技術(shù)文章
Technical articles在嚴(yán)寒和高海拔地區(qū),積雪問題正逐漸成為制約能源與智能設(shè)備運行的關(guān)鍵因素。光伏面板被積雪覆蓋后,發(fā)電效率驟降;風(fēng)力葉片上的雪層擾亂空氣動力性能;橋梁纜索因積雪凍融反復(fù)帶來疲勞損傷;無人機、高速列車等設(shè)備的攝像頭、雷達一旦覆雪,更是可能導(dǎo)致系統(tǒng)直接失效。 雖然近年來涌現(xiàn)出大量超疏水、自潤滑、光熱防冰等界面材料,但這些設(shè)計多以“防冰"為核心,缺乏對“防雪"機制的系統(tǒng)研究。很多研究表明,許多防冰材料在濕雪條件下非但無法減少粘附,反而造成雪層“卡死"在表面,難以自然滑落。這背后,根源在于冰與雪在界面粘附上的本質(zhì)差異。雪是由冰粒、水與空氣混合物,其與固體的界面行為更為復(fù)雜。因此,開展防雪材料研究,能為戶外設(shè)備在嚴(yán)寒條件下的穩(wěn)定運行提供更實用的解決方案。
近日,西北工業(yè)大學(xué)苑偉政教授、何洋教授團隊在《Advanced Materials》期刊發(fā)表研究成果“A Bioinspired Micro-Grooved Structure for Low Snow Adhesion and Effective Snow-Shedding",揭示了雪在界面上的粘附行為,提出一種仿秦嶺箭竹葉片的微溝槽結(jié)構(gòu),有效削弱了范德華力和毛細力,實現(xiàn)了積雪的低粘附與自脫落。這項工作突破了防雪=防冰的傳統(tǒng)思路,為惡劣天氣下的能源系統(tǒng)、橋梁設(shè)施提供了新型防護策略。
不同于結(jié)構(gòu)致密的冰層,雪是由冰粒、液態(tài)水和空氣混合構(gòu)成的多相物質(zhì)。尤其在0℃附近的濕雪狀態(tài),其界面會因液橋效應(yīng)產(chǎn)生很強的毛細吸附,粘附力遠高于干雪。研究團隊通過調(diào)節(jié)雪中水含量(LWC)研究干濕雪的界面粘附變化。實驗發(fā)現(xiàn):干雪狀態(tài)下,各類工程材料表面的粘附力普遍低于100 Pa,差異不大;而在濕雪狀態(tài)下,粘附力迅速上升,鋁、PTFE等常用材料在LWC大于16%時雪粘附強度均顯著增大,部分樣品的濕雪粘附強度是干雪的10倍以上。這一現(xiàn)象凸顯了雪固界面行為的復(fù)雜性,并展示了防雪研究的迫切需求。
圖1. 雪的性質(zhì)以及秦嶺箭竹葉的低雪粘附特性。
在自然界中,秦嶺箭竹能在風(fēng)雪中長時間保持葉面無雪覆蓋,團隊通過顯微觀察發(fā)現(xiàn)其表面具備規(guī)則的微溝槽結(jié)構(gòu)。研究人員利用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(shù)(nanoArch® S130,精度:2 μm)制備了一系列間距與高度不同的仿生微溝槽樣品,考察了其對雪固粘附行為的影響。研究結(jié)果顯示,結(jié)構(gòu)高度低于30 μm時幾乎無效;而當(dāng)高度提升至100 μm以上,粘附力急劇下降,可達30 Pa,約為光滑表面的十分之一。此外,結(jié)構(gòu)的寬高比(S/H)成為決定粘附強度的關(guān)鍵指標(biāo)——越窄、越深的溝槽結(jié)構(gòu),其“真實接觸面積"越小,對范德華力與毛細力的抑制越顯著。更重要的是,V型溝槽還能起到“導(dǎo)水+儲水"功能。當(dāng)雪中自由水滲入界面后,其優(yōu)先包覆雪粒、而非潤濕固體表面,隨后在重力作用下回落到V型槽底,有效實現(xiàn)了固液界面的物理分離,進一步削弱毛細作用。
圖2. 雪固粘附行為。
研究還發(fā)現(xiàn),很多超疏水表面雖然粘附力很低,但濕雪卻很難自然脫落。原因在于表面粗糙結(jié)構(gòu)與雪粒之間發(fā)生“機械互鎖",阻礙了積雪滑動,導(dǎo)致雪層在傾斜表面也無法自發(fā)下滑。進一步分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)雪粒直徑與表面粗糙度特征尺寸相匹配時,機械互鎖作用強烈。通過估算,即便只有5%的粗糙峰與雪粒發(fā)生互鎖,其產(chǎn)生的阻礙強度也可能高達23.7 kPa。 相比之下,仿生微溝槽結(jié)構(gòu)因其周期性“光滑路徑"設(shè)計,能有效避免互鎖現(xiàn)象。實驗中,在45°傾角下,微溝槽表面能實現(xiàn)3分鐘內(nèi)積雪自然脫落,而超疏水結(jié)構(gòu)很難依靠積雪自重脫落。同時,在兼顧防冰需求方面,研究團隊進一步在溝槽內(nèi)部沉積超疏水納米粒子,構(gòu)建出“MG@SHS"雙功能結(jié)構(gòu)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)在保持微溝槽良好脫雪能力的同時,提升了其在多輪凍融循環(huán)下的抗冰粘附性能。該策略有望應(yīng)用于光伏板表面、軌道交通設(shè)備等在復(fù)雜氣候下運行的關(guān)鍵設(shè)施。
圖3. 雪固脫粘附行為。
本研究系統(tǒng)區(qū)分了“雪"與“冰"在粘附機制上的差異,提出了基于“范德華力+毛細力+機械互鎖"的雪固界面粘附-脫粘附行為機制,構(gòu)建了一種集防冰、防雪和防水功能于一體的多功能設(shè)計,為解決復(fù)雜氣候下設(shè)備表面附雪問題提供了理論基礎(chǔ)與實踐方案。