超疏水石墨烯的新型复合薄膜，用于飞机防冰/除冰

摘要：结冰会影响飞机的安全运行，还会损坏其他室外设备，造成安全隐患。超疏水表面的被动防冰有助于降低主动热除冰的能耗。本文，华中科技大学张臻副教授在《Materials Today Physics》期刊发表名为“A novel composite film with

1成果简介

结冰会影响飞机的安全运行，还会损坏其他室外设备，造成安全隐患。超疏水表面的被动防冰有助于降低主动热除冰的能耗。本文，华中科技大学张臻副教授在《Materials Today Physics》期刊发表名为“A novel composite film with superhydrophobic graphene for anti-icing/deicing via chemical-assisted magnetically controllable picosecond laser writing”的论文，研究利用磁控直接激光写入（MDLW）技术制造了微米级锥形结构和纳米级分层结构。通过化学改性辅助磁控直接激光写入（C-MDLW）增强了超疏水性能，并包裹石墨烯毛细管形成纳米级颗粒。

介绍了两种激光扫描过程中不同的材料去除机制，包括光化学机制、光热机制和电离等离子体机制。分析了表面形态和化学元素的差异，以说明它们对超疏水性能的影响。雾 "状的纳米石墨烯结构和高含量的极性分子导致了强亲水性，而化学修饰后形成的纳米颗粒和非极性分子则是超疏水转变的关键原因。C-MDLW 的接触角高达 163.0°，滚落角为 1.8°。不同高度的液滴可在不同倾角的表面上反弹。与原始表面相比，结冰时间延迟了约 29.5 倍。结合焦耳加热效果良好的电热膜，表面温度升高。由于结冰时间长，在结冰和除冰期间节省了约 86% 的电能。

2图文导读

图 1.C-MDLW 的制备过程和原理。

图2. The wettability of the raw surface, C-PI, MDLW and C-MDLW.

图3. The bounce of droplets with different heights falling on different inclined C-MDLW。

图4. The surface morphology of (a) raw sample, (b) MDLW, and (c) C-MDLW。

图5 Elemental analysis of MDLW and C-MDLW. (a) Raman spectrum. (b) XPS spectra. (c) N1s spectra. (d) C1s spectra of MDLW. (e) O1s spectra of MDLW. (f) C1s spectra of C-MDLW. (g) F1s spectra of C-MDLW. (h) O1s spectra of C-MDLW.

图6、5μL droplets icing delay time test at (a) room temperature and -10 °C refrigeration platform and (b) -15 °C ambient temperature and refrigeration platform.

图7. Active/passive anti-icing/deicing properties. (a) The influence of MDLW and C-MDLW on the temperature of heating film. (b) The Joule heating effect. (c) Heating conditions applied to different materials under -15 °C environment and refrigeration platform (Due to the reflection of the Ti6Al4V surface, the camera thermal imaging was observed). Ice melting experiments under -15 °C environment and refrigeration platform.

3小结

本研究利用磁场辅助激光直接制备了超疏水 PI，并阐明了磁场对石墨烯和等离子体中电子的影响。比较了 MDLW 和 C-MDLW 的润湿性、表面形貌和化学成分。最后，进行了被动防冰实验和主动/被动防冰/除冰实验。主要结论如下

(1）第一次写入提供了足够的能量，使 PI 的化学键分裂，并通过光化学和光热机制积累热量。碳化和石墨化过程被触发，生成石墨烯。在垂直磁场下，载流子密集分布在狄拉克点附近。当第二次使用激光时，光子能量被石墨烯的电子吸收，电子被电离。这反过来又导致了光学击穿，从而形成了高温高压等离子体。等离子体的横向扩散受到限制，纵向磁场增加了能量密度，从而提高了加工精度。

(2)C-MDLW 表面具有微小的锥形和空心槽结构、锥形的分层结构以及锥形上的纳米颗粒结构，这为支撑液滴提供了足够数量的气囊。此外，表面还附着了疏水的氟基、醚键和酯基，极性键明显减少。

(3)结构和化学成分的结合带来了优异的疏水性和防冰性能。C-MDLW 的接触角为 163.0°，滚动角为 1.8°。在 -15 °C 下的结冰延迟时间增加了约 29.5 倍（9.0 秒至 274.1 秒）。带有 C-MDLW 的电热膜表面可应用于不同材料，以提高表面温度。功率密度为 0.71 W/cm2 的主动/被动电热防冰/除冰膜组合可节省约 86% 的电能。

文献：