香港科技大学团队开发出低至-60℃环境防冰的超疏水选择性光热表面
时间2021-04-14
寒冷环境下,冰和霜易凝结于飞机机翼、火车轨道、高压电线等处,造成了巨大的安全隐患。因此,如何有效阻止或者延迟冰在低温表面上的成核和生长成为亟待解决的问题。传统的机械振动除冰、化学除冰和电加热除冰不但与可持续发展的世界主题相悖,而且除冰过程容易破坏表面。近些年随着材料科学的发展,研究人员利用防冻蛋白、表面疏水处理或添加润滑层等方法成功提高了表面的防结冰或除冰能力。但是,这些表面制备方法复杂,成本高昂,并在极端低温条件下易失效,这些缺点限制了它们在实际生产中的应用。
为了解决上述问题,香港科技大学团队合作开发了一种低成本高效率的太阳能光热防冰融冰超疏水表面,成功实现了低至零下60摄氏度超低温下的防冰。该表面通过化学刻蚀法及溶液旋涂法制备,将氮化钛(TiN)光热纳米颗粒镶嵌在具有微纳结构的铝表面上,同时实现了三种效力:其一,微纳结构及光热纳米颗粒的协同效应提高了表面的光捕捉效率,其二,通过合理的控制微纳结构的尺度和纳米粒子的厚度,得到了低红外发射率表面并极大地降低了辐射热损失,其三,改性处理后表面具有超疏水性(图1)。
图1. 超疏水-选择性光热表面原理
图2. SHSSA, SHB 及SSA表面表征
图3. -60℃下的防结冰实验
图4. 标准太阳光下的除冰实验
图5. 标准太阳光下的除霜实验
相关论文发表在Cell Reports Physical Science 上,香港科技大学博士生马维和博士后李洋为文章的共同第一作者,香港科技大学姚舒怀教授、李威宏研究助理教授及黄宝陵副教授为共同通讯作者。
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Wei Ma, Yang Li, Christopher Y.H. Chao, Chi Yan Tso, Baoling Huang, Weihong Li, Shuhuai Yao
Cell Rep. Phys. Sci., 2021, 2, 100384, DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100384
黄宝陵,香港科技大学机械与航空航天工程系副教授。黄教授于分别于1999年和2001年在清华大学获得学士和硕士学位。2004年赴美国密歇根大学安娜堡分校深造,并于2008年获得博士学位。此后在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室做博士后研究。于2010年起就职于香港科技大学。研究领域是微尺度传热传质,光热利用以及固态能源存储,在相关领域发表SCI论文80余篇,包括以通讯作者发表在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Nano Energy, Nano Letters, Physical Review B 等。
李威宏,香港科技大学机械与航空航天工程系研究助理教授。李教授分别于2013年和2018年获得清华大学学士和博士学位。2018年赴英国格拉斯哥大学担任研究员。于2019年起就职于香港科技大学。研究领域是微纳相变传热与航空航天热管理技术,在相关领域发表SCI论文30篇,包含以通讯作者发表在Cell Reports Physical Science, International Journal of Heat and Mass Transfer, Journal of Heat Transfer, Journal of Turbomachinery 等。