在交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)和實際生活中，結(jié)冰常常會帶來極大的困擾，最為嚴重的是飛機在飛行過程中，關(guān)鍵部件一旦結(jié)冰就會嚴重影響航行安全。當前飛機傳統(tǒng)的機械振動、防凍液體等被動式除防冰策略存在除冰效果不徹底、污染環(huán)境、降低蒙皮壽命等問題；而飛機上較常見的氣熱主動式除防冰策略則存在無法精準控制、增加能耗等問題，新型電熱式主動除防冰系統(tǒng)雖然具有效率高、可靠性好、易控制等優(yōu)勢，但高電能消耗的弊端一直限制其發(fā)展，當前行業(yè)內(nèi)亟需穩(wěn)定、高效、可靠的除防冰新技術(shù)。
研究亮點
本文面向當前電熱式主動除防冰高耗能的發(fā)展瓶頸，結(jié)合當前行業(yè)內(nèi)疏水材料防冰技術(shù)的前沿，借助可同時實現(xiàn)石墨烯生成和精密圖案化設計的激光誘導石墨烯技術(shù)(Laser-Induced Graphene, LIG)，使用常見的10.6 μm CO2激光直接輻照于聚酰亞胺薄膜(PI)，通過對激光的掃描速度進行調(diào)節(jié)(50-125 mm/s)，在常壓條件下成功地一步制備了同時具有疏水/超疏水性和電熱功能的微米級溝壑狀石墨烯表面，拓寬了新型除防冰器件的制備方法。
對疏水石墨烯表面進行基本表征和性能測試，首次觀察到了溝壑的寬度與掃描速度之間存在顯著的線性負相關(guān)關(guān)系，這對于激光制造中的精確微調(diào)節(jié)具有重要意義。低溫結(jié)冰試驗以及穩(wěn)定性測試表明，石墨烯表面具有長時間可重復用于疏水和延遲結(jié)冰的應用潛力。焦耳熱性能測試表明，石墨烯表面可在較低的直流電壓供電下（3 V-7 V），實現(xiàn)45.5 ℃-151.3 ℃的電熱效果，并能夠在-23℃的環(huán)境下實現(xiàn)表面的除霜除冰功能(如5V供電下，5 s內(nèi)除霜，90 s內(nèi)除冰)。上述研究內(nèi)容和結(jié)果證明了激光誘導石墨烯技術(shù)可以高效、快速地將具有親水潤濕特性的聚合物表面轉(zhuǎn)化為具有疏水潤濕特性的微米級疏水石墨烯表面，為制備同時具有疏水和電熱功能的多功能除防冰表面提供了新的思路和制備方法。
圖.1制備流程圖
圖2 50 mm/s、75 mm/s、100 mm/s和125 mm/s掃描速度下：(a-d)制備的微米級結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖像; (e)激光掃描速度與掃描軌跡線寬的擬合; (f)表面的接觸角表征。
圖3 表面的延遲結(jié)冰效果測試：(a) PI薄膜; (b) 75 mm/s; (c) 100 mm/s; (d) 125 mm/s。
圖4 (a)1000次循環(huán)彎曲后表面接觸角的變化; (b-d) 在循環(huán)結(jié)冰和融化過程中75 mm/s、100 mm/s和125 mm/s掃描速度下表面開始凍結(jié)、完全凍結(jié)、開始融化和完全融化的時間。
圖5 (a-c)75 mm/s掃描速度下樣品表面、邊緣和截面的C、N、O元素能譜圖。
圖6 75 mm/s激光掃描參數(shù)下制備的表面:(a) PI薄膜和石墨烯的拉曼光譜測試圖; (b) 微米結(jié)構(gòu)石墨烯橫截面形貌; (c)微米級結(jié)構(gòu)石墨烯表面的三維圖像; (d) 3-7 V(間隔為1 V)直流電壓供電下微米結(jié)構(gòu)石墨烯表面的電熱連接方式和表面溫度-時間變化曲線。
圖7 (a - e) 3-7v直流電壓供電下的表面常溫穩(wěn)態(tài)溫度和-23℃環(huán)境下的除霜除冰效果。
相應的成果以“Fabrication of Micron-Structured Heatable Graphene Hydrophobic Surfaces for Deicing and Anti-Icing by Laser Direct Writing”為題發(fā)表在Coatings期刊，文章第一作者為中國民用航空飛行學院航空電子電氣學院2021級碩士研究生李世琛，共同通訊作者為中國民用航空飛行學院航空電子電氣學院鐘勉副教授和民航安全工程學院何強教授。
全文鏈接：https://doi.org/10.3390/coatings13091559
本團隊依托高高原航空安全驗證實驗室與四川省全電通航飛行器關(guān)鍵技術(shù)工程研究中心等省重平臺，主要研究方向為表面防除冰，航空橡膠密封等。歡迎相關(guān)文獻投稿，交流合作。
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