飞秒激光诱导陶瓷表面防冰

（论文部分内容摘抄）

飞秒激光作为一种高效、精确的微加工工具，在材料加工领域有着广泛的应用。超疏水表面在防结冰、自清洁和耐霜等方面有着广泛的应用。本文在氧化铝陶瓷表面利用飞秒激光诱导出嵌套式微纳米结构，经聚二甲基硅氧烷(PDMS)修饰后，飞秒激光诱导的陶瓷表面从超亲水性转变为超疏水性，研究了功能陶瓷表面的抗结冰和耐霜性能。扫描电子显微镜(SEM)图像表明，交叉扫描激光处理方式可以诱导陶瓷表面的嵌套微/纳米结构，从而获得优异的超疏水表面与水的接触角(WCA)至176.39°和水滚角(WRA)低至1°，实验结果表明，超疏水表面液滴结冰的动态过程包括三种典型状态，液滴的冻结延迟时间主要是由液相变为冰壳引起的。超疏水陶瓷表面的结冰延迟时间比基体陶表面长189s，此外，超疏水陶瓷表面相邻凝结水滴之间的距离大于基体陶瓷表面，可以有效防止霜的扩散，具有抗结冰性能的超疏水陶瓷在输电线路、飞机、风力发电机叶片、空调管路和化工生产等领域具有广泛的应用前景。

陶瓷是一种常见的工业材料，具有优良的电气绝缘性、化学稳定性和高硬度。例如，一些广泛用于输电线路的绝缘体是由陶瓷制成的。由于陶瓷绝缘子经常暴露在雾、雨雪等天气条件下，附着在其上的水珠、霜或冰会对其绝缘性能产生影响，导致闪络，这已被确认为对输电安全性的主要威胁，因此，迫切需要开发具有超疏水性和防冰性能的陶瓷。

众所周知，超疏水表面具有自洁性、抗菌性等特性。抗冻性等几个方面。因此，开发超疏水表面是实现陶瓷抗冻性的极好途径。自然界中也有许多具有超疏水表面的生物，如紫荆叶、荷叶、猪笼草等。自然生物已经进化出完美的超疏水表面。

当液滴被滴到固定在冷却平台上的未磨损的陶瓷样品上时，高速摄像机和光学接触角测量仪记录了动态结冰过程。如图S5所示，由高速摄像机(pco.dimaxHS4)记录的液滴从底部到顶部结冰，结冰过程包括三个特征状态。当冷却平台的温度降低时，液滴从液相(状态1)变为冰壳(状态2)。此时，液滴处于固液。

本文采用飞秒激光在陶瓷表面诱导形成嵌套微纳米结构，并用PDMS对其进行改性。激光功率的影响和详细研究了陶瓷表面润湿性的处理模式，实验结果表明，通过高激光功率和交叉扫描模式的结合，可以制备出覆盖有嵌套微/纳米结构的超疏水陶瓷表面，超疏水表面的 WCA和WRA分别为 176.39°和 1°，通过显微镜、高速相机和 OCA仪对不同激光功率和扫描模式处理的功能陶瓷的抗冻性和抗结冰性进行了研究。

笔者感谢广州市元奥仪器有限公司提供的高速摄像机(pco.dimax HS4)，本工作得到了国家自然科学基金委员会的支持。

德国Excelitas PCO公司pco.dimax高速相机，具备高分辨率、高感光度、高帧率的优点，将高速实验过程完美记录，为实验提供强而有力的图像数据支持。

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