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技术文章
飞秒激光打造“防冰盔甲”，超疏水表面光热防冰 又强又稳”
点击次数：1206 发布时间：2026/1/19 18:09:51
【封面解读】封面展现了超疏水多级光热防冰表面在阳光辐照下的融冰场景。通过飞秒激光加工具有保护作用的蜂窝结构及其内部的微柱阵列，并在微柱表面附着由Fe3O4纳米颗粒组成的光热颗粒，使该表面同时具有的疏水性和光热性能。在自然辐照条件下，阳光能量入射微柱阵列形成的光热阱进行多次反射，微柱表面的Fe3O4颗粒吸收光子能量迅速升温，通过多级结构和光热颗粒协同增强光能吸收，实现高效融冰，为进一步提高材料表面光热性能提供了新路径。
01. 研究背景
航空发动机结冰是威胁飞行安全的关键因素之一，一旦发动机进气系统（例如发动机机匣、进气道唇口）结冰，进气道的空气动力特性将被改变，流动阻力显著增加。结冰较轻微时，会引发气流畸变，影响发动机工作稳定性；结冰较严重时，可致使发动机熄火停车，带来灾难性后果。此外，脱落的冰屑可能被发动机吸入，造成发动机损伤。而在特定的飞行与气象条件下，即使并非冰雪天气，如云层中存在大量温度低于0 ℃的液态过冷水滴，当其撞击在发动机短舱进气道前缘，同样会凝结成冰，导致发动机进气量减少，性能下降。
但现有发动机防除冰系统（如引热气防冰、电加热防冰）需要付出一定的结构和性能代价。因此，通过材料表面改性使其同时具备超疏水和光热特性，实现无需耗能的防冰/除冰能力，是行业的重要需求。
02. 创新工作
浙江工业大学姚建华教授团队联合中国航发沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司，通过向疏水表面引入光热因子，赋予表面光热性能。光热因子在太阳光或者定向激光辐照下，经过光热的高效转化，在冰层和表面形成一层冰水分界线，进而借助表面对液体的低粘附性快速除冰（如图1所示）。团队利用飞秒激光在金属、玻璃、陶瓷等多种基材上成功制备了具有蜂窝盔甲特征的多级超疏水光热表面。
图1 光热主动除冰原理示意图
团队研究了材料表面多级结构的飞秒激光刻蚀工艺，分析了加工次数对结构深度与宽度的调控规律，实现了微纳结构尺寸的控制。基于静态疏水性及延迟结冰性能测试，优化了微柱结构尺寸与高压喷涂引入的Fe3O4纳米颗粒含量。
结果表明，通过成功构筑由微柱、PDMS沉积物及PDMS/Fe3O4纳米颗粒复合构成的多级微纳结构，可使延迟结冰时间提升约2.14倍。在微柱结构光热阱效应与Fe3O4纳米颗粒的协同作用下，表面光热性能显著增强，最高温度由原始表面的40.3 ℃提升至72.9 ℃，相对提升约78.6%。
在不同表面结冰时间对比
在蜂窝轮廓结构、内部的微柱阵列以及Fe3O4光热颗粒的协同作用下，表面结冰时间显著提升，相较于原始表面结冰时间延缓2.14倍。
03. 后续工作
超疏水表面防冰技术是较为复杂的界面接触科学，表面结构在不同环境下的浸润机制、如何获得满足长期户外服役性能的防冰表面等问题仍待深入研究。团队后续将通过紫外老化实验、湿热极端环境测试和反复冰冻融循环实验等，进一步评价户外服役环境下的表面防冰性能衰减特性。
参考文献： 中国光学期刊网
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