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技術(shù)文章

關(guān)于可拉伸性的石墨烯半導(dǎo)體超疏水涂層的研究

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機(jī)翼是飛機(jī)的重要組成部分,但在低溫環(huán)境下表面很容易受到積冰的影響。超疏水性涂層是理想的防冰材料,超疏水性材料可以推遲冰晶的形成或降低冰粘附強(qiáng)度,但現(xiàn)有涂層存在機(jī)械性能差、性能參數(shù)自然衰老快等問題。

目前的除冰技術(shù)主要分為主動(dòng)除冰法和被動(dòng)除冰法兩類。與主動(dòng)除冰法相比,被動(dòng)法試圖在沒有額外能 量消耗的情況下防止冰層的積累。一種典型的無能源消耗方法是構(gòu)造超疏水性表面。超疏水 效應(yīng)的靈感來自于荷葉。荷葉上的水滴幾乎呈球狀,很容易脫落。因此,超疏水 性涂層被認(rèn)為是理想的防冰材料。

淮[1]等人通過將納米級(jí)改性石墨烯嵌入彈性體的方案來模仿荷葉的超疏水特性,將改性石墨烯部分嵌入彈性體的方法制備新型涂層,對(duì)涂層進(jìn)行結(jié)冰、除冰測(cè)試驗(yàn)證涂層主、被動(dòng)防冰的雙重性能。

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圖1. 可拉伸超疏水樣品制備流程


制備可拉伸超疏水樣品的示意圖如圖1所示。首先,在基底材料上制備厚度為2 mm的聚二甲基硅氧烷膜(如圖1(a)所示)。制備完畢后,利用噴槍將石墨烯粉末噴涂在Ecoflex薄膜上,如圖1(b)所示。由于重力的作用,在Ecoflex薄膜上的石 墨烯粉末往往會(huì)部分嵌入到Ecoflex薄膜中(如圖1(c)所示)。最后,將涂層在室溫下靜置 24 h后待Ecoflex膜完成固化,即可得到可拉伸超疏水樣品(如圖1(d)所示)。


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圖2. 不同應(yīng)變比下疏水性能水滴在石墨烯復(fù)合材料上的應(yīng)變分別為


我們的日常生活中,變形是不可避免的,因?yàn)槲矬w不可避免地受到力的作用。特別是,機(jī)翼在氣流作用下產(chǎn)生變形。在本文中樣品即使在大變形下也保持超疏水性。不同應(yīng)變比下 疏水性能,如同樣2所示,從圖2(a)~圖 2(d)可以看出:隨著應(yīng)變的增加,水滴幾乎保持圓形;從圖2(e)可以看出:隨著應(yīng)變的增加,水的浸潤(rùn)角(CA)逐漸變低,滾動(dòng)角(RA)逐漸變大。然而,在300% 的應(yīng)變下,接觸角仍然高于150°,而RAs仍然低于10°,這表明具有優(yōu)異的超疏水性。進(jìn)一步研究了樣品在循環(huán)拉伸下的穩(wěn)定性,如圖2(f)所 示 ,即使在100%拉伸1000次后,樣品仍保持超疏水性。

石墨烯5.png

圖3. 模擬老化后疏水性能


除了潛在的機(jī)械損傷,超疏水材料在工程實(shí)踐中不可避免地會(huì)遇到腐蝕性液體的侵蝕。在本研究中測(cè)試了超疏水樣品的化學(xué)耐磨性。使用六種液體,分別是3. 5%的氯化鈉水溶液,其酸堿度調(diào)節(jié)至1、4、7、10和14。該試驗(yàn)通過首先將樣品浸入液體中24 h,然后用水沖洗。模擬老化后疏水性能,即表面潤(rùn)濕性測(cè)量結(jié)果如圖3(c)所示,可以看出:水接觸角均高于150°,滾動(dòng)角均小于10°,顯示出較好的耐磨性。為了進(jìn)一步證明廣泛的適用性,測(cè)試可拉伸超疏水樣品的熱穩(wěn)定性。樣品在200℃下加熱,表面潤(rùn)濕性和加熱時(shí)間之間的關(guān)系如圖3(d)所示。接觸角和滾動(dòng)角的值表明熱處理并沒有改變超疏水性。因此,這種超疏水樣品具有在高溫環(huán)境中使用的潛力。



參考文獻(xiàn):

[1]淮繼茹,王鵬,楊夢(mèng)宇.具有可拉伸性的石墨烯半導(dǎo)體超疏水涂層[J/OL].航空工程進(jìn)展:1-9[2024-03-11].


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