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Prog. Mater. Sci. 报道南京航空航天大学关于防冰材料的最新研究进展

2019年06月08日 点击:

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▲第一作者:沈一洲;通讯作者:陶杰,陈忠;

论文DOI:10.1016/j.pmatsci.2019.03.004


近日,南京航空航天大学材料科学与技术学院沈一洲副研究员撰写的题为“Icephobic materials: Fundamentals, performance evaluation, and applications”的长篇论文在材料科学顶级期刊Progress in Materials Science (Impact Factor: 23.75)上在线发表。Progress in Materials Science 年均出版 6-8 期,每期刊出论文 1-6 篇,由期刊编辑部约稿,专门刊发材料科学领域重要进展的学术文章,该论文第一作者是沈一洲副研究员,共同作者有南京航空航天大学的朱春玲教授、新加坡南洋理工大学武兴华博士、福州大学赖跃坤教授、通讯作者为南京航空航天大学的陶杰教授、南洋理工大学的陈忠教授。该论文系统地介绍了南京航空航天大学、福州大学以及新加坡南洋理工大学在飞机防结冰材料研究方面取得的一系列基础理论和应用研究进展,并阐明了飞机防结冰材料研究所面临的挑战与机遇。

                                             

飞机表面结冰会引起一系列问题,机翼表面附着厚度在 1.2 mm 左右的冰层就会使单位面积的升力降低 25 %,给飞机操控带来困难,结冰严重时甚至会造成坠机事故。目前常用的一些主动防除冰技术,如汽热/电热除冰、机械除冰等,能耗较高,难以满足新型大飞机高燃油经济性的需求。有别于主动防除冰技术,被动防除冰技术—防冰材料(Icephobic materials)具有非润湿和低冰粘附的特征,无需额外的能量输入就可以实现防覆冰的功能,成为近年来的研究热点。


防结冰材料的设计具有多个切入点:减小固液接触时间、抑制冰核长大及降低冰层粘附等。南京航空航天大学陶杰教授团队,朱春玲教授团队和南洋理工大学 Chen Z. 教授团队协同合作,已经形成了从基础理论分析,分子动力学模拟,到实验测试和冰风洞应用验证的完整研究体系。针对目前超疏水表面仍具有较高液滴粘滞力,无法及时有效地疏离表面液滴,进而导致防结冰效果不足的关键问题,研究团队创新性地提出设计具有广泛开阔性的微观纳米结构,以提高基体与液滴之间的空气流动性,降低液滴在固体表面运动的粘滞阻力。此外,团队研究发现在微纳米复合结构的超疏水表面,二级纳米结构存在一个临界尺寸,即纳米线间距低于 100 nm 时,固液间才能够形成连续空气层,导致表面液滴的润湿模型向稳定的复合接触润湿模型转变,表现出优异的超疏水性能。(Shen Y. et al.Soft Matter, 2015, 11, 3806-3811.)入选 2015 年 Soft Matter most accessed paper of Top 20。


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鉴于目前超疏水表面研究工作仍主要集中在静态液滴的润湿性能评价上,且相关的研究结果无法合理解释动态液滴环境下的固液接触过程,研究团队设计了相关的试验,研究了撞击液滴的固液接触时间及接触过程与固体表面润湿性能之间的关系,准确揭示了液滴运动过程中的粘附耗散功与润湿参数之间的数学模型(Shen Y. et al, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7: 20972-20978.)。


通过设计初级的宏观结构,改变撞击液滴的流体力学分布,进一步降低了液滴粘附耗散功,降低了撞击液滴的固液接触时间,增加了固体表面的动态斥水性能(Shen Y. et al, Appl. Phys. Lett. 2015, 107: 111604.;Chem. Eng. J., 2017, 313, 47-55.;Appl. Phys. Lett. 2017,109: 221601),该工作受到了印度国家科学院 V. Vaikuntanathan 教授的积极评价。


当前,超疏水表面防结冰的微观机制仍未能得到明确的揭示,研究团队创新性地从水滴结晶形核的角度,阐明了超疏水表面复合的固液界面接触方式对液滴结晶形核及其生长过程的作用机制。该工作(Shen Y. et al, Langmuir, 2015, 31: 10799-10806)为探究超疏水表面防结冰的微观机制提供了新的思路,受到了同行专家的高度评价。


此外,研究团队基于已优化的微纳米复合结构超疏水表面,实验探索了其防结冰性能,发现结冰延迟能力较优化前提高了数十倍,同时其表面冰层粘附力亦远低于目前广泛报道的研究结果,相关的研究成果目前正在进行工程验证中,展示出广阔的应用前景。


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该项研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、国家博士后创新人才支持计划、中国博士后科学基金、江苏省博士后科研资助计划、新加坡南洋理工大学工程学院 SUG 基金和新加坡 A*Star SERC 基金的资助。


文章链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642519300271

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