哈尔滨工程大学梁文彦教授课题组：具有温度可控、疏水和疏冰特性的仿生多壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷纳米复合材料

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由于广泛的能源和安全问题，延缓和防止冰/霜的形成在航空航天应用中越来越重要。哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院梁文彦教授课题组与中航西飞何靓研究员以及扬州大学王方鑫老师在《ACS Applied Nano Materials》期刊上发表了题为“Biomimetic Multiwalled Carbon Nanotube/Polydimethylsiloxane Nanocomposites with Temperature-Controlled, Hydrophobic, and Icephobic Properties”的文章（DOI: 10.1021/acsanm.1c02275）。哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院博士生孙永阳为论文第一作者。此研究得到了国家自然科学基金的资助支持。

此项研究通过将内径为3~4 nm、外径为8~15 nm的MWCNT纳米填料均匀分散在PDMS中，获得了温度可控的MWCNT/PDMS纳米复合材料。通过模拟荷叶和蝉翼表面的微观结构，在MWCNT/PDMS纳米复合材料上刻蚀微柱阵列，制备出各种仿生纳米复合材料。这些仿生纳米复合材料具有优异的柔韧性、导电性、疏水性和疏冰性。本文系统地研究了MWCNT/PDMS仿生纳米复合材料薄膜的表面微观结构、疏水性、防冰性能、疏冰性能、冰的黏附强度、电热性能和电热主动除冰性能。在常压和室温条件下的疏水性测试结果表明，在30~50 μm范围内，疏水性与微柱高度无关。在相同的微柱高度下，疏水性随温度的升高而降低。低温环境下液滴的低速冲击行为表明，Cassie状态下液滴的冲击行为与微柱高度无关;在相同的微柱高度下，液滴的冲击行为受温度的影响较大。延迟结冰/结霜实验表明，Cassie状态下的表面与Wenzel状态下的表面相比，不仅对单个液滴表现出良好的延迟冻结性能，而且对大量凝结水表现出显著的延迟结冰/结霜性能。然而，MWCNT/PDMS仿生纳米复合材料的表面微柱与冰之间形成的机械连锁作用使其对冰的粘附强度高于光滑表面，但微柱高度的增加对黏附强度没有太大的影响。此外，在重复加热/冷却循环过程中，MWCNT/PDMS仿生纳米复合材料表现出了出色的加热可靠性、稳定性和重复性。因此，该仿生纳米复合材料在外加电压下表现出优异的电热主动除冰性能，有效地保持仿生表面不结冰。综上，仿生纳米复合材料表面微结构设计和温度控制可以根据环境的具体情况在疏水性和疏冰性之间达到一个平衡，使水滴在其表面不停留，从而保证其表面一直处于无冰状态。所以，仿生纳米复合材料的表面微观结构可设计性和柔性温度可控性在航空航天(防/除冰)领域具有巨大的应用潜力。

示意图1：多壁碳纳米管/PDMS仿生纳米复合材料制备原理图

图1：(a)和(b)通过仿生纳米复合材料在直线和弯曲状态下“HEU”LED灯照明；(c) 3 V电压下仿生纳米复合材料的红外相机图像；(d)和(e)在5 V电压下通过仿生纳米复合材料加热水的图像；(f)不同电压下仿生纳米复合材料表面温度随时间变化的曲线图。

图2：(a - d)室温下DI水滴在仿生纳米复合材料表面的平均SCA；(e) 5 μL的DI水滴在仿生纳米复合材料表面的滑动行为;(f) SCA、SA和表面结构之间的关系。

图3：5 μL液滴冻结在(a)平整的纳米复合材料表面；(b)和(c) h = 20μm和40 μm的仿生纳米复合材料表面的瞬时温度；(d)时序图像的快照，捕捉仿生表面DI水滴中移动的水-冰界面。

图4：(a)在不同电压下，5 μL DI液滴在微柱高度为40 μm的仿生纳米复合材料表面的SCA (不同的温度)；(b) 5 μL DI液滴在同一仿生纳米复合材料表面的接触面积示意图; (c)液滴在3 V电压作用下时在仿生纳米复合材料表面的滑动行为。

图5：(a)不同温度下冰的黏附剪切强度;(b)和(c)无电压和有电压情况下冰在仿生表面黏附破坏机理示意图。

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https://doi.org/10.1021/acsanm.1c02275

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