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飛秒激光誘導(dǎo)陶瓷表面防冰
（論文部分內(nèi)容摘抄）
飛秒激光作為一種高效、精確的微加工工具，在材料加工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。超疏水表面在防結(jié)冰、自清潔和耐霜等方面有著廣泛的應(yīng)用。本文在氧化鋁陶瓷表面利用飛秒激光誘導(dǎo)出嵌套式微納米結(jié)構(gòu)，經(jīng)聚二甲基硅氧烷(PDMS)修飾后，飛秒激光誘導(dǎo)的陶瓷表面從超親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷?，研究了功能陶瓷表面的抗結(jié)冰和耐霜性能。掃描電子顯微鏡(SEM)圖像表明，交叉掃描激光處理方式可以誘導(dǎo)陶瓷表面的嵌套微/納米結(jié)構(gòu)，從而獲得優(yōu)異的超疏水表面與水的接觸角(WCA)至176.39°和水滾角(WRA)低至1°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超疏水表面液滴結(jié)冰的動(dòng)態(tài)過程包括三種典型狀態(tài)，液滴的凍結(jié)延遲時(shí)間主要是由液相變?yōu)楸鶜ひ鸬?。超疏水陶瓷表面的結(jié)冰延遲時(shí)間比基體陶表面長189s，此外，超疏水陶瓷表面相鄰凝結(jié)水滴之間的距離大于基體陶瓷表面，可以有效防止霜的擴(kuò)散，具有抗結(jié)冰性能的超疏水陶瓷在輸電線路、飛機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、空調(diào)管路和化工生產(chǎn)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
陶瓷是一種常見的工業(yè)材料，具有優(yōu)良的電氣絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性和高硬度。例如，一些用于輸電線路的絕緣體是由陶瓷制成的。由于陶瓷絕緣子經(jīng)常暴露在霧、雨雪等天氣條件下，附著在其上的水珠、霜或冰會(huì)對其絕緣性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致閃絡(luò)，這已被確認(rèn)為對輸電安全性的主要威脅，因此，迫切需要開發(fā)具有超疏水性和防冰性能的陶瓷。
眾所周知，超疏水表面具有自潔性、等特性。抗凍性等幾個(gè)方面。因此，開發(fā)超疏水表面是實(shí)現(xiàn)陶瓷抗凍性的極好途徑。自然界中也有許多具有超疏水表面的生物，如紫荊葉、荷葉、豬籠草等。自然生物已經(jīng)進(jìn)化出完美的超疏水表面。
當(dāng)液滴被滴到固定在冷卻平臺(tái)上的未磨損的陶瓷樣品上時(shí)，高速攝像機(jī)和光學(xué)接觸角測量儀記錄了動(dòng)態(tài)結(jié)冰過程。如圖S5所示，由高速攝像機(jī)(pco.dimax HS4)記錄的液滴從底部到頂部結(jié)冰，結(jié)冰過程包括三個(gè)特征狀態(tài)。當(dāng)冷卻平臺(tái)的溫度降低時(shí)，液滴從液相(狀態(tài)1)變?yōu)楸鶜?狀態(tài)2)。此時(shí)，液滴處于固液。
本文采用飛秒激光在陶瓷表面誘導(dǎo)形成嵌套微納米結(jié)構(gòu)，并用PDMS對其進(jìn)行改性。激光功率的影響和詳細(xì)研究了陶瓷表面潤濕性的處理模式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過高激光功率和交叉掃描模式的結(jié)合，可以制備出覆蓋有嵌套微/納米結(jié)構(gòu)的超疏水陶瓷表面，超疏水表面的 WCA和WRA分別為 176.39°和 1°，通過顯微鏡、高速相機(jī)和 OCA儀對不同激光功率和掃描模式處理的功能陶瓷的抗凍性和抗結(jié)冰性進(jìn)行了研究。
筆者感謝廣州市元奧儀器有限公司提供的高速攝像機(jī)( 德國 Excelitas PCO 生產(chǎn)的pco.dimax HS4 高速相機(jī))，本工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)的支持。
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