密集的納米孔洞。利用無水乙醇營(yíng)造的液體環(huán)境增強(qiáng)了激光誘導(dǎo)等離子體、聲壓、以及沖擊波和爆炸性汽化，促使激光對(duì)基底加工附近會(huì)產(chǎn)生過熱物質(zhì)和瞬間高壓區(qū)，并將周圍液體帶入到超臨界狀態(tài)[21-24]。金屬鎳的熔體層在高沖擊和爆炸性汽化顯現(xiàn)的相互作用下，其形態(tài)受到劇烈擾動(dòng)，冷卻重鑄后形成納米微腔結(jié)構(gòu)[21]。立體納米微腔結(jié)構(gòu)的形貌取決于激光束的脈沖能量和輻照時(shí)間。在激光功率80 mW的前提下，分別用0.001、0.003、0.007 m/s的速度對(duì)浸沒在無水乙醇下的鎳箔表面進(jìn)行掃描，其掃描電鏡圖像（SEM）分別如圖1c～d、圖2a～b和圖2c～d所示。通過增加激光掃描速度，納米孔洞的平均直徑在增加，且數(shù)目逐漸減少，結(jié)構(gòu)也變得更加簡(jiǎn)單。這是由于低速掃描能產(chǎn)生更加密集的沖擊波和爆炸汽化現(xiàn)象，使得掃描速度越快的鎳箔表面納米孔洞更少（圖2e）。低速誘導(dǎo)的立體納米多孔結(jié)構(gòu)對(duì)液滴有著高黏附性，即便是使用低表面能的氟硅烷改性后仍然表現(xiàn)出“玫瑰花效應(yīng)”，這使得表面能更低的硅油能夠更好地儲(chǔ)藏在納米微腔結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)SLIPS的高穩(wěn)定。

圖2 不同掃描速度下鎳箔的SEM和潤(rùn)濕性

2.2 潤(rùn)濕性分析

未加工的鎳箔表面CA=64°，通過酒精輔助激光低速掃描后鎳箔表面CA=84°，氟硅烷改性后的CA=163°。未改性的結(jié)構(gòu)化鎳箔表面對(duì)水滴有著毛細(xì)作用，使得未改性結(jié)構(gòu)化表面CA比非結(jié)構(gòu)化鎳箔表面僅大20°。隨著激光掃描速度的增加，改性后的樣品CA呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)（圖2f）。這是由于CA由表面粗糙度和表面能共同決定，低速掃描能使激光作用的局部區(qū)域產(chǎn)生更加劇烈的爆炸和氣化現(xiàn)象，熔融的鎳重鑄生成的納米孔洞的數(shù)量也就更多，粗糙度得到進(jìn)一步增加，因此改性后的CA也就越大。

從不同樣品的CA不難看出低速掃描能誘導(dǎo)出數(shù)目更多更加密集的立體納米孔洞結(jié)構(gòu)，并在宏觀展現(xiàn)出對(duì)液體的高黏附性，因此，低速掃描的鎳箔表面能更好地維持SLIPS的穩(wěn)定性。

2.3 防/除冰性能分析

針對(duì)結(jié)冰現(xiàn)象的不同階段，樣品防/疏冰的性能主要通過兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)：冰成核延遲時(shí)間和表面冰黏附強(qiáng)度ice。防冰是指延長(zhǎng)過冷液滴結(jié)冰時(shí)間，使過冷液滴在完全凍結(jié)前在外力作用迅速脫離表面，達(dá)到防冰目的。疏冰是指冰黏附強(qiáng)度小于100 kPa，當(dāng)冰黏附強(qiáng)度小于100 kPa時(shí)，表面能在震動(dòng)和風(fēng)等外力作用下被動(dòng)去除。

如圖3a所示，非結(jié)構(gòu)化鎳箔表面延緩結(jié)冰時(shí)長(zhǎng)為240 s，而SHS和立體多孔微腔SLIPS延緩結(jié)冰時(shí)長(zhǎng)分別為667 s和677 s，試驗(yàn)結(jié)果表明該SLIPS延緩結(jié)冰時(shí)間是非結(jié)構(gòu)化表面的2.8倍。此外，SHS和SLIPS均能有效延緩結(jié)冰時(shí)間，達(dá)到防冰目的（圖3b）。但是，不同表面的結(jié)冰時(shí)間有很大差異，造成這種差異的機(jī)理可以用熱力學(xué)方程來解釋。SLIPS上形成冰主要是一個(gè)均相成核過程，其成核自由能壘（?homo）可由公式（3）計(jì)算[25-27]。而非結(jié)構(gòu)化表面和SHS主要是異相成核，其冰核自由能壁壘（?hete）可由公式（4）～（5）計(jì)算。

式中：是成核半徑，是CA，IL是晶核和潤(rùn)滑油之間的界面能，ΔV是凝固驅(qū)動(dòng)力，()是的單調(diào)遞增函數(shù)。在成核過程中，非結(jié)構(gòu)化表面和SHS水接觸角分別為64°、163°，比值（?hete/?homo）分別為0.192和0.988，且0.192<0.998，理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果一致。此外，冷凝水在蒸汽壓力梯度的影響下不斷匯聚并釋放表面能，由于SLIPS具有較低的摩擦阻力，液滴在匯聚變大過程中自發(fā)向邊緣移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了冷凝水的自去除（圖3a）。

為了進(jìn)一步比較SHS和SLIPS的防冰性能，將SHS和SLIPS水平放置于環(huán)境溫度?10 ℃的冰柜中，并通過超聲波加濕器加濕營(yíng)造低溫高濕環(huán)境。在室溫且非高濕環(huán)境中時(shí)，SHS表面的液滴處于Cassie狀態(tài)[28]，此時(shí)空氣被困在水滴下的微/納結(jié)構(gòu)中形成氣墊，氣墊大大減少了液滴和表面的接觸面積，表現(xiàn)出卓越疏水性。當(dāng)環(huán)境溫度為?10 ℃且高濕度時(shí)，SHS表面上液滴的接觸角顯著降低，如圖4a所示，此時(shí)液滴處于Wenzel狀態(tài)[29]。造成Cassie狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閃enzel狀態(tài)的原因是痕量水在微/納結(jié)構(gòu)的縫隙中凝結(jié)成更小的液滴，此時(shí)由于空氣墊被微液滴所取代導(dǎo)致表面疏水性降低[30-32]。由于Wenzel狀態(tài)恢復(fù)到Cassie狀態(tài)需要突破較大的能量勢(shì)壘，因此Wenzel狀態(tài)無法自發(fā)恢復(fù)到Cassie狀態(tài)[33-36]，這將大大削弱SHS的防冰能力。微/納結(jié)構(gòu)中的微液滴在持續(xù)的低溫下成核凍結(jié)，并在縫隙中發(fā)散延展[37-38]，直至整個(gè)表面完全凍結(jié)（圖4a）。因此，在低溫高濕環(huán)境下，具有微/納結(jié)構(gòu)的SHS防冰性能被大大削弱。在溫度極低的情況下，SLIPS上也會(huì)發(fā)生液滴凍結(jié)現(xiàn)象[39]，并且每個(gè)冷凝液滴的生長(zhǎng)和聚結(jié)導(dǎo)致液滴尺寸隨著時(shí)間的推移逐漸增加，如圖4b所示。圖4b展示了SLIPS在低溫高濕度環(huán)境中的結(jié)冰情況，迎風(fēng)口在高濕度冷空氣的侵襲下，SLIPS的左側(cè)率先出現(xiàn)冷凝液滴，并不斷往右側(cè)生長(zhǎng)。215 s時(shí)，SHS上液滴和冰霜的覆蓋率達(dá)到了近乎100%，而此時(shí)SLIPS上的液滴-冰霜覆蓋率僅16.8%。417 s時(shí)，SHS表面被完全凍結(jié)，此時(shí)SLIPS表面液滴-冰霜覆蓋率為71.2%。在極端條件下（低溫高濕度），SHS和SLIPS表面都無法避免凍結(jié)，但SLIPS在極端環(huán)境下的抗冰能力明顯優(yōu)于SHS。

SHS和SLIPS都能在一定程度上延緩結(jié)冰，但無法完全扼制結(jié)冰現(xiàn)象的發(fā)生，因此衡量表面的抗冰性能還要考慮液滴凍結(jié)之后冰對(duì)表面的黏附強(qiáng)度，即ice。在?10 ℃的環(huán)境溫度下使用拉力計(jì)測(cè)試推倒SLIPS上的冰柱，如圖5a所示。冰黏附強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中：τice為冰黏附強(qiáng)度，F(xiàn)為拉力計(jì)所測(cè)試的推力峰值，A為SLIPS和冰柱的接觸面積。

圖4 低溫高濕環(huán)境下的SHS（a）和SLIPS（b）

圖5 SLIPS穩(wěn)定性分析：a）冰黏附力測(cè)試裝置示意圖；b）SLIPS自修復(fù)示意圖；c～d）分別為結(jié)冰/除冰10個(gè)循環(huán)周期內(nèi)SLIPS的θCA、θSA和τice變化；f）SHS喪失超疏水性示意圖；g～h）分別為結(jié)冰/除冰10個(gè)循環(huán)周期內(nèi)SHS的θCA變化和τice變化

SLIPS的微/納結(jié)構(gòu)在除冰過程中有所損壞，但是，殘破的立體納米微腔結(jié)構(gòu)變得更加粗糙，孔洞中的硅油再次釋放，能填補(bǔ)進(jìn)硅油缺失區(qū)域（圖5b）從而繼續(xù)維持表面功能。圖5c～e展示了SLIPS在80 ℃高溫下蒸發(fā)10 min后進(jìn)行結(jié)冰/除冰循環(huán)試驗(yàn)10個(gè)周期內(nèi)的CA、SA以及ice變化。在結(jié)冰/除冰循環(huán)的10個(gè)周期內(nèi)，SLIPS的CA和SA保持相對(duì)穩(wěn)定（圖5c～d），CA和SA分別上升了2°和1.8°。經(jīng)過公式（6）計(jì)算，SLIPS在第1次除冰時(shí)的冰黏附強(qiáng)度為2.4 kPa，此時(shí)的SHS冰黏附強(qiáng)度僅1.0 kPa。但是，在結(jié)冰/除冰的第3個(gè)周期時(shí)，SHS的冰黏附強(qiáng)度急劇增加，突破到了31.1 kPa，并且沒有降低的趨勢(shì)。造成SHS冰黏附強(qiáng)度激增的原因是在除冰過程中，SHS的表面成分和結(jié)構(gòu)不可避免地遭到了破壞，多分子層的低表面能氟化物隨著冰的去除而被去除，并且脆弱的微納結(jié)構(gòu)也遭到破壞（圖5f），使得SHS由超疏水變?yōu)槭杷?HS)，表面液滴狀態(tài)由Cassie狀態(tài)變?yōu)閃enzel狀態(tài)。此外，液滴的接觸角也由最初的160.9°急劇下降到127.9°（圖5g），液滴被牢牢鎖在SHS上無法滾落，使其凍結(jié)后與SHS互鎖造成冰黏附強(qiáng)度急劇上升（圖5h）。該SLIPS獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)使得它的防/除冰性能比傳統(tǒng)SHS更加出色，在除冰10次后，SLIPS的冰黏附強(qiáng)度為3.6 kPa，比SHS的冰黏附強(qiáng)度小了1個(gè)量級(jí)。該SLIPS低冰黏附和長(zhǎng)期耐用的特點(diǎn)，使其在防/除冰領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。

3 結(jié)論

本文通過無水乙醇輔助飛秒激光加工的方法，在鎳箔表面制備了立體多孔納米微腔陣列結(jié)構(gòu)，再使用50 cSt的硅油做潤(rùn)滑液，制備了SLIPS。在立體多孔納米微腔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)毛細(xì)作用下，增強(qiáng)了表面對(duì)潤(rùn)滑液的親和作用和貯存作用，改善了SLIPS潤(rùn)滑劑易損失的缺陷。在結(jié)冰/除冰循環(huán)周期中，將SLIPS放入到80 ℃高溫環(huán)境蒸發(fā)10 min后進(jìn)行結(jié)冰/除冰試驗(yàn)，10個(gè)周期后，SLIPS的CA=110°，SA=8.5°，并且冰黏附強(qiáng)度僅3.6 kPa。該SLIPS具有穩(wěn)定的疏冰性能，在防結(jié)霜冰領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Low Ice Adhesion Deicing/Anti-icing Surface of Porous Microcavity Inspired by Nepenthes

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(School of Manufacturing Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology, Sichuan Mianyang 621010, China)

Ice accretion on solid surfaces is a common phenomenon in winter, which brings a lot of inconvenience to daily life and even causes serious disasters. At first, the superhydrophobic surface is considered as an ideal anti-icing surface for its micro/nano-textured structure and low surface tension. Air cushion formed between droplets and the surface leads to the decrease of contact area which contributes to delayed icing. In a high humidity environment, however, the droplets can easily intrude into the micro-nano structures, resulting in interlock. The ice is more difficult to remove. Fortunately, slippery liquid-infused surface (SLIPS) with lubricating fluids to fill micro-nanostructures inspired by nepenthes can be applied in anti-icing for its low friction force. With lubricating fluid with a high freezing point as the medium, the ice can be easily removed even in an ultra-low temperature and high humidity environment. However, lubricant losses are inevitable during the icing/deicing cycles, resulting in a great durability reduction and a significant drop of the anti-deicing performance. Therefore, how to reduce the loss of lubricating fluid and improve the durability of SLIPS has become a major challenge. To improve the anti-icing/deicing durability of slippery liquid-infused surfaces (SLIPS), the stereo porous nano-microcavity array was presented under the inspiration of the slippery liquid-infused surface of nepenthes. The stereo porous nano-microcavity array was fabricated by a femtosecond laser to irradiate the nickel foil surface immersed absolutely in ethanol. Then, C16F17H19O3Si was used to modify the surface to increase the affinity of the surface to silicone oil. Finally, 50 cSt silicone oil was used to spin-coat on the modified surface, obtaining the stereo porous nano-microcavity SLIPS. The morphologies of the stereo porous nano-microcavity structure were analyzed by scanning electron microscope (SEM) and optical microscope (OM). The anti-icing/deicing performance, ice adhesion and durability of the SLIPS were evaluated through the icing delay test, ice adhesion test and high-temperature evaporation test, respectively. Due to the capillary action of the stereo porous nano-microcavity structure, the distilled water droplets on the surface of the stereo porous nano-microcavity with lipophilicity and hydrophobicity could be pinned. It indicated that the stereo porous nano-microcavity structure could perfectly lock the lubricating fluid to improve the durability of SLIPS. Compared with the unstructured surface, the icing delay test showed that the SLIPS delayed the icing time by 2.8 times. Furthermore, the supercooled droplet was affected by condensed water in a low temperature and high humidity environment to realize the self-driving of condensed water. The SLIPS was put in a high temperature environment of 80 ℃ for ten minutes, then followed with the icing/deicing cycle experiment. After 10 cycles, the contact angle was 110°, the sliding angle was 8.5°, and ice adhesion was 3.6 kPa. The stereo porous nano-microcavity array structure is induced on the surface of nickel foil by femtosecond laser scanning nickel foil immersed in ethanol. It can reduce the loss of lubricant on the SLIPS surface and effectively improve the ice durability of SLIPS. Excellent durability and low ice adhesion make this SLIPS have the potential to be applied in various anti-icing/deicing fields.

bionics; femtosecond laser direct writing; nano-microcavity structure; SLIPS; low ice adhesion; anti-icing; deicing

2023-01-06；

2023-08-25

TG174

A

1001-3660(2023)10-0313-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.027

2023-01-06；

2023-08-25

結(jié)冰與防除冰重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（IADL20210408）

Supported by Open Fund of Key Laboratory of Icing and Anti/De-icing (IADL20210408)

向科峰, 尹歡, 宋岳干, 等.受豬籠草啟發(fā)的多孔微腔低冰黏附防除冰表面[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(10): 313-320.

XIANG Ke-feng, YIN Huan, SONG Yue-gan, et al. Low Ice Adhesion Deicing/Anti-icing Surface of Porous Microcavity Inspired by Nepenthes [J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 313-320.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：萬長(zhǎng)清