来源 | ACS Materials Letters

链接 | https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.5c00622

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背景介绍

目前，很有前途的除霜方法是利用自然阳光加热寒冷的表面，一系列具有高效光热转换的材料已经被开发出来。利用微/纳米结构表面的低附着力与光热材料的热效应相结合，能够使融化的水更容易脱落。然而，光热表面仍然容易被霜层覆盖，在寒冷环境下，霜层可以反射大部分太阳能，导致加热速率大幅降低。结霜场景中常见的光热表面被霜覆盖，使得全天候防霜除霜尚未得到有效解决。

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成果掠影

近日，大连理工大学温荣福团队与北京大学杨荣贵团队提出了一种利用界面区域热管理（ZTM）策略的三维光热超疏水除霜（PSD）表面。通过在毫米级阵列上构建多层分级结构，使低固液接触面积的峰区作为低粘附区，谷区则成为高效光热加热（EPH）区。导热层能快速将热量从加热谷区传递至覆霜峰区，而隔热层可最大限度减少向低温环境的热量损失。即使在低温和弱光照条件下，该策略仍能避免表面被霜层完全覆盖，并利用光热效应高效除霜。这项首次验证的分区热管理策略，为设计高效全天候防霜表面提供了新思路。研究成果以“All-Day Sustainable Energy-Free Antifrosting Surface with Interfacial and Zonal Thermal Management”为题发表在《ACS Materials Letters》期刊。

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图文导读

图1. ZTM-PSD表面的设计和表征。（A）ZTM-PSD和Plain-PSD表面全天结霜和结霜情况的示意图。Plain-PSD表面上整个基底的均匀结霜生长，以及ZTM-PSD表面上顶部和山谷中干燥区域的局部结霜生长。（B）Plain-PSD和ZTM-PSD表面的制造。插图：（C）Plain-PSD和ZTM-PSD表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。（i）Plain-PSD表面。（ii）ZTM-PSD表面。（iii）ZTM-PSD表面的峰。（iv）ZTM-PSD表面的谷。插图：Plain-PSD和ZTM-PSD表面的水接触角。（D）Plain，Plain-PSD，AM1.5G太阳光谱以灰色显示。（E）在Tair = −10 ± 1 °C时，在1.0个太阳下表面的表面温度上升。（F）在近-红外激光。插图：热扩散测试示意图。（G）点1和点2−3之间的温差ΔTZ。

图2.控制结霜的表面上湿空气的结霜特性。（A-F）顶视图（A、C和E）和侧视图（B、D和F）示出了在表面温度Tw =-20 °C、环境温度Tair = 23 °C和湿空气过饱和度S = 27下表面上的结霜过程的图像序列。结霜前表面的基线;底部为谷，顶部为峰（ZTM-PSD表面）。比例尺：（G）ZTM-PSD表面上的结霜过程的示意图。（H）从开始10分钟时ZTM-PSD表面上的结霜的显微俯视图。（I）（J）平原和平原PSD表面霜层厚度d的时间演变，以及ZTM-PSD表面霜层厚度d的峰值和谷值的时间演变。

图3.在-10 °C环境温度下，0.7个太阳光照度下表面的光热反射性能。（A、C和E）在垂直Plain（A）、Plain-PSD（C）和ZTM-PSD（E）表面上的反射过程的可视化图像。黄色实线：峰值;黄色虚线：照明时刻定义为t = 0 min。（B、D和F）平原（B）、平原-PSD（D）、和ZTM-PSD（F）表面。（G）干燥区域出现的特征时间和完全熔化时间。统计图中的平均值表示三个实验结果的平均值，误差条表示标准偏差。（H）表面温度的时间演变。插图：Plain、Plain-PSD和ZTM-PSD表面在t = 11.7 min时的红外图像。（I）在t = 1.5 min时ZTM-PSD表面上温度随位置的变化。白色线表示温度测量位置。（J）Plain、Plain-PSD和ZTM-PSD表面上干燥区域覆盖度的时间演变。和ZTM-PSD表面。

图4.全天防霜特性及与各种光热防霜表面的比较。（A）在环境温度为−10 °C、照度为1.0、0.7、0.5、0.3太阳的条件下完成防霜过程所需的持续时间。统计图中的平均值代表三个实验结果的平均值，误差条表示标准偏差。(B)ZTM-PSD表面与平原和平原PSD表面相比的除霜持续时间减少比率。（C）相对于纳米草结构表面，不同策略的总融化持续时间的比较。（D）三个测试表面的全天结霜/除霜特性。该曲线表示中国大连典型冬日太阳强度随时间的变化，而五芒星则表示地球表面的时间.

图5.表面的机械耐久性和可持续防霜。（A）磨损循环示意图。（B）磨损后Plain-PSD和ZTM-PSD表面的实验图像。（C）在-10 °C和0.7太阳光照强度下，磨损后垂直Plain-PSD和ZTM-PSD表面随时间推移的防霜过程序列图像。（D）Plain-PSD和ZTM-PSD表面的总体防霜持续时间。磨损前后的PSD和ZTMPSD表面。（E）磨损前后的Plain-PSD和ZTM-PSD表面的残余水分数。上述统计图表中的平均值代表三次实验结果的平均值，误差条代表标准差。