表面結冰問題長期困擾著眾多行業(yè)，從飛機機翼、風力發(fā)電機葉片到高壓電線，覆冰都會干擾其正常運行，甚至引發(fā)設備損壞。盡管傳統(tǒng)防覆冰方法在一定程度上能防止冰雪積聚，但涂層易損、極端天氣下效果減弱等弊端仍難以避免。

近期，《國家科學評論》在線發(fā)表了電子科技大學材料表面科學中心博士生楊邱程、鄧旭教授和楊金龍副研究員的成果，該研究借鑒人類皮膚的自然結構，創(chuàng)新性地研發(fā)出了一種名為“堅韌皮膚防覆冰表面”的新型防冰技術。

人類皮膚的內部結構是柔軟的真皮和皮下組織，而外面有一層保護性的硬質表皮。當皮膚受到外力時，表皮會變形，形成褶皺，幫助皮膚更好地應對壓力。研究人員通過模仿這一自然現(xiàn)象，設計出了一種具有類似“皮膚”結構的防覆冰表面。通過將薄而堅硬的表面薄膜與柔軟基底結合，在覆冰時誘發(fā)表面不穩(wěn)定性，從而使硬質表層因界面失穩(wěn)而產生皺褶，形成微小裂縫，這些裂縫削弱了冰與表面的連接，使得覆冰更易被剝離，降低了除冰的難度和能耗。


基于多尺度褶皺的耐用防覆冰材料設計策略和效果

研究人員深入探討了該表面在兩種尺度上的防覆冰機制，并提出了大皺紋與小皺紋相結合的設計策略。大皺紋在覆冰邊緣引發(fā)裂縫，發(fā)揮“界面破裂”作用；小皺紋則加速裂縫的擴展，促使覆冰更容易完全脫落。通過這一設計，冰與基底的粘附力顯著降低，覆冰能夠在自身重力的作用下自動脫落，無需外力干預。

同時，得益于堅韌的表層材料設計，這種防覆冰表面不僅適用性強，而且耐用性卓越。它能長期保持低覆冰力，對風雨、日曬等外部因素具有強大的抵抗力，在各種嚴酷環(huán)境下持續(xù)發(fā)揮作用。


“堅韌皮膚”防覆冰表面的適用性和耐候性

“堅韌皮膚”防覆冰技術為解決覆冰問題提供了全新思路。通過模擬皮膚的自然應力響應機制，這項技術有效的減少了覆冰，為設備提供了長期、可靠的防護。該技術有望在更多行業(yè)得到應用，助力解決覆冰積聚帶來的諸多困擾，獲得更持久、更高效的防護，確保在惡劣天氣下的正常運行，減少因冰雪積聚造成的停工和損壞。

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A skin-inspired durable de-icing surface with boosting interfacial cracks. National Science Review. doi: 10.1093/nsr/nwaf005

來源: 《中國科學》雜志社