采用NIR飛秒激光制造出納米級(jí)和多尺度的形貌；激光能處理后的表面可以顯著的延遲液滴的冷凍時(shí)間；該表面涂層還會(huì)抑制結(jié)霜，嚴(yán)重的磨砂后的多尺度表面形貌呈現(xiàn)出畏冰的性質(zhì)。

大自然中表面疏水現(xiàn)象

水滴在荷葉表面不會(huì)被水浸潤(rùn)的現(xiàn)象

圖1 成果的Graphic圖

成果簡(jiǎn)介：表面覆蓋微米級(jí)、納米級(jí)和多尺度的形貌的物體表面由于具有排斥的性能而受到人們的廣泛關(guān)注。超快激光加工成為廣泛應(yīng)用的一種清潔加工技術(shù)而用來(lái)在金屬表面進(jìn)行大面積的納米尺度和多尺度的形貌。在當(dāng)前的工作中，單層和兩層的多尺度的形貌在不銹鋼表面利用單步法飛秒激光加工技術(shù)來(lái)將材料賦予防冰性能。液滴凍結(jié)和結(jié)霜在激光為處理的金屬表面上的情況在-10℃下進(jìn)行了研究，并同充滿潤(rùn)滑劑和超疏水的納米涂層進(jìn)行了對(duì)比研究。疏水的納米尺度的形貌則會(huì)加速液滴的凍結(jié)，其表現(xiàn)甚至比沒(méi)有處理的還要槽糕，他們的疏水對(duì)面則需要更長(zhǎng)的時(shí)間，幾乎是兩倍的時(shí)間來(lái)凍結(jié)�？偟膩�(lái)說(shuō)，超疏水的兩層多尺度形貌會(huì)顯著地延遲液滴凍結(jié)和結(jié)霜的時(shí)間。進(jìn)一步的，兩層的尺度形貌可以保持其防冰性能，即使是在經(jīng)受了25次磨損循環(huán)之后也不喪失，而表面只有納米尺度的形貌和納米顆粒涂層的表面則僅僅在只有10次循環(huán)之后就會(huì)喪失他們的性能。因此，這一魯棒性的雙層多尺度形貌屬于完全沒(méi)有任何涂層，可以促進(jìn)和加強(qiáng)許多工業(yè)場(chǎng)合中的應(yīng)用，這些場(chǎng)合是在表面會(huì)聚焦冰而造成性能下降，如航空、冰箱、空調(diào)和能源等場(chǎng)合。

圖2 SEM、3DAFM/輪廓形貌及相應(yīng)的橫截面輪廓：（a-a2）LIPSS，標(biāo)尺為5μm；（b-b2）MS形貌，標(biāo)尺為10μm；（c-c2）NW涂層，標(biāo)尺為2μm

引言

金屬表面的積冰現(xiàn)象在工程實(shí)踐中，如飛機(jī)和渦輪的表面、冰箱的管道和空凋以及能量傳輸?shù)墓芫�中是一個(gè)非常令人關(guān)注的問(wèn)題，這是因?yàn)樵诒砻姹�的聚集�?huì)影響運(yùn)行效率。在有些情況下，甚至?xí)��?dǎo)致設(shè)備的運(yùn)行失效。例如，冰箱系統(tǒng)中的蒸發(fā)器的結(jié)霜會(huì)導(dǎo)致能量消耗增加。因此，在金屬的表面減少冰的形成的努力可以減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的費(fèi)用。傳統(tǒng)的基于機(jī)械、熱和化學(xué)清理的除冰辦法，盡管其努力有一定的效果，但卻會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的增加運(yùn)行的成本。另外一個(gè)方面。通過(guò)制造微米或者納米尺度的表面形貌來(lái)實(shí)現(xiàn)表面功能化也是一種被動(dòng)的辦法，這一方法作為一種排斥冰的方法得到了顯著的注意。盡管當(dāng)前的技術(shù)表明織構(gòu)可以顯著的延緩冰的形成和減少冰的粘附，其主要的挑戰(zhàn)是在金屬表面進(jìn)行大面積的和3D/自由曲面表面制造出具有成本優(yōu)勢(shì)和有效的且包含微米、納米和多個(gè)尺度形貌的表面。

圖3 接觸角隨著時(shí)間（以天數(shù)來(lái)計(jì)算）的變化結(jié)果，樣品為5個(gè)研究的形貌，水在單獨(dú)的表面上的液滴的情況顯示在插入的圖中

織構(gòu)表面的防冰性能主要?dú)w因于它的表面能比較低。盡管表面能可以通過(guò)涂層的辦法來(lái)降低，這一涂層是用含氟處理的化合物來(lái)制備的。但這一涂層不耐用。相反，微米或者納米形貌的表面可以降低表面能達(dá)到一定程度，但這主要?dú)w因于處理的材料。這一低能的表面呈現(xiàn)出超疏水特性，此時(shí)的水滴為Cassie-Baxter狀態(tài)（CBS）會(huì)形成，尤其是在微米或納米形貌中捕獲空氣的時(shí)候。CBS在織構(gòu)表面的粘附為當(dāng)液體接觸時(shí)，呈現(xiàn)出賦予動(dòng)力減阻、抗生物污染、抗?jié)櫇竦刃再|(zhì)。然而，亞穩(wěn)態(tài)的CBS向穩(wěn)態(tài)的Wenzel（WS）的轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致這些功能的喪失。另外一方面，潤(rùn)濕性并不是一個(gè)單一的表面性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致排斥冰。甚至當(dāng)織構(gòu)表面在室溫下呈現(xiàn)出較高的水接觸角，局部的致密化微米級(jí)的形貌中的組織間隙在冷凍時(shí)仍然會(huì)造成冰的形成，此時(shí)被稱之為Wenzel冰。結(jié)果，防冰功能可以通過(guò)在接近零度時(shí)的織構(gòu)表面維持住CBS而實(shí)現(xiàn)。一個(gè)維持CBS和由此實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的為Cassie冰的狀態(tài)，是通過(guò)納米級(jí)的形貌來(lái)實(shí)現(xiàn)的，此時(shí)會(huì)增加在納米尺度的空穴中的蒸氣壓而一直固化。這一納米級(jí)的形貌或多尺度形貌包含微米級(jí)和納米級(jí)的特征，呈現(xiàn)出較高的防冰性能。

圖4 均值化的該分辨率的C1s譜，分別為原始的材料，沒(méi)有時(shí)效的LIPSS和時(shí)效的LIPSS

制備方法

本次研究的基體材料為AISI 430不銹鋼，其尺寸規(guī)格為35X35X0.7mm來(lái)進(jìn)行飛秒加工。該不銹鋼在加工前的表面平均粗糙度為40nm。一個(gè)微加工工作站用來(lái)制備納米和微米級(jí)的多尺度形貌，面積區(qū)域?yàn)?0X30mm。使用的激光器為摻雜鐿的激光器，該激光器的平均功率為5W，脈沖停留時(shí)間為310 fs，最大脈沖重復(fù)頻率為500 KHz，波長(zhǎng)為1032nm，采用3D掃描振鏡來(lái)進(jìn)行。制備出兩種類型的表面形貌：微米級(jí)和納米級(jí)的表面多尺度形貌。

圖5 （a）具有MS形貌的條件下水滴的等溫凍結(jié)情況；（b）在參考平面時(shí)，在功能化的表面上測(cè)量得到的接觸角

圖6 在研究的功能表面上得到的接觸角的凍結(jié)時(shí)間

圖7 MS形貌時(shí)結(jié)霜的階段變化

圖8 （a）在功能性的表面結(jié)霜的變化情況；（b）結(jié)霜的區(qū)域?qū)φ麄�(gè)功能表面的比例情況

圖9 （a）LIPSS在摩擦循環(huán)10次之后的表面形貌，標(biāo)尺為5μm，（b）MS形貌在25次循環(huán)之后的結(jié)果；（c）在摩擦之后移除了LIPSS和MS的納米尺度的特征之后的結(jié)果；（d）在不同的形貌中得到的延遲接觸角凍結(jié)的結(jié)果

主要結(jié)論

使用飛秒激光在不銹鋼上制備的單層納米條紋（LIPSS）和雙層多尺度（MS）形貌進(jìn)行了研究。其功能性特性同潤(rùn)濕劑植入和商業(yè)化的納米顆粒涂覆的超述說(shuō)表面進(jìn)行了對(duì)比。將本研究的6種表面分為三組。第一組，處于原始狀態(tài)和LIS的表面在未結(jié)構(gòu)化的光滑表面處具有不同的潤(rùn)濕性。第二組包含單層納米結(jié)構(gòu)（LIPSS）具有疏水和親水性質(zhì)，作為參考樣品的納米顆粒涂覆的多尺度結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出超疏水。

總的來(lái)說(shuō)，表面為雙層結(jié)構(gòu)時(shí)可以顯著的延緩液滴的冷凍時(shí)間和抑制結(jié)霜的形成。而且，雙層結(jié)構(gòu)保持了相當(dāng)好的防冰性能，甚至是在摩擦循環(huán)之后也能保持，這在其他表面處理中是不存在的。研究表面在納米尺度的紋路中，微觀的凸起提供了穩(wěn)定的致密誘導(dǎo)的潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變，尤其涉及在MS形貌的時(shí)候。同時(shí)，周期和隨機(jī)的納米結(jié)構(gòu)，如LIPSS和NW的性能優(yōu)于LIS樣品。單層的形貌在經(jīng)受摩擦后其壽命比較短，但雙層的效果卻不一樣。雙層的在多次摩擦后仍然可以保持較好的性能。

文章來(lái)源：

Anti-icing properties of femtosecond laser-induced nano and multiscale topographies，Applied Surface Science，Volume 552, 30 June 2021, 149443，https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.149443