近日，午夜av 午夜av 柔性成形技术及装备研究团队在Nature Communications期刊发表了一篇题为“Elevating Thermal-Deicing Efficiency Via Regulating Interfacial-ice Induced by Microstructure under Flow Condition”的研究论文，论文第一作者为江家威博士后，通讯作者为沈一洲教授。
本论文提出了一种利用非润湿微结构在来流条件下诱导近壁面霜冰（界面霜冰）的自发形成策略，打破了冰型仅由流场环境参数决定的固有认知，在未引入额外能耗的情况下，显著优化了融化过程中固-冰界面失效行为，将热除冰的能耗显著降低了约56%，为被动防除冰技术的发展提供了新的思路。
通过调节冰型以优化融化过程中固-冰界面的失效行为，是提高热除冰效率的一种可行方法。然而，目前普遍认为冰型仅由流场环境参数决定，这限制了固-冰界面调控思路的发展。因此，沈一洲教授团队提出了一种基于表面微结构调控近壁面霜冰（界面霜冰）自发形成的策略，利用融化过程中界面霜冰的本征特性，通过将传统的固-液-冰界面转变为直接的固-冰接触，显著提高了除冰效率。特别的是，在流场的辅助下，符合特定数学模型的预冻结液滴会被微结构破碎，从而显著减小初始冰晶尺寸。较小尺寸的初始冰晶引起的阻塞效应有效增加了界面霜冰层的厚度，从而将热除冰的能耗显著降低了约56%。
研究团队通过简单的喷涂工艺构建了粗糙度不等且具有花瓣状团簇的多尺度PTFE微纳结构，结构尺寸自22 μm至70 μm不等。元素分析结果证实表面仅为PTFE，不存在其他干扰成分，表面接触角则随结构尺度的增加从155.63°提升至166.45°，表现出良好的超疏水性，为后续定量探究表面特性对流场环境中冰型演化行为的影响提供判断基础。
在此基础上探究了无微结构（疏水）PTFE表面的微小液滴静态结冰行为，疏水表面能够促使分散的微小液滴在冻结前先聚集成较大的独立液滴。相反，超疏水（微纳复合结构）表面的微结构既能阻止液滴聚合，同时可以为冰晶的形成提供优先的成核位点，促进了初始晶体的生长。这种由微结构引起的初始冰晶形核阻碍效应显著提高了冰层内部的孔隙率，并延缓了冰层的形成过程。
随后，来流环境中的结冰行为显示微小液滴的冻结行为主要由液滴的相变速率与疏水表面水膜的积聚效率之间的竞争关系决定。强烈的对流换热会在低温（≤ -10°C）下促使微小液滴在与表面初次接触时迅速冻结，进而立即形成一层霜冰。随着结冰过程的进行，微小液滴与疏水PTFE基板之间的传热路径逐渐延长，潜热传递受到抑制，导致后续微小液滴的冻结延迟。这些无法迅速在冰层上冻结的微小液滴会穿透霜冰层，形成一种具有霜冰层和明冰层的混合冰形态。
当PTFE表面存在微观结构时，微观结构实际上可以在流场的辅助下促进微小液滴的冻结过程，致使初始冰晶快速形核生长。然而，部分满足特定数学关系的预冷液滴在流场环境中能够被特定尺寸的微观结构有效破碎，从而显著减小初始冰晶的尺寸，大幅增加界面冰晶的厚度。此外，与传统观点相反，微观结构还可以通过调节液滴的冻结行为对冰的类型产生决定性影响，扩大了有利于界面霜冰形成的环境参数范围。
有趣的是，超疏水表面能够在冰层融化过程中通过控制表面微观结构的尺寸将传统的固-液-冰接触形式转变为固-冰直接接触模式。这种方法避免了动态除冰过程中由液体张力和外部大气压力带来的额外吸附效应，显著缩短了混合冰与霜冰的除冰时间差异。具有上述表面特征的超疏水材料可以在无需额外的能量输入的前提下使除冰时间大幅减少56%左右，显著提升了热除冰效率。
本研究发现了一种有悖于传统观念的冰型演化理论，即冰的类型并非完全由外场环境决定，微观结构的尺度同样对冰型有着显著的影响。基于上述理论提出的微结构调控界面冰型策略可以在无需额外能耗的前提下显著提升流场环境中的热除冰效率，打破了传统超疏水除冰材料依赖于更高非润湿性能的设计理念，并建立了一套适用于动态热除冰体系的超疏水表面构建标准。该策略的应用不限制于特定的疏水材料体系与热除冰手段，是一种普遍适用于流场的新型除冰策略，具有全天候、大规模的应用潜力。
本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和博士后创新人才计划等项目的支持。
相关论文信息：//doi.org/10.1038/s41467-026-73960-x
团队简介：
午夜av 柔性成形技术及装备研究团队始终坚持“立足空天、服务国防”的科研理念，以高质量党建引领高质量发展，以服务国家和国防重大需求为牵引，系统开展柔性成形基础理论、关键技术攻关、数字化柔性精确成形装备研发与航空航天重大工程应用等工作。目前，团队具有国家级高层次人才、国家级青年人才（4人）、重大基础研究项目首席科学家（2人）、中国科协青年托举、博新计划等教师10名、博士研究生20余名、硕士研究生60余名。
团队承担某国家级人才项目、国家重大基础研究项目（2项）、国家重大转化项目、国家科技重大专项（07）、国家重点研发计划重点专项（4项，含课题）、领域基金重点项目、某领域预研项目、国家级青年人才项目（4项）、国家自然科学基金项目【重点（3项）、面上（9项）、青年（6项）、国合】以及江苏省重点研发计划重点项目、国际合作项目等30余项，千万级项目4项；另外承担国防军工型号预研、民口科技成果转化关键技术和工艺研发等企业横向项目等20余项。团队获授权专利110余件，美国专利2件，出版教材2部（国家级规划教材1部），学术专著6部（英文专著2部）、科普著作3部，发表学术论文240余篇【Nature Communications，Progress in Materials Science，International Journal of Machine Tools & Manufacture】，牵头制定国家标准4项；牵头荣获江苏省科学技术一等奖（2项）、军事科技进步二等奖、国防技术发明二等奖、教育部科技进步二等奖、日内瓦国际发明展特别金奖（大会最高奖）等省部级奖8项。
