应用 | 关于可拉伸性的石墨烯半导体超疏水涂层的研究

研究背景

机翼是飞机的重要组成部分，但在低温环境下表面很容易受到积冰的影响。超疏水性涂层是理想的防冰材料，超疏水性材料可以推迟冰晶的形成或降低冰粘附强度，但现有涂层存在机械性能差、性能参数自然衰老快等问题。

目前的除冰技术主要分为主动除冰法和被动除冰法两类。与主动除冰法相比，被动法试图在没有额外能 量消耗的情况下防止冰层的积累。一种典型的无能源消耗方法是构造超疏水性表面。超疏水 效应的灵感来自于荷叶。众所周知，荷叶上的水滴几乎呈球状，很容易脱落。因此，超疏水 性涂层被认为是理想的防冰材料。

淮[1]等人通过将纳米级改性石墨烯嵌入弹性体的方案来模仿荷叶的超疏水特性，将改性石墨烯部分嵌入弹性体的方法制备新型涂层，对涂层进行结冰、除冰测试验证涂层主、被动防冰的双重性能。

图1. 可拉伸超疏水样品制备流程

制备可拉伸超疏水样品的示意图如图1所示。首先，在基底材料上制备厚度为2 mm的聚二甲基硅氧烷膜（如图1（a）所示）。制备完毕后，利用喷枪将石墨烯粉末喷涂在Ecoflex薄膜上，如图1（b）所示。由于重力的作用，在Ecoflex薄膜上的石 墨烯粉末往往会部分嵌入到Ecoflex薄膜中（如图1（c）所示）。最后，将涂层在室温下静置 24 h后待Ecoflex膜完全固化，即可得到可拉伸超疏水样品（如图1（d）所示）。

图2. 不同应变比下疏水性能水滴在石墨烯复合材料上的应变分别为

我们的日常生活中，变形是不可避免的，因为物体不可避免地受到力的作用。特别是，机翼在气流作用下产生变形。在本文中样品即使在大变形下也保持超疏水性。不同应变比下 疏水性能，如同样2所示，从图2（a）~图 2（d）可以看出：随着应变的增加，水滴几乎保持圆形；从图2（e）可以看出：随着应变的增加，水的浸润角（CA）逐渐变低，滚动角（RA）逐渐变大。然而，在300% 的应变下，接触角仍然高于150°，而RAs仍然低于10°，这表明具有优异的超疏水性。进一步研究了样品在循环拉伸下的稳定性，如图2（f）所 示 ，即使在100%拉伸1000次后，样品仍保持超疏水性。

图3. 模拟老化后疏水性能

除了潜在的机械损伤，超疏水材料在工程实践中不可避免地会遇到腐蚀性液体的侵蚀。在本研究中测试了超疏水样品的化学耐磨性。使用六种液体，分别是3. 5%的氯化钠水溶液，其酸碱度调节至1、4、7、10和14。该试验通过首先将样品浸入液体中24 h，然后用水冲洗。模拟老化后疏水性能，即表面润湿性测量结果如图3（c）所示，可以看出：水接触角均高于150°，滚动角均小于10°，显示出极好的耐磨性。为了进一步证明广泛的适用性，测试可拉伸超疏水样品的热稳定性。样品在200℃下加热，表面润湿性和加热时间之间的关系如图3（d）所示。接触角和滚动角的值表明热处理并没有改变超疏水性。因此，这种超疏水样品具有在高温环境中使用的潜力。

参考文献：

[1]淮继茹,王鹏,杨梦宇.具有可拉伸性的石墨烯半导体超疏水涂层[J/OL].航空工程进展:1-9[2024-03-11].