關于可拉伸性的石墨烯半導體超疏水涂層的研究

機翼是飛機的重要組成部分，但在低溫環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度，但現有涂層存在機械性能差、性能參數自然衰老快等問題。

目前的除冰技術主要分為主動除冰法和被動除冰法兩類。與主動除冰法相比，被動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造超疏水性表面。超疏水 效應的靈感來自于荷葉。荷葉上的水滴幾乎呈球狀，很容易脫落。因此，超疏水 性涂層被認為是理想的防冰材料。

淮[1]等人通過將納米級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，對涂層進行結冰、除冰測試驗證涂層主、被動防冰的雙重性能。

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）。

圖2. 不同應變比下疏水性能水滴在石墨烯復合材料上的應變分別為

我們的日常生活中，變形是不可避免的，因為物體不可避免地受到力的作用。特別是，機翼在氣流作用下產生變形。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：隨著應變的增加，水滴幾乎保持圓形；從圖2（e）可以看出：隨著應變的增加，水的浸潤角（CA）逐漸變低，滾動角（RA）逐漸變大。然而，在300% 的應變下，接觸角仍然高于150°，而RAs仍然低于10°，這表明具有優異的超疏水性。進一步研究了樣品在循環拉伸下的穩定性，如圖2（f）所 示 ，即使在99%拉伸1000次后，樣品仍保持超疏水性。

圖3. 模擬老化后疏水性能

除了潛在的機械損傷，超疏水材料在工程實踐中不可避免地會遇到腐蝕性液體的侵蝕。在本研究中測試了超疏水樣品的化學耐磨性。使用六種液體，分別是3. 5%的氯化鈉水溶液，其酸堿度調節至1、4、7、10和14。該試驗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，即表面潤濕性測量結果如圖3（c）所示，可以看出：水接觸角均高于150°，滾動角均小于10°，顯示出較好的耐磨性。為了進一步證明廣泛的適用性，測試可拉伸超疏水樣品的熱穩定性。樣品在200℃下加熱，表面潤濕性和加熱時間之間的關系如圖3（d）所示。接觸角和滾動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境中使用的潛力。

參考文獻：

[1]淮繼茹,王鵬,楊夢宇.具有可拉伸性的石墨烯半導體超疏水涂層[J/OL].航空工程進展:1-9[2024-03-11].