廣西大學/香港理工《AFM》：實現秒級損傷檢測與自愈的高彈防冰薄膜！
2024-06-14 15:41:11
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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在極寒氣候條件下，冰雪積聚會對對電力傳輸工作站、風力渦輪機葉片等關鍵設施造成嚴重力學失穩影響。傳統防/脫冰方法存在諸多限制，而超疏水表面因其顯著延遲結冰時間和降低冰粘附強度的特性而備受關注。然而，在經歷機械損傷后，超疏水材料會暴露親水位點，導致冰晶局部積聚引起冰-固互鎖，防冰性能大幅下降，如何避免該現象是超疏水材料在防冰應用中的瓶頸。引入自修復功能可提升超疏水表面的機械耐久性。在外部激勵下，自修復超疏水表面能夠自行修復物理損傷。然而，為避免微裂紋擴展導致冰晶積聚，實時感知損傷并及時修復至關重要，從而確保超疏水防冰表面的適應性和可靠性。此外，防冰表面與復雜結構的共形性和結合強度也是值得考慮的問題。近期，廣西大學劉黎明助理教授與香港理工大學王立秋教授聯合報道了一種集超疏水、大變形、裂紋診斷與愈合、全天候防/脫冰功能于一體的新型膜基材料（S-TPU-F-CB）（圖1）。詳細介紹了新型膜基材料S-TPU-F-CB的優勢，并探討了其在防/脫冰領域的潛在應用。相應成果以“Anti-/Deicing Membranes with Damage Detection and Fast Healing”為題，發表在期刊《Advanced Functional Materials》上，廣西大學劉黎明為第一作者，香港理工大學王立秋教授為通訊作者。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202404760
圖1、 S-TPU-F-CB多功能膜示意圖
圖2b）為S-TPU-F-CB的加工示意圖，采用了接枝聚合、鑄膜及激光加工技術。通過分析制備過程中表面微觀形貌與化學組分的演變（圖2c），圖2e-f)），揭示了該膜表面的抗潤濕機制。在動態抗潤濕性測試中，施加應變（1000%應變下或400%應變下連續拉伸2000次循環）后，表面接觸角仍穩定在 160°以上（圖2g,h）），始終保持超疏水狀態，這對于實際應用中復雜結構或大變形場合下的防/脫冰需求具有重要意義（圖2）。
圖2 S-TPU-F-CB膜加工過程及其性能
該研究首次提出利用電熱效應實現實時損傷檢測及修復，進而提升S-TPU-F-CB膜的機械耐久性。如圖3所示，電熱效應和紅外熱成像技術的結合，實現了基于焦耳熱動態分布的秒級損傷檢測和可視化修復過程。
圖3 基于電熱效應的秒級損傷檢測和修復
針對嚴重斷裂性損傷，S-TPU-F-CB膜仍然表現出穩定的光、電修復能力（圖4）。通過分析聚合物基體中TPU鏈段、活性端基、可逆酯交換鍵和氫鍵的動態變化，揭示了S-TPU-F-CB的自愈合機制（圖4d））。并研究了不同強度光熱激勵下S-TPU-F-CB的修復效率，發現其修復能力優于近5年發表的相關研究報道（圖4i））。拉伸強度測試定量研究了S-TPU-F-CB膜的修復效率，薄膜經斷裂性損傷后，在光/電熱協同激勵（輻照強度0.1 Wcm-2, 施加電壓20 V），1.5 min 內達到 99%的修復效率。同時，S-TPU-F-CB膜表現出良好的循環損傷-修復穩定性（經5次循環：修復效率仍保持在92.5%以上，液相滾動角低于4°）。如圖5所示，將表面出現裂紋與光-電協同效應修復的S-TPU-F-CB膜進行對照實驗，發現經修復的膜未出現嚴重的冰-固互鎖現象，冰晶均布生長，表明實時診斷與修復在超疏水表面防/脫冰應用的優異性。同時，在環境溫度-15℃，相對濕度65%條件下，S-TPU-F-B膜表面結冰時間延長至340秒，冰粘附強度低至38 kPa，遠低于光滑玻璃和金屬表面的凍結粘附強度（＞1000 kPa）。
圖4 光熱/電熱效應下S-TPU-F-CB的修復性能和修復機制
如圖6a）所示，在環境溫度-15℃、相對濕度60%條件下，S-TPU-F-CB膜在0.1Wcm-2輻射、10V電壓，兩者協同作用下的融冰時間分別為118s，62s，30s，且融冰后均可恢復Cassie潤濕狀態。而作為對照組的鋁合金表面，幾乎沒有觀察到霜層和冰滴的融化現象。同時，建立了防/脫冰過程的界面傳熱模型，并分析了界面處氣-液-固三相相變的機理和結構間隙內固-液-氣三相接觸線的變化規律（圖6b））。
圖5 表面微裂紋對結冰影響級不同測試樣品的結冰性能對比
圖6 全天候防/脫冰性能及結冰和除冰過程中的傳熱模型
圖7將S-TPU-F-CB包覆在輸電線纜表面，顯示出優異的共形能力。在1個太陽光照射下，包覆有S-TPU-F-CB膜區域在94秒內脫霜，并恢復超疏水狀態。
圖7 S-TPU-F-CB包覆輸電電纜的防霜性能、光熱除霜機理及機械耐久性測試
在這項研究中，通過接枝聚合、鑄膜工藝、激光加工技術在摻雜氟化炭黑的TPU基材上制備了大變形、裂紋診斷及愈合的超疏水防/脫冰表面。CA、RA分別為168°， 1°以下。制備的S-TPU-F-CB膜在經歷1000%或400%應變下連續拉伸2000次循環后，CA仍穩定保持在160°以上，顯示出穩健的超疏水性。首次提出利用電熱效應，實現裂紋損傷的秒級檢測和修復，有效解決了受損區域冰-固互鎖現象。針對斷裂性損傷，S-TPU-F-CB在光/電熱協同（輻照強度0.1 Wcm-2, 施加電壓20 V）下表現出良好的循環損傷-修復穩定性（5次循環后，修復效率仍保持在92.5%以上），其修復能力優于近5年發表的研究報道。與傳統的超疏水防/脫冰表面相比，設計的表面結構使液滴在結冰和融化過程后完全能夠恢復Cassie狀態。超疏水性、電熱性能、光熱性能的協同作用賦予了S-TPU-F-CB膜優異的防/除冰性能，霜層可以在1個太陽光照射下在94秒內脫落。在環境溫度-15℃，相對濕度65%條件下，S-TPU-F-B膜表面結冰時間延長至340秒，冰粘附強度低至38 kPa，融冰時間低至30s。同時，由于穩健的超疏水性、秒級損傷檢測和修復性、Cassie狀態的穩定性，有效延緩了結霜和結冰過程，為長期防/除冰應用提供了一種有前途的方法。
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